一種新型板式換熱器鈦帶制備工藝

供稿|牛文宇，魏東東，張平平，任浩，王欣，肖瑛 / NIU Wenyu, WEI Dongdong,ZHANG Pingping, REN Hao, WANG Xin, XIAO Ying

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研究了3 種不同軋制工藝參數(shù)制備的0.5 mm 板式換熱器鈦帶的金相組織、強度、塑性以及表面硬度和杯突值。結(jié)果表明：采用方案2，在真空罩式爐中，退火溫度630 °C，保溫10 h，可獲得綜合性能良好的0.5 mm 板式換熱器用鈦帶；采用方案1 晶粒尺寸為63.5～89.5 μm，發(fā)生明顯的長大和粗化；方案3 晶粒尺寸13.2～18.5 μm。

鈦帶是用高品質(zhì)海綿鈦作為原材料，經(jīng)開平、分條工藝生產(chǎn)的鈦板材，幅寬1000～1530 mm。主要用于大型民航客機、軍用飛機、航天飛行器、核潛艇、核電站等高新技術(shù)領(lǐng)域[1]。其特殊用途很多，主要用于化工、冶金、電力等行業(yè)的純鈦板（寬度大于1000 mm），如板式換熱器用鈦板、復(fù)合板用鈦板、焊管用鈦板，餐具用鈦板等[2-3]。隨著我國能源和海水淡化項目啟動，鈦帶的用量越來越大，尤其是冷軋鈦帶。鈦板式換熱器（見圖1）用冷軋鈦帶，相比片式軋制生產(chǎn)鈦板，因生產(chǎn)效率高、成本低、尺寸精度及性能穩(wěn)定，而深受鈦板式換熱器廠家的青睞。鈦板式換熱器是以波紋為傳熱面的新型、高效換熱器，廣泛應(yīng)用于化工、石油、冶金、電力、船舶、海洋、醫(yī)藥等工業(yè)部門的加熱、冷卻、冷凝、蒸發(fā)工藝過程中[4-5]。隨著人們對板式換熱器優(yōu)越性的進一步認識和其應(yīng)用領(lǐng)域的擴大，板式換熱器的發(fā)展迅速，目前已成為主要的換熱設(shè)備。鈦板式換熱器由于其高效緊湊以及出色的抗腐蝕能力，已成為許多強腐蝕工況中的首選設(shè)備。對鈦板片壓制精度越高，板片之間的接觸點所承受壓力就越均勻，板片的承壓能力也越強。為了滿足壓制成型的“苛刻”條件，提高換熱效率，要求鈦板式換熱器板片（鈦板換料）厚度小于1 mm，常用鈦板換料厚度為0.5、0.6 和0.7 mm，對板式換熱器用鈦卷的強度、延伸率、杯突值、晶粒組織有著特別要求。

圖1 鈦板式換熱器

為了加大板式換熱器發(fā)展力度，使其更加廣泛的應(yīng)用于各個領(lǐng)域，全面實現(xiàn)板式換熱器用鈦帶卷國產(chǎn)化，提高板換料質(zhì)量。本文通過采用0 級海綿鈦投料，在不同的冷軋變形量下，通過中間退火以及成品退火工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計，研究組織均勻性、性能穩(wěn)定性和尺寸精度，進一步提高板換料壓制成型率，獲得一種滿足標準要求的用于制備0.5 mm 板式換熱器的鈦帶。

實驗

實驗材料

實驗用料為湘潤新材料科技有限公司公司制備的直徑1020 mm、9 t 的TA1 鑄錠，鑄錠經(jīng)4500 t 快鍛機開坯成200 mm×1250 mm 板坯進行軋制，對鑄錠進行3 次化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。

表1 TA1 鑄錠化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)） %

實驗方法

板式換熱器用鈦帶的生產(chǎn)加工流程為：0 級海綿鈦→電極塊制備→兩次真空自耗熔煉→板坯鍛造→板坯加工→板坯加熱→熱軋→熱線連續(xù)退火→冷軋→脫脂→真空罩式爐退火→拉矯→切邊→壓制成型。在完全結(jié)晶溫度條件下退火，退火溫度是晶粒尺寸變化的主要因素，其他工藝參數(shù)對組織影響較小，因此考察不同退火溫度對鈦帶力學(xué)性能、工藝性能和顯微組織的影響，方案工藝參數(shù)如表2所示。

表2 方案工藝參數(shù)

結(jié)果及討論

板式換熱器用鈦帶的質(zhì)量與材料的成分、壓制模具有一定關(guān)系，但軋制工藝直接影響鈦帶的機械性能、工藝性能和顯微組織。經(jīng)過以上3 種軋制工藝，檢測顯微組織、力學(xué)性能和工藝性能。

鈦帶材顯微組織

圖2 所示為3 種不同工藝參數(shù)制備厚度0.5 mm鈦帶金相組織圖。方案1 制備的厚度0.5 mm 鈦帶，其組織晶粒冷軋變形破碎的拉長纖維狀已發(fā)生再結(jié)晶，并發(fā)生明顯的長大和粗化，晶粒尺寸范圍63.5～89.5 μm；方案2 在真空罩式爐中，成品退火溫度630 °C，保溫10 h，晶粒組織均勻，晶粒尺寸為26.5～44.9 μm，壓制變形處表面色澤均勻一致，無晶粒粗糙現(xiàn)象；方案3 成品退火溫度620 °C，保溫10 h，被拉長軋制態(tài)形貌已完全消失，晶粒完全等軸化，部分晶粒已經(jīng)長大，部分晶粒仍較為細小，晶粒尺寸為13.2～18.5 μm。對比3 種方案工藝參數(shù)，在真空罩式爐中，采用完全再結(jié)晶成品退火時，退火溫度從620 升高至650 °C，冷軋變形破碎的拉長纖維狀組織晶粒隨之長大，并發(fā)生明顯的粗化。

圖2 3 種不同方案的鈦帶顯微組織：(a)方案1 頭段；(b)方案1 尾段；(c)方案2 頭段；(d)方案2 尾段；(e)方案3 頭段；(f)方案3 尾段

鈦帶材力學(xué)性能和工藝性能

從制備的鈦帶材取樣，測試其拉伸性能、表面硬度和杯突值等指標，結(jié)果見表3?？梢钥闯觯捎? 種方案制備的鈦帶材，其橫向（T）及縱向（L）拉伸性能檢測結(jié)果，均符合板式換熱器技術(shù)標準[6]要求：抗拉強度Rm≥240 MPa，屈服強度Rp0.2≥140 MPa，延伸率A≥55%。鈦帶橫向機械性能實測值范圍：抗拉強度Rm=300～325 MPa，屈服強度Rp0.2=205～235 MPa，延伸率A=62%～67%，縱向機械性能實測值范圍：抗拉強度Rm=305～340 MPa，屈服強度Rp0.2=158～195 MPa，延伸率A=65%～68%。橫、縱向屈強比值范圍：0.52～0.72，符合板式換熱器技術(shù)標準要求中規(guī)定屈強比值≤0.75，表明材料沖壓性能較好；鈦帶表面硬度HV1 實測值范圍為112～125，滿足標準中要求規(guī)定表面硬度HV1≤130。杯突值檢測結(jié)果符合板式換熱器技術(shù)標準要求≥9.5 mm，其中采用方案1 制備的鈦帶頭、尾杯突值分別為11.3 和11.6 mm；方案2 制備的鈦帶頭、尾杯突值分別為11.2 和11.4 mm；方案3 制備的鈦帶頭、尾杯突值分別為10.6 和10.8 mm。因此3 種方案制備的0.5 mm 板式換熱器鈦帶力學(xué)性能和工藝性能均符合板式換熱器用鈦帶技術(shù)要求。

表3 3 種不同工藝制備的鈦帶力學(xué)性能和工藝性能

結(jié)果分析

對比3 種方案制備的鈦帶的金相組織、強度、塑性以及表面硬度和杯突值檢測結(jié)果，僅方案2 制備的厚度0.5 mm 板式換熱器鈦帶晶粒尺寸為26.5～44.9 μm，符合板式換熱器用鈦帶晶粒尺寸標準（20.0～80.0 μm）要求。其抗拉強度Rm=310～330 MPa，平均橫向屈服強度212.5 MPa，平均縱向屈服強度分別為180 MPa，平均延伸率為66.5%。平均杯突值為11.3 mm，平均表面硬度HV1 為119，力學(xué)性能和工藝性能也滿足板式換熱器用鈦帶技術(shù)要求。表明采用方案2 可獲得綜合性能良好的厚度0.5 mm 板式換熱器用鈦帶。

結(jié)束語

（1）對比3 種方案參數(shù)制備的厚度0.5 mm板式換熱器鈦帶，采用方案1，成品退火溫度650 °C，與方案2 相同的保溫時間，晶粒尺寸為63.5～89.5 μm，發(fā)生明顯的長大和粗化。相比方案1 和2，方案3 的成品退火溫度620 °C，晶粒尺寸13.2～18.5μm。

（2）3 種方案采用0 級海綿鈦投料，通過不同熱軋、冷軋變形量設(shè)計以及成品退火工藝，結(jié)果表明3 種方案制備的鈦帶都能滿足板式換熱器用鈦板力學(xué)性能和工藝性能要求，但采用方案2 在真空罩式爐中，成品退火溫度630 °C，保溫10 h，可滿足換熱器用鈦帶晶粒尺寸標準要求。