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钛钢复合板的制造技术

来源:      2018-10-12 08:14:49      点击:
  前言
  钛因其优良的耐腐蚀性而被大量用作各种化学反应容器、热交换器材料,但缺点是成本较高。特别是作为结构部件使用时这个问题尤为突出,有效的解决方法就是使用钛钢复合板。钛与普通钢的复合材称之为钛钢复合材,既有钛的耐蚀性,又有普通钢板作为结构物的强度,重要的是成本也大幅度下降了。
  近年来,钛钢复合板又增添了新用途,即在海洋土木领域开始适用于钢构造物的防蚀材。这不仅是因其成本较低,作为主体的钢构造物的焊接安装来看,也必须采用钛钢复合板。
  钛钢复合板的概述
  何谓钛钢复合板?
  在《英和词典》上的「CLAD」是指「特别是将防蚀金属包覆在别的金属上」。《钢铁便览》上的「复合钢板」则是指将「一般普通钢板与其它金属复合」。即钛钢复合板是指将在一般普通钢板的表面用耐蚀性好的金属钛包覆,普通钢板的耐蚀性自然就提高了。
  在JIS标准中,该板主要用于压力容器、锅炉、核反应堆、 贮存器等,采用的均是厚度达8mm以上的复合钢,其规格号为G3603。
  钛钢复合板的历史
  日本钛加工材的生产始于1954年,钛钢复合板则始于1962年。那时的生产方法称之为「爆炸复合法」,凭借炸药的爆发能而接合的一种方法。1986年开发了热轧法,厚板轧制法。1990年又开发了连续热轧带卷的生产法,主要是指薄板的生产。
  钛钢复合板的应用领域
  爆炸法、厚板轧制法制造的钛钢复合板为厚板,其用途主要用作耐蚀性构造材料。高纯度对酞酸设备等的化工设备、冷凝器的管板用在发电设备上。
  连续热轧制造的钛钢复合板为薄板,主要用在海洋钢构造物的衬里,应用领域为海洋土木。
  钛钢复合板的制造方法
  一般复合钢板的制造方法有:填充金属钢锭轧制法、爆炸复合法、轧制压接法、堆焊法等。钛钢复合板的场合,考虑到钛的特性,工业上常采用爆炸复合法或轧制压接法,而实际的生产方法则包括①爆炸复合法,轧制压接法又包括②厚板轧制法③与连续热轧法。爆炸复合法通常是在常温下进行的,轧制压接法是将板组装、加热轧制。
  爆炸复合法
  爆炸复合法的要点:首先将欲压接的2张金属板之间保持一定间隔放置,在其上面再放上适量炸药。由炸药的一端起爆,爆炸速度每秒数千米,凭借该爆发能钛板从基材钢板的角度碰撞。在该碰撞点基材钢板与钛板因非常大的变形速度与超高压下显示出流体行为,两金属表面的氧化膜、气体吸附层作为金属喷流而排除掉,干净的面与面之间的接合就在瞬间完成,称之为冷接合。
  采用该法制造的钛钢复合板可继续热轧至板厚为4mm,所以又称为爆炸复合法。
  厚板轧制法
  厚板轧制法最初将钛板(复合材)与钢板(基材)以嵌入式的板坯组装。这时,在钛板与钢材之间放入合适的中间嵌入材,再在高真空下采用电子束焊接。最后放入加热炉加热后,在厚板轧机上强压轧到所要求的厚度,这样钛板与钢板则真正接合了。最后将外围切割,分离为2张板。
  连续热轧法
  连续热轧法与厚板轧制法基本相同,所不同的是2张板中间加入的是钢板,在大气下进行电弧焊接,最后在连续热轧机上连续轧至所要求的厚度,以带卷形式取出。最后将外围切割,分离为2张板。
  应用领域:
  设备领域
  在设备领域的应用主要是指先前所述的类似的对酞酸制造设备的化工设备、发电厂用冷凝器管板的电力设备。特别是电力领域的发货量已累计达到1000张以上。该领域是钛钢复合板的支柱产业。最近的话题:造纸厂的漂白处理槽、污水处理厂的次亚氯盐酸苛刻钠处理槽也在使用钛钢复合板。
  海洋土木领域
  海洋构造物的维护问题
  日本四面临海,经济活动的基地设在近海区,随着经济发展的需要,流通、交通、城市功能等设施的空间正在利用海域,并且从过去的内海、内湾的浅海域向现在的外海、深海域发展。为此,日本设立了超大型浮式技术研究小组,对数公里规模,耐用100年的超大型浮式海洋构筑物进行了理论研究和实地试验。而钛材具有优良的腐蚀性能,在海水环境下溶出离子极少,无毒性,不必担心污染环境等优点,因而成为海洋构筑物的首选材料。
  钛钢复合板的开发
  钛在流动的海水中具有非常优良的耐蚀性,目前有两种方法使钛材能够作为海洋构筑物防蚀材。一种是把钛薄板和有机系防蚀材制成复合包覆材;第二种方法是用钛钢复合板包覆焊接到新建的建筑物上。就第二种方法而言,尚存在二种问题,其一就是将钛作为衬里的接合问题。仅钛独自用作构筑物在经济上是不成立的。只有充分发挥钛的耐蚀性能,将构筑物主体用钢制造才是经济的。然而将钛 直接与铁焊接形成的脆性金属间化合物也是不实用的。只有将钛与钢采用热轧一体化工艺的「钛钢复合板」,将复合板的钢部分焊接接合将钢构筑物的主体上,再利用复合材钛的防蚀性。其二钛钢复合板的尺寸问题。以前因不能制造出钛钢复合薄板,用该材作为衬里材时因板太厚使其尺寸与形状受到限制。因此采用薄钢板制造工艺时采用连续热轧机,其厚度只有5mm的线圈状钛复合薄钢板。该复合钢板的接合强度约150-200MPa,略高于日本标准JIS-G3603所规定的值,适合作防蚀材料衬里材。
  这种钛钢复合薄板的优点在于:(1)钛在海水中基本上不腐蚀,钛金属离子也不会溶出;(2)钛生物体没有毒性,对周围的生态环境没有影响;(3)如果钛能在超长期时间内不发生腐蚀,那么对环境而言将是一种极友好的材料 。
  表1 在流动海水中的各种金属离子的腐蚀速度
  碳钢   钢    Zn  Al  Cu-Ni          合金 Ti
  150    5   50  8   20     <1
  在海洋构筑物的应用
  目前在横须贺建造了一个超大型浮式海洋构筑物,在海水飞沫冲刷处使用了钛钢复合材。新开发的钛钢复合板基本上与高级不锈钢的制造成本相同。在东京湾横跨道路的建设中就使用了钛材做桥墩的防溅躯干,每个桥墩的钛材用量为0.9t(表2)。
  表2 日本钛钢复合板衬里防蚀的适用例
  工程期限     项目名称       数量   防蚀高度   防蚀面积  用量
  91.1~93.10 东京湾横跨道路桥墩 12脚  5.0m   2200m  80t
  94.11~953 纹别冰海展望塔下部 1基   7.0m   200m    7t
  95.8~96.7 大型浮式包覆实验    3处     2.0m   30m       1t
  98.11~99.2 梦舞浮式大桥桥墩     2脚     2.4m   1000m  36t
  02.1~02.12 港口安全岛冲连接桥   8脚   4.7m   800m    30t
  合 计                      4230m    154t
  结束语
  钛钢复合板自诞生以来已经历了40多年,其主要的应用领域冷凝器管板已用了1000张以上。另一方面,在海洋土木也开始使用,并将有更多的机会。钛钢复合板就是有效地利用了钛的优良的耐蚀性与钢材的强度,在成本上达到了最佳期组合,今后期待在这方面有更进一步的发展。