发布日期：2026-4-20 15:47:28
金属钛具有高的比强度、耐高温、耐腐蚀、良好的低温性能以及非磁性，线膨胀系数等优良特性，被誉为“太空金属”“未来金属”。钛及钛合金板、带、箔材在钛加工材的生产和应用中占有重要地位。根据中国有色金属工业协会的统计数据，近年来钛及钛合金板、带、箔材的产量占钛加工材总产量的50%~60%，产品广泛应用于航空航天、国防军工、舰船制造、电力、化学工业等领域[1-3]。相比常规钢铁、铜、铝等板带材，钛板带的生产难度较大，这和钛的金属特性有关，尤其是其变形抗力高，屈强比高，回弹性较大，因而在生产时产品的力学性能均匀性、板型、横向和纵向厚差较难控制。同时，钛板带在加热和热处理过程中对温度的不均匀性较为敏感，变形容易开裂。因而,钛板带生产线的轧制等装备需要有较强的工艺针对性。本文结合目前钛板带生产线主要工序装备的配置特点，分析了设备的发展应用情况、现有技术特点及其发展趋势，并提出了国产化的关键点。
1、钛板带及其加工装备发展现状
钛板材是指通过平面轧制获得厚度≥0.3mm的片状产品,钛带材是指通过平面轧制获得厚度为0.1~4.76mm的卷状产品，钛箔材是指通过冷轧和退火多次循环得到厚度<0.25mm的片状产品,以上3种产品统称为钛平面轧制产品。钛板、带、箔材主要应用于化工、航空航天航海和医疗等3大板块。其中，纯钛带材主要用于化工行业,纯钛板材用于航空航天航海和医疗领域,钛合金板材、箔材主要用于航空航天航
海领域[4-5]。
钛及钛合金板带材轧制生产工艺包括块式法和带式法,一般纯钛板材的生产采用高效的带式法工艺,钛合金板材的生产采用可灵活控制的块式法工艺。对于变形抗力大、裂纹敏感性高、各向异性严重的钛合金薄板如TC4板材,生产一般采用叠轧或包套轧制的块式法工艺,可有效提高生产效率和产品质量。国内钛及钛合金板带材的生产从借鉴、借用不锈钢等钢铁加工设备起步，发展到利用钢铁旧设备、新建部分工序设备其余工序外委等模式,再到目前专业化的先进生产线。加工装备的生产方式也从人工劳动强度大为特征的“二人转”式发展到目前的机械化程度高、连续化生产强的现代化生产线。
钛及钛合金板带材加工设备的装机水平和配置特点,基于各生产企业生产线的差异化定位和发展而不尽相同。以保障国家重点领域关键用材的国有或大型钛加工企业生产线设备具有装机水平高、控制精度高的特点,尤其是生产线关键设备主要从国外引进或国内一流设备厂家供货。而以民品为主的钛加工企业生产线的配置模式具有多样化和注重性价比的特点。根据生产工艺需求及主要功能作用，钛及钛合金板带材的轧制及配套生产装备包括以下几个大类:
(1)轧制设备。热轧机和冷轧机。其中热轧机包括:二辊热轧机、四辊热轧机,板材热轧机、带材热轧机,单机架热轧机,双机架热轧机,炉卷热轧机,多机架热连轧机。冷轧机包括:二辊冷轧机、四辊冷轧机、六辊冷轧机、十四辊/二十辊等多辊冷轧机,单机架冷轧机、双机架冷轧机、多机架冷轧机。
(2)加热及热处理设备。加热炉、补热炉和热处理炉。其中加热炉包括:步进式加热炉、辊道式加热炉、台车式加热炉等。补热炉包括:辊道固定式补热炉、可横移式补热炉、卷取补热炉等。热处理炉包括:台车式大气退火炉、卧式真空退火炉、钟罩式退火炉、板材通过式热处理炉、带材卧式连续处理炉、带材立式连续热处理炉。
(3)表面清洗及表面处理设备。表面清洗机组和表面修磨机组。表面清洗机组包括:板/带材表面抛丸酸洗机组、板/带材表面脱脂清洗机组、板材酸洗槽组、板材熔融碱洗槽组。表面修磨机组包括:板材水磨机、板材砂磨机、板/带材表面高精度修磨抛光机。
(4)精整设备。板材精整机组和带材精整机组。板材精整机组包括:板材真空蠕变矫平机、板材辊式矫平机。带材精整机组包括:带材拉弯矫直机、带材平整机组。
(5)剪切设备。板材剪切设备和带材剪切设备。板材剪切设备包括:剪板机、锯切机、高压水切割机、激光切割机。带材剪切设备包括:横剪机(开平机)、纵剪机组、薄带拉剪机组、板带材纵横联合剪机组。
(6)检测、包装设备。平面度/粗糙度检测设备、超声波探伤设备、板材/卷材自动包装机组。
与钢铁、铜、铝等板带材轧制领域类似,钛及钛合金板带材生产的关键工序设备为热轧机、冷轧机、热处理炉、表面处理设备、精整设备等。以上关键装备中,在进行专业化生产线设计时选择国产设备和引进设备还存在明显差距的装备机型包括:炉卷热轧机、六辊/二十辊等多辊冷轧机、带材修磨抛光机、拉弯矫直机、真空蠕变矫平机。这些关键装备机型的国外产品相比国产具有运行速度和生产效率高,生产自动化和连续化程度强，设备的工艺和功能针对性强，控制精度高,产品尺寸精度和力学性能一致性好,以及具有较高的运行可靠性及耐用性等显著优势。主要原因如下:
(1)国外产品设计理念先进,工艺针对性强,机型随着产品类型和规格的多样化、多合金化、高端化、高质量要求等发展而不断升级换代。由于轧制装备起源于西方发达国家,国内以模仿设计和引进消化的模式起步,在基础理论和研发技术与体系方面与国外存在较大的差距。功能多、结构复杂、工艺针对性强、对控制要求高、运行稳定性要求强尤其是接近最终成品工序的带材生产装备，差异越明显。
(2)国外发达国家在现代冶金、新材料和高技术领域具有显著的先发优势和技术沉淀。体现在轧制装备领域的优势包括关键电气和控制元器件、重要部件的材质成份和制造精度、轧制模型和过程控制软件、在线检测和反馈优化技术、应用场景模拟技术等方面。国产设备的开发、设计、制造更多集中和体现在外型、结构、尺寸、组合、动作和功能等机械方面的“有型”设计,很多情况下不进行受力分析或应用环境下的模拟。而对技术含量和附加值极高的关键零部件、电气系统、基础元器件、模型软件等“无型”产品的开发和设计进展缓慢。
2、钛板带关键装备技术与发展分析
2.1炉卷热轧机
炉卷热轧机主要用于钛及钛合金板带材的热轧,生产中厚板及为后续冷轧提供带坯。传统块式法工艺的板材热轧机在保证钛及钛合金终轧温度方面存在一定的困难,因而需减小热轧带坯长度,热轧后再将多支短带坯料相互焊接为大卷用于后续带式法高效生产，但存在焊缝多、废品率高、尺寸精度和性能一致性差等问题。利用炉卷热轧机可将钛板坯热粗轧到18~22mm厚度以下时进入卷取炉内进行加热补温状态下的连续张力热精轧,因而在生产薄规格热轧带卷时能够更好的控制温度,且设备投资低于热连轧机,因而在建设钛板带专业化热轧生产线时往往成为首选机型。
单机架四辊可逆炉卷热轧机为主体形成的钛及钛合金板带热轧生产线的组成包括:步进式加热炉、在线可横移式辊道补热炉、左右卷取机及卷取加热炉、机前高压水一次除氧化皮装置、机架内高压水二次除氧化皮装置、机前机后对中导尺、立辊轧机、飞剪、层流冷却系统、辊式矫直机、定尺剪、板材冷床、板材下料及堆垛机、地下卷取机、卸卷小车、自动打带及喷号系统,以及电气控制系统、工艺润滑系统、液压系统、稀油系统、冷却水系统、气动系统等部分组成。
图1为国内钛板带典型生产企业热轧生产线现场图。图1(a)为攀钢集团沈阳有色金属加工厂1780 mm四辊可逆钛板带炉卷热轧机组,2013-2014年由意大利达涅利集团公司和国内鞍钢重型机械有限公司联合设计制造。图1(b)为新疆湘晟新材料科技有限公司2450mm四辊可逆钛板材热轧机组,2017-2018年由二重(德阳)重型装备有限公司设计制造。图1(c)为宝钛集团公司3300mm四辊可逆钛板材热轧机组,20世纪七八十年代由法国SACK公司设计制造,宝钛集团于1989年从原西德引进。图1(d)为宝钛股份1850mm四辊可逆宇航级钛板材热轧机组，2020-2021年由中国一重设计制造。
目前应用于钛及钛合金板带生产领域的炉卷热轧机源自于钢铁行业,尤其是用于生产不锈钢、管线钢、高强度低合金钢等板带材。国内有色金属领域专业化生产钛板带的炉卷热轧机建设在攀钢集团沈阳有色金属加工厂[6]。该轧机机型为单机架1780mm四辊辊系，进料扁锭的最大厚度、宽度、长度分别为250mm、1560mm、4000mm,最大卷重7000kg,最高生产速度540 m/min,最大轧制力55000 kN,最小可轧厚度3.0mm。该轧机在生产大卷重TA1、TA2等纯钛带卷基础上,目前已成功工业化生产出TC4热轧带卷,进一步增加了该机型在钛轧制装备领域的竞争力。据了解，考虑到TC4热轧带坯的生产需求，国内已有几家企业拟规划建设炉卷热轧机专业化钛带生产线。
除上述专业化有色金属行业建设的炉卷热轧机生产线外,国内宝武集团云南钛业、宝武集团特殊钢公司、酒钢集团等利用钢铁企业的单机架或双机架炉卷热轧机生产钛及钛合金板带材。国内部分钛板带生产企业也外委到涟源钢铁热连轧、太钢集团热连轧、攀钢集团热连轧、山东圣阳钢铁热连轧等钢铁企业的连轧机进行热轧带卷的代料加工,有利于降低钛加工企业热轧生产线的建设投资[7]。
由于炉卷热轧机具有较高的产能,在钢铁行业一般生产能力为20~60万t/a,因而除了钛及钛合金产品的生产外,其富余产能还可生产镍及镍合金、铁-镍基高温合金、铁-镍基精密合金、锆及锆合金、特殊铜合金、不锈钢、特殊钢等板带材。通过热轧生产线配般生产能力为 20~60万 t/a,因而除了钛及钛合金产产多合金种类、提高轧机负荷率等需求。目前利用炉卷热轧机生产钛带时,在氧化皮的控制、成品率的提高、生产效率的提升、最小可轧厚度、表面质量控制等方面相比将钛板带热轧工序外委至钢铁企业利用热连轧机的生产还存在一定的差距,这也是该机型进一步提高和发展的方向。
(1)对卷取炉结构、温度控制、气氛控制等进一步改进和提高，降低钛带表面氧化程度，提高表面质量[8]。
(2)设置机架内在线轧辊修磨系统,轧辊无需更换就可在线进行修磨,提高生产效率和钛带表面质量。
(3)热轧机关键部件的国产化,以降低进口费用,例如卷取机的卷鼓和卷取芯轴等。
(4)优化轧机功能和热轧工艺技术,减少料头料尾因温度、性能、尺寸、精度等不合格所导致的废料率较高等问题。
(5)如果生产线不考虑高温合金、不锈钢等多金属类别,应针对钛及钛合金产品的需求特征来研制高性价比的专用炉卷热轧机,例如在钢铁行业通用炉卷热轧机配置基础上优化设备参数、精简功能部件等。
(6)由于带卷式热轧机投资较高且单一生产钛及钛合金板带时生产利用率不高，而目前行业对块式法工艺的宽幅板材四辊热轧机的建设具有一定需求，生产线设计可兼顾二者，例如轧机本体和辊道以及板材精整设备均按 2 400~ 3 300 mm宽幅考虑,卷取机和卷取炉以及配套带卷部件的宽度规格可按1500~1800mm设计。以上配置模式可满足纯钛带的卷式热轧生产,以及具备宽幅中厚板、换向轧制、叠轧和包覆轧制钛合金薄板等生产需求。
2.2多辊冷轧机
钛的屈服强度高，轧制反弹性较强，且密排六方结构导致各向异性显著，使用普通两辊或四辊轧机较难实现钛薄板带的轧制，为了满足要求，目前行业生产时主要采用六辊、二十辊等多辊轧机进行轧制。其中二十辊轧机是生产高精度钛薄带和箔材的最佳机型[9]。冷轧宽而薄的钛带材时，随着变形程度的增加,变形抗力加大,要求轧辊的弹性压扁要小,而当轧辊的压扁量等于或接近产品的厚度时,其再轧制的变形量将趋于零。轧辊的压扁量与轧辊的直径和轧制力呈正比。因此，要轧制厚度很小的带材，唯一的途径就是选择小直径的工作辊。但是高精度带材的厚度精度和横向厚差要求高，轧制过程中需要承受较大的变形抗力，这与小直径轧辊相矛盾。塔形辊系的多辊轧机很好的解决了使用小直径工作辊的技术问题，轧制力相对较小,可减少轧制磨擦发热和轧辊磨损以及轧制力矩。相比传统四辊轧机,以二十辊辊系为代表的多辊冷轧机具有横向刚度高、控制精度高、产品板型质量好、道次加工率大、节能等优点，但其结构也较为复杂。图2(a)为中国重型机械研究院股份公司设计制造的钛带冷轧机组,图2(b)为塔型结构的钛带二十辊轧机辊系。
多辊冷轧机主要由轧机牌坊、辊系、主传动系统、压下系统、开卷机、卷取机、除油装置、切头尾液压剪、上卸卷小车等构成，以及工艺润滑系统、二氧化碳灭火系统、电气控制系统、液压泵站、稀油泵站等辅助系统。用于钛带冷轧的六辊、二十辊等多辊冷轧机主要来源于钢铁行业，并针对钛带的变形特点进行了一定改进。
钛的热导率较低且弹性模量较小,轧制过程中具有较高的冷加工硬化效应，回弹较大、变形困难。同时，在冷轧变形过程中没有明显的屈服点，屈服强度和抗拉强度接近,屈强比较高,冷轧板型控制困难且容易产生裂纹。因而,相比多辊精轧机应用于生产不锈钢、铜等金属带材，生产钛带时的道次压下率较小且生产速度慢，或者会导致钛带温度升高造成粘辊现象，严重影响表面质量。目前用于钛带冷轧的多辊轧机一般选择润滑效果好、冷却性能优良的轧制油或乳化液，例如将乳化液浓度从轧制不锈钢的0.5%~1.0%提高到4.0%，润滑冷却效果较好。
另外，采用普通材质的轧辊冷轧钛带时，轧辊表面钛的热黏附着现象显著，导致轧辊粗糙不平，引起摩擦系数和轧制负荷的提高，换辊频繁，产品表面质量差且生产效率低,行业内采用了赛伦(Sialon)陶瓷辊替代常规的钢质轧辊,主要是利用赛伦(Sialon)陶瓷与金属粘结性较低的特点。赛伦(Sialon)是基于传统硅酸盐陶瓷发展的新一代无机非金属材料,主要成分为氧氮化硅铝或硅铝氧氮。赛伦(Sialon)陶瓷辊具有高强度和高硬度,耐磨损和热稳定性较好以及较低的热膨胀系数，尤其是对有色金属无粘合，适应了钛带冷轧的需求。
钛带生产不断向超薄(0.5mm以下)和宽幅(1200mm以上)发展，因而钛带板形的控制难度进一步加大。国外多辊冷轧机一般选择精度高、反应速度快的闭环测量元件，如ABB公司的压磁式，Vollmer公司的位置式,英国戴维公司的气动式及Sundwig公司的压电式，并将CVC、EDC、SCR、ESS等先进技术运用到多辊冷轧机上，提高了板形质量。
多辊冷轧机的大压下轧制可减少轧制道次，提升钛带产量，产品质量好，能耗减少。但多辊轧机设备制造加工、安装调试的精度要求非常高。与四辊或六辊轧机相比，二十辊等多辊系的散热性不佳，限制了其轧制速度的提高。另外，生产过程中出现断带时，机架内不易清除。这也是多辊冷轧机行业发展需要优化和提升的方向。
对于具体冷轧机机型的选择，在实际项目中可针对钛带产品的种类、厚度、宽度、应用领域和质量需求等进行选型组合，以充分降低冷轧生产线的设备投资，例如选择四辊或六辊冷轧机进行钛带开坯轧制或中间品轧制,选择二十辊冷轧机进行精轧出成品;选择国产二十辊和进口二十辊冷轧机组合模式适应不同产品档次等。对于生产规模较小的项目,一般选择1台六辊冷轧机或二十辊冷轧机即可。
2.3带材拉弯矫直机
钛的屈强比较高，其板型控制及内应力消除困难。一般冷轧后需进行一个道次的平整工序，生产线需配置带材平整机。相比铜、铝带材的生产，钛带拉弯矫直机一般采用“两弯+两拉”的强化配置，可将成品带材板型质量提高到3~5I以下。带材拉弯矫直机高端装备国产化的目标主要是多辊矫直机的制造和装配精度、电气控制和关键检测元器件的国产化替代。例如使拉矫机和多辊矫直机的工作辊辊面表面粗糙度<0.16,辊面圆度≤0.01,辊面圆跳动≤0.005,等。
2.4带材修磨抛光机
钛带热轧、冷轧、热处理和精整过程中容易出现表面起皮、氧化、压坑、夹杂等缺陷，一般需根据产品质量需求配置高精度带材修磨抛光机。修磨机采用的砂光单元是利用背压辊顶升使带材与砂带和背压辊直接接触，依靠调整背压辊和砂带辊之间的间隙从而实现接触式砂磨。各生产线的砂磨机数量不尽相同，如宝钛公司配置的是4上4下共8台砂光机，而云南钛业均配置的是3上3下共6台砂光机。单道次表面修磨量一般控制在0.01~0.025mm/每面，修磨后带材表面粗糙度:抛丸酸洗后修磨≤2.4μm、预精轧前半成品修磨≤1.6μm、抛光后带材表面粗糙度≤0.6μm。
由于电气控制和制造精度方面的差异，目前修磨单元一般采用引进国外，生产线其他配套清洗、开卷取、剪切、冲洗、烘干等部件为国产配套，既保证了产品质量又降低了投资。带材修磨机组高端装备国产化的目标主要是修磨单元本体、电气控制和关键检测元器件的国产化替代。
2.5板材真空蠕变矫平机
钛及钛合金板材在热轧、冷轧、热处理及修磨过程中会存在不同程度的翘曲及内应力，因而需要矫平。但钛在室温下具有较大的回弹性及较高的强度，板材矫平困难，导致成品板材的板型质量不能满足用户使用要求。美国等发达国家在国防、军工和航空航天领域用钛板采用了真空蠕变矫形的方法，能够使板材平整度达到整板≤3mm,残余应力在±30MPa以内。但该技术对中国严密封锁且无法引进该设备。
真空蠕变矫平机主要用于钛薄板和厚板的矫形和消除应力。航空、航天领域用板材要求必须保证平面度和完全消除材料的内部应力，钛及钛合金板材以往采用压平、辊式矫平、拉弯矫直等模式均不能保证完全消除内部应力，只有采用真空蠕变工艺才能达到要求。国内于2007年研制了国产首台套真空蠕变矫平机,将单位矫平压力从以往常规技术的低于2t/m2提高到5~8t/m2,钛板材的单位不平度经真空负压矫平后可降低到3mm以下，满足了国防和军工等关键领域需求。
真空蠕变矫平机的关键部件为炉床石英石板砖，底板上采用国外进口石英浇注料(砖和浇注料要求在780℃等高温下的耐高温能力强、变形小)。同时采用研磨处理进行平整，表面采用标准平尺检验要保证接触点大于85%以上，研磨炉床在任意方向的平面度小于0.5mm/m。上面铺设国外进口的标准加热砖，砖内穿镍铬加热丝和冷却管等。真空蠕变矫平机高端装备国产化的目标主要是炉床材料的石英石砖、浇注料的国产化开发和替代。
3、结束语
我国钛及钛合金板带材行业发展迅速,已成为世界钛板带生产量最大的国家。同时，随着加工技术和冶金装备的不断进步，以往主要依靠进口设备的钛板带生产线不断实现国产化，为国家节省了大量外汇。
在行业未来发展方面，应加强关键装备尤其是炉卷热轧机、二十辊等多辊精轧机、带材修磨抛光机、带材拉弯矫直机、板材真空蠕变矫平机等关键设备部件、电气及控制系统的研发和精密化制造，进而实现全生产线的完全国产化替代，真正实现我国钛工业生产技术和加工装备的由大变强。
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