冷轧纯钛卷生产技术综述

冷轧 纯钛 卷 生产 技术综述 陈文灶 （攀钢 钒 冷轧厂） 摘 要： 对工业纯钛卷的冷轧生产工艺过程及技术加以介绍。 纯钛冷轧板卷的生产主要由去氧化皮、冷轧及精整组成。 关键词： 冷轧 ;纯钛 ;带卷 0 引 言 钛作为金属材料，由于其具有比强度高、耐蚀性强、生物相容性好、无磁性等优点，不论在航空、航天、舰船、核能等高科技领域 , 还是在化工、冶金、汽车、建筑、食品等民用工业领域 , 以及在医疗、体育休闲等民生领域 都 得到了广泛的应用，被称为 “太空金属 ”、 “海洋金属 ”、 “智能金属 ”等。从2007 年开始，我国钛工业取得快速 发展，生产量和消费量成倍增长，在此背景下，国内钛材生产厂家加快 了对 钛材高端产品 冷轧纯钛 卷 的研究和开发 。 冷轧纯钛 卷 带 主要用于发电站冷凝器、板式换热器 以及 化工、建筑等方面 。 1 生产工艺概述 纯钛冷轧板 卷 的生产主要由去氧化皮、冷轧及精整组成。纯钛冷轧板 卷 的生产设备与 生产 钢及黄铜板 卷 所使用的设备基本机同。相比之下， 生产 纯钛冷轧 卷 材所使用的唯一不同的设备是真空退火炉，因为必须防止在热处理过程中冷轧钛材的表面氧化。 纯钛 卷 冷轧生产工艺主要包括：原料准备、热轧卷退火、热轧卷除鳞、酸洗、带钢表面修磨、冷轧、冷轧卷的热 处理、平整和精整等。典型的生产工艺流程为：热轧卷 空气退火 机械除鳞酸洗 修磨 冷轧 中间退火 二次冷轧 产品退火 平整 精整 产品 。 2 原料 国内目前没有相应的 冷轧用热轧钛卷 标准 ， 只有钛 板材 的 国 家 标准 。 日本冷轧钛卷用料一般为（ 3 6） （ 600 1 600） L，单卷重量在10 t 以下。 3 空气 退火 热轧带卷由于 在 热 轧 过程 中 的 各部 分 差别 产生 微小的材质不均匀性 以及轧后 冷却不均匀产生残余应力 造成 板形缺陷， 这些因素 被认为 对冷轧性能及最终产品的质量是有 影响的，因此，通常通过退火 再结晶 消除应力 、 矫正板形 并 使材质均匀化。 热轧卷的退火采用空气退火炉 。但随着热轧、冷轧技术的发展 ，与钢材一样 ,其必要性正在减小，省去热轧带卷的退火 将逐步 地成为 趋势 。 4 机械除磷酸洗 退火后的 热轧钛卷 表面不仅存在有热轧、退火产生的氧化皮，而且还残存有热轧时的表面缺陷以及在铸坯加热时由于氧的扩散而产生的表面硬化层。这些因素是产生冷轧钛材表面缺陷 、尤其是冷轧钛带卷表面条状缺陷 的主要原因 。 除磷 酸洗的目的是 在 冷轧前将其完全除去。 由于钛 卷 热轧 及 空气 退火 后生成的氧化皮及吸气层与基体金属 牢固地连在一起，在腐蚀介质中也具有很高的耐蚀性，故普通带钢酸洗线（一般采用单酸酸洗，如仅采用盐酸）无法将其清洗干净，需采用 “机械除鳞 +混酸酸洗 ”工艺才能清理干净氧化钛皮及吸气层。 机械除鳞一般采用喷丸的方法促使致密的氧化钛疏松； 酸洗一般采用（硝酸 +氢 氟酸）或（硫酸 +氢 氟酸）的混合酸溶液。 由于硝酸既能降低腐蚀度亦能减少吸氢量，故一般采用 酸洗工艺 。 为获得良好的酸 4 2010 年第 33 卷第 6 期 洗效果和减少吸氢量，要严格控制 择合适的酸洗时间和酸洗温度。 钛的酸洗是放热反应 ,随时间增加酸的温度上升 ,为 避免过度的酸洗需要 注意 控制酸的温度。 5 带卷表面修磨 热轧时产生的表面缺陷或表面硬化层，如果经除鳞 酸洗 后 不能完全除去时，须通过机械修磨除去。带卷表面修磨，使用高速回转的宽幅修磨带，对带材表面进行连续修磨，每道次的修磨量约为 10 6 纯钛卷冷轧 纯钛的冷加工特性 纯钛是六方晶格金属，并形成特异的集合组织（晶粒的每个晶粒方位与特定方向一致的现象），因而是一种各向异性显著的材料。与通常的拉伸试验推算的轧制压力相比，实际轧制压力要高出很多，因此在冷轧时，多采用能轧制高变形抗力材料的、精 度良好的多辊轧机，如 20 辊森吉米尔轧机和六辊轧机。 图 1 为纯钛的加工硬化曲线 1，其加工硬化程度并不是十分的强烈，到 50%变形的时候抗拉强度接近 800 50%变形加大到 80%后抗拉强度并无明显的上升趋势。但由于钛的各项异性，反弹力较大，在轧制的时候道次和道次变形量的设定需要考虑其影响。 由于钛是活泼性金属，冷轧时若道次压下量大或轧制速度快，轧辊和钛材会产生热粘现象，此时生成的微小磨损粉末附着在轧辊或钛材表面上，使成品表面粗糙。 引带的连接 在冷轧中，由于采用可逆轧制，带卷两端数米长的头 尾部分 (不均匀厚度 )不能被轧制，使成品率降低。因此，在冷轧前须将被称为引导带 (或服务带 )的小带卷 (长 10 m 左右 )连接于带卷两端，以减少钛卷头尾切除量，提高成品率。 轧制参数设定原则 轧制纯钛与钢相比，相同轧件尺寸其压下量、轧制速度都要低些，因此道次数也要多些；而轧制张力却需大些。 轧制道次更多的 主要原因有三点：一是由于纯 图 1 纯钛加工硬化曲线 钛的回弹性较大，不宜使用大变形轧制； 二是由于大变形会产生热粘现象，容易造成带材表面的粗糙 ； 三是由于大变形造成轧制过程中产生 较大 的变形热， 容易 造成粘辊。 不宜用较高的轧制速度 是 因为 轧制纯钛 时 选用 能够带来良好润滑性能的 油 或 乳化液 作为冷却介质 以 降低轧制力， 但冷却性不及 一般 乳化液，因此在较高速度下轧制，造成辊缝处温度很高 ； 纯钛的导热性很差，这样便会造成粘辊的现象，表面质量得不到保障。 在张力方面， 东北大学吴迪教授 等 对钛板的张力冷轧研究 结果 2及钛 带冷轧 轧制规程 实例 3表明 ， 要实现 钛材的大压下量冷轧，必须在适当 大 的张力作用下进行。 7 冷轧带卷退火 冷轧带卷的退火有轧后的中间退火和成品退火。冷轧一个 轧程后，由于加工硬化 变得 质地坚硬，需 要 通过 再结晶 以改变 其组织结构，使之软化 后继续加工 ， 因此 需要进行轧后中间退火处理 。为了达到所要求的机械性能，必须对冷轧加工硬化的材料进行成品退火。 钛是非常容易氧化的金属，高温下既使在微量的氧气气氛中也会产生氧化膜 、 形成回火色，因此 冷轧带卷的退火一般 是 在真空中或氩气等惰性气体保护气氛的退火炉中处理 ； 也有采用连续式退火（一般在大气中进行）处理 ，再通过碱性0 10 20 30 40 50 60 70 80 冷轧变形程度 /% 延伸率/%抗拉强度,屈服点/00 300 400 500 600 700 800 900 0 10 20 30 40 50 60 70 80 服点 抗拉强度 10 20 30 40 50 攀 钢 技 术 5 冷轧变形程度延伸率/%抗拉强度,屈服点/20 30 400 50 60 70 80 90 0 10 20 30 40 50 60 70 80 服点 抗拉强度 10 20 30 40 50 10 20 30 40 50 60 70 80 熔融盐浴、酸洗，除去其表面氧化皮。 纯钛的再结晶温度随杂质成 分 及冷加工程度不同有差异，约为 450 550 ，因此其退火温 度范围一般为 600 （长时间保温） 800 （短时间保温）。如果退火温度高或退火时间长，伴随着再结晶晶粒的成长材质发生软化，其成形加工性能得到提高，但另一方面，也会出现发生表面粗糙的弊端。 因此设定钛的退火温度及时间等 退火 条件是很重要的。 真空退火 实施真空退火时，事前应对带材进行清洗 。 钛卷在冷轧过程中，钛卷表面粘附有轧制油，如不进行脱脂处理就进行真空退火处理将造成钛卷表面花斑、色差，影响表面质量；因此，实施退火前应对带材进行清洗， 以 完全除去冷轧油等油脂，提高钛材表面光洁度 。脱脂处理 一般采用碱性 清洗液。 清洗后的冷轧钛卷被装入真空退火炉内，真空排气后进行加热 。 为了使材质均匀化，应尽量使带卷内外的温度相同 ，为此采取了种种对策 ； 其中一种方法如图 2 所示 1， 采用分阶段升高加热温度，借以缓和受加热体辐射加热的带卷外层与主要以传导加热的带卷内层的温度差 ； 另一方面 是控制 真空退火炉的炉内气氛，利用真空排气排除空气一定时间后，用惰性气体 置换，而且用风机强制循环，通过对流热传导 促 使温度均匀化。此外，在400 600 保持真空排气状态，其目的是为了散发在清洗时未能完全除去的表面油 分 ，从而得到比较清 洁 的表面。 图 2 真空退火加热曲线示意 连续式退火 冷轧带卷的 连续 退火与热轧带卷的退火 方式相同， 通常 在同样的连续式退火设备上进行。图 3为连续式退火机组的一种类型 1， 主要由以下 3 台设备组成 : 1）热处理用悬链式空气退火炉 ； 2）除鳞用的喷丸机或碱性熔融盐槽 ； 3）酸洗用硝氟酸或硫氟酸槽 。 图 3 钛卷 连续式退火机组 炉温 度 真空度 时间 出炉 约 650 约 400 真空度温度真空排气开始加热开始冷却开始通入高 卷材温度 空气退火炉 冷却区 张力卷取机 出口侧活套 检查台 开卷机 焊接机 喷丸处理 酸洗槽 水洗槽 盐浴槽 入口侧活套 热水洗 6 2010 年第 33 卷第 6 期 空气 连 续 式 退 火 处 理 的 退 火 温 度 为700800 ，保温时间为数 10 s 左右。由于采用悬链式退火炉，退火时可以改善板形，能够减小精整加工中板形矫正的负荷。 冷轧卷退火 工艺 与热轧卷退火 工艺 的不同点在于除去氧化皮，对于热轧卷通常采用喷丸处理 ，而对于冷轧卷则进行熔融盐 (食盐 )处理。这是因为热轧带卷表面复盖 的是 坚固的厚氧化皮，用喷丸法能有效地除去 ； 而冷轧带卷 表面复盖的 是在短时间空气退火中形成的 、 极薄的 氧化皮 ，通过短时间地与熔融盐反应能够充分地除去，而且在 带 厚较薄的时候， 采用喷丸处理会使板形恶化 。 碱洗采用 380 450 的 80% 碱洗工艺存在较大缺点：介质温度接近 450 ，以氢氧化钠为基的高温熔体与钛的反应能力相当强，故容易造成薄细断面半成品的着火，此外，碱洗造成的金属损失也较大。 用碱性熔融盐去除氧化皮后进行酸洗。酸洗的重点是确保表面的美观程度及所要求的表面状态 。通过控制硝氟酸水溶液的浓度、温度及反应时间 来控制必要的酸洗 程度 。 8 平整 平整是对退火后的钛卷进行总变形量 3% 5%的轻微冷轧，其目的是： 改善产品的力学性能，保证产品的成形加工性； 修正板形，得到平直的钢板； 根据用户的使用要求，加工光面或麻面板，并改善表面质 量。 对于主要为边 浪 的板形缺陷，采用轧机进行平整轧制 ； 而对于翘曲的板形，采用拉伸矫直机或辊式矫直机进行拉弯矫直或反复弯曲矫直是有效的。 须特别指出的是，钛的弹性模量较小 (约为钢铁材料的 60%)，在总变形量中弹性变形所占的比例较大 (弹性回复大 )，其板形矫直较为困难。 9 精整 平整后的产品需根据定货的尺寸要求进行切边、切条或横切等精整工序和经过表面、质量检验后，才能成为成品出厂。 钛 在 剪切中需要注意的是剪切 工具易于磨损及伴随而生的端面毛刺。因为钛 化学性质 活泼 ， 热传导率较小，在剪切加工时会产生剧烈的发热及蓄热 ，引起剪刃的磨损。此外，带材表面上虽然很薄 ，但很致密 及 坚固的氧化膜对其也有影响。 10 产品 国内目前没有相应的冷轧钛卷标准，只有钛 带国 家 标准 ， 国家标准 3622及钛合金带、箔材规定 的 冷轧钛 带 ， 规格 （ （ 50 500） L， 厚度、宽度允许偏差见表 1。 表 1 冷轧钛带 尺寸允许偏差 度 厚度允许偏差 宽度允许偏差 普通精度 较高精度 1 结语 钛是 20 世纪 50 年代发展起来的一种重要金属，是新兴的结构和功能材料 ， 被誉为仅次于铁、铝的正在崛起的 “第三 ”金属 。 随着 钛材应用领域的拓展、深入 ，规模的 不断扩大， 对 钛材 的制取及 加 工 技术越来越重视，将促进钛材生产技术进步及效能提高， 降低生产成本。为此，在追寻钛的加工条件最佳化时有必要重新评价与钢铁或铜加工共用设备以提高综合生产效能为目标的生产条件。 攀 钢 技 术 7 参考文献 1 村冈一雄 有色金属加工 ,1996,(6):302 吴 迪 东北大学学报 (自然科学版 )29(10):14353 莫 畏 北京 :冶金工业出版社 ,2008:497编辑 姜敏 收稿日期： 2010 宝钢进军下游零部件产业 在做大做强钢铁主业的同时，宝钢集团开始打通上下游产业链，拓展 下游汽车零部件产业。 宝钢独资的两家汽车零部件生产公司上海宝钢热冲压零部件有限公司、上海宝钢液压成形零部件有限公司， 2010 年 10 月 18 日在上海市宝山区罗店工业园举行投产仪式。继车轮、变速阀等汽车零部件项目后，宝钢在拓展汽车零部件产业方面又进入了新的领域。 上海宝钢热冲压零部件有限公司一期工程计划产能 100 万件、总投资 元，主要产品是汽车安全件，包括 A 柱、 B 柱、 C 柱、车门防撞杆、前后保险杠、车顶加强梁、前挡板等。 上海宝钢液压成形零部件有限公司一期产能 50 万件，总投资 元，主要从事液压成形 零部件、相关模具、夹具、配套部件及总成的设计开发、生产制造、销售及相关技术及服务，研究与开发液压成形用管技术等。 目前，两家公司都属于宝钢旗下的宝钢金属有限公司，宝钢金属整合