TA3厚壁無縫管材生產(chǎn)工藝探索

李賢泉，馬俊，芮天安，鄧寧嘉

（南京寶泰特種材料股份有限公司， 江蘇 南京 211100）

鈦及鈦合金材料，因其密度低，比強度高，耐腐蝕性能好，廣泛運用于石油、化工、電站等工業(yè)領(lǐng)域，由于換熱設(shè)備用于高溫高壓狀態(tài)下，因此要求換熱管材強度較高，長度較長，壁厚要求厚，才能滿足設(shè)備壓力的要求。由于目前各領(lǐng)域均需降低內(nèi)部生產(chǎn)成本，同時滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，南京寶泰特種材料股份有限公司針對尺寸為φ27×3.5×12430mm，材質(zhì)為TA3的鈦管生產(chǎn)，研究探索出一套合適的生產(chǎn)工藝，節(jié)約了生產(chǎn)成本，提高了管材成品率，滿足客戶的技術(shù)條件，用其生產(chǎn)的換熱器產(chǎn)品使用后達(dá)到設(shè)計要求。

1 試驗

1.1 試驗材料及設(shè)備

試驗原料由南京寶泰特種材料股份有限公司采用3t真空自耗電弧爐，經(jīng)過二次熔煉的TA3鑄錠，其化學(xué)成分如表1所示，均符合GB/T 3620.1-2007標(biāo)準(zhǔn)要求，區(qū)別主要是鐵、氧等雜質(zhì)元素含量不同。采用自由鍛將鑄錠二火次二墩二拔鍛造成φ90mm棒材，下料后車加工成φ86mm光棒材，作為斜軋穿孔的坯料。

表1 TA3鑄錠編號及化學(xué)成分 （質(zhì)量百分?jǐn)?shù) %）

在感應(yīng)爐內(nèi)加熱，然后送入保溫電爐中加熱棒材，加熱時間為40-60分鐘，在LXCφ50加強斜軋穿孔機對棒材進行穿孔，用LG60HC二輥軋機冷軋機開坯，LG30二輥冷軋機軋制成品，用380kW電爐進行中間退火，然后在14m真空熱處理爐進行成品退火。

1.2 工藝流程及道次加工率

鑄錠—剝皮—二火次二墩二拔鍛造—毛棒—下料—車加工—棒坯—加熱—斜軋穿孔—平頭修磨—二輥冷軋開坯—超聲波除油—修刮—鏜孔—中間退火—二輥軋制—超聲波除油—成品退火—檢驗—切定尺—包裝入庫。

經(jīng)過三道次冷軋制成φ27×3.5×12430mm成品管，其道次加工量如表2所示。

1.3 試驗過程

三個爐次各取10支TA3管坯，在不同的穿孔溫度、相同的軋制條件及中間熱處理條件下進行軋制試驗。

表2 TA3管材冷軋道次加工率

三個爐批次棒材，在感應(yīng)爐內(nèi)采用相同的溫度加熱，然后送入保溫電爐中，在不同的加熱溫度進行加熱棒材，如表3所示，進行穿孔，穿孔后檢測管材硬度的試驗。穿孔后管坯，進行相同條件的表面處理后，用相同的軋制速度、送進量、變形量進行軋制，研究軋制后管材表面質(zhì)量的影響。最后對管材進行力學(xué)性能及工藝性能試驗，選取正確的熱處理工藝，生產(chǎn)出符合標(biāo)準(zhǔn)的管材，并通過金相試驗分析管材。

表3 TA3穿孔溫度及加熱時間

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 管坯穿孔后表面硬度與軋制的關(guān)系

從表1可看出氧和鐵元素的不同，其余雜質(zhì)元素含量相近，氧含量的增加，會導(dǎo)致管坯冷軋時困難；導(dǎo)致穿孔后管坯表面硬度的不同，如表4所示，列出了3個鑄錠在相同變形量、送進量、軋制速度、冷卻潤滑條件下軋制的情況。

如表4及表6所示，503-1402201鑄錠的冷加工性能差，表面平均硬度高，第一道在軋制3支管材發(fā)生嚴(yán)重橫向裂紋，軋制無法進行，坯料浪費較大。503-1402202鑄錠的冷軋性能次之，表面平均硬度適中，第一道軋制后10支管材表面有微裂紋，經(jīng)過修刮處理后，軋制出成品。503-1402203鑄錠的冷加工性能好，表面平均硬度較小，軋制后管材表面質(zhì)量好，經(jīng)過上述管坯軋制后，可以看出隨著氧含量、表面平均硬度的降低，冷軋性能變得優(yōu)良。

表4 鑄錠的雜質(zhì)元素對冷軋管材表面質(zhì)量的影響

2.2 管坯雜質(zhì)元素、表面硬度與生產(chǎn)效率的關(guān)系

如表4及表6所示TA3管坯軋制表面質(zhì)量關(guān)系可以看出，雜質(zhì)元素含量高、表面硬度高的管坯，軋制后管坯成材率較低，工時較高，生產(chǎn)效率低；503-1402201鑄錠管坯經(jīng)過調(diào)整冷軋變形量如表5所示，調(diào)整送進量、軋制速度后，管材能軋制出成品，比503-1402202、503-1402203鑄錠管坯需多軋制二道才出成品，增加了修磨量。可以看出隨著氧含量、表面平均硬度的降低，生產(chǎn)效率、成材率都有提高，節(jié)約了生產(chǎn)成本。

表5 調(diào)整變形量數(shù)據(jù)

表6 管坯穿孔后表面硬度檢測數(shù)據(jù)

2.3 管坯雜質(zhì)元素、表面硬度與成品管材力學(xué)性能的關(guān)系

如表7所示，通過不同熱處理制度，達(dá)到滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的力學(xué)性能及工藝要求；如達(dá)到相近抗拉強度管材（530MPa），對于氧含量及管坯表面硬度不同的成品管材，鑄錠號503-1402201、503-1402202、503-1402203成品管材，分別采用熱處理溫度為650℃、600℃、500℃。

對于氧含量低，管坯表面硬度低的管材，對于成品管材通過熱處理均能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但氧含量高，管坯表面硬度高的管材需提高熱處理溫度才能達(dá)到要求，需要消耗更多的電能，增加生產(chǎn)成本。

表7 成品管材熱處理實驗數(shù)據(jù)的關(guān)系

2.4 管坯雜質(zhì)元素、表面硬度與成品管材金相的關(guān)系

對于氧含量及管坯表面硬度不同的成品管材，如達(dá)到相近抗拉強度管材（530MPa），三個鑄錠號的管材分別采用了熱處理溫度為650℃、600℃、500℃，通過金相分析，如圖1所示，隨氧含量及管坯表面硬度的降低，成品管材熱處理溫度隨之降低，能耗降低；晶粒度變細(xì)，力學(xué)性能變優(yōu)，也即是組織決定性能。

圖1 成品管材熱處理金相

3 結(jié)論

(1)三種錠號管坯都能生產(chǎn)合格的TA3管材，氧含量等雜質(zhì)元素越高，管坯表面硬度越高；隨著氧含量等雜質(zhì)元素、管坯表面硬度的增加，生產(chǎn)難度加大，生產(chǎn)效率降低。

(2)選用氧含量為≤0.08%的TA3鑄錠生產(chǎn)管材，表面質(zhì)量好，管材生產(chǎn)效率較高，成品率較高，選用氧含量≥0.15%管坯，表面質(zhì)量較差，表面修磨量較大，需增加軋制道次，才能生產(chǎn)合格的管材。

(3)選用氧含量高、表面硬度高的管材，成品熱處理溫度隨氧含量增加和表面硬度的提高而增加，單位生產(chǎn)能耗較高，增加生產(chǎn)成本。

(4)選用氧含量≤0.08%，F(xiàn)e含量≤0.10%的鑄錠制作TA3管材，軋制道次較少，軋制后管材力學(xué)性能較好，表面質(zhì)量較好，生產(chǎn)效率高，成本較低。