談鋁熱軋機帶材生產工藝及設備特性范文

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摘要：鋁熱軋機帶材生產工藝及設備特性沒有標準手冊，只有參考文獻。本文首先對鋁熱軋的基本性能、加工原理、技術特點及其優越性進行簡析，在此基礎上分析彎輥控制原理，探析幾種彎輥控制方法對工藝質量的影響，綜合分析各種彎輥控制模式的優缺點，提出熱軋彎輥控制發展方向。其次，對熱軋生產過程中厚度波動的干擾因子進行分析，提出應對這些干擾因子的厚度控制系統理論，探討減小厚度波動控制理念。最后提出對鋁熱軋生產工藝及設備特性的發展趨勢、改善潛能及改善方向的幾點看法。

關鍵詞：熱軋；彎輥系統；板型；彎輥力；軋制力；輥縫；張力；乳化液

0引言

隨著材料科學的不斷進步，材料加工技術日新月異，鋁加工產品的應用領域越來越廣泛，鋁產品的市場體量不斷擴增，鋁加工企業市場前景廣闊。以此同時，隨著新工藝方法的不斷突破，檢測技術發展的日趨精進，市場對熱軋鋁材加工的品質要求越來越嚴苛，顧客對產品工藝質量的要求、產品質量的穩定性要求也越來越高。企業要生存、要發展、要壯大就必須不斷的自我革新。從傳統的鑄造鋁卷到今天主流的熱軋鋁卷，從電動機傳動機械壓下到今天主流的高精度伺服控制的液壓壓下，從鋁箔原先的人工取樣針孔檢測到今天的在線自動時時檢測的針孔檢測技術，每次技術革新面對的都是一個全新的時代，未與時俱進面對的只有被淘汰。只有不斷優化開發生產工藝潛能，研究現有熱軋機設備特性的優缺點，應用新工藝、新技術、新材料、新設備，不斷改進熱軋的工藝、不斷探析改進熱軋機設備特性，走在行業的前沿，我們才能在強大的市場競爭面前立于不敗之地。鋁熱軋對設備技術、生產工藝要求較高，因此本文將對熱軋鋁板帶材生產工藝與設備特性幾個要點進行探析。

1鋁熱軋概述

鋁熱軋是鋁帶材壓延加工的開始，在熱軋近似長方體鋁錠經加工形成圓形帶材鋁卷。熱軋將鋁板錠加熱到一定的溫度（具體加工到幾度，因合金牌號、客戶產品用途、各公司工藝不同而有所不同），要求在高溫下由熱粗軋機和熱精軋機將板錠一次連續軋制成卷。熱軋一般需要經歷銑面、加熱、表面清洗、熱粗軋、重剪、輕剪、熱精軋、切邊、捆綁打帶、冷卻幾個主要生產工藝流程。熱軋是在再結晶溫度之上進行的軋制。軋制時金屬塑性高、變形抗力小，大大減小金屬變形的能量消耗，降低加工成本。在熱軋溫度范圍內，軟化過程起主導作用，但是由于變形速度的影響，再結晶過程來不及進行，金屬隨變形程度的增加會產生一定的加工硬化，因而熱軋過程中金屬變形同時存在硬化和軟化的過程，軋制后的鋁合金帶材呈現為再結晶與變形組織共存的組織狀態。熱軋能改善金屬及合金的加工工藝性能，將鑄造狀態的粗大晶粒破碎，減少或消除鑄造缺陷，將鑄態組織轉變為變形組織，提高合金的加工性能。熱軋產品一般分為兩類，一類是熱軋厚板，另一類是熱軋卷。熱軋厚板指的是厚度不小于7.0mm鋁合金板材，而厚度小于7.0mm的鋁及鋁合金帶材采用卷式法生產，主要任務是為后續深加工提供鋁卷坯料。本文僅探討卷式法生產的熱軋鋁卷。與傳統鑄造鋁卷相比熱軋的優點較多。首先，熱軋可以有效減少金屬變形所需的能量消耗，塑性加工好，變形抗力低，沒有明顯的加工硬化，很容易進行軋制。其次，熱軋軋制壓下量大，生產效率高、產能高。再次，熱軋將金屬的鑄態組織轉變為加工組織，可以提高材料的塑性。

2液壓彎輥系統探析

板型是熱軋重要工藝質量指標之一。軋制過程中，造成板形不良的影響因子很多，但其根本原因是帶材沿橫向的不均勻延伸。如何控制帶材沿橫向的不均勻延伸，彎輥是目前行之有效的方法之一。液壓彎輥就是通過液壓機械的方法迅速及時地改變軋輥的凸度，從而改變帶材橫向延伸，使帶材延伸沿橫向均勻分布，從而使板形符合要求[1]。液壓彎輥是板形控制中不可或缺的方法，無論是冷軋還是熱軋，軋鋼還是軋鋁，金屬軋制還是造紙、塑料等工業，液壓彎輥在板形控制中都起著舉足輕重的作用。有效合理的彎輥力是改善帶材板形、提高帶材表面質量的重要方法。液壓彎輥方式主要有工作輥彎曲和支承輥彎曲兩種。一般鋁熱軋機均采用工作輥彎曲，本文僅探討工作輥彎曲。當液壓彎輥缸壓力改變時，可使軋輥彎曲變形，進而改變軋輥的凸度。彎輥力的作用效果可分為兩種：一種是使輥縫凸度增大即正彎；另一種是使輥縫凸度減小即負彎。生產中可根據板形控制需要決定采用哪種方式。在鋁錠的軋制過程中，很多干擾因素會影響彎輥力的控制。例如，在板帶進入軋機瞬間和板帶離開軋機瞬間產生強大的壓力，會對工作輥和支撐輥的輥形產生很大的影響，從而干擾彎輥力控制，此外軋輥的熱凸度、軋制速度、張力等也會引起彎輥力的變化。由于這些干擾因素的存在，彎輥力的控制就顯得尤為重要。彎輥的控制方式，可以采用手動方式、開環控制、閉環控制三種。手動方式即軋制之前，根據以往的經驗、歷史數據事先給出一個固定的彎輥力，以此值設置軋制彎輥力，在軋制的過程中，如果發現有浪形，再根據出現的是邊浪還是中浪相應地減小或增大彎輥力。由于這種方式單純依靠人為調節，操作手只有在出現明顯可見的浪形時，才會去調節彎輥力，板形控制滯后,且產品質量很大程度上依賴主操的經驗和水平。開環控制是自動控制的一種，主要是根據軋制力進行板形前饋控制，即先由符合實際的最佳彎輥力數學模型或由軋制實踐積累的經驗值，程序按一定的計算邏輯方法自動計算對應于要軋帶材的最佳彎輥力值，并累積更新。軋制的過程中，彎輥力的大小再根據軋制力的波動量來實時的調整。即Fbending=Fs+KeΔP其中：Fbendin為考慮軋制力波動后應施加的彎輥力；Fs為由數學模型或經驗值所得的彎輥力預設定值；Ke為軋制力波動對彎輥力的影響系數，它與軋機橫向剛度、軋輥橫向剛度、軋輥粗糙度和輥徑、帶材板寬等各因素有關；ΔP為當前軋制力與設定的穩態時標準軋制力的偏差。閉環控制是根據板形檢測設備（如多通道測厚儀），檢測出的板形信號，進行反饋控制。板形檢測機構把檢測出的板形與目標板形進行對比，偏差值回歸成一個多項式，再把多項式的各項對應到相應的板形調節機構進行參數調節。閉環控制下，彎輥主要用來消除板形的二次缺陷。不管是手動調節還是前饋或反饋方式的自動控制，都需要借助于控制器來實現把控制信號轉化為相應的彎輥力輸出，從而調節彎輥力的大小。其控制過程如圖1所示。目前，在鋁熱軋機彎輥控制的常見控制方法是手動控制結合開環控制。以軋機歷史Fbending的IBA數據為基礎，通過一定的計算邏輯，計算最佳彎輥力值，作為彎輥力基礎控制值，以此類推定期更新計算新的彎輥力值，并以此值作為下個周期彎輥力的基礎數據。操作手在生產過程中結合在線時時板型曲線，手動人為微調工作輥凸度，使板型達到較為理想的狀態。而通過測厚儀檢測出的板形信號進行反饋控制的閉環控制和單純人為手動控制的方式較為少見。未來精確控制發展趨勢必然是板形信號時時反饋伺服高頻響應的閉環控制。

3厚度控制系統探析

帶材厚度是帶材生產工藝質量指標至關重要的參數之一。軋制厚度控制就是要使所軋鋁板帶厚度始終保持在軋機的彈性特性曲線和軋件塑性特性曲線交點的垂直線上。但是由于各種因素的影響，兩特性曲線不可能總是交在等厚軋制線上，因而出現厚度偏差。鋁熱軋機擔負著把鋁錠從厚度600mm左右壓延軋制至2.5mm左右的使命，而經后續工序冷軋、鋁箔深加工至0.006mm，整個加工流程厚度壓延近10萬倍。近10萬倍的厚度壓延、微米級的精度要求，可想而知熱軋帶材厚度波動控制的好壞，對整個帶材加工的成敗起著至關重要的作用，影響是不言而喻的。在此我們僅探討熱軋工序帶材厚度波動的控制。在整個熱軋生產加工流程中，探析影響帶材厚度波動的原因，歸納總結主要有如下方面：①板錠來料方面。原料板錠厚度不勻，軋件硬度波動，所有這方面的缺陷都會造成的軋件出口厚度的無規律的波動。②軋機設備特性方面。軋機的剛度，軋輥熱膨脹、磨損及粗糙度，支撐輥偏心及軸承油膜間隙，壓下伺服液壓缸的靜態特性、響應速度、摩擦力、泄漏量，厚度控制系統本身性能不良等各種因素都會對厚度控制產生不同程度的影響。生產過程中的換輥、軋輥的磨損、軸承箱的更換、軸承間隙等可通過輥縫的重新標定來補償這些設備特性變化對厚度控制的影響。③工藝條件、工藝參數的變化。軋制過程中張力的波動，軋制速度的調整和波動，材料的溫度變化，材料的變形速率，軋制乳化液各項指標的波動，均是影響軋件厚度波動的重要因素。隨著軋制理論研究的不斷進步、自動檢測技術與機械自動控制的不斷發展，特別是高性能的電液伺服閥在有色加工行業上的應用，厚度自動控制理論應運而生不斷發展，已成為現代板帶生產中不可缺少的重要組成部分。厚度自動控制（AGC-AutomationGaugeControl）的基本原理是通過測厚儀或者其他測量裝置連續測量帶材的實際軋出厚度，根據實際測量值與給定值相比較得到偏差值，將偏差信號反饋給控制系統，進而通過控制系統調整壓下量、張緊力，將出口帶材厚度控制在允許的偏差范圍內[2]。在厚度控制系統中，帶材軋制出口板厚為被控制量，理想希望出口板厚恒定，影響出口板厚變化的各種擾動因素多且復雜。近年來，AGC系統在鋁加工行業得到十分廣泛的發展。圖2為熱精軋機AGC控制系統圖。其基本控制思想是：采用閉環控制+擾動補償控制。此種方法美中不足的地方在于測厚儀本身的測量精度非常精確，但測量反饋數據的準確性會受蒸汽、乳化液等儀器周圍環境因素的影響而與實際值有所差異。未來如何改善測量設備的周圍不確定環境的干擾、提高測量設備的抗干擾能力，提高測量數據的可靠性，將是一個重要的研究方向[3]。

4發展趨勢

可以預見未來鋁板帶鋁箔加工企業的市場競爭愈加激烈。只有結合自身生產設備的特點，不斷探討、尋找、開發、改善工藝、設備，才能使企業走在行業的前沿。只有不斷改進生產工藝降低生產成本、提高生產效率、提高設備功能性能、提高產品質量特性，才能夠增強企業的市場競爭力。未來誰掌握有先進設備技術及加工工藝，誰就能主導市場，享受市場體量增長的福利。為此我們需要不斷優化生產工藝與生產設備，滿足市場需求，增強企業市場競爭力。在優化生產工藝時，需要以現有的生產工藝和設備為基礎，不能完全否定傳統的生產工藝和設備。改善要有方案，方案要有論證、目的要明確，不要盲目改進，改善后要有對比、有總結。除此之外，軋制前板錠的清洗裝置研發設計與投入使用，可以大大改善后續深加工針孔等缺陷；軋輥的分區冷卻可實現更為精確的板型控制；摸索自身最優化的乳化液控制指標等等，對這些的深入探析將有助于提升我們產品的市場競爭力。

5結語

以上只是探討鋁熱軋機帶材生產工藝和設備特性幾個關鍵生產工藝和設備特性的一部分。熱軋生產各個流程有各自復雜繁瑣的生產工藝，各個流程對應的設備高度自動化。只有我們材料加工專業技術人員更加深入領悟軋機設備特性精髓，軋機機械自動化控制專業設備技術人員融會貫通把設備特性和工藝質量指標串聯起來，共同探討、相互融合各自領域的專業知識，才能共同探析工藝瓶頸、提升設備特性。

參考文獻：

[1]曹冠宇.熱軋板軋鋼工藝的相關要點分析探討[J].山東工業技術，2018（14）：22-23.

[2]楊冬梅.中國第一卷TC4鈦合金熱軋帶卷在中鋁沈加軋制成功[J].鋼鐵釩鈦，2016（3）：118.

[3]楊帆，劉志芳，黃珍，等.熱軋板軋鋼工藝的相關要點分析探討[J].中國金屬通報，2017（07）：92-93.

作者：尤細淵 單位：廈門廈順鋁箔有限公司