談鋁熱軋機(jī)帶材生產(chǎn)工藝及設(shè)備特性范文

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摘要：鋁熱軋機(jī)帶材生產(chǎn)工藝及設(shè)備特性沒有標(biāo)準(zhǔn)手冊，只有參考文獻(xiàn)。本文首先對鋁熱軋的基本性能、加工原理、技術(shù)特點(diǎn)及其優(yōu)越性進(jìn)行簡析，在此基礎(chǔ)上分析彎輥控制原理，探析幾種彎輥控制方法對工藝質(zhì)量的影響，綜合分析各種彎輥控制模式的優(yōu)缺點(diǎn)，提出熱軋彎輥控制發(fā)展方向。其次，對熱軋生產(chǎn)過程中厚度波動(dòng)的干擾因子進(jìn)行分析，提出應(yīng)對這些干擾因子的厚度控制系統(tǒng)理論，探討減小厚度波動(dòng)控制理念。最后提出對鋁熱軋生產(chǎn)工藝及設(shè)備特性的發(fā)展趨勢、改善潛能及改善方向的幾點(diǎn)看法。

關(guān)鍵詞：熱軋；彎輥系統(tǒng)；板型；彎輥力；軋制力；輥縫；張力；乳化液

0引言

隨著材料科學(xué)的不斷進(jìn)步，材料加工技術(shù)日新月異，鋁加工產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，鋁產(chǎn)品的市場體量不斷擴(kuò)增，鋁加工企業(yè)市場前景廣闊。以此同時(shí)，隨著新工藝方法的不斷突破，檢測技術(shù)發(fā)展的日趨精進(jìn)，市場對熱軋鋁材加工的品質(zhì)要求越來越嚴(yán)苛，顧客對產(chǎn)品工藝質(zhì)量的要求、產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性要求也越來越高。企業(yè)要生存、要發(fā)展、要壯大就必須不斷的自我革新。從傳統(tǒng)的鑄造鋁卷到今天主流的熱軋鋁卷，從電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)機(jī)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(dòng)時(shí)時(shí)檢測的針孔檢測技術(shù)，每次技術(shù)革新面對的都是一個(gè)全新的時(shí)代，未與時(shí)俱進(jìn)面對的只有被淘汰。只有不斷優(yōu)化開發(fā)生產(chǎn)工藝潛能，研究現(xiàn)有熱軋機(jī)設(shè)備特性的優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)用新工藝、新技術(shù)、新材料、新設(shè)備，不斷改進(jìn)熱軋的工藝、不斷探析改進(jìn)熱軋機(jī)設(shè)備特性，走在行業(yè)的前沿，我們才能在強(qiáng)大的市場競爭面前立于不敗之地。鋁熱軋對設(shè)備技術(shù)、生產(chǎn)工藝要求較高，因此本文將對熱軋鋁板帶材生產(chǎn)工藝與設(shè)備特性幾個(gè)要點(diǎn)進(jìn)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(jīng)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(chǎn)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(jī)和熱精軋機(jī)將板錠一次連續(xù)軋制成卷。熱軋一般需要經(jīng)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(gè)主要生產(chǎn)工藝流程。熱軋是在再結(jié)晶溫度之上進(jìn)行的軋制。軋制時(shí)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(nèi)，軟化過程起主導(dǎo)作用，但是由于變形速度的影響，再結(jié)晶過程來不及進(jìn)行，金屬隨變形程度的增加會(huì)產(chǎn)生一定的加工硬化，因而熱軋過程中金屬變形同時(shí)存在硬化和軟化的過程，軋制后的鋁合金帶材呈現(xiàn)為再結(jié)晶與變形組織共存的組織狀態(tài)。熱軋能改善金屬及合金的加工工藝性能，將鑄造狀態(tài)的粗大晶粒破碎，減少或消除鑄造缺陷，將鑄態(tài)組織轉(zhuǎn)變?yōu)樽冃谓M織，提高合金的加工性能。熱軋產(chǎn)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(chǎn)，主要任務(wù)是為后續(xù)深加工提供鋁卷坯料。本文僅探討卷式法生產(chǎn)的熱軋鋁卷。與傳統(tǒng)鑄造鋁卷相比熱軋的優(yōu)點(diǎn)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(jìn)行軋制。其次，熱軋軋制壓下量大，生產(chǎn)效率高、產(chǎn)能高。再次，熱軋將金屬的鑄態(tài)組織轉(zhuǎn)變?yōu)榧庸そM織，可以提高材料的塑性。

2液壓彎輥系統(tǒng)探析

板型是熱軋重要工藝質(zhì)量指標(biāo)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(jī)械的方法迅速及時(shí)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(yè)，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(zhì)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(jī)均采用工作輥彎曲，本文僅探討工作輥彎曲。當(dāng)液壓彎輥缸壓力改變時(shí)，可使軋輥彎曲變形，進(jìn)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(fù)彎。生產(chǎn)中可根據(jù)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(huì)影響彎輥力的控制。例如，在板帶進(jìn)入軋機(jī)瞬間和板帶離開軋機(jī)瞬間產(chǎn)生強(qiáng)大的壓力，會(huì)對工作輥和支撐輥的輥形產(chǎn)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(huì)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(dòng)方式、開環(huán)控制、閉環(huán)控制三種。手動(dòng)方式即軋制之前，根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)、歷史數(shù)據(jù)事先給出一個(gè)固定的彎輥力，以此值設(shè)置軋制彎輥力，在軋制的過程中，如果發(fā)現(xiàn)有浪形，再根據(jù)出現(xiàn)的是邊浪還是中浪相應(yīng)地減小或增大彎輥力。由于這種方式單純依靠人為調(diào)節(jié)，操作手只有在出現(xiàn)明顯可見的浪形時(shí)，才會(huì)去調(diào)節(jié)彎輥力，板形控制滯后,且產(chǎn)品質(zhì)量很大程度上依賴主操的經(jīng)驗(yàn)和水平。開環(huán)控制是自動(dòng)控制的一種，主要是根據(jù)軋制力進(jìn)行板形前饋控制，即先由符合實(shí)際的最佳彎輥力數(shù)學(xué)模型或由軋制實(shí)踐積累的經(jīng)驗(yàn)值，程序按一定的計(jì)算邏輯方法自動(dòng)計(jì)算對應(yīng)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(jù)軋制力的波動(dòng)量來實(shí)時(shí)的調(diào)整。即Fbending=Fs+KeΔP其中：Fbendin為考慮軋制力波動(dòng)后應(yīng)施加的彎輥力；Fs為由數(shù)學(xué)模型或經(jīng)驗(yàn)值所得的彎輥力預(yù)設(shè)定值；Ke為軋制力波動(dòng)對彎輥力的影響系數(shù)，它與軋機(jī)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(guān)；ΔP為當(dāng)前軋制力與設(shè)定的穩(wěn)態(tài)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)軋制力的偏差。閉環(huán)控制是根據(jù)板形檢測設(shè)備（如多通道測厚儀），檢測出的板形信號，進(jìn)行反饋控制。板形檢測機(jī)構(gòu)把檢測出的板形與目標(biāo)板形進(jìn)行對比，偏差值回歸成一個(gè)多項(xiàng)式，再把多項(xiàng)式的各項(xiàng)對應(yīng)到相應(yīng)的板形調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)。閉環(huán)控制下，彎輥主要用來消除板形的二次缺陷。不管是手動(dòng)調(diào)節(jié)還是前饋或反饋方式的自動(dòng)控制，都需要借助于控制器來實(shí)現(xiàn)把控制信號轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的彎輥力輸出，從而調(diào)節(jié)彎輥力的大小。其控制過程如圖1所示。目前，在鋁熱軋機(jī)彎輥控制的常見控制方法是手動(dòng)控制結(jié)合開環(huán)控制。以軋機(jī)歷史Fbending的IBA數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過一定的計(jì)算邏輯，計(jì)算最佳彎輥力值，作為彎輥力基礎(chǔ)控制值，以此類推定期更新計(jì)算新的彎輥力值，并以此值作為下個(gè)周期彎輥力的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。操作手在生產(chǎn)過程中結(jié)合在線時(shí)時(shí)板型曲線，手動(dòng)人為微調(diào)工作輥凸度，使板型達(dá)到較為理想的狀態(tài)。而通過測厚儀檢測出的板形信號進(jìn)行反饋控制的閉環(huán)控制和單純?nèi)藶槭謩?dòng)控制的方式較為少見。未來精確控制發(fā)展趨勢必然是板形信號時(shí)時(shí)反饋伺服高頻響應(yīng)的閉環(huán)控制。

3厚度控制系統(tǒng)探析

帶材厚度是帶材生產(chǎn)工藝質(zhì)量指標(biāo)至關(guān)重要的參數(shù)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(jī)的彈性特性曲線和軋件塑性特性曲線交點(diǎn)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(xiàn)厚度偏差。鋁熱軋機(jī)擔(dān)負(fù)著把鋁錠從厚度600mm左右壓延軋制至2.5mm左右的使命，而經(jīng)后續(xù)工序冷軋、鋁箔深加工至0.006mm，整個(gè)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(dòng)控制的好壞，對整個(gè)帶材加工的成敗起著至關(guān)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(dòng)的控制。在整個(gè)熱軋生產(chǎn)加工流程中，探析影響帶材厚度波動(dòng)的原因，歸納總結(jié)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(dòng)，所有這方面的缺陷都會(huì)造成的軋件出口厚度的無規(guī)律的波動(dòng)。②軋機(jī)設(shè)備特性方面。軋機(jī)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(tài)特性、響應(yīng)速度、摩擦力、泄漏量，厚度控制系統(tǒng)本身性能不良等各種因素都會(huì)對厚度控制產(chǎn)生不同程度的影響。生產(chǎn)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(biāo)定來補(bǔ)償這些設(shè)備特性變化對厚度控制的影響。③工藝條件、工藝參數(shù)的變化。軋制過程中張力的波動(dòng)，軋制速度的調(diào)整和波動(dòng)，材料的溫度變化，材料的變形速率，軋制乳化液各項(xiàng)指標(biāo)的波動(dòng)，均是影響軋件厚度波動(dòng)的重要因素。隨著軋制理論研究的不斷進(jìn)步、自動(dòng)檢測技術(shù)與機(jī)械自動(dòng)控制的不斷發(fā)展，特別是高性能的電液伺服閥在有色加工行業(yè)上的應(yīng)用，厚度自動(dòng)控制理論應(yīng)運(yùn)而生不斷發(fā)展，已成為現(xiàn)代板帶生產(chǎn)中不可缺少的重要組成部分。厚度自動(dòng)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(xù)測量帶材的實(shí)際軋出厚度，根據(jù)實(shí)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(tǒng)，進(jìn)而通過控制系統(tǒng)調(diào)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(nèi)[2]。在厚度控制系統(tǒng)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(dòng)因素多且復(fù)雜。近年來，AGC系統(tǒng)在鋁加工行業(yè)得到十分廣泛的發(fā)展。圖2為熱精軋機(jī)AGC控制系統(tǒng)圖。其基本控制思想是：采用閉環(huán)控制+擾動(dòng)補(bǔ)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(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性會(huì)受蒸汽、乳化液等儀器周圍環(huán)境因素的影響而與實(shí)際值有所差異。未來如何改善測量設(shè)備的周圍不確定環(huán)境的干擾、提高測量設(shè)備的抗干擾能力，提高測量數(shù)據(jù)的可靠性，將是一個(gè)重要的研究方向[3]。

4發(fā)展趨勢

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

5結(jié)語

以上只是探討鋁熱軋機(jī)帶材生產(chǎn)工藝和設(shè)備特性幾個(gè)關(guān)鍵生產(chǎn)工藝和設(shè)備特性的一部分。熱軋生產(chǎn)各個(gè)流程有各自復(fù)雜繁瑣的生產(chǎn)工藝，各個(gè)流程對應(yīng)的設(shè)備高度自動(dòng)化。只有我們材料加工專業(yè)技術(shù)人員更加深入領(lǐng)悟軋機(jī)設(shè)備特性精髓，軋機(jī)機(jī)械自動(dòng)化控制專業(yè)設(shè)備技術(shù)人員融會(huì)貫通把設(shè)備特性和工藝質(zhì)量指標(biāo)串聯(lián)起來，共同探討、相互融合各自領(lǐng)域的專業(yè)知識，才能共同探析工藝瓶頸、提升設(shè)備特性。

參考文獻(xiàn)：

[1]曹冠宇.熱軋板軋鋼工藝的相關(guān)要點(diǎn)分析探討[J].山東工業(yè)技術(shù)，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(guān)要點(diǎn)分析探討[J].中國金屬通報(bào)，2017（07）：92-93.

作者：尤細(xì)淵 單位：廈門廈順鋁箔有限公司