CN108356088A - 一种纯钛大规格板材的生产加工方法 - Google Patents

Abstract

一种纯钛大规格板材的生产加工方法，包括采用EB电子束冷床熔炼炉生产的纯钛铸坯扁锭作为坯料，初步处理后，使用防氧化涂料板坯进行表面均匀涂覆，之后送入步进炉内，依次进行600~700℃预热段加热、850~880℃加热段加热和900~930℃均热段加热处理等操作。本发明的能够采用现有钢厂的生产设备大批量生产厚度≤200mm、宽度≤4000mm、长度≤20000mm的纯钛大规格板材，填补国内宽度＞2800mm、长度＞12000mm工业纯钛大规格板材的产品空白。同时，该加工方法可显著改善纯钛坯料一火加热过程过氧化导致的板材橘皮及麻点缺陷，有效减少了板材的修磨量，避免了钛金属材料的过多损耗，成品质量好。

Description

一种纯钛大规格板材的生产加工方法

技术领域

本发明涉及钛板的加工制备工艺技术领域，具体的说是一种纯钛大规格板材的生产加工方法。

背景技术

工业纯钛具有优异的耐蚀、力学及工艺性能，多用于制造耐蚀设备，尤其是热交换器、反应器、电解槽、管道、泵、阀等，在石油、化工、冶金、电力、环保等领域应用广泛，占钛及钛合金总用量60%以上。随着工业的进步以及装备大型化、可靠性和高结构效益的发展需求，钛金属设备的设计也朝着大型化、少焊缝的发展趋势不断前进，以减少焊缝区域的安全隐患，提高设备使用寿命。因此，工业领域对于大规格纯钛板的需求旺盛。

目前，国内现有专业钛厂受轧机设备限制，钛板加工宽度多为≤1220mm，最大仅能生产宽度≤2800mm、长度≤12000mm的板材，对于更大规格板材，没有成熟的技术和稳定的生产工艺，为技术空白。为满足大规格板材生产，需投资大型轧机及配套设备，投资巨大，显然不具有经济可行性，因此借助钢厂大型宽幅轧机及配套设备生产，为纯钛大规格板材制备提供了很好的思路。但是由于工业纯钛与钢铁本身在金属材料特性及加工工艺要求方面具有显著差异，且传统专业钛厂与钢厂在加热炉等设备上差异巨大，在纯钛大规格板材钢厂生产时，常常会遇到一些质量问题，对板材产品质量、成本、得料率等产生较大影响。例如，工业纯钛相比于钢铁热导率小，仅为钢的1/5，不易热透；纯钛高温下易氧化，生产大规格板使用190~350mm超厚EB铸坯更具成本效益。因为，一火轧制坯料的加热温度通常在β相变点以上(β相变点为880~900℃)，所需加热温度较高、加热时间较长，易沿坯料铸态粗大晶粒晶界处深入氧化，形成具有一定深度的氧化橘皮及氧化麻点缺陷，一火轧制后板坯打磨去除量大，尤其边部0~100mm范围内，过氧化缺陷更为严重，甚至无法使用，在设计阶段需要将坯料宽度额外增宽50~200mm，以保证定尺后成品规格，因此磨料及钛金属材料损耗大，成本高。此外，钢厂普遍采用高炉或转炉煤气和天然气混合气氛火焰烧嘴明火加热坯料，炉子结构为步进式加热炉，相比于传统专业钛厂电炉加热，坯料表面更易产生上述过氧化缺陷，问题尤为突出。

综上所述，需要开发一种纯钛大规格板材的加工方法，以解决纯钛大规格板材在钢企生产时产生的质量及成本问题，以实现纯钛大规格板材高质量、低成本批量化生产，并填补国内宽度＞2800mm、长度＞12000mm大规格纯钛板的产品空白。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种纯钛大规格板材的生产加工方法，该方法能够采用现有钢厂的生产设备大批量生产厚度≤200mm、宽度≤4000mm、长度≤20000mm的纯钛大规格板材，以填补国内宽度＞2800mm、长度＞12000mm工业纯钛大规格板材的产品空白。同时，该加工方法可显著改善纯钛坯料一火加热过程过氧化导致的板材橘皮及麻点缺陷，有效减少了板材的修磨量，避免了钛金属材料的过多损耗，成品质量好，有效满足了钛制设备现在及未来大型化的发展需求。

本发明为解决上述技术问题，所采用的技术方案是：一种纯钛大规格板材的生产加工方法，包括以下步骤：

步骤一、采用EB电子束冷床熔炼炉生产的纯钛铸坯扁锭作为坯料，之后，对坯料表面进行机加工、锯切和表面缺陷修磨去除后，制得厚度为190~350mm、宽度为1280~2400mm、长度为2100~3900mm的板坯，备用；

步骤二、采用防氧化涂料对步骤一制得的板坯进行表面均匀涂覆，以形成厚度为0.10~0.20mm的涂覆层，并置于阴凉处自然晾干，备用；

步骤三、将步骤二制得的板坯送入步进炉内，依次进行预热段、加热段和均热段的加热处理，其中，预热段的炉膛温度为600~700℃，保温2~3h，加热段的炉膛温度为850~880℃，保温时间系数为0.4~0.6min/mm，均热段的炉膛温度为900~930℃，保温时间系数为0.3~0.5min/mm，加热处理结束后，采用4200mm宽幅轧机对板坯进行一火轧制，并控制其变形量为40~90%，制得板材，备用；

步骤四、采用辊底炉对步骤三制得的板材进行连续退火，控制退火温度为620~720℃，退火保温时间当板材厚度h≤25mm时，为1.5min/mm*h+(20~50)min，当板材厚度h＞25mm时，为(50~80)min+2*(h-25)min；之后，采用热矫直机对板材进行板形矫正，使板材不平度≤5mm/m；

步骤五、采用抛丸酸洗法对步骤四制得的板材进行表面氧化层去除，定尺后，即得成品纯钛大规格板材。

进一步的，所述成品纯钛大规格板材的厚度≥60mm。

进一步的，当成品纯钛大规格板材的厚度＜60mm时，在板材进行连续退火前，需对一火轧制后的板材进行二次加热和二火轧制，且一火轧制后板材的厚度控制为60~150mm。

进一步的，所述二次加热和二火轧制的具体操作方法为：

将一火轧制后制得的板材再次置于步进炉内，依次进行预热段和均热段的二次加热处理，其中，预热段的炉膛温度为600~700℃，保温1~1.5h，均热段的炉膛温度为850~880℃，保温时间系数为0.6~1.0min/mm，二次加热处理结束后，采用4200mm宽幅轧机对板材进行二火轧制，并控制两次轧制的总变形量为50~90%。

进一步的，所述板材在一火轧制和二次加热之间，还设置有对板材进行表面修磨处理的步骤。

进一步的，所述表面修磨处理步骤的具体操作为：采用SiC材质砂轮对一火轧制后的板材进行扒皮，之后，采用千叶轮对其表面进行抛光。

进一步的，所述砂轮和千叶轮的型号为40~80#。

有益效果：

1、本发明提供的一种纯钛大规格板材的加工方法，无需新增设备投资，即可借助钢厂现有设备批量化稳定生产厚度≤200mm、宽度≤4000mm、长度≤20000mm的大规格纯钛板材，填补了现有技术中宽度＞2800mm、长度＞12000mm的大规格纯钛板的产品空白。同时，成品质量好，有效满足了钛制设备现在及未来大型化的发展需求。

2、本发明采用EB铸坯用于轧制坯料，相比于传统VAR熔炼锻造板坯，无需多次熔炼及锻造，生产流程短、金属材料损耗量小，板坯得料率高、生产成本低，尤其在大规格坯料制备方面更具优势，通过一次EB熔炼即可获得4~14吨可直接轧制的坯料。

3、本发明的加工方法，通过在一火轧制板坯表面涂覆适宜的防氧化涂料，同时优化板坯的加热工艺操作参数，最大限度的减少了板坯在880℃以上高温段的加热氧化时间，有效避免了EB铸态板坯表面晶界处及板坯边部过氧化缺陷的发生，从而大幅减少一火轧制后板材表面氧化橘皮及麻点缺陷的深度和广度。采用本发明的加工方法生产后，一火后板材的打磨量减少60%以上，同时边部50~200mm范围内无需切除，可用于正常成品轧制，从而大大的降低了打磨物料及钛材金属的损耗，板材得料率提高2%以上，打磨工序生产效率提升40%以上，生产成本得到降低，生产效率大幅提升。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的说明：

一种纯钛大规格板材的生产加工方法，包括以下步骤：

第一步、坯料准备：采用EB电子束冷床熔炼炉生产的铸坯扁锭做为轧制用坯料。铸坯经表面机加工、锯切及表面缺陷修磨去除后，制备出厚度190~350mm、宽度1280~2400mm、长度2100~3900mm可直接用于一火开坯轧制的坯料；

第二步、坯料表面处理：采用TZK-5型钛及钛合金专用防氧化涂料对坯料表面进行均匀涂覆，涂覆目标厚度0.10~0.20mm，涂覆后置于阴凉位置自然晾干。防氧化涂料可在一火开坯轧制坯料加热过程中进行防氧化保护，减少一火板氧化层深度，提高质量；

第三步、一火加热及轧制：采用步进炉进行加热，分为低温预热段、加热段及均热段。预热段炉膛温度600~700℃，保温时间2~3h，充分预热板坯；加热段炉膛温度850~880℃，保温时间系数按照0.4~0.6min/mm计算；均热段炉膛温度900~930℃，保温时间系数按照0.3~0.5min/mm计算。通过以上加热工艺设计，在板坯从室温升至轧制温度过程中，使板坯加热时间更多集中于低温预热段及加热段进行加热(β相变点温度以下)，以尽量缩短900~930℃高温段加热时间，同时结合防氧化涂料保护作用，实现减少过氧化风险。坯料加热结束后出炉，使用4200mm宽幅轧机进行一火轧制。一火轧制总变形量为40~90%；

对于成品厚度≥60mm板材，采用一火轧制出成品；对于成品厚度＜60mm板材，采用二火轧制出成品。当需要二火轧制时，一火轧制厚度控制在60~150mm，以避免二火轧制坯料加热时坯料过薄掉入炉膛风险，同时避免坯料过厚加热时间长，过氧化导致成品板产生表面橘皮、麻点缺陷风险；

第四步，半成品修磨：对一火半成品板进行扒皮、抛光修磨，去除表面氧化皮、起皮、压入等表面缺陷。使用SiC材质砂轮进行扒皮，使用千叶轮进行抛光，砂轮及千叶轮型号为40~80#。修磨后坯料表面均匀清洁，无钛屑、焊渣等异物粘附；

第五步，二火加热及轧制：采用步进炉进行加热，加热分为预热段、均热段。预热段炉膛温度600~700℃，保温时间1~1.5h；均热段炉膛温度850~880℃，保温时间系数0.6~1.0min/mm。保温结束出炉后，使用4200mm宽幅轧机进行二火轧制。二火轧程后的总变形量为50~90%；

第六步，成品退火：采用辊底炉进行连续退火，退火温度620~720℃；退火保温时间：当板材厚度h≤25mm时，保温时间为1.5min/mm*h+(20~50)min，当h＞25mm时，保温时间为(50~80)min+2*(h-25)min。退火结束出炉后，采用热矫直机进行板形矫正，板材不平度≤5mm/m；

第七步，成品表面处理：采用抛丸酸洗法去除板材表面氧化层。

本发明提供的一种可大批量生产纯钛大规格板材的加工方法，可生产厚度≤200mm、宽度≤4000mm、长度≤20000mm的大规格板材，填补了国内宽度＞2800mm、长度＞12000mm工业纯钛大规格板材的产品空白。同时，本专利加工方法，可显著改善一火纯钛坯料加热过程过氧化导致的一火板材橘皮及麻点缺陷，有效减少一火板材修磨量及钛金属材料损耗，生产的板材性能及质量符合并优于GB/T 3621-2007标准技术要求，并可实现大批量稳定生产，有效满足了钛制设备现在及未来大型化发展需求。

实施例1

TA2牌号16*3400*18500mm纯钛大规格板材制备

第一步、坯料准备：采用EB电子束冷床熔炼炉生产的铸坯扁锭做为轧制用坯料。铸坯经表面机加工、锯切及表面缺陷修磨去除后，制备出250*1350*3550mm一火轧制坯料。

第二步、坯料表面处理：采用TZK-5型钛及钛合金专用防氧化涂料对坯料表面进行均匀涂覆，涂覆厚度0.12mm，涂覆后置于阴凉位置自然晾干。

第三步、一火加热及轧制：采用步进炉进行加热，坯料装炉后，先后经过预热段、加热段及均热段。预热段膛温度600℃，保温时间2h；加热段炉膛温度880℃，保温时间按照125min；均热段炉膛温度900℃，保温时间100min。坯料加热结束后出炉，使用4200mm宽幅轧机以3550mm为宽进行一火轧制，得到尺寸为80*3550*4100mm一火半成品坯料，一火轧制总变形量68%。

第四步、半成品修磨：采用60#型号SiC砂轮及千叶轮对一火半成品板进行扒皮、抛光修磨，去除表面氧化皮、起皮、压入等表面缺陷。

第五步、二火加热及轧制：采用步进炉进行加热，坯料装炉后，先后经过预热段及均热段。预热段炉膛温度700℃，保温时间1h；均热段炉膛温度880℃，保温时间64min。保温结束出炉后，使用4200mm宽幅轧机进行二火轧制，得到尺寸为16*3550*20500mm的二火板材。二火轧制方向与一火相同，总变形量为80%。

第六步、成品退火：采用辊底炉进行连续退火，退火温度700℃，退火保温时间54min。退火结束后，采用热矫直机进行板形矫正，板材不平度≤4mm/m。

第七步、成品表面处理：采用抛丸酸洗方法去除板材表面氧化层，定尺后得到16*3400*18500mm规格成品板，产品性能符合GB/T 3621-2007标准技术要求。

实施例2

TA2牌号80*3600*5300mm纯钛大规格板材制备

第一步、坯料准备：采用EB电子束冷床熔炼炉生产的铸坯扁锭做为轧制用坯料。铸坯经表面机加工、锯切及表面缺陷修磨去除后，制备出350*1350*3750mm一火轧制坯料。

第二步、坯料表面处理：采用TZK-5型钛及钛合金专用防氧化涂料对坯料表面进行均匀涂覆，涂覆厚度0.14mm，涂覆后置于阴凉位置自然晾干。

第三步、一火加热及轧制：采用步进炉进行加热，坯料装炉后，先后经过预热段、加热段及均热段。预热段膛温度700℃，保温时间3h；加热段炉膛温度850℃，保温时间按照175min；均热段炉膛温度930℃，保温时间140min。坯料加热结束后出炉，使用4200mm宽幅轧机以3750mm为宽进行一火轧制，得到尺寸为80*3750*5750mm一火板材，一火轧制总变形量77%。

第四步、成品退火：采用辊底炉进行连续退火，退火温度650℃，退火保温时间170min。退火结束后，采用热矫直机进行板形矫正，板材不平度≤3mm/m.

第五步、成品表面处理：采用80#型号SiC砂轮及千叶轮对退火后板材进行扒皮抛光，去除表面氧化层及缺陷；然后采用抛丸酸洗方法进一步处理，得到更为均匀美观的钛板表面状态，定尺后得到80*3600*5300mm规格成品板，产品性能符合GB/T 3621-2007标准技术要求。

实施例3

TA2牌号14*3800*15000mm纯钛大规格板材制备

第一步、坯料准备：采用EB电子束冷床熔炼炉生产的铸坯扁锭做为轧制用坯料。铸坯经表面机加工、锯切及表面缺陷修磨去除后，制备出190*1280*3950mm一火轧制坯料。

第二步、坯料表面处理：采用TZK-5型钛及钛合金专用防氧化涂料对坯料表面进行均匀涂覆，涂覆厚度0.10mm，涂覆后置于阴凉位置自然晾干。

第三步、一火加热及轧制：采用步进炉进行加热，坯料装炉后，先后经过预热段、加热段及均热段。预热段膛温度650℃，保温时间2.5h；加热段炉膛温度870℃，保温时间按照95min；均热段炉膛温度910℃，保温时间76min。坯料加热结束后出炉，使用4200mm宽幅轧机以3950mm为宽进行一火轧制，得到尺寸为60*3950*3900mm一火半成品坯料，一火轧制总变形量68%。

第四步、半成品修磨：采用80#型号SiC砂轮及千叶轮对一火半成品板进行扒皮、抛光修磨，去除表面氧化皮、起皮、压入等表面缺陷。

第五步、二火加热及轧制：采用步进炉进行加热，坯料装炉后，先后经过预热段及均热段。预热段炉膛温度600℃，保温时间1.5h；均热段炉膛温度850℃，保温时间48min。保温结束出炉后，使用4200mm宽幅轧机进行二火轧制，得到尺寸为14*3950*16500mm的二火板材。二火轧制方向与一火相同，总变形量为76%。

第六步、成品退火：采用辊底炉进行连续退火，退火温度680℃，退火保温时间51min。退火结束后，采用热矫直机进行板形矫正，板材不平度≤3mm/m.

第七步、成品表面处理：采用抛丸酸洗方法去除板材表面氧化层，定尺后得到14*3800*15000mm规格成品板，产品性能符合GB/T 3621-2007标准技术要求。

实施例4

TA2牌号40*3200*14000mm纯钛大规格板材制备

第一步、坯料准备：采用EB电子束冷床熔炼炉生产的铸坯扁锭做为轧制用坯料。铸坯经表面机加工、锯切及表面缺陷修磨去除后，制备出350*1550*3900mm一火轧制坯料。

第二步、坯料表面处理：采用TZK-5型钛及钛合金专用防氧化涂料对坯料表面进行均匀涂覆，涂覆厚度0.20mm，涂覆后置于阴凉位置自然晾干。

第三步、一火加热及轧制：采用步进炉进行加热，坯料装炉后，先后经过预热段、加热段及均热段。预热段膛温度670℃，保温时间3h；加热段炉膛温度860℃，保温时间按照175min；均热段炉膛温度920℃，保温时间140min。坯料加热结束后出炉，首先使用4200mm宽幅轧机以1550mm为长进行轧制，轧长至3350mm时进行换向继续轧制，得到尺寸为100*3350*6150mm一火半成品坯料，一火轧制总变形量71%。

第四步、半成品修磨：采用40#型号SiC砂轮及千叶轮对一火半成品板进行扒皮、抛光修磨，去除表面氧化皮、起皮、压入等表面缺陷。

第五步、二火加热及轧制：采用步进炉进行加热，坯料装炉后，先后经过预热段及均热段。预热段炉膛温度650℃，保温时间1.5h；均热段炉膛温度870℃，保温时间80min。保温结束出炉后，使用4200mm宽幅轧机以3350为宽进行二火轧制，得到尺寸为40*3350*15300mm的二火板材。二火轧制方向与一火相同，总变形量为60%。

第六步、成品退火：采用辊底炉进行连续退火，退火温度660℃，退火保温时间90min。退火结束后，采用热矫直机进行板形矫正，板材不平度≤3mm/m。

第七步、成品表面处理：采用抛丸酸洗方法去除板材表面氧化层，定尺后得到40*3200*14000mm规格成品板，产品性能符合GB/T 3621-2007标准技术要求。

对比例1

采用相同的4200mm轧机及配套设备，同样制备TA2牌号16*3400*18500mm纯钛大规格板材，当不采用本专利技术进行生产时，即不采用防氧化涂料保护，并且一火轧制坯料加热在600℃预热后，直接在900℃高温均热段进行保温225min后出炉轧制，由于坯料加热过程中过氧化严重，坯料加热出炉轧制后获得的一火板材表面氧化橘皮及麻点缺陷深，头尾及边部80mm以内尤为严重不可用，一火板打磨去除量大，材料损耗大，生产成本高。

表1 采用本发明加工的产品组织类型及性能

由表1可见，本发明实施例1~4生产的纯钛大规格板材性能均满足并优于GB/T13810-2007 标准要求。与对比例1相比，本加工方法可显著降低一火轧制坯料加热过程中表面氧化程度，从而使半成品修磨平均单面去除厚度由1.2mm降低至0.3~0.4mm，打磨厚度去除量减少70.8%，大幅提升打磨瓶颈工序生产效率；同时，与对比例1相比，本加工方法一火轧后获得的半成品板材，边部氧化橘皮及麻点缺陷轻微，通过正常修磨方法即可去除用于成品轧制，因此无需在坯料设计阶段额外增大单边80mm坯料规格，得料率可提高4%以上，板材加工成本更低。

为了公开本发明的目的而在本文中选用的实施例，当前认为是适宜的，但是应了解的是，本发明旨在包括一切属于本构思和本发明范围内的实施例的所有变化和改进。

Claims (7)

1.一种纯钛大规格板材的生产加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、采用EB电子束冷床熔炼炉生产的纯钛铸坯扁锭作为坯料，之后，对坯料表面进行机加工、锯切和表面缺陷修磨去除后，制得厚度为190~350mm、宽度为1280~2400mm、长度为2100~3900mm的板坯，备用；

步骤二、采用防氧化涂料对步骤一制得的板坯进行表面均匀涂覆，以形成厚度为0.10~0.20mm的涂覆层，并置于阴凉处自然晾干，备用；

步骤三、将步骤二制得的板坯送入步进炉内，依次进行预热段、加热段和均热段的加热处理，其中，预热段的炉膛温度为600~700℃，保温2~3h，加热段的炉膛温度为850~880℃，保温时间系数为0.4~0.6min/mm，均热段的炉膛温度为900~930℃，保温时间系数为0.3~0.5min/mm，加热处理结束后，采用4200mm宽幅轧机对板坯进行一火轧制，并控制其变形量为40~90%，制得板材，备用；

步骤四、采用辊底炉对步骤三制得的板材进行连续退火，控制退火温度为620~720℃，退火保温时间当板材厚度h≤25mm时，为1.5min/mm*h+(20~50)min，当板材厚度h＞25mm时，为(50~80)min+2*(h-25)min；之后，采用热矫直机对板材进行板形矫正，使板材不平度≤5mm/m；

步骤五、采用抛丸酸洗法对步骤四制得的板材进行表面氧化层去除，定尺后，即得成品纯钛大规格板材。

2.根据权利要求1所述的一种纯钛大规格板材的生产加工方法，其特征在于：所述成品纯钛大规格板材的厚度≥60mm。

3.根据权利要求1所述的一种纯钛大规格板材的生产加工方法，其特征在于：当成品纯钛大规格板材的厚度＜60mm时，在板材进行连续退火前，需对一火轧制后的板材进行二次加热和二火轧制，且一火轧制后板材的厚度控制为60~150mm。

4.根据权利要求3所述的一种纯钛大规格板材的生产加工方法，其特征在于，所述二次加热和二火轧制的具体操作方法为：

将一火轧制后制得的板材再次置于步进炉内，依次进行预热段和均热段的二次加热处理，其中，预热段的炉膛温度为600~700℃，保温1~1.5h，均热段的炉膛温度为850~880℃，保温时间系数为0.6~1.0min/mm，二次加热处理结束后，采用4200mm宽幅轧机对板材进行二火轧制，并控制两次轧制的总变形量为50~90%。

5.根据权利要求4所述的一种纯钛大规格板材的生产加工方法，其特征在于：所述板材在一火轧制和二次加热之间，还设置有对板材进行表面修磨处理的步骤。

6.根据权利要求5所述的一种纯钛大规格板材的生产加工方法，其特征在于，所述表面修磨处理步骤的具体操作为：采用SiC材质砂轮对一火轧制后的板材进行扒皮，之后，采用千叶轮对其表面进行抛光。

7.根据权利要求6所述的一种纯钛大规格板材的生产加工方法，其特征在于：所述砂轮和千叶轮的型号为40~80#。