板式換熱器用鈦板的研制

毛紹云 韓東辰 蔣泰旭

（云南鈦業(yè)股份有限公司）

1 引言

鈦及鈦合金具有密度小、比強(qiáng)度高、無(wú)磁性、抗腐蝕以及親生物性等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、能源化工，武器裝備，醫(yī)療民用等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，受到世界各國(guó)的高度重視，被譽(yù)為繼鋼鐵、鋁材之后處于發(fā)展中的“第三金屬”和“戰(zhàn)略金屬”。目前板式換熱器板片主流材質(zhì)為不銹鋼（SUS304、316等），由于鈦材優(yōu)良的抗腐蝕性，在海水、鹽水、鹽化物等流體的換熱設(shè)備中，不銹鋼板片已逐漸被鈦材替代。為拓寬云鈦產(chǎn)品種類，將板式換熱器用鈦板片做為新產(chǎn)品研發(fā)項(xiàng)目。

2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

生產(chǎn)工藝流程：熔煉→銑面→修磨→板坯交庫(kù)→熱軋→開(kāi)卷檢查→拋丸→酸洗→退火→拋丸→酸洗→一次冷軋→脫脂→精修磨→退火→切邊→拋丸→酸洗→二次冷軋→脫脂→退火→拉矯。

2.1 板式換熱器用板材與一般用途鈦材的標(biāo)準(zhǔn)成分、性能對(duì)比見(jiàn)表1。

表 1 成分性能對(duì)照表

從標(biāo)準(zhǔn)成分和性能的對(duì)比來(lái)看:兩者的化學(xué)成分差別不大，主要是在斷后伸長(zhǎng)率差異較大，板換用鈦材因后續(xù)需要壓延，所以規(guī)定了杯突值。因此在熔煉板換板坯時(shí)需選低鐵、低氧且硬度較低的0A級(jí)海綿鈦。熔煉過(guò)程在美國(guó)進(jìn)口EB爐熔煉，板換用鈦錠熔煉工藝基本與純鈦的熔煉工藝一致。

2.2 板坯的化學(xué)成分：

分別在熔煉完成的板坯頭、中、尾三個(gè)位置取樣做成分含量分析，其成分結(jié)果見(jiàn)表2。

經(jīng)檢驗(yàn)，板坯各部位的化學(xué)成分均能滿足GB/T14845—2007《板式換熱器用鈦板》對(duì)化學(xué)成分的要求。

2.3 熱卷化學(xué)成分

熔煉完成的板坯經(jīng)銑床將表面氧化層徹底去除干凈后，運(yùn)至“1+8”連續(xù)熱軋機(jī)組，軋制成厚度為4.0 mm的熱卷，將熱卷去除頭尾部分后取屑狀試驗(yàn)做成分含量分析，其成分結(jié)果見(jiàn)表3。

將板坯成分和熱卷成分進(jìn)行對(duì)比，熱卷各元素成分均略高于板坯成分，這與熱軋過(guò)程中氧化有關(guān)，成分平均值見(jiàn)圖1。

圖 1 板坯和熱卷成分對(duì)比圖

2.4 熱卷硬度測(cè)量結(jié)果

分別采用以下兩種方法測(cè)量熱卷硬度：

表 2 板坯化學(xué)成分分析結(jié)果

表 3 板坯化學(xué)成分分析結(jié)果

1）便攜式洛氏硬度儀在線每50 m卷兩側(cè)各測(cè)一個(gè)值。

2）在試驗(yàn)室采用臺(tái)式洛氏硬度儀在頭、尾試樣上各測(cè)三個(gè)值，求其均值。

兩種方法測(cè)出的結(jié)果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表4。

表 4 熱卷硬度試驗(yàn)結(jié)果

熱卷在拋丸生產(chǎn)線上間隔50 m測(cè)量一次硬度，整體均勻性較好，除頭部硬度值稍高一點(diǎn)外，其余各部位硬度值均在HRB70左右。

3 退火工藝研究

為了提高我司板換卷杯突值，并增加卷材塑性、降低強(qiáng)度。須優(yōu)化板換卷的退火工藝，現(xiàn)針對(duì)BH7（規(guī)格0.5×1 240 mm）、BH5（規(guī)格0.6×1 240 mm）兩卷進(jìn)行退火試驗(yàn)分析。

3.1取樣時(shí)機(jī)

待此兩卷冷軋至目標(biāo)厚度，在脫脂生產(chǎn)線脫脂時(shí)進(jìn)行剪切取樣。

3.2取樣要求

先去除卷尾超厚部分，在卷厚合格部分剪切取樣；取樣部位、數(shù)量、尺寸要求見(jiàn)圖2。

圖 2 取樣示意圖

3.3 制樣要求

將上圖中90 mm、20 mm試樣沿橫向剪切為310 mm樣坯，每個(gè)卷樣坯為8套。300 mm樣片作為備樣。

3.4 退火工藝方案

1）分別采用：隨爐升溫至600 ℃、625 ℃、635 ℃、645 ℃、655 ℃、665 ℃、675 ℃、685 ℃保溫30 min的爐冷工藝對(duì)兩個(gè)板換卷共16件試樣進(jìn)行退火處理；其中600 ℃杯突樣坯不做。

2）爐內(nèi)保護(hù)：采用兩塊清潔鈦板夾持樣坯，并覆蓋鈦屑的方式避免樣坯表面氧化。

3）爐內(nèi)氣氛控制：采用抽真空至-0.08 MPa，后充氬氣至大氣壓，循環(huán)洗爐4次。

3.5 化學(xué)成分樣制取

化學(xué)成分樣應(yīng)在未進(jìn)行熱處理的樣坯上剪取。冷軋后的卷帶化學(xué)成分與熱卷的化學(xué)成分相差不大，分析結(jié)果見(jiàn)表5。昆明理工大學(xué)進(jìn)行；

表 5 鈦卷化學(xué)成分分析結(jié)果

4 試驗(yàn)分析

分別對(duì)經(jīng)不同溫度退火的兩個(gè)卷16套試樣進(jìn)行拉力、杯突、金相組織試驗(yàn)；其中杯突試樣在

4.1 力學(xué)性能分析

力學(xué)性能檢驗(yàn)按照GB/T14845-2007 要求進(jìn)行，并增加了ASTM 265-11 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中要求的A50%檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

表 6 鈦卷力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

4.2 金相組織分析

退火試樣出爐后試樣疊放接觸較緊密的部分呈銀白色，其余部分呈黃色或藍(lán)色有輕微氧化，各退火溫度下的晶粒度見(jiàn)表7。

表 7 退火溫度與晶粒度級(jí)別

未退火狀態(tài)和各溫度退火狀態(tài)下的晶粒度見(jiàn)照片1-8：

照片1、2為冷軋后的變形組織；照片3、4為600 ℃退火后組織，晶粒度達(dá)到8級(jí)左右；照片5、6為665 ℃退火后組織，晶粒度在6.5級(jí)左右；照片7、8為685 ℃退火后組織，晶粒度4.5級(jí)左右。

5 結(jié)果分析

5.1 BH5卷退火性能分析

該卷試樣的延伸率A %和A50/%，均在退火溫度645 ℃時(shí)最高，在退火溫度675 ℃時(shí)最低；抗拉強(qiáng)度在整個(gè)退火溫度區(qū)間無(wú)明顯變化；晶粒度在整個(gè)退火溫度區(qū)間呈逐漸下降的趨勢(shì)；杯突值在退火溫度635 ℃時(shí)最高，超過(guò)退火溫度675 ℃后逐漸降低，趨勢(shì)狀況見(jiàn)圖3。

5.2 BH7卷退火性能分析

該卷試樣的延伸率A %在退火溫度635 ℃時(shí)最高，在退火溫度675 ℃時(shí)最低；抗拉強(qiáng)度在整個(gè)退火溫度區(qū)間無(wú)明顯變化；晶粒度在整個(gè)退火溫度區(qū)間呈逐漸下降的趨勢(shì)；杯突值在退火溫度655℃時(shí)最高，超過(guò)退火溫度675 ℃后逐漸降低，趨勢(shì)狀況見(jiàn)圖4。

圖 4 BH7退火溫度與性能對(duì)比

從以上兩圖表可以看出，次兩卷鈦卷的退火溫度在655～665 ℃時(shí)，其杯突值較高；

此次試驗(yàn)杯突值偏低的原因可能與氣氛爐退火后，試樣表面有一定氧化有關(guān)。

6 實(shí)際產(chǎn)品性能

表 8 鈦卷力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上述的試驗(yàn)分析結(jié)果，制定氬氣保護(hù)罩式退火爐退火工藝。所生產(chǎn)的板換卷力學(xué)性能達(dá)到或優(yōu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

研發(fā)的板式換熱器用鈦板是到達(dá)國(guó)標(biāo)和美標(biāo)要求的。本次研發(fā)工作是在已經(jīng)量產(chǎn)的焊管用鈦帶的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，對(duì)于生產(chǎn)板式換熱器用鈦板，需要對(duì)以下幾個(gè)關(guān)鍵過(guò)程嚴(yán)格控制：

1）原料是首先要控制的環(huán)節(jié)，在海綿鈦的選擇上必須選用低鐵、低氧的原料，且布氏硬度HBW小于90，如果當(dāng)期所能挑選出來(lái)的海綿鈦達(dá)不到所需熔煉數(shù)量，則應(yīng)將挑選出的海綿鈦妥善保存，防止受潮。

2）板坯的熔煉過(guò)程必須嚴(yán)格按照熔煉工藝通知單的要求進(jìn)行，熔煉完成的板坯在銑面過(guò)程應(yīng)保證氧化層的有效去除；盡量以銑代修，以保證后續(xù)生產(chǎn)的表面質(zhì)量。

3）按設(shè)定的工藝路線進(jìn)行生產(chǎn)，冷軋第一軋程前二次拋丸、二次酸洗的工藝制度是對(duì)冷軋產(chǎn)品表面質(zhì)量的有效保證；

4）成品退火溫度隨爐升溫至655-665 ℃保溫30分鐘的爐冷工藝，能有效將晶粒度控制在6-7級(jí)范圍內(nèi)，此時(shí)的杯突性能較好，且力學(xué)性能也符合板式換熱器用鈦板片的要求。