EB锭焊管用TA2冷轧钛带制备技术研究_冯杉.pdf

2023 年 2 月材料开发与应用文章编号:10031545(2023)01005505工艺研究EB 锭焊管用 TA2 冷轧钛带制备技术研究冯杉，陶会发，李渤渤，裴腾，朱丹阳，曹恒，刘茵琪(洛阳双瑞精铸钛业有限公司，河南 洛阳 471000)摘要:TA2 薄壁钛焊管具有比强度高、耐腐蚀、生产效率高、换热效果好等优点，被广泛应用于核电、化工、海水淡化等领域。本研究采用短流程、低成本电子束冷床熔炼炉 EB 扁锭制备焊管用 TA2 冷轧钛带卷，并对其组织性能进行分析。结果表明:采用 EB 锭制备的 TA2 冷轧钛带卷横向强度低、伸长率及表面硬度高，可有效避免焊管弯曲成型过程中表面划伤、磨痕等成型缺陷，满足薄壁焊管使用需求。关键词:EB 锭;TA2 冷轧钛带;焊管中图分类号:TG335文献标识码:Aesearch on Preparation Technology of TA2 Cold olled TitaniumStrip for EB Ingot Welded PipeFENG Shan，TAO Huifa，LI Bobo，PEI Teng，ZHU Danyang，CAO Heng，LIU Yinqi(Luoyang Sunrui Titanium Precision Casting Co，Ltd，Luoyang 471000，China)Abstract:Due to its advantages of high specific strength，corrosion resistance，high production efficiency and good heat ex-change effect，the TA2 cold rolled titanium strip is widely used in the industries such as electric power，chemical industry，sea-water desalination and other fields In this paper，TA2 cold rolled titanium strip for welded pipe is prepared from EB ingot slabby using short process and lowcost electron beam cold bed melting furnace，and its chemical composition，mechanical proper-ties and gold content are analyzed The results show that the low strength and high elongation and surface hardness in the hori-zontal direction can effectively avoid the defects like the scratching in the process of bending forming of the welded pipe，whichcan meet the usage requirement of the thin welded pipeKeywords:EB ingot;TA2 cold rolled titanium strip;welded pipe收稿日期:20220422基金项目:郑洛新自创区产业集群专项(201200211400)作者简介:冯杉，男，1988 年生，助理工程师，主要从事钛及钛合金材料研发。Email:328506658 qqcom引用格式:冯杉，陶会发，李渤渤，等 EB 锭焊管用 TA2 冷轧钛带制备技术研究 J 材料开发与应用，2023，38(1):5559FENG S，TAO H F，LI B B，et al esearch on preparation technology of TA2 cold rolled titanium strip for EB ingotwelded pipe J Development and Application of Materials，2023，38(1):5559TA2 冷轧钛带是以海绵钛为原料，经熔炼板坯、热卷轧制、冷轧、脱脂、退火等工序生产的产品，广泛应用于石油、化工、船舶领域。钛焊管采用 TA2 冷轧钛带经弯曲成型、焊接制备而成，与传统无缝管相比，其成材率高、成本低，近年来发展迅速14。常用钛焊管厚度一般为 03 mm 10 mm，受高品质焊管用冷轧钛带原材料及焊管加工技术等多方面因素影响，钛焊管制备技术多年来一直掌握在日本、美国、法国等国家的专业厂家手中5。我国钛焊管的发展起步较晚，以宝55DOI:10.19515/ki.1003-1545.2023.01.003材料开发与应用2023 年 2 月钛、湘投金天、洛阳双瑞等厂家为代表的企业已具备 TA2 冷轧钛带及焊管生产能力，可替代进口，技术水平国际先进，为我国钛工业发展做出了巨大贡献。目前，行业内 TA2 焊管用钛带主要采用传统成熟工艺真空自耗电弧炉(VA)熔炼锻造板坯制备，近年来，电子束冷床熔炼炉(EB炉)已广泛应用于钛残料回收、热轧宽厚板坯料制备，与传统 VA 制坯路线相比，EB 制坯路线流程短、成本低5。而采用电子束冷床熔炼炉制备 TA2 焊管用板坯并用于制备 TA2 冷轧钛带及焊管的研究较少，因此开展 EB 锭焊管用 TA2 冷轧钛带制备技术研究，可为钛焊管短流程、低成本制备提供可行技术方案，具有重要意义。本研究采用 EB 铸锭制备焊管用 TA2 冷轧钛带，降低了钛带强度、提升了钛带表面硬度，其表面质量、理化性能及板形优异，有效降低了钛带焊管成型抗力，可实现焊管产品批量稳定化生产。1试验材料及试验方案原材料为海绵钛及二氧化钛，采用电子束冷床熔炼炉进行一次熔炼，如图 1 所示，经铣面、锯切加工，获得焊管用 EB 扁锭，如图 2 所示，在 EB扁锭上、中、下 3 个位置取样检测 Fe、C、N、H、O的含量，其化学成分实测值如表 1 所示，结果显示 EB 扁锭化学成分均匀。图 1电子束冷床熔炼炉Fig 1Electron beam cold melting furnace焊管用 TA2 冷轧钛带制备流程如图 3 所示，采用炉卷轧机将 EB 扁制轧制为黑皮态热卷，经在线连续退火及抛丸酸洗后形成白皮态热卷，随后采用四辊轧机，经过多轧程冷轧、脱脂及真空罩式退火工序后，获得成品厚度及精度符合要求的退火态焊管用 TA2 冷轧钛带，采用平整机对钛带进行平整，经分条后形成焊管用 TA2 冷轧钛带。图 2焊管用 EB 扁锭Fig 2EB flat ingot for welded pipe表 1EB 锭化学成分Table 1Chemical composition of EB ingot(w)%位置FeCNHOTi上00230010001200010112余量中00300010001300010111余量下00240010001100010092余量图 3焊管用 TA2 冷轧钛带生产工艺流程图Fig 3Production process flow chart of TA2 cold rolledtitanium strip for welded pipe2结果分析与讨论21焊管用 TA2 冷轧钛带理化性能分析TA2 焊管是使用 TA2 冷轧钛带，通过多组成型辊模具，逐步横向冷弯变形后焊接而成的，当冷轧钛带横向屈服强度较高时，其横向弯曲成型困难，钛带与成型辊模具间的摩擦力增大，导致焊管弯曲成型过程中易出现表面划伤、磨痕等成型缺陷，造成焊管报废67。因此焊管用 TA2 冷轧钛带应有良好的成型性能，横向冷弯变形过程中不破裂，同时不产生划伤及磨痕缺陷，即应降65第 38 卷第 1 期冯杉，等:EB 锭焊管用 TA2 冷轧钛带制备技术研究低钛带横向强度、横向屈强比，提高伸长率及钛带表面硬度。钛带成型性能及表面的硬度主要与轧制坯料化学成分、轧制工艺、退火及平整工艺有关。本研究采用氧含量小于 012%的低氧板坯制备钛带，板坯氧含量越低，成品钛带强度越低，成品轧制变形量 50%80%，成品轧制变形量越大，成品钛带屈强比越小，采用真空罩式退火工艺方案进行成品热处理，退火温度选在再结晶温度以上 50 150 范围内，退火保温时间6 h10 h，采用平整的方案提升钛带表面硬度，平整压下量 001 mm005 mm，使钛带表面产生冷加工变形硬化。焊管用 TA2 冷轧钛带理化性能如表 2 所示，微观组织如图 4 所示。由表 2 可见，本研究制备的焊管用 TA2 冷轧钛带横向强度及伸长率均高于行业标准要求，横向强度低，伸长率高，屈强比低，且晶粒组织细小均匀，另一方面经平整后的钛带表面硬度值高，改善了钛焊管成型过程中易出现的表面划伤及磨痕缺陷。表 2焊管用 TA2 冷轧钛带理化性能Table 2Microstructure and mechanical properties of TA2 cold rolled titanium strip for welded pipe项目方向P02/MPam/MPaA50/%屈强比晶粒度/级表面硬度平均值/HV截面硬度平均值/HV行业标准ASTM B265横向275450345200实测值头横283380370074510516981505尾横281377300074510517001530图 4钛带微观金相组织照片Fig 4Microstructure photos of titanium strip22焊管用 TA2 冷轧钛带尺寸精度及板形控制焊管用 TA2 冷轧钛带名义规格为(038 10)mm(1 0001 250)C mm，如图 5 所示，属于超薄宽幅大卷重冷轧钛带，其厚度精度及板形控制难度较大。焊管用 TA2 冷轧钛带尺寸精度与板形，主要与轧制坯料一致稳定性、轧机及轧制工艺、退火及平整工艺有关。在厚度精度控制方面采用射线在线厚度仪进行厚度检测，制备的钛带厚度精度达到001 mm，如图 6 所示。在板形控制方面，由于钛带轧制变形局部应力集中及退火后应力释放，导致钛带出现板形缺陷，采用大变形量、大张力、高速轧制及平整的方式图 5焊管用 TA2 冷轧钛带卷Fig 5TA2 cold rolled titanium strip coil for welded pipe75材料开发与应用2023 年 2 月控制板形，采用上述方式生产的焊管用 TA2 冷轧钛带不平度3 mm，且表面质量均匀美观、板形优异，如图 7 所示。图 6TA2 冷轧钛带厚度曲线Fig 6Thickness curve of TA2 cold rolled titanium strip图 7TA2 冷轧钛带板形及表面质量Fig 7Shape and surface quality of TA2 cold rolledtitanium strip23焊管用 TA2 冷轧钛带成型质量评价采用本研究制备的焊管用 TA2 冷轧钛带通过多组成型辊模具进行逐步横向冷弯成型，钛带成型后未发生开裂，成型质量良好，成型后的焊管表面光滑、美观，如图 8 所示。图 8TA2 焊管Fig 8The forming of welded pipe of TA224焊管用 TA2 冷轧钛带批量化生产验证批量化制备 10 个批次焊管用 TA2 冷轧钛带，并进行焊管成型质量评价，结果如表 3 所示，本研究批量化制备的焊管用 TA2 冷轧钛带横向屈服强度及屈强比较低，表面硬度及伸长率高，成型性能良好，采用本研究制备的焊管用 TA2 冷轧钛带进行焊管成型后未出现划伤、磨痕及破裂等成型缺陷，成型质量良好。表 3焊管用 TA2 冷轧钛带理化性能Table 3Microstructure，mechanical properties and forming quality