發布日期：2026-4-20 15:47:28
金屬鈦具有高的比強度、耐高溫、耐腐蝕、良好的低溫性能以及非磁性，線膨脹系數等優良特性，被譽為“太空金屬”“未來金屬”。鈦及鈦合金板、帶、箔材在鈦加工材的生產和應用中占有重要地位。根據中國有色金屬工業協會的統計數據，近年來鈦及鈦合金板、帶、箔材的產量占鈦加工材總產量的50%~60%，產品廣泛應用于航空航天、國防軍工、艦船制造、電力、化學工業等領域[1-3]。相比常規鋼鐵、銅、鋁等板帶材，鈦板帶的生產難度較大，這和鈦的金屬特性有關，尤其是其變形抗力高，屈強比高，回彈性較大，因而在生產時產品的力學性能均勻性、板型、橫向和縱向厚差較難控制。同時，鈦板帶在加熱和熱處理過程中對溫度的不均勻性較為敏感，變形容易開裂。因而,鈦板帶生產線的軋制等裝備需要有較強的工藝針對性。本文結合目前鈦板帶生產線主要工序裝備的配置特點，分析了設備的發展應用情況、現有技術特點及其發展趨勢，并提出了國產化的關鍵點。
1、鈦板帶及其加工裝備發展現狀
鈦板材是指通過平面軋制獲得厚度≥0.3mm的片狀產品,鈦帶材是指通過平面軋制獲得厚度為0.1~4.76mm的卷狀產品，鈦箔材是指通過冷軋和退火多次循環得到厚度<0.25mm的片狀產品,以上3種產品統稱為鈦平面軋制產品。鈦板、帶、箔材主要應用于化工、航空航天航海和醫療等3大板塊。其中，純鈦帶材主要用于化工行業,純鈦板材用于航空航天航海和醫療領域,鈦合金板材、箔材主要用于航空航天航
海領域[4-5]。
鈦及鈦合金板帶材軋制生產工藝包括塊式法和帶式法,一般純鈦板材的生產采用高效的帶式法工藝,鈦合金板材的生產采用可靈活控制的塊式法工藝。對于變形抗力大、裂紋敏感性高、各向異性嚴重的鈦合金薄板如TC4板材,生產一般采用疊軋或包套軋制的塊式法工藝,可有效提高生產效率和產品質量。國內鈦及鈦合金板帶材的生產從借鑒、借用不銹鋼等鋼鐵加工設備起步，發展到利用鋼鐵舊設備、新建部分工序設備其余工序外委等模式,再到目前專業化的先進生產線。加工裝備的生產方式也從人工勞動強度大為特征的“二人轉”式發展到目前的機械化程度高、連續化生產強的現代化生產線。
鈦及鈦合金板帶材加工設備的裝機水平和配置特點,基于各生產企業生產線的差異化定位和發展而不盡相同。以保障國家重點領域關鍵用材的國有或大型鈦加工企業生產線設備具有裝機水平高、控制精度高的特點,尤其是生產線關鍵設備主要從國外引進或國內一流設備廠家供貨。而以民品為主的鈦加工企業生產線的配置模式具有多樣化和注重性價比的特點。根據生產工藝需求及主要功能作用，鈦及鈦合金板帶材的軋制及配套生產裝備包括以下幾個大類:
(1)軋制設備。熱軋機和冷軋機。其中熱軋機包括:二輥熱軋機、四輥熱軋機,板材熱軋機、帶材熱軋機,單機架熱軋機,雙機架熱軋機,爐卷熱軋機,多機架熱連軋機。冷軋機包括:二輥冷軋機、四輥冷軋機、六輥冷軋機、十四輥/二十輥等多輥冷軋機,單機架冷軋機、雙機架冷軋機、多機架冷軋機。
(2)加熱及熱處理設備。加熱爐、補熱爐和熱處理爐。其中加熱爐包括:步進式加熱爐、輥道式加熱爐、臺車式加熱爐等。補熱爐包括:輥道固定式補熱爐、可橫移式補熱爐、卷取補熱爐等。熱處理爐包括:臺車式大氣退火爐、臥式真空退火爐、鐘罩式退火爐、板材通過式熱處理爐、帶材臥式連續處理爐、帶材立式連續熱處理爐。
(3)表面清洗及表面處理設備。表面清洗機組和表面修磨機組。表面清洗機組包括:板/帶材表面拋丸酸洗機組、板/帶材表面脫脂清洗機組、板材酸洗槽組、板材熔融堿洗槽組。表面修磨機組包括:板材水磨機、板材砂磨機、板/帶材表面高精度修磨拋光機。
(4)精整設備。板材精整機組和帶材精整機組。板材精整機組包括:板材真空蠕變矯平機、板材輥式矯平機。帶材精整機組包括:帶材拉彎矯直機、帶材平整機組。
(5)剪切設備。板材剪切設備和帶材剪切設備。板材剪切設備包括:剪板機、鋸切機、高壓水切割機、激光切割機。帶材剪切設備包括:橫剪機(開平機)、縱剪機組、薄帶拉剪機組、板帶材縱橫聯合剪機組。
(6)檢測、包裝設備。平面度/粗糙度檢測設備、超聲波探傷設備、板材/卷材自動包裝機組。
與鋼鐵、銅、鋁等板帶材軋制領域類似,鈦及鈦合金板帶材生產的關鍵工序設備為熱軋機、冷軋機、熱處理爐、表面處理設備、精整設備等。以上關鍵裝備中,在進行專業化生產線設計時選擇國產設備和引進設備還存在明顯差距的裝備機型包括:爐卷熱軋機、六輥/二十輥等多輥冷軋機、帶材修磨拋光機、拉彎矯直機、真空蠕變矯平機。這些關鍵裝備機型的國外產品相比國產具有運行速度和生產效率高,生產自動化和連續化程度強，設備的工藝和功能針對性強，控制精度高,產品尺寸精度和力學性能一致性好,以及具有較高的運行可靠性及耐用性等顯著優勢。主要原因如下:
(1)國外產品設計理念先進,工藝針對性強,機型隨著產品類型和規格的多樣化、多合金化、高端化、高質量要求等發展而不斷升級換代。由于軋制裝備起源于西方發達國家,國內以模仿設計和引進消化的模式起步,在基礎理論和研發技術與體系方面與國外存在較大的差距。功能多、結構復雜、工藝針對性強、對控制要求高、運行穩定性要求強尤其是接近最終成品工序的帶材生產裝備，差異越明顯。
(2)國外發達國家在現代冶金、新材料和高技術領域具有顯著的先發優勢和技術沉淀。體現在軋制裝備領域的優勢包括關鍵電氣和控制元器件、重要部件的材質成份和制造精度、軋制模型和過程控制軟件、在線檢測和反饋優化技術、應用場景模擬技術等方面。國產設備的開發、設計、制造更多集中和體現在外型、結構、尺寸、組合、動作和功能等機械方面的“有型”設計,很多情況下不進行受力分析或應用環境下的模擬。而對技術含量和附加值極高的關鍵零部件、電氣系統、基礎元器件、模型軟件等“無型”產品的開發和設計進展緩慢。
2、鈦板帶關鍵裝備技術與發展分析
2.1爐卷熱軋機
爐卷熱軋機主要用于鈦及鈦合金板帶材的熱軋,生產中厚板及為后續冷軋提供帶坯。傳統塊式法工藝的板材熱軋機在保證鈦及鈦合金終軋溫度方面存在一定的困難,因而需減小熱軋帶坯長度,熱軋后再將多支短帶坯料相互焊接為大卷用于后續帶式法高效生產，但存在焊縫多、廢品率高、尺寸精度和性能一致性差等問題。利用爐卷熱軋機可將鈦板坯熱粗軋到18~22mm厚度以下時進入卷取爐內進行加熱補溫狀態下的連續張力熱精軋,因而在生產薄規格熱軋帶卷時能夠更好的控制溫度,且設備投資低于熱連軋機,因而在建設鈦板帶專業化熱軋生產線時往往成為首選機型。
單機架四輥可逆爐卷熱軋機為主體形成的鈦及鈦合金板帶熱軋生產線的組成包括:步進式加熱爐、在線可橫移式輥道補熱爐、左右卷取機及卷取加熱爐、機前高壓水一次除氧化皮裝置、機架內高壓水二次除氧化皮裝置、機前機后對中導尺、立輥軋機、飛剪、層流冷卻系統、輥式矯直機、定尺剪、板材冷床、板材下料及堆垛機、地下卷取機、卸卷小車、自動打帶及噴號系統,以及電氣控制系統、工藝潤滑系統、液壓系統、稀油系統、冷卻水系統、氣動系統等部分組成。
圖1為國內鈦板帶典型生產企業熱軋生產線現場圖。圖1(a)為攀鋼集團沈陽有色金屬加工廠1780 mm四輥可逆鈦板帶爐卷熱軋機組,2013-2014年由意大利達涅利集團公司和國內鞍鋼重型機械有限公司聯合設計制造。圖1(b)為新疆湘晟新材料科技有限公司2450mm四輥可逆鈦板材熱軋機組,2017-2018年由二重(德陽)重型裝備有限公司設計制造。圖1(c)為寶鈦集團公司3300mm四輥可逆鈦板材熱軋機組,20世紀七八十年代由法國SACK公司設計制造,寶鈦集團于1989年從原西德引進。圖1(d)為寶鈦股份1850mm四輥可逆宇航級鈦板材熱軋機組，2020-2021年由中國一重設計制造。
目前應用于鈦及鈦合金板帶生產領域的爐卷熱軋機源自于鋼鐵行業,尤其是用于生產不銹鋼、管線鋼、高強度低合金鋼等板帶材。國內有色金屬領域專業化生產鈦板帶的爐卷熱軋機建設在攀鋼集團沈陽有色金屬加工廠[6]。該軋機機型為單機架1780mm四輥輥系，進料扁錠的最大厚度、寬度、長度分別為250mm、1560mm、4000mm,最大卷重7000kg,最高生產速度540 m/min,最大軋制力55000 kN,最小可軋厚度3.0mm。該軋機在生產大卷重TA1、TA2等純鈦帶卷基礎上,目前已成功工業化生產出TC4熱軋帶卷,進一步增加了該機型在鈦軋制裝備領域的競爭力。據了解，考慮到TC4熱軋帶坯的生產需求，國內已有幾家企業擬規劃建設爐卷熱軋機專業化鈦帶生產線。
除上述專業化有色金屬行業建設的爐卷熱軋機生產線外,國內寶武集團云南鈦業、寶武集團特殊鋼公司、酒鋼集團等利用鋼鐵企業的單機架或雙機架爐卷熱軋機生產鈦及鈦合金板帶材。國內部分鈦板帶生產企業也外委到漣源鋼鐵熱連軋、太鋼集團熱連軋、攀鋼集團熱連軋、山東圣陽鋼鐵熱連軋等鋼鐵企業的連軋機進行熱軋帶卷的代料加工,有利于降低鈦加工企業熱軋生產線的建設投資[7]。
由于爐卷熱軋機具有較高的產能,在鋼鐵行業一般生產能力為20~60萬t/a,因而除了鈦及鈦合金產品的生產外,其富余產能還可生產鎳及鎳合金、鐵-鎳基高溫合金、鐵-鎳基精密合金、鋯及鋯合金、特殊銅合金、不銹鋼、特殊鋼等板帶材。通過熱軋生產線配般生產能力為 20~60萬 t/a,因而除了鈦及鈦合金產產多合金種類、提高軋機負荷率等需求。目前利用爐卷熱軋機生產鈦帶時,在氧化皮的控制、成品率的提高、生產效率的提升、最小可軋厚度、表面質量控制等方面相比將鈦板帶熱軋工序外委至鋼鐵企業利用熱連軋機的生產還存在一定的差距,這也是該機型進一步提高和發展的方向。
(1)對卷取爐結構、溫度控制、氣氛控制等進一步改進和提高，降低鈦帶表面氧化程度，提高表面質量[8]。
(2)設置機架內在線軋輥修磨系統,軋輥無需更換就可在線進行修磨,提高生產效率和鈦帶表面質量。
(3)熱軋機關鍵部件的國產化,以降低進口費用,例如卷取機的卷鼓和卷取芯軸等。
(4)優化軋機功能和熱軋工藝技術,減少料頭料尾因溫度、性能、尺寸、精度等不合格所導致的廢料率較高等問題。
(5)如果生產線不考慮高溫合金、不銹鋼等多金屬類別,應針對鈦及鈦合金產品的需求特征來研制高性價比的專用爐卷熱軋機,例如在鋼鐵行業通用爐卷熱軋機配置基礎上優化設備參數、精簡功能部件等。
(6)由于帶卷式熱軋機投資較高且單一生產鈦及鈦合金板帶時生產利用率不高，而目前行業對塊式法工藝的寬幅板材四輥熱軋機的建設具有一定需求，生產線設計可兼顧二者，例如軋機本體和輥道以及板材精整設備均按 2 400~ 3 300 mm寬幅考慮,卷取機和卷取爐以及配套帶卷部件的寬度規格可按1500~1800mm設計。以上配置模式可滿足純鈦帶的卷式熱軋生產,以及具備寬幅中厚板、換向軋制、疊軋和包覆軋制鈦合金薄板等生產需求。
2.2多輥冷軋機
鈦的屈服強度高，軋制反彈性較強，且密排六方結構導致各向異性顯著，使用普通兩輥或四輥軋機較難實現鈦薄板帶的軋制，為了滿足要求，目前行業生產時主要采用六輥、二十輥等多輥軋機進行軋制。其中二十輥軋機是生產高精度鈦薄帶和箔材的最佳機型[9]。冷軋寬而薄的鈦帶材時，隨著變形程度的增加,變形抗力加大,要求軋輥的彈性壓扁要小,而當軋輥的壓扁量等于或接近產品的厚度時,其再軋制的變形量將趨于零。軋輥的壓扁量與軋輥的直徑和軋制力呈正比。因此，要軋制厚度很小的帶材，唯一的途徑就是選擇小直徑的工作輥。但是高精度帶材的厚度精度和橫向厚差要求高，軋制過程中需要承受較大的變形抗力，這與小直徑軋輥相矛盾。塔形輥系的多輥軋機很好的解決了使用小直徑工作輥的技術問題，軋制力相對較小,可減少軋制磨擦發熱和軋輥磨損以及軋制力矩。相比傳統四輥軋機,以二十輥輥系為代表的多輥冷軋機具有橫向剛度高、控制精度高、產品板型質量好、道次加工率大、節能等優點，但其結構也較為復雜。圖2(a)為中國重型機械研究院股份公司設計制造的鈦帶冷軋機組,圖2(b)為塔型結構的鈦帶二十輥軋機輥系。
多輥冷軋機主要由軋機牌坊、輥系、主傳動系統、壓下系統、開卷機、卷取機、除油裝置、切頭尾液壓剪、上卸卷小車等構成，以及工藝潤滑系統、二氧化碳滅火系統、電氣控制系統、液壓泵站、稀油泵站等輔助系統。用于鈦帶冷軋的六輥、二十輥等多輥冷軋機主要來源于鋼鐵行業，并針對鈦帶的變形特點進行了一定改進。
鈦的熱導率較低且彈性模量較小,軋制過程中具有較高的冷加工硬化效應，回彈較大、變形困難。同時，在冷軋變形過程中沒有明顯的屈服點，屈服強度和抗拉強度接近,屈強比較高,冷軋板型控制困難且容易產生裂紋。因而,相比多輥精軋機應用于生產不銹鋼、銅等金屬帶材，生產鈦帶時的道次壓下率較小且生產速度慢，或者會導致鈦帶溫度升高造成粘輥現象，嚴重影響表面質量。目前用于鈦帶冷軋的多輥軋機一般選擇潤滑效果好、冷卻性能優良的軋制油或乳化液，例如將乳化液濃度從軋制不銹鋼的0.5%~1.0%提高到4.0%，潤滑冷卻效果較好。
另外，采用普通材質的軋輥冷軋鈦帶時，軋輥表面鈦的熱黏附著現象顯著，導致軋輥粗糙不平，引起摩擦系數和軋制負荷的提高，換輥頻繁，產品表面質量差且生產效率低,行業內采用了賽倫(Sialon)陶瓷輥替代常規的鋼質軋輥,主要是利用賽倫(Sialon)陶瓷與金屬粘結性較低的特點。賽倫(Sialon)是基于傳統硅酸鹽陶瓷發展的新一代無機非金屬材料,主要成分為氧氮化硅鋁或硅鋁氧氮。賽倫(Sialon)陶瓷輥具有高強度和高硬度,耐磨損和熱穩定性較好以及較低的熱膨脹系數，尤其是對有色金屬無粘合，適應了鈦帶冷軋的需求。
鈦帶生產不斷向超薄(0.5mm以下)和寬幅(1200mm以上)發展，因而鈦帶板形的控制難度進一步加大。國外多輥冷軋機一般選擇精度高、反應速度快的閉環測量元件，如ABB公司的壓磁式，Vollmer公司的位置式,英國戴維公司的氣動式及Sundwig公司的壓電式，并將CVC、EDC、SCR、ESS等先進技術運用到多輥冷軋機上，提高了板形質量。
多輥冷軋機的大壓下軋制可減少軋制道次，提升鈦帶產量，產品質量好，能耗減少。但多輥軋機設備制造加工、安裝調試的精度要求非常高。與四輥或六輥軋機相比，二十輥等多輥系的散熱性不佳，限制了其軋制速度的提高。另外，生產過程中出現斷帶時，機架內不易清除。這也是多輥冷軋機行業發展需要優化和提升的方向。
對于具體冷軋機機型的選擇，在實際項目中可針對鈦帶產品的種類、厚度、寬度、應用領域和質量需求等進行選型組合，以充分降低冷軋生產線的設備投資，例如選擇四輥或六輥冷軋機進行鈦帶開坯軋制或中間品軋制,選擇二十輥冷軋機進行精軋出成品;選擇國產二十輥和進口二十輥冷軋機組合模式適應不同產品檔次等。對于生產規模較小的項目,一般選擇1臺六輥冷軋機或二十輥冷軋機即可。
2.3帶材拉彎矯直機
鈦的屈強比較高，其板型控制及內應力消除困難。一般冷軋后需進行一個道次的平整工序，生產線需配置帶材平整機。相比銅、鋁帶材的生產，鈦帶拉彎矯直機一般采用“兩彎+兩拉”的強化配置，可將成品帶材板型質量提高到3~5I以下。帶材拉彎矯直機高端裝備國產化的目標主要是多輥矯直機的制造和裝配精度、電氣控制和關鍵檢測元器件的國產化替代。例如使拉矯機和多輥矯直機的工作輥輥面表面粗糙度<0.16,輥面圓度≤0.01,輥面圓跳動≤0.005,等。
2.4帶材修磨拋光機
鈦帶熱軋、冷軋、熱處理和精整過程中容易出現表面起皮、氧化、壓坑、夾雜等缺陷，一般需根據產品質量需求配置高精度帶材修磨拋光機。修磨機采用的砂光單元是利用背壓輥頂升使帶材與砂帶和背壓輥直接接觸，依靠調整背壓輥和砂帶輥之間的間隙從而實現接觸式砂磨。各生產線的砂磨機數量不盡相同，如寶鈦公司配置的是4上4下共8臺砂光機，而云南鈦業均配置的是3上3下共6臺砂光機。單道次表面修磨量一般控制在0.01~0.025mm/每面，修磨后帶材表面粗糙度:拋丸酸洗后修磨≤2.4μm、預精軋前半成品修磨≤1.6μm、拋光后帶材表面粗糙度≤0.6μm。
由于電氣控制和制造精度方面的差異，目前修磨單元一般采用引進國外，生產線其他配套清洗、開卷取、剪切、沖洗、烘干等部件為國產配套，既保證了產品質量又降低了投資。帶材修磨機組高端裝備國產化的目標主要是修磨單元本體、電氣控制和關鍵檢測元器件的國產化替代。
2.5板材真空蠕變矯平機
鈦及鈦合金板材在熱軋、冷軋、熱處理及修磨過程中會存在不同程度的翹曲及內應力，因而需要矯平。但鈦在室溫下具有較大的回彈性及較高的強度，板材矯平困難，導致成品板材的板型質量不能滿足用戶使用要求。美國等發達國家在國防、軍工和航空航天領域用鈦板采用了真空蠕變矯形的方法，能夠使板材平整度達到整板≤3mm,殘余應力在±30MPa以內。但該技術對中國嚴密封鎖且無法引進該設備。
真空蠕變矯平機主要用于鈦薄板和厚板的矯形和消除應力。航空、航天領域用板材要求必須保證平面度和完全消除材料的內部應力，鈦及鈦合金板材以往采用壓平、輥式矯平、拉彎矯直等模式均不能保證完全消除內部應力，只有采用真空蠕變工藝才能達到要求。國內于2007年研制了國產首臺套真空蠕變矯平機,將單位矯平壓力從以往常規技術的低于2t/m2提高到5~8t/m2,鈦板材的單位不平度經真空負壓矯平后可降低到3mm以下，滿足了國防和軍工等關鍵領域需求。
真空蠕變矯平機的關鍵部件為爐床石英石板磚，底板上采用國外進口石英澆注料(磚和澆注料要求在780℃等高溫下的耐高溫能力強、變形小)。同時采用研磨處理進行平整，表面采用標準平尺檢驗要保證接觸點大于85%以上，研磨爐床在任意方向的平面度小于0.5mm/m。上面鋪設國外進口的標準加熱磚，磚內穿鎳鉻加熱絲和冷卻管等。真空蠕變矯平機高端裝備國產化的目標主要是爐床材料的石英石磚、澆注料的國產化開發和替代。
3、結束語
我國鈦及鈦合金板帶材行業發展迅速,已成為世界鈦板帶生產量最大的國家。同時，隨著加工技術和冶金裝備的不斷進步，以往主要依靠進口設備的鈦板帶生產線不斷實現國產化，為國家節省了大量外匯。
在行業未來發展方面，應加強關鍵裝備尤其是爐卷熱軋機、二十輥等多輥精軋機、帶材修磨拋光機、帶材拉彎矯直機、板材真空蠕變矯平機等關鍵設備部件、電氣及控制系統的研發和精密化制造，進而實現全生產線的完全國產化替代，真正實現我國鈦工業生產技術和加工裝備的由大變強。
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