本发明属于钛合金无缝管加工技术领域，特别涉及一种钛合金热轧无缝管生产系统及其生产工艺。
背景技术：
钛及钛合金无缝管质量轻、强度高、机械性能优越、耐腐蚀性能好，主要用于制作飞机发动机压气机部件及火箭、导弹和高速飞机的结构件、电解工业的电极，发电站的冷凝器、石油精炼和海水淡化的加热器以及环境污染控制装置等工业制造领域。钛及钛合金无缝管的主要通过挤压成型、管坯钻镗孔或斜扎穿孔冷轧冷拔的三类生产系统。挤压成型的成材率低，尺寸精度差，生产成本高；管坯钻镗孔尺寸精度较好，但是加工成本高，生产效率和成材率低；斜轧穿孔后冷轧冷拔虽然成材率较高，但该类钛合金常温下强度高、塑性差，冷轧变形抗力大，需要多次反复退火，生产效率低，生产成本高。故现代生产中针对钛及钛合金无缝管需要一种节能、高效的生产系统。
钛化学活性较大，与大气中的O、N、H、CO、CO2、水蒸气和氨气发生化学反应，会生成TiC、TiN等硬质表层；600℃以上时钛吸收氧形成硬度很高的硬化层，由于吸收气体而产生的硬脆表层深度达0.1-0.15mm，硬化程度增加20%-30%。钛化学亲和性大，易与工具摩擦表面产生黏附现象。钛在氮气中加热可发生燃烧，在加热过程中用氩气保护。钛导热系数为Fe的1/5，Ni的1/4，Al的1/14，而各种钛合金的导热系数比钛的导热系数低约50%。钛合金的弹性模量约为钢的1/2，刚性差。
上述钛的物理及化学特性决定了钛合金无缝管轧制难度比一般的钢管、铝管、镁合金管等管材的轧制难度要大得多，钛合金无缝管轧制很难从其他管材的轧制工艺上取得有价值的借鉴。但是，现有技术中也不乏钛合金无缝管轧制的技术，例如专利名称为“一种钛及钛合金无缝管的生产工艺及所用的轧机前台受料结构”（申请号为：201611093871.8）以及专利名称为“一种钛合金油井管的制备方法” （申请号为：201611051807.3），尽管都公开了一种钛及钛合金无缝管的生产工艺，但是为了抑制热加工过程中管坯表面的活性，所以需要“在钛及钛合金坯料表面涂刷防护涂料”，其存在的缺陷为：1、防护涂料中需要多种不同的物质，2、涂刷防护涂料的工艺比较费时，延长了管件的生产周期，增加了管件的生产成本；例如专利名称为“一种热轧大口径薄壁钛合金无缝管生产工艺”（申请号为：201611065459.5），尽管在精轧毛管工序与矫直工序之间添加保温隧道，但是保温隧道的作用仅仅是升温加热的功能，不能根据实际生产过程中管件表面的温度，对管件进行升温或降温处理，使管件真正满足下一步矫直工序中管件表面温度的需要。另外，现有的主流钛合金无缝管的加工工艺中仍采用二辊轧机对钛合金管进行轧制，不仅减壁量小、成材率低、延伸系数小，还会导致生产获得的钛合金管内外表面产生螺纹，二辊轧制过程中导板固定设置，使得钛合金管轧制过程中外表面划伤甚至产生裂纹，辊距不可调整导致轧制时容易轧卡。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，解决现有技术中钛合金无缝管轧制过程中需要涂覆涂层、生产难度大、成材率低的技术问题，提供一种钛合金热轧无缝管生产系统及其生产工艺。
本发明通过以下技术方案予以实现。
一种钛合金热轧无缝管生产系统，它包括按生产工艺路线依次设置的穿孔机、三辊轧管机、张减机组、调温隧道、矫直机和冷床，还包括电加热炉，所述电加热炉包括管坯加热炉、过渡再加热炉和荒管再加热炉，其中：管坯加热炉设置于生产系统的首端，管坯经管坯加热炉加热后运送至穿孔机中穿孔轧制，所述穿孔机为两辊小锥角导轮式穿孔机，与穿孔机轴线方向相平行地设置有三辊轧管机，穿孔机的尾端与三辊轧管机的首端之间还设置有过渡再加热炉，三辊轧管机轧制后的荒管运送至在线常化区，所述在线常化区中设置有补温加热电阻丝，荒管在线常化区中经时效处理后运送至荒管再加热炉，荒管再加热炉加热荒管至张力减径温度后运送至张减机组中张力减径，张减机组定径后的成品管经调温隧道运送至矫直机中矫直，矫直后的成品管运送至冷床冷却，冷却后的成品管运送至成品管储存区储存；所述调温隧道中设置有加热电阻丝，调温隧道中等距设置有若干风扇，调温隧道调整成品管温度为600-700℃。
一种钛合金热轧无缝管生产系统的生产工艺，包括以下步骤：
a、管坯下料；
b、管坯检查与修磨；
c、管坯在管坯加热炉中加热：
管坯加热炉中为还原性气体氛围，管坯加热炉分段加热管坯，所述分段加热包括预热段、加热段和保温段，预热段管坯温度为500-650℃，预热时间一般为30-90min；加热段管坯温度为650-1100℃，加热时间为60-90min；保温段管坯温度为1100-1150℃，保温时间60-150min，出料温度为950-1120℃；
d、两辊小锥角导轮式穿孔机穿孔轧制：其中，送进角8-12°可调，碾轧角5°固定，轧辊转速40-80r/min可调，咬管坯时轧辊转速40-60r/min，制得钛合金无缝毛管，穿孔后毛管温度为900-1000℃；
e、毛管在过渡再加热炉中重新加热：
穿孔轧制后外径与壁厚比值为D/S，当10≤D/S＜20时，厚壁钛合金无缝毛管直接通过移管装置移入下一工序进行轧制；当20≤D/S≤40时，薄壁钛合金无缝毛管在过渡再加热炉中重新加热到950-1050℃，再通过移管装置移入下一工序进行轧制；
f、三辊轧管机轧制：其中，三辊轧管机辗轧角为0-6°可调，送进角8-10°可调，轧辊转数为60-120r/min，轧制钛合金管速度为0.22m/s～0.50m/s，制得钛合金无缝荒管；
g、荒管在线常化处理：
根据荒管是否需要时效处理将在线常化处理分两条路线：当荒管需要进行时效处理时，荒管首先进在线常化区中空冷到480-560℃，然后进荒管再加热炉中补温到950℃，补温至荒管外表面和内表面温差不大于±10℃时，荒管穿过荒管再加热炉进后续轧制工序；当荒管不需要进行时效处理时，荒管直接穿过荒管再加热炉进后续轧制工序；
h、张减机组轧制：在张减机组轧制过程中关闭轧辊冷却水，张减机组轧制完成后依次开启每机架的冷却水对张减机轧辊进行冷却；
i、调温隧道调温：根据张减机组轧制后热成品无缝钛合金管管坯温度，调温隧道升温或者降温，使管坯满足后续矫直工序中管坯需要的温度，管坯进后续矫直工序；
j、热成品管在线矫直
矫直机矫直温度区间为600-700℃，矫直机的最大矫直速度为0.5-0.8m/s，矫直辊角度调整范围30°±3°，以满足钛合金管和矫直辊接触线长度大于辊身长度的3/4以上为准，矫直后钛合金管温度为550-600℃；所述矫直机为六辊在线热矫直机或者七辊在线热矫直机或者九辊在线热矫直机；
k、在冷床上将矫直后的钛合金管冷却到常温；
l、将冷床冷却后的钛合金管锯切、探伤、人工检查后，打包入成品管储存区。
进一步地，在所述步骤c中，管坯加热炉为步进式电加热炉或者为环形电加热炉，管坯加热炉中的还原性气体为氩气。
进一步地，在所述步骤c中，管坯加热炉分段加热过程中的每一段的加热时间分别根据管坯外径大小相应调整。
进一步地，在所述步骤c中，分段加热后出料的钛合金管坯处于β相区，钛合金管坯变形抗力K为65-120MPa。
进一步地，在所述步骤d中，两辊小锥角导轮式穿孔机中的上下导板均由导轮代替。
进一步地，在所述步骤d中，所述导轮由电机通过减速机驱动丝杆在铜螺母中旋转实现压下和上升，适应不同管径的管坯。
进一步地，在所述步骤d与步骤e中，穿孔轧制与轧管轧制过程中轧辊冷却均采用高压水雾冷却，喷嘴远离轧制入口段。
进一步地，在所述步骤k中，冷床为步进式冷床或者为链式冷床。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果。
1、钛合金轧制变形温度区间窄，严格控制轧制温度减少变形抗力，大大降低机组功耗，节约成本，同时提高钛合金管的成材率；
2、坯料不需涂刷防护材料，减少一道工序；
3、导轮式穿孔机采用上下导轮替代传统穿孔机采用的上下导板，有效解决了钛合金由于与轧制工具之间的摩擦而产生的金属黏附现象，轧制工具消耗减少；
4、采用三辊轧辊机进一步对穿孔后的毛管进行减壁延伸，其碾轧角、送进角等轧制工艺参数调整灵活可靠，与二辊轧辊机相比机组能耗低，管子内外表面质量好。
附图说明
图1为本发明生产系统整体结构示意图，图中的箭头表示工艺流程方向。
图2为图1中两辊小锥角导轮式穿孔机穿孔辊系示意图。
图3为本发明生产工艺流程图。
图中，1为管坯加热炉，2为穿孔机，3为过渡再加热炉，4为三辊轧管机，5为在线常化区，6为荒管再加热炉，7为张减机组，8为调温隧道，9为矫直机，10为冷床，21为左轧辊，22为上导轮，23为毛管，24为下导轮，25为右轧辊，26为高压水雾冷却喷嘴。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做详细说明：本实施例是以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下面的实施例。
如图1和图2所示，本实施例中的一种钛合金热轧无缝管生产系统，它包括按生产工艺路线依次设置的穿孔机2、三辊轧管机4、张减机组7、调温隧道8、矫直机9和冷床10，还包括电加热炉，所述电加热炉包括管坯加热炉1、过渡再加热炉3和荒管再加热炉6，其中：管坯加热炉1设置于生产系统的首端，管坯经管坯加热炉1加热后运送至穿孔机2中穿孔轧制，所述穿孔机2为两辊小锥角导轮式穿孔机，与穿孔机2轴线方向相平行地设置有三辊轧管机4，穿孔机2的尾端与三辊轧管机4的首端之间还设置有过渡再加热炉3，三辊轧管机4轧制后的荒管运送至在线常化区5，所述在线常化区5中设置有补温加热电阻丝，荒管在线常化区5中经时效处理后运送至荒管再加热炉6，荒管再加热炉6加热荒管至张力减径温度后运送至张减机组7中张力减径，张减机组7定径后的成品管经调温隧道8运送至矫直机9中矫直，矫直后的成品管运送至冷床10冷却，冷却后的成品管运送至成品管储存区储存；所述调温隧道8中设置有加热电阻丝，调温隧道8中等距设置有若干风扇，调温隧道8调整成品管温度为600-700℃。
图3所示的一如种钛合金热轧无缝管生产系统的生产工艺，包括以下步骤：
a、管坯下料。
b、管坯检查与修磨。
c、管坯在管坯加热炉1中加热：
由于钛化学活性较大，与大气中的O2、N、H2、CO、CO2和水蒸气发生化学反应，会生成TiC、TiN等硬质表层，故采用电加热炉，电加热炉可以为步进式电加热炉和环形电加热炉。加热炉采用微还原性气体环境，还原性气体为氩气。防止管坯表面产生硬质表层，影响穿孔机咬钢，也避免了硬质表层碎片在轧制过程中压入管体内产生缺陷。与现有专利的区别是省去给管坯涂刷防护涂层的工序；
钛导热系数为Fe的1/5，Ni的1/4，Al的1/14，而各种钛合金的导热系数比钛的导热系数低约50%。采用电加热炉采用工控程序自动调节电炉电源输出功率梯度，实现管坯在炉内各个加热段的温度可控。管坯加热炉1中为还原性气体氛围，管坯加热炉1分段加热管坯，所述分段加热包括预热段、加热段和保温段，预热段管坯温度为500-650℃，预热时间一般为30-90min；加热段管坯温度为650-1100℃，加热时间为60-90min；保温段管坯温度为1100-1150℃，保温时间60-150min，出料温度为950-1120℃；加热时间与管坯外径大有关。出料温度为950-1120℃，此时钛合金处于β相区，变形抗力K约为65-120MPa。
d、两辊小锥角导轮式穿孔机2穿孔轧制，穿孔后毛管温度为900-1000℃。
特点1：轧辊采用小锥角锥形辊。桶形辊轧制时辊形影响金属流动方向，对金属流动形成反作用力，不利于金属流动，易产生内折现象。同时桶形辊轧制时易形成管子内外表面螺旋线。锥形辊为五段辊形，有碾轧带，解决了桶形辊螺旋线问题，同时锥形辊辊身沿轧制线方向的分速度逐渐增加，适应管子的速度增加，对管子没有反作用力。基于钛合金的弹性模量约为钢的1/2，刚性差、易变性不宜制作薄壁管，故采用小锥角锥形辊，送进角8-12°可调，碾轧角5°固定。为防止钛合金在轧制过程中产生加工硬化现象，采用低转速轧制，轧辊转速40-80r/min可调，咬管坯时轧辊转速40-60r/min，制得钛合金无缝毛管；
特点2：由于钛化学亲和性大，易与工具摩擦表面产生黏附现象。钛合金管用两辊小锥角导轮式穿孔机采用上下导轮替代传统穿孔机采用的上下导板，有效解决了钛合金由于与轧制工具之间的摩擦而产生的金属黏附现象，上下导轮由电机通过减速机驱动丝杆在铜螺母中旋转实现压下和上升以适应不同的管坯；
特点3：钛化学活性较大，易与水和水蒸气发生化学反应，产生表面硬化层，同时易造成毛管表面微小裂纹。在轧制过程中轧辊冷却采用高压水雾冷却，布置方式如图2所示，喷嘴远离轧制入口段，保证辊子在轧制时辊面干燥。
e、穿孔轧制后外径与壁厚比值为D/S，当10≤D/S＜20时，厚壁钛合金无缝毛管直接通过移管装置移入下一工序进行轧制；当20≤D/S≤40时，薄壁钛合金无缝毛管在过渡再加热炉3中重新加热到950-1050℃，再通过移管装置移入下一工序进行轧制；
f、三辊轧管机4轧制：
三辊轧管机由三个带辊肩的布置在以轧制线为形心的等边三角形的顶点，轧辊轴线与轧制线成两个倾斜角度。轧辊轴线在垂直方向与轧制线倾斜一个喂入角，用来实现螺旋轧制；在水平方向与轧制线交错一个辗轧角。在三个轧辊和一根芯棒所包围的孔型内，由穿孔送来的毛管套在长芯棒上，用喂管器送入轧管机中轧制；毛管在变形区中经咬入、减壁（同时减径）、平整和归圆而成为荒管。斜轧螺旋轧制时金属在变形区内受到轧辊与芯棒的周期连续作用而产生形状和尺寸的变化。轧件变形实际上是从圆到圆三角再到圆的过程。
与两辊轧机比三辊轧管机优点是：产品精密性高，因为带芯棒的斜轧，在一道次中多次的辗压作用，使壁厚精度大大提高；生产中灵活性大，借助轧辊的离合就可改变孔型尺寸，对组织生产有很大的优越性；工具储备数量少。
在轧制钛合金管时，轧辊在开始咬入前处于低速旋转，当毛管随芯棒进入轧辊后开始一次咬入，在此时钛合金管毛管只在直径上受到压缩，随着钢管前进，在轧辊的台肩开始毛管内表面接触芯棒表面进行减壁，实现二次咬入。正常咬入后轧辊转速提高到设定的轧制速度，进行高速轧制。在轧制结束后轧辊转速降回低速。通常咬入速度是轧制速度的70% 。
在生产D/S＞16的钛合金管时，为防止荒管前端产生喇叭形扩口，在毛管被轧辊咬入前，上轧辊在快开装置的作用下，辊缝比正常轧制辊缝稍大，当毛管头部通过轧辊的台肩后，上轧辊快速恢复到正常轧制位置。压下动作时间约为0.3秒。
钛合金管用三辊轧管机4辗轧角为0-6°可调，送进角：0-12°可调，送进角加大，轧制出口速度加快，扩径值增加，但是随着送进角的增大，轧制稳定性降低，壁厚不均呈增大趋势，容易产生内螺纹。因此在生产厚壁管时采用较大的送进角，薄壁管生产采用较小的送进角。但是在生产薄壁管时送进角也不宜过小，因为送进角过小，轧制速度慢，尤其是薄壁管时，轧制时间过长容易造成钢管头尾温差加大，形成在钢管长度方向上的壁厚不均。
轧辊转数对钢管的影响与送进角的影响一致。考虑到轧机力能参数的情况下，在轧制钛合金管时，应采用较低的轧辊转数60-120r/min，和较小的送进角8-10°，轧制钛合金管速度0.22m/s～0.50m/s，制得钛合金无缝荒管。
三辊轧机在轧制过程中严格控制轧辊冷却水，轧辊冷却方式与穿孔机轧辊冷却方式相同。
g、荒管在线常化处理：
根据荒管是否需要时效处理将在线常化处理分两条路线：当荒管需要进行时效处理时，荒管首先进在线常化区5中空冷到480-560℃，然后进荒管再加热炉6中补温到950℃，补温至荒管外表面和内表面温差不大于±10℃时，荒管穿过荒管再加热炉6进后续轧制工序；当荒管不需要进行时效处理时，荒管直接穿过荒管再加热炉6进后续轧制工序。
h、张减机组7轧制：
张减的过程是一个空心体连轧的过程，除了起定径的作用外，还要求有较大的减径率，除此之外，张力减径还要求通过各机架间建立张力来实现减壁的目的。
荒管在再加热电炉加热至950℃后出炉，在出炉辊道出口进行表面测温。钛合金管用张减机组7采用单独传动，因为集体差速传动的特点决定了不能通过调整主迭加电机来使各机架达到一理想的速度，保证钛合金管在轧制过程中不出现加工硬化现象。所以在轧制过程中，只能在秒流量相等的原则下，通过合理调节各电机的转速来保证一定张力，进行壁厚微调（一般不会超过0.5mm）。
在轧制过程中严格控制轧辊冷却水，在轧制过程中关闭轧辊冷却水，轧制完成后依次开启每机架的冷却水对轧辊进行冷却。
i、调温隧道8调温：
在轧制钛合金管时，由于金属散热效率高，且各工艺对温度区间的要求非常小，在传统辊道上传送，无法控制其热量的散失，也就无法满足其下一道工艺对温度的要求，从而导致轧制出的无缝管达不到其性能要求。
钛合金矫直采用热矫直，矫直温度区间为600-700℃，而经张减机轧制后管子温度为800-900℃，管子需要通过调温隧道对管子温度进行调控，保证管坯满足后续矫直工序中管坯需要的温度，调温隧道采用电加热方式。温度调控制度根据钛合金管材质而定，防止由于温度的变化的不合理影响钛合金金相变化。
j、热成品管在线矫直
矫直机主要作用是对来料钢管进行矫直，消除钢管在轧制、运输、热处理和冷却过程中产生的弯曲，使钢管直度符合相关要求，同时起到对钢管归圆的作用，保证管端及钢管外表面质量。
矫直机9矫直温度区间为600-700℃，矫直机9的最大矫直速度为0.5-0.8m/s，矫直辊角度调整范围30°±3°，以满足钛合金管和矫直辊接触线长度大于辊身长度的3/4以上为准，矫直后钛合金管温度为550-600℃；所述矫直机9为六辊在线热矫直机或者七辊在线热矫直机或者九辊在线热矫直机。
k、在冷床10上将矫直后的钛合金管冷却到常温；
l、将冷床10冷却后的钛合金管锯切、探伤、人工检查后，打包入成品管储存区。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。