孫付濤 韓 晨

(洛陽有色金屬加工設(shè)計(jì)研究院，河南471039)

國(guó)內(nèi)首臺(tái)鈦板帶爐卷熱軋機(jī)的工藝及配置特點(diǎn)

孫付濤 韓 晨

(洛陽有色金屬加工設(shè)計(jì)研究院，河南471039)

對(duì)國(guó)內(nèi)首臺(tái)應(yīng)用于有色金屬行業(yè)鈦板帶工業(yè)化生產(chǎn)爐卷熱軋機(jī)進(jìn)行了介紹，并且對(duì)該機(jī)組的工藝技術(shù)特點(diǎn)、設(shè)備配置特點(diǎn)、典型技術(shù)參數(shù)、關(guān)鍵部件等進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明，利用爐卷軋機(jī)生產(chǎn)鈦板帶材具有易于在線控溫且投資及生產(chǎn)成本低等顯著特點(diǎn)。

鈦及鈦合金；爐卷熱軋機(jī)；帶式法工藝流程

自美國(guó)于1932年研制出第一臺(tái)試驗(yàn)性爐卷軋機(jī)并于1949年正式應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)以來，到現(xiàn)在已有80多年的歷史。目前，國(guó)內(nèi)外爐卷軋機(jī)生產(chǎn)線超過了50臺(tái)套，主要應(yīng)用于鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)不銹鋼、管線鋼、船板鋼等[1-3]。

某有色金屬加工項(xiàng)目板帶車間選用了1臺(tái)工業(yè)化四輥可逆爐卷熱軋機(jī)，用于鈦及鈦合金板帶材的熱軋生產(chǎn)，在世界范圍內(nèi)首次將爐卷熱軋機(jī)應(yīng)用在有色金屬板帶材專業(yè)化生產(chǎn)領(lǐng)域。目前，該爐卷軋機(jī)已經(jīng)成功生產(chǎn)出2.0 mm×1 650 mm×L的TA2純鈦熱軋帶卷和3.0 mm×1 580 mm×L的TC4鈦合金熱軋帶卷，填補(bǔ)了我國(guó)軋制寬幅大卷重鈦及鈦合金熱軋帶卷的空白。

1 鈦板帶熱軋關(guān)鍵技術(shù)分析

1.1 材料性能要求

金屬鈦具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕、高溫性能好等優(yōu)點(diǎn)，具有重要的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景，因而被稱為“第三金屬”和“21世紀(jì)的金屬”[4- 5]。

板帶材是鈦及鈦合金加工材的主要產(chǎn)品，占鈦加工材消費(fèi)量的60%以上，主要應(yīng)用在國(guó)防軍工、航空航天、石油化工、制鹽制堿、冶金、船舶、海濱電站、醫(yī)療和體育等行業(yè)。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，鈦及鈦合金板帶材的市場(chǎng)需求量也快速提高，這給鈦板帶加工技術(shù)與裝備的發(fā)展帶來了機(jī)遇，但同時(shí)也對(duì)產(chǎn)品的力學(xué)性能、尺寸公差、表面質(zhì)量、使用性價(jià)比等提出了更高的要求。

鈦及鈦合金熱軋溫度范圍窄，變形抗力大，在高溫下金屬活潑，容易氧化。鈦板帶的變形抗力、熱傳導(dǎo)率以及表面氧化皮的化學(xué)成分和厚度是制定熱軋工藝的重要參考，也是決定著軋機(jī)機(jī)架、去除氧化皮裝置的設(shè)備設(shè)計(jì)和機(jī)組配置。

目前國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)企業(yè)普遍利用專門建設(shè)的爐卷軋制生產(chǎn)線或鋼鐵企業(yè)的熱連軋機(jī)或爐卷軋機(jī)進(jìn)行大規(guī)格錠坯的熱軋開坯。大規(guī)格中厚板采用塊式法進(jìn)行直接軋制生產(chǎn)，軋制過程中如果溫降不能滿足工藝要求，利用軋機(jī)在線配置的加熱爐進(jìn)行線上補(bǔ)熱。薄規(guī)格的純鈦采用熱軋卷供坯，后續(xù)進(jìn)行帶式法冷軋，而TC4等鈦合金薄板也在以往塊式法生產(chǎn)的基礎(chǔ)上開始試驗(yàn)以帶式法進(jìn)行冷軋[6]。

1.2 純鈦的帶式法生產(chǎn)工藝流程

純鈦的帶式法生產(chǎn)工藝流程為：錠坯→鍛造→加熱→熱軋→(補(bǔ)熱)→(二次熱軋)→在線精整剪切→爐卷軋制→(層流冷卻)→地下卷取→(退火)→拋丸酸洗→冷粗軋→表面清洗→中間退火→冷精軋→成品清洗→真空退火→表面修磨→拉彎矯直→成品剪切→檢查/包裝。

1.3 鈦及鈦合金板帶熱軋工藝特點(diǎn)

在上述生產(chǎn)工藝流程中，熱軋工藝技術(shù)和裝備是鈦及鈦合金板帶材生產(chǎn)過程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。相比于鋼鐵、銅鋁等金屬板帶的生產(chǎn)，鈦及鈦合金板帶的生產(chǎn)需考慮以下特性：

(1)鈦的晶體結(jié)構(gòu)為密排六方，力學(xué)性能呈現(xiàn)出顯著的各向異性，常溫下僅有三個(gè)滑移面(基面、棱錐面、棱柱面)和一個(gè)滑移方向(鈦有兩種同質(zhì)異晶體：882℃以下為密排六方的α鈦，882℃以上為體心立方的β鈦)，鈦晶體變形難度大，具有較高的屈服極限。

(2)鈦在高溫下與氧親和力強(qiáng)，加熱初期，金屬表面會(huì)形成一層致密的氧化膜，可阻止氧進(jìn)一步向基體擴(kuò)散；當(dāng)加熱到500℃以上時(shí)，鈦氧化膜成為多孔狀，變厚且易剝落，氧元素通過膜中的小孔不斷向基體擴(kuò)散，在鈦內(nèi)部形成硬脆層，使其塑性降低；加熱到650℃以上時(shí)，鈦與氧反應(yīng)強(qiáng)烈；加熱到700℃以上時(shí)，開始與氮發(fā)生反應(yīng)，形成表面吸氣層，會(huì)惡化鈦的變形性能。另外，在還原性氣氛中加熱時(shí)，鈦的吸氫效應(yīng)特別強(qiáng)烈，會(huì)使氫擴(kuò)散到金屬內(nèi)部，降低其塑性[7- 8]。

(3)鈦的熱軋溫度范圍窄，金屬溫降快，軋制時(shí)的變形抗力大，加工硬化顯著。另外，如果軋制時(shí)的道次壓下率過大或軋制速度過高，不僅熱軋坯料咬入困難，而且容易出現(xiàn)軋制開裂，產(chǎn)品表面質(zhì)量差，坯料與軋輥出現(xiàn)粘結(jié)等現(xiàn)象。

由于以上問題的存在，鈦及鈦合金板帶的熱軋工藝和設(shè)備需針對(duì)其特性進(jìn)行專門的開發(fā)和設(shè)計(jì)[9]。例如，有針對(duì)性地制定鈦錠坯熱軋工藝制度，確定加熱爐和補(bǔ)熱爐等爐型，選擇加熱爐和補(bǔ)熱爐用保護(hù)性氣體，確定補(bǔ)熱爐的長(zhǎng)度等規(guī)格及布置位置，確定軋機(jī)軋制力及輥系組成與規(guī)格，選擇工藝潤(rùn)滑介質(zhì)，制定坯料表面一次和二次氧化皮的去除技術(shù)，確定熱軋生產(chǎn)線設(shè)備部件的組成和布置等。

2 爐卷軋機(jī)主要設(shè)備配置特點(diǎn)

某項(xiàng)目選擇的四輥可逆爐卷軋機(jī)生產(chǎn)線主要由加熱爐、補(bǔ)熱爐、兩座卷取加熱爐、粗除鱗系統(tǒng)、二次除鱗系統(tǒng)、對(duì)中導(dǎo)尺、立輥軋機(jī)、飛剪、層流冷卻系統(tǒng)、熱矯直機(jī)、定尺剪、冷床、板材下料及堆垛機(jī)、地下卷取機(jī)、噴號(hào)系統(tǒng)等部分組成。

2.1 主軋機(jī)設(shè)備參數(shù)

爐卷軋機(jī)熱軋線的主要部分是四輥可逆爐卷軋機(jī)主機(jī)架，由牌坊、底座、工作輥、支撐輥、工作輥軸承座、支撐輥軸承座、支撐輥平衡裝置、工作輥和支撐輥夾緊裝置、工作輥彎輥系統(tǒng)、工作輥竄輥系統(tǒng)、液壓缸、壓下螺絲、調(diào)整墊、壓下螺絲維護(hù)平臺(tái)、機(jī)架輥、除鱗集管、軋輥冷卻和工藝潤(rùn)滑系統(tǒng)、排煙系統(tǒng)等部分組成。設(shè)備技術(shù)參數(shù)如下：

(1)最大軋制力/kN：65 000；

(2)軋機(jī)最大開口度/mm：300；

(3)軋制最高速度/(m/min)：600；

(4)支撐輥直徑/mm：?1 800；

(5)工作輥直徑/mm：?850；

(6)軋輥長(zhǎng)度/mm：2 000。

2.2 卷取加熱爐設(shè)備參數(shù)

在軋機(jī)的兩側(cè)分別對(duì)稱布置一個(gè)卷取加熱爐，距離軋機(jī)機(jī)架中心線約10 m。加熱爐主要由爐子本體、加熱爐襯料、防護(hù)保護(hù)欄、煙道、燃燒系統(tǒng)、加熱爐支撐、通道平臺(tái)和樓梯、換熱器等部分組成。其中爐子控制系統(tǒng)由PLC、溫度控制器、熱電偶、壓力計(jì)、光學(xué)高溫計(jì)、空氣和燃?xì)饬髁績(jī)x等部分組成。加熱爐支架由重型結(jié)構(gòu)鋼制造，立柱框架安裝在地基上。加熱爐主要設(shè)備參數(shù)如下：

(1)爐內(nèi)帶材最大卷徑/mm：?2 000；

(2)最大帶材卷取厚度/mm：22；

(3)卷取爐內(nèi)部寬度/mm：3 000；

(4)卷鼓直徑/mm：?1 350；

(5)轉(zhuǎn)鼓卷取最大張力/kN：400；

(6)卷取爐最高溫度/℃：1 300；

(7)爐溫均勻性/℃：±10；

(8)轉(zhuǎn)鼓材質(zhì)：40NiCrSi。

2.3 立輥軋機(jī)設(shè)備參數(shù)

立輥軋機(jī)主要用于鑄錠及中間板坯道次軋制前的邊部軋制和寬度控制，能夠有效地改善金屬的邊部變形能力，減少邊部開裂。立輥軋機(jī)設(shè)置在爐卷軋機(jī)后，主要由立輥牌坊、立輥、液壓缸、機(jī)架輥、壓下輥、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等部分組成。立輥軋機(jī)的主要工藝設(shè)備參數(shù)如下：

(1)最大軋制力/kN：6 000；

(2)立輥形狀：錐形，錐形角度為3.5°；

(3)立輥高度/mm：600；

(4)立輥開口度/mm：500～2 200；

(5)單側(cè)最大壓下量/mm：30。

2.4 飛剪設(shè)備參數(shù)

飛剪主要用于軋制中間過程中的帶坯及成品板帶材的頭尾剪切，其特點(diǎn)是可以在軋制過程中不停機(jī)進(jìn)行連續(xù)運(yùn)動(dòng)剪切，生產(chǎn)效率高，該飛剪位于爐卷軋機(jī)后。飛剪主要由底座、飛剪牌坊、轉(zhuǎn)鼓、剪刃、剪刃鎖緊機(jī)構(gòu)、鏈接齒、剪刃間隙調(diào)整裝置、噴水系統(tǒng)和潤(rùn)滑系統(tǒng)等組成。飛剪的主要工藝設(shè)備參數(shù)如下：

(1)剪切溫度/℃：800～1 200；

(2)剪切最大速度/(m/s)：3.5；

(3)最大剪切力/kN：9 800；

(4)剪切轉(zhuǎn)鼓數(shù)量：2個(gè)。

2.5 層流冷卻系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)

帶材層流冷卻系統(tǒng)布置在爐卷軋機(jī)后，主要用于軋制結(jié)束帶材的ACC加速冷卻、合金高溫固溶、控制合金相變以及通過適當(dāng)?shù)臏囟全@取要求的微觀組織等。層流冷卻系統(tǒng)主要由冷卻集管、在線和離線旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、吹掃集管、潤(rùn)滑系統(tǒng)、機(jī)上配管等部分組成。

層流冷卻系統(tǒng)主要分為三段，即強(qiáng)冷段(動(dòng)力冷段)、正常冷卻段、精冷段。配置特點(diǎn)包括：輸出冷卻系統(tǒng)為U型管，水槽位于上部，下部帶有多噴嘴集管；集管根據(jù)帶材厚度、速度、入口溫度使用關(guān)閉閥門進(jìn)行自動(dòng)控制，以便獲取最終產(chǎn)品冶金性能；每個(gè)集管可以通過液壓缸進(jìn)行傾翻，允許將廢帶移出，便于輥道維護(hù)，傾翻角度最大可達(dá)90°；上下集管可單獨(dú)進(jìn)行流量控制；側(cè)噴系統(tǒng)用于清除帶材表面水泡和積水。層流冷卻區(qū)的工藝設(shè)備主要參數(shù)如下：

(1)帶材冷卻后的最低溫度/℃：350；

(2)冷卻段長(zhǎng)度/m：50；

(3)層流冷卻水流量/(m3/h)：6 800。

2.6 地下卷板機(jī)設(shè)備參數(shù)

地下卷取區(qū)主要由卷取機(jī)前可調(diào)入口側(cè)導(dǎo)板系統(tǒng)、卷取機(jī)前夾送輥導(dǎo)入系統(tǒng)、地下成品卷取機(jī)等部分組成。卷取機(jī)前夾送輥導(dǎo)入系統(tǒng)主要由支撐架、夾送輥旋轉(zhuǎn)架、上夾送輥、下夾送輥、上夾送輥縫調(diào)整系統(tǒng)、壓下輥、傳動(dòng)系統(tǒng)、水噴集管等部分組成。地下卷取機(jī)用于成品帶材的卷取，主要由卷取機(jī)支架、芯軸、芯軸冷卻系統(tǒng)、芯軸膨脹和收縮系統(tǒng)、芯軸軸承、助卷輥、助卷輥支臂、助卷輥冷卻系統(tǒng)、助卷輥驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、外支撐軸承、支撐臂、機(jī)上配管、潤(rùn)滑系統(tǒng)等部分組成。地下卷取機(jī)的主要工藝設(shè)備參數(shù)如下：

(1)卷材內(nèi)徑/mm：?800；

(2)卷材最大外徑/mm：?1 900；

(3)卷取帶材厚度/mm：2～8；

(4)帶卷最高卷取溫度/℃：600。

3 設(shè)備創(chuàng)新點(diǎn)分析

3.1 空氣吹掃裝置

由于爐卷熱軋機(jī)組要考慮在線控溫和反饋在線調(diào)整控制，即實(shí)現(xiàn)完全控制軋制和控制冷卻，因而，軋制過程中和軋制終了時(shí)板帶材在線溫度測(cè)量值的準(zhǔn)確性顯得尤為重要。目前，在熱軋后和層流水冷卻前，鈦板帶材表面一般殘留有工藝潤(rùn)滑介質(zhì)如水滴、乳液等，而在層流水冷卻后其表面更會(huì)殘留有一層水膜。水滴、乳液、水膜等液態(tài)介質(zhì)在鈦板帶材表面的存在大大降低了溫度測(cè)量?jī)x所測(cè)量的溫度精度，不能真實(shí)地反映板帶材自身的實(shí)際溫度，最終影響了產(chǎn)品的組織和力學(xué)性能，甚至造成產(chǎn)品質(zhì)量不合格。

因而，在層流水冷卻前后，如何通過工藝、設(shè)備、電氣控制等手段來減少甚至消除因水、乳液、水膜等液態(tài)介質(zhì)對(duì)鈦熱軋板帶材測(cè)量溫度值的影響顯得非常重要。

根據(jù)以上分析，在層流冷卻工段之前、之后均設(shè)置有高壓壓縮空氣進(jìn)行吹掃，以便及時(shí)將金屬板帶材表面的水膜去除，保證測(cè)溫精度。同時(shí)將高壓壓縮空氣吹掃裝置設(shè)計(jì)為可開閉形式，即工作時(shí)空氣吹掃裝置在輥道上方，對(duì)板帶材表面進(jìn)行吹掃；當(dāng)不工作時(shí)，由液壓缸將空氣吹掃裝置擺動(dòng)最大約90°，從而滿足翹頭和軋制失敗時(shí)板帶材能夠順利通過該區(qū)域。高壓壓縮空氣的壓力為0.6 MPa ～0.7 MPa，流量為80 Nm3/min。

3.2 卷取前對(duì)中導(dǎo)板裝置

在軋制金屬板帶材時(shí)，為軋制到工藝厚度時(shí)，必須進(jìn)行精整、包裝等工序，如：切除板帶材頭尾部、長(zhǎng)度定尺剪切、多輥矯直、帶材卷取等。為了保證以上生產(chǎn)工序的順利進(jìn)行，并且滿足產(chǎn)品的外形、尺寸和精度等要求，在這些工序之前都要對(duì)金屬板帶材進(jìn)行機(jī)械對(duì)中。

以往設(shè)計(jì)的對(duì)中導(dǎo)板裝置均為單對(duì)導(dǎo)板，導(dǎo)板依靠單一功能的位移控制液壓缸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，基本上能夠滿足厚度變化小、長(zhǎng)度不大、側(cè)彎程度輕、生產(chǎn)速度低的金屬板帶材的生產(chǎn)需求。但是，本項(xiàng)目爐卷軋機(jī)需要能夠同時(shí)生產(chǎn)較長(zhǎng)帶材、較短板材、厚度范圍變化大的板帶材，并且在生產(chǎn)速度提高、板帶材側(cè)彎程度較大的情況下，如果仍使用以往設(shè)計(jì)的對(duì)中導(dǎo)板裝置，會(huì)造成損壞設(shè)備，薄帶被夾持變形，對(duì)中導(dǎo)板裝置無法投入使用等生產(chǎn)問題。

根據(jù)以上分析，該四輥可逆爐卷軋機(jī)地下卷取機(jī)前采用了復(fù)合功能的金屬板帶材對(duì)中導(dǎo)板裝置。復(fù)合功能金屬板帶材對(duì)中導(dǎo)板裝置由位移控制大液壓缸、壓力控制小液壓缸、大對(duì)中導(dǎo)板、小對(duì)中導(dǎo)板、隨動(dòng)錐形導(dǎo)板等部件組成。以上部件均為設(shè)備及板帶材中心線對(duì)稱。大對(duì)中導(dǎo)板受位移控制大液壓缸控制，主要進(jìn)行位置控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)中導(dǎo)板裝置的整體開閉合。當(dāng)金屬板帶材厚度大于5 mm，側(cè)彎程度較輕時(shí)，大對(duì)中導(dǎo)板單獨(dú)投入使用即可滿足板帶的對(duì)中要求。小對(duì)中導(dǎo)板受壓力控制小液壓缸控制，主要進(jìn)行壓力控制。當(dāng)大對(duì)中導(dǎo)板完成位置控制后，小對(duì)中導(dǎo)板由壓力控制小液壓缸驅(qū)動(dòng)進(jìn)行壓力調(diào)整，此時(shí)大、小對(duì)中導(dǎo)板復(fù)合使用，實(shí)現(xiàn)高速下不同厚度、不同側(cè)彎程度金屬板帶材的精確對(duì)中。小對(duì)中導(dǎo)板及壓力控制小液壓缸固定在大對(duì)中導(dǎo)板上，隨大對(duì)中導(dǎo)板整體移動(dòng)。隨動(dòng)錐形導(dǎo)板的開閉合受大液壓缸控制，主要對(duì)金屬板帶材的頭部進(jìn)行機(jī)械引導(dǎo)，使其順利進(jìn)入對(duì)中導(dǎo)板裝置。

4 結(jié)語

該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，在不增大對(duì)中導(dǎo)板裝置所占用空間的前提下，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)不同厚度的鈦板帶、一定程度側(cè)彎的板帶、長(zhǎng)度較大的板帶、生產(chǎn)速度較高板帶的機(jī)械對(duì)中，充分滿足生產(chǎn)工藝需求及產(chǎn)品質(zhì)量要求。

本文介紹的四輥熱軋機(jī)是世界范圍內(nèi)首臺(tái)應(yīng)用在有色金屬鈦板帶專業(yè)化熱軋生產(chǎn)線的工業(yè)化爐卷軋機(jī)。該臺(tái)爐卷軋機(jī)不僅在有色金屬加工領(lǐng)域具有重要的意義，而且其成功生產(chǎn)出的大卷重純鈦熱軋帶卷和TC4鈦合金熱軋帶卷均填補(bǔ)了我國(guó)軋制寬幅大卷重鈦及鈦合金熱軋帶卷的空白。

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編輯 陳秀娟

Process and Configuration Features of the First Domestic Titanium Plate and Strip Hot Steckel Mill

Sun Futao，Han Chen

This paper introduces the first domestic titanium plate and strip hot steckel mill which applies in the non-ferrous metal industry, and analyzes the technological characteristics, equipment configuration features, typical technical parameters and key parts of the unit. The results show that the titanium plate and strip produced by the hot steckel mill has the advantages of easy online temperature control, low investment and low production cost.

titanium and titanium alloys；hot steckel mill；strip type of process flow

2016—08—04

孫付濤(1983—)，女，工程師，碩士，主要從事冶金設(shè)備設(shè)計(jì)。

TG333.7

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