国内首台钛板带炉卷热轧机的工艺及配置特点

孙付涛 韩 晨

(洛阳有色金属加工设计研究院，河南471039)

国内首台钛板带炉卷热轧机的工艺及配置特点

孙付涛 韩 晨

(洛阳有色金属加工设计研究院，河南471039)

对国内首台应用于有色金属行业钛板带工业化生产炉卷热轧机进行了介绍，并且对该机组的工艺技术特点、设备配置特点、典型技术参数、关键部件等进行了分析。分析结果表明，利用炉卷轧机生产钛板带材具有易于在线控温且投资及生产成本低等显著特点。

钛及钛合金；炉卷热轧机；带式法工艺流程

自美国于1932年研制出第一台试验性炉卷轧机并于1949年正式应用于工业化生产以来，到现在已有80多年的历史。目前，国内外炉卷轧机生产线超过了50台套，主要应用于钢铁行业生产不锈钢、管线钢、船板钢等[1-3]。

某有色金属加工项目板带车间选用了1台工业化四辊可逆炉卷热轧机，用于钛及钛合金板带材的热轧生产，在世界范围内首次将炉卷热轧机应用在有色金属板带材专业化生产领域。目前，该炉卷轧机已经成功生产出2.0 mm×1 650 mm×L的TA2纯钛热轧带卷和3.0 mm×1 580 mm×L的TC4钛合金热轧带卷，填补了我国轧制宽幅大卷重钛及钛合金热轧带卷的空白。

1 钛板带热轧关键技术分析

1.1 材料性能要求

金属钛具有轻质、高强、耐腐蚀、高温性能好等优点，具有重要的应用价值和广阔的应用前景，因而被称为“第三金属”和“21世纪的金属”[4- 5]。

板带材是钛及钛合金加工材的主要产品，占钛加工材消费量的60%以上，主要应用在国防军工、航空航天、石油化工、制盐制碱、冶金、船舶、海滨电站、医疗和体育等行业。随着经济的发展和科技的进步，钛及钛合金板带材的市场需求量也快速提高，这给钛板带加工技术与装备的发展带来了机遇，但同时也对产品的力学性能、尺寸公差、表面质量、使用性价比等提出了更高的要求。

钛及钛合金热轧温度范围窄，变形抗力大，在高温下金属活泼，容易氧化。钛板带的变形抗力、热传导率以及表面氧化皮的化学成分和厚度是制定热轧工艺的重要参考，也是决定着轧机机架、去除氧化皮装置的设备设计和机组配置。

目前国内外生产企业普遍利用专门建设的炉卷轧制生产线或钢铁企业的热连轧机或炉卷轧机进行大规格锭坯的热轧开坯。大规格中厚板采用块式法进行直接轧制生产，轧制过程中如果温降不能满足工艺要求，利用轧机在线配置的加热炉进行线上补热。薄规格的纯钛采用热轧卷供坯，后续进行带式法冷轧，而TC4等钛合金薄板也在以往块式法生产的基础上开始试验以带式法进行冷轧[6]。

1.2 纯钛的带式法生产工艺流程

纯钛的带式法生产工艺流程为：锭坯→锻造→加热→热轧→(补热)→(二次热轧)→在线精整剪切→炉卷轧制→(层流冷却)→地下卷取→(退火)→抛丸酸洗→冷粗轧→表面清洗→中间退火→冷精轧→成品清洗→真空退火→表面修磨→拉弯矫直→成品剪切→检查/包装。

1.3 钛及钛合金板带热轧工艺特点

在上述生产工艺流程中，热轧工艺技术和装备是钛及钛合金板带材生产过程中的重点和难点。相比于钢铁、铜铝等金属板带的生产，钛及钛合金板带的生产需考虑以下特性：

(1)钛的晶体结构为密排六方，力学性能呈现出显著的各向异性，常温下仅有三个滑移面(基面、棱锥面、棱柱面)和一个滑移方向(钛有两种同质异晶体：882℃以下为密排六方的α钛，882℃以上为体心立方的β钛)，钛晶体变形难度大，具有较高的屈服极限。

(2)钛在高温下与氧亲和力强，加热初期，金属表面会形成一层致密的氧化膜，可阻止氧进一步向基体扩散；当加热到500℃以上时，钛氧化膜成为多孔状，变厚且易剥落，氧元素通过膜中的小孔不断向基体扩散，在钛内部形成硬脆层，使其塑性降低；加热到650℃以上时，钛与氧反应强烈；加热到700℃以上时，开始与氮发生反应，形成表面吸气层，会恶化钛的变形性能。另外，在还原性气氛中加热时，钛的吸氢效应特别强烈，会使氢扩散到金属内部，降低其塑性[7- 8]。

(3)钛的热轧温度范围窄，金属温降快，轧制时的变形抗力大，加工硬化显著。另外，如果轧制时的道次压下率过大或轧制速度过高，不仅热轧坯料咬入困难，而且容易出现轧制开裂，产品表面质量差，坯料与轧辊出现粘结等现象。

由于以上问题的存在，钛及钛合金板带的热轧工艺和设备需针对其特性进行专门的开发和设计[9]。例如，有针对性地制定钛锭坯热轧工艺制度，确定加热炉和补热炉等炉型，选择加热炉和补热炉用保护性气体，确定补热炉的长度等规格及布置位置，确定轧机轧制力及辊系组成与规格，选择工艺润滑介质，制定坯料表面一次和二次氧化皮的去除技术，确定热轧生产线设备部件的组成和布置等。

2 炉卷轧机主要设备配置特点

某项目选择的四辊可逆炉卷轧机生产线主要由加热炉、补热炉、两座卷取加热炉、粗除鳞系统、二次除鳞系统、对中导尺、立辊轧机、飞剪、层流冷却系统、热矫直机、定尺剪、冷床、板材下料及堆垛机、地下卷取机、喷号系统等部分组成。

2.1 主轧机设备参数

炉卷轧机热轧线的主要部分是四辊可逆炉卷轧机主机架，由牌坊、底座、工作辊、支撑辊、工作辊轴承座、支撑辊轴承座、支撑辊平衡装置、工作辊和支撑辊夹紧装置、工作辊弯辊系统、工作辊窜辊系统、液压缸、压下螺丝、调整垫、压下螺丝维护平台、机架辊、除鳞集管、轧辊冷却和工艺润滑系统、排烟系统等部分组成。设备技术参数如下：

(1)最大轧制力/kN：65 000；

(2)轧机最大开口度/mm：300；

(3)轧制最高速度/(m/min)：600；

(4)支撑辊直径/mm：∅1 800；

(5)工作辊直径/mm：∅850；

(6)轧辊长度/mm：2 000。

2.2 卷取加热炉设备参数

在轧机的两侧分别对称布置一个卷取加热炉，距离轧机机架中心线约10 m。加热炉主要由炉子本体、加热炉衬料、防护保护栏、烟道、燃烧系统、加热炉支撑、通道平台和楼梯、换热器等部分组成。其中炉子控制系统由PLC、温度控制器、热电偶、压力计、光学高温计、空气和燃气流量仪等部分组成。加热炉支架由重型结构钢制造，立柱框架安装在地基上。加热炉主要设备参数如下：

(1)炉内带材最大卷径/mm：∅2 000；

(2)最大带材卷取厚度/mm：22；

(3)卷取炉内部宽度/mm：3 000；

(4)卷鼓直径/mm：∅1 350；

(5)转鼓卷取最大张力/kN：400；

(6)卷取炉最高温度/℃：1 300；

(7)炉温均匀性/℃：±10；

(8)转鼓材质：40NiCrSi。

2.3 立辊轧机设备参数

立辊轧机主要用于铸锭及中间板坯道次轧制前的边部轧制和宽度控制，能够有效地改善金属的边部变形能力，减少边部开裂。立辊轧机设置在炉卷轧机后，主要由立辊牌坊、立辊、液压缸、机架辊、压下辊、驱动系统等部分组成。立辊轧机的主要工艺设备参数如下：

(1)最大轧制力/kN：6 000；

(2)立辊形状：锥形，锥形角度为3.5°；

(3)立辊高度/mm：600；

(4)立辊开口度/mm：500～2 200；

(5)单侧最大压下量/mm：30。

2.4 飞剪设备参数

飞剪主要用于轧制中间过程中的带坯及成品板带材的头尾剪切，其特点是可以在轧制过程中不停机进行连续运动剪切，生产效率高，该飞剪位于炉卷轧机后。飞剪主要由底座、飞剪牌坊、转鼓、剪刃、剪刃锁紧机构、链接齿、剪刃间隙调整装置、喷水系统和润滑系统等组成。飞剪的主要工艺设备参数如下：

(1)剪切温度/℃：800～1 200；

(2)剪切最大速度/(m/s)：3.5；

(3)最大剪切力/kN：9 800；

(4)剪切转鼓数量：2个。

2.5 层流冷却系统设备参数

带材层流冷却系统布置在炉卷轧机后，主要用于轧制结束带材的ACC加速冷却、合金高温固溶、控制合金相变以及通过适当的温度获取要求的微观组织等。层流冷却系统主要由冷却集管、在线和离线旋转驱动系统、吹扫集管、润滑系统、机上配管等部分组成。

层流冷却系统主要分为三段，即强冷段(动力冷段)、正常冷却段、精冷段。配置特点包括：输出冷却系统为U型管，水槽位于上部，下部带有多喷嘴集管；集管根据带材厚度、速度、入口温度使用关闭阀门进行自动控制，以便获取最终产品冶金性能；每个集管可以通过液压缸进行倾翻，允许将废带移出，便于辊道维护，倾翻角度最大可达90°；上下集管可单独进行流量控制；侧喷系统用于清除带材表面水泡和积水。层流冷却区的工艺设备主要参数如下：

(1)带材冷却后的最低温度/℃：350；

(2)冷却段长度/m：50；

(3)层流冷却水流量/(m3/h)：6 800。

2.6 地下卷板机设备参数

地下卷取区主要由卷取机前可调入口侧导板系统、卷取机前夹送辊导入系统、地下成品卷取机等部分组成。卷取机前夹送辊导入系统主要由支撑架、夹送辊旋转架、上夹送辊、下夹送辊、上夹送辊缝调整系统、压下辊、传动系统、水喷集管等部分组成。地下卷取机用于成品带材的卷取，主要由卷取机支架、芯轴、芯轴冷却系统、芯轴膨胀和收缩系统、芯轴轴承、助卷辊、助卷辊支臂、助卷辊冷却系统、助卷辊驱动系统、外支撑轴承、支撑臂、机上配管、润滑系统等部分组成。地下卷取机的主要工艺设备参数如下：

(1)卷材内径/mm：∅800；

(2)卷材最大外径/mm：∅1 900；

(3)卷取带材厚度/mm：2～8；

(4)带卷最高卷取温度/℃：600。

3 设备创新点分析

3.1 空气吹扫装置

由于炉卷热轧机组要考虑在线控温和反馈在线调整控制，即实现完全控制轧制和控制冷却，因而，轧制过程中和轧制终了时板带材在线温度测量值的准确性显得尤为重要。目前，在热轧后和层流水冷却前，钛板带材表面一般残留有工艺润滑介质如水滴、乳液等，而在层流水冷却后其表面更会残留有一层水膜。水滴、乳液、水膜等液态介质在钛板带材表面的存在大大降低了温度测量仪所测量的温度精度，不能真实地反映板带材自身的实际温度，最终影响了产品的组织和力学性能，甚至造成产品质量不合格。

因而，在层流水冷却前后，如何通过工艺、设备、电气控制等手段来减少甚至消除因水、乳液、水膜等液态介质对钛热轧板带材测量温度值的影响显得非常重要。

根据以上分析，在层流冷却工段之前、之后均设置有高压压缩空气进行吹扫，以便及时将金属板带材表面的水膜去除，保证测温精度。同时将高压压缩空气吹扫装置设计为可开闭形式，即工作时空气吹扫装置在辊道上方，对板带材表面进行吹扫；当不工作时，由液压缸将空气吹扫装置摆动最大约90°，从而满足翘头和轧制失败时板带材能够顺利通过该区域。高压压缩空气的压力为0.6 MPa ～0.7 MPa，流量为80 Nm3/min。

3.2 卷取前对中导板装置

在轧制金属板带材时，为轧制到工艺厚度时，必须进行精整、包装等工序，如：切除板带材头尾部、长度定尺剪切、多辊矫直、带材卷取等。为了保证以上生产工序的顺利进行，并且满足产品的外形、尺寸和精度等要求，在这些工序之前都要对金属板带材进行机械对中。

以往设计的对中导板装置均为单对导板，导板依靠单一功能的位移控制液压缸进行驱动，基本上能够满足厚度变化小、长度不大、侧弯程度轻、生产速度低的金属板带材的生产需求。但是，本项目炉卷轧机需要能够同时生产较长带材、较短板材、厚度范围变化大的板带材，并且在生产速度提高、板带材侧弯程度较大的情况下，如果仍使用以往设计的对中导板装置，会造成损坏设备，薄带被夹持变形，对中导板装置无法投入使用等生产问题。

根据以上分析，该四辊可逆炉卷轧机地下卷取机前采用了复合功能的金属板带材对中导板装置。复合功能金属板带材对中导板装置由位移控制大液压缸、压力控制小液压缸、大对中导板、小对中导板、随动锥形导板等部件组成。以上部件均为设备及板带材中心线对称。大对中导板受位移控制大液压缸控制，主要进行位置控制，实现对中导板装置的整体开闭合。当金属板带材厚度大于5 mm，侧弯程度较轻时，大对中导板单独投入使用即可满足板带的对中要求。小对中导板受压力控制小液压缸控制，主要进行压力控制。当大对中导板完成位置控制后，小对中导板由压力控制小液压缸驱动进行压力调整，此时大、小对中导板复合使用，实现高速下不同厚度、不同侧弯程度金属板带材的精确对中。小对中导板及压力控制小液压缸固定在大对中导板上，随大对中导板整体移动。随动锥形导板的开闭合受大液压缸控制，主要对金属板带材的头部进行机械引导，使其顺利进入对中导板装置。

4 结语

该装置结构简单，经济实用，在不增大对中导板装置所占用空间的前提下，能够实现对不同厚度的钛板带、一定程度侧弯的板带、长度较大的板带、生产速度较高板带的机械对中，充分满足生产工艺需求及产品质量要求。

本文介绍的四辊热轧机是世界范围内首台应用在有色金属钛板带专业化热轧生产线的工业化炉卷轧机。该台炉卷轧机不仅在有色金属加工领域具有重要的意义，而且其成功生产出的大卷重纯钛热轧带卷和TC4钛合金热轧带卷均填补了我国轧制宽幅大卷重钛及钛合金热轧带卷的空白。

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编辑 陈秀娟

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

孙付涛(1983—)，女，工程师，硕士，主要从事冶金设备设计。

TG333.7

B