钛及钛合金行业

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大道向前·跃上新高地丨上天入海,“钛”不简单

   2022-06-20 650

名  片

  宽幅达2040毫米的热连轧带卷,刷新国内纪录;高性能耐蚀钛焊管成为“华龙一号”关键部件;高强高韧TC18钛合金,助力国产大飞机鲲龙AG600的研制……经过10多年发展,湖南钛材加工已建成从海绵钛钛锭、钛带卷到钛焊管的产业链,钛带卷、钛焊管产销量居全国第一,钛材精加工系列产品,屡屡填补国内空白、打破国外垄断,应用于诸多“国之重器”。

  “轰……”

  5月28日,湖南湘投金天科技集团(以下简称“湘投金天”)旗下金天钛金冷轧钛带卷制造车间,一台冷轧钛带卷专用二十轴轧机正在稳定工作。

  轧机内部,一卷暗银色的钛带卷正被轧成0.5毫米的规格。很快,这卷高品质的钛带卷,将成为飞机、船舶及计算机和通讯电子产品中的关键部件。

  钛具有重量轻、强度大、耐腐蚀等特性,能应用于太空、大海等环境极其复杂的工作场景,是一种重要的战略性金属。钛及钛合金的加工和研制能力,已成为衡量一个国家航空航天、航海、核电、深海探索等科技领域先进性的重要标准之一。由于钛熔炼工艺复杂、加工难度大,目前世界仅中国、俄罗斯、美国、日本4个国家掌握完整的钛工业生产技术。

  十多年来,湘投金天一直专注钛材精加工,所产钛带卷、钛焊管、钛棒材等系列产品,屡屡填补国内空白、打破国外垄断,应用于诸多“国之重器”,补足了湖南在战略新兴材料产业上的短板,解决了中国钛产业系列技术难题。

  1、轧出国内最宽热轧钛带卷,参与“深海爬游机器人”项目

  今年1月9日,户外一片萧瑟寒冷,湖南钢铁集团旗下涟钢的2250热连轧线上,一个令人瞩目的产品正缓缓轧出,汇聚着诸多热烈的目光。

  “成了!”现场响起一片叫好声。

  经过3个月的努力,金天钛金与涟钢强强联手,成功制备出宽2040毫米、卷重10.7吨的超宽幅薄规格大卷重热轧钛带卷,创造了国内最宽热连轧钛带卷历史。

  “该产品刷新了我们自己创造的纪录,进一步拓宽了金天钛金热轧板卷品类规格。”金天钛金技术部部长刘正乔告诉记者,钛带卷越宽,直接应用的场景就越广、价值就越大,也避免了拼焊带来的成本增加与质量风险。

  钛的轧制,尤其是想轧得宽及薄,实在不易。

5月28日,湖南湘投金天钛金属股份有限公司,轧制好的钛带卷码得整整齐齐。湖南日报全媒体记者 童迪 摄

  刘正乔介绍,钛具有强度大、热导率小、不易变形等特点,在作为一种成型的材料时,这些是优点;但在轧制加工时,那就是“缺点”了。

  因为变形难、易断裂,钛轧制对原材料及轧制时的温度、力度、湿度等参数的要求格外细腻。而轧得越宽或者越薄,出现缺陷的可能性就越高。

  “这次温度偏低,下次力度不够,需要反复模拟测试,只能下苦功夫。”刘正乔形容,“钛在高温下又尤其活跃,就像一匹野马,驯服过程格外艰难。”

  有一次轧制,钛带的卷面上出现了一种裂纹缺陷,刘正乔及其团队研究了好几天,始终找不到原因。

  技术攻关没有捷径。整个团队收集轧线几年的数据资料,翻阅数月,排除数十种可能,才得到几个疑似的结论。然后在电脑上反复模拟,又花费一个月左右的时间,最终消除裂纹。

  被“驯服”的优质钛带卷性能有多强?金天钛金总经理助理孔玢介绍:“广泛应用于舰艇、潜艇、深海探测器等,比如制作外壳及一些关键部位的结构件。”

  近几年,金天钛金就参与了“深海爬游机器人”等国家重大科技项目的研发,主要负责主体结构以及电子元器件的舱体制作。

  该项目负责人江彪介绍,深海爬游机器人的设计深度达到1000米至1500米。他说:“钛极耐腐蚀,同时强度大、重量轻,特别适合应用于海洋中,因此钛也有‘海洋金属’的美誉。”

  2、成功应用于“华龙一号”,改写全球钛焊管产业格局

  2020年11月,“华龙一号”首台套凝汽器用高性能钛焊管国产化项目在湘投金天所属金天新材下线。“这是核电关键设备材料国产化、自主化的重要组成部分,是核电国产化进程中具有里程碑意义的重大事件。” 中国工程院院士、核反应堆及核电工程专家叶奇蓁现场点赞。

  这根不起眼的焊管不可小觑。

  金天新材技术部副经理李军兆介绍,我国的核电站基本建在海边,核电工程中的钛焊管主要用于装载海水,在核电机组中循环往复,对核电机组进行降温。“1台核电机组里,密密麻麻有10万多根的钛焊管,不然怎么是关键设备呢?”

  “华龙一号”是我国核电创新发展的重大标志性成果,用于其中的钛焊管,绝不允许有任何缺陷,而且要求使用寿命超过30年。

5月28日,湖南湘投金天钛金属股份有限公司生产线,脱脂机组员工在操作脱脂机。湖南日报全媒体记者 童迪 摄

  不难想象,这根管子的研制得有多难。

  用于“华龙一号”里的钛焊管,长度约18米,直径为2.1厘米,大概矿泉水瓶盖的大小,厚仅0.5毫米。海水的腐蚀性很强,加上直径短、厚度薄,其焊接成型、热处理的工艺要求极高。

  李军兆说,核级钛焊管的各项指标比常规钛焊管严格1倍以上。同时,和轧制钛带卷一样,钛焊管任何缺陷的出现,到底是焊接参数不对、焊接电流大,还是原材料有夹杂、轧制工艺的问题,都需要全面排查。

  “我们当时分成轧辊与成型、焊接与检测、材料与传热研究三个小组,协同攻关。很多时候,三个小组要一起开会研究,然后逐一验证,反复调整参数、轧辊,才找到解决问题的办法。”李军兆回忆。

  经过1000多个日夜的攻关,金天新材于2019年打造出符合“华龙一号”凝汽器标准的高性能耐蚀钛焊管,突破了国外对核电凝汽器用钛焊管的技术垄断和市场封锁,还逐渐实现了出口,改写了全球钛焊管的产业格局。

  3、8年啃下“硬骨头”,助力国产大飞机研制

  5月31日,由我国自主研制的大型灭火/水上救援水陆两栖飞机鲲龙AG600全状态新构型灭火机,在广东珠海首飞成功。

  现场,鲲龙AG600从珠海金湾机场滑行起飞,先后完成等速爬升、平飞减速、松杆飞行、模拟进场复飞等试飞任务,在空中飞行20分钟后平安降落,各系统运行稳定。

  这个大家伙,其起落架的制作材料TC18钛合金,由金天钛业研制。

  鲲龙AG600,是我国大飞机“三兄弟”之一。其最大起飞重量60吨,最大载水量12吨,填补了国产大型航空灭火飞机的空白。

  可以想象,当这架飞机落地时,起落架将承受多大的压力。

  既要硬,又得轻,钛合金是最佳选择。2011年,湘投金天旗下金天钛业接下这块硬“骨头”。

  这块“骨头”到底有多硬?其中一个不太起眼的“黑斑”问题,就让研发团队“头疼”了近一年。

湘投金天新材料有限公司高性能钛焊管生产车间摆放的管材。李博斌 摄

  “黑斑,是由于材料组织不均匀或成分偏析引起。黑斑的存在,易导致产品产生微裂纹,埋下断裂的隐患。”湘投金天总经理、时任金天钛业首席专家杨胜告诉记者。

  为优化锻造工艺,研究团队长期在温度超过40摄氏度的车间工作,紧盯锻造过程的每一个细节和参数,一待就是一整天;每次前往合作方沟通细节,团队都是直奔锻造车间,第一时间针对新出现的问题进行改善。

  最终,经过8年“鏖战”,团队研制出高强高韧的TC18钛合金,达到了鲲龙AG600的要求,让湘投金天在航空航天领域站稳了脚跟。

  目前,湘投金天在飞机发动机叶片、飞机框架、航天构件等高性能钛合金棒材上技术实力强劲,已成为中国航空高端钛合金材料三大供应商之一。

  “湘投金天已形成了从材料到构件到装备完整的钛工业产业链,未来将在持续开展航空航天、核电产业等高端钛材的研发同时,在航空发动机、深海装备及医疗、计算机、通讯电子产品等民生领域作出更多探索,更好为国家和社会服务。”湘投金天副董事长彭丹告诉记者,钛加工的趋势是越来越合金化、超薄化,钛的应用场景将不断扩大。

  青年观察

  将自己锻造得像钛一样

  刘正乔(金天钛金技术部部长)

  作为一种稀有金属,钛具有硬度大、抗腐蚀性强等优点,从飞机、船舶、核电等科技领域,到自行车、羽毛球拍、眼镜架等日用领域,钛是既能上天下海,还能入手的顶级材料,被誉为“未来金属”。

  我很幸运,大学毕业后成为了一名钛材的科研工作者;入行十几年来,参与并见证了湖南高端钛材产业的成长与崛起,与有荣焉。

  这十几年,最让我自豪和难忘的是,湖南钛材人致力于高端钛材发展的决心,及坚定不移走创新之路的意志。

  很多人不知道,2007年湖南的钛材加工起步时,连生产线都没有。我们大胆开创“钛钢联合”模式,在涟钢的轧机上轧出国内第一个大卷重宽幅热轧钛带卷,改写了历史。

  钛金属研究专家唐仁波,退休后毅然回到湖南。作为技术带头人,唐老不但引领了技术发展,更培养了大批技术骨干。如今唐老已80多岁,仍在一线指导科研工作。

  参与鲲龙AG600飞机起落架的研制时,为解决困扰行业多年的TC18钛合金“黑斑”问题,金天钛业技术团队不断优化工艺,历时270余天才攻克难题。

  ……

  很感动,身边的前辈、同事全身心投入到钛材加工的研究中,夜以继日,忘记了时间和自己;很骄傲,自己也是湖南钛材人的一分子,参与到众多填补历史空白的研究中,获得感十足。

  科研工作没有止境。我的理想是,将自己锻造得像钛一样,经得起各类严苛的考验,为中国的钛材事业作出自己的贡献。


 
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