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谈铝热轧机带材生产工艺及设备特性

2021/11/04 阅读:

摘要:铝热轧机带材生产工艺及设备特性没有标准手册,只有参考文献。本文首先对铝热轧的基本性能、加工原理、技术特点及其优越性进行简析,在此基础上分析弯辊控制原理,探析几种弯辊控制方法对工艺质量的影响,综合分析各种弯辊控制模式的优缺点,提出热轧弯辊控制发展方向。其次,对热轧生产过程中厚度波动的干扰因子进行分析,提出应对这些干扰因子的厚度控制系统理论,探讨减小厚度波动控制理念。最后提出对铝热轧生产工艺及设备特性的发展趋势、改善潜能及改善方向的几点看法。

关键词:热轧;弯辊系统;板型;弯辊力;轧制力;辊缝;张力;乳化液

0引言

随着材料科学的不断进步,材料加工技术日新月异,铝加工产品的应用领域越来越广泛,铝产品的市场体量不断扩增,铝加工企业市场前景广阔。以此同时,随着新工艺方法的不断突破,检测技术发展的日趋精进,市场对热轧铝材加工的品质要求越来越严苛,顾客对产品工艺质量的要求、产品质量的稳定性要求也越来越高。企业要生存、要发展、要壮大就必须不断的自我革新。从传统的铸造铝卷到今天主流的热轧铝卷,从电动机传动机械压下到今天主流的高精度伺服控制的液压压下,从铝箔原先的人工取样针孔检测到今天的在线自动时时检测的针孔检测技术,每次技术革新面对的都是一个全新的时代,未与时俱进面对的只有被淘汰。只有不断优化开发生产工艺潜能,研究现有热轧机设备特性的优缺点,应用新工艺、新技术、新材料、新设备,不断改进热轧的工艺、不断探析改进热轧机设备特性,走在行业的前沿,我们才能在强大的市场竞争面前立于不败之地。铝热轧对设备技术、生产工艺要求较高,因此本文将对热轧铝板带材生产工艺与设备特性几个要点进行探析。

1铝热轧概述

铝热轧是铝带材压延加工的开始,在热轧近似长方体铝锭经加工形成圆形带材铝卷。热轧将铝板锭加热到一定的温度(具体加工到几度,因合金牌号、客户产品用途、各公司工艺不同而有所不同),要求在高温下由热粗轧机和热精轧机将板锭一次连续轧制成卷。热轧一般需要经历铣面、加热、表面清洗、热粗轧、重剪、轻剪、热精轧、切边、捆绑打带、冷却几个主要生产工艺流程。热轧是在再结晶温度之上进行的轧制。轧制时金属塑性高、变形抗力小,大大减小金属变形的能量消耗,降低加工成本。在热轧温度范围内,软化过程起主导作用,但是由于变形速度的影响,再结晶过程来不及进行,金属随变形程度的增加会产生一定的加工硬化,因而热轧过程中金属变形同时存在硬化和软化的过程,轧制后的铝合金带材呈现为再结晶与变形组织共存的组织状态。热轧能改善金属及合金的加工工艺性能,将铸造状态的粗大晶粒破碎,减少或消除铸造缺陷,将铸态组织转变为变形组织,提高合金的加工性能。热轧产品一般分为两类,一类是热轧厚板,另一类是热轧卷。热轧厚板指的是厚度不小于7.0mm铝合金板材,而厚度小于7.0mm的铝及铝合金带材采用卷式法生产,主要任务是为后续深加工提供铝卷坯料。本文仅探讨卷式法生产的热轧铝卷。与传统铸造铝卷相比热轧的优点较多。首先,热轧可以有效减少金属变形所需的能量消耗,塑性加工好,变形抗力低,没有明显的加工硬化,很容易进行轧制。其次,热轧轧制压下量大,生产效率高、产能高。再次,热轧将金属的铸态组织转变为加工组织,可以提高材料的塑性。

2液压弯辊系统探析

板型是热轧重要工艺质量指标之一。轧制过程中,造成板形不良的影响因子很多,但其根本原因是带材沿横向的不均匀延伸。如何控制带材沿横向的不均匀延伸,弯辊是目前行之有效的方法之一。液压弯辊就是通过液压机械的方法迅速及时地改变轧辊的凸度,从而改变带材横向延伸,使带材延伸沿横向均匀分布,从而使板形符合要求[1]。液压弯辊是板形控制中不可或缺的方法,无论是冷轧还是热轧,轧钢还是轧铝,金属轧制还是造纸、塑料等工业,液压弯辊在板形控制中都起着举足轻重的作用。有效合理的弯辊力是改善带材板形、提高带材表面质量的重要方法。液压弯辊方式主要有工作辊弯曲和支承辊弯曲两种。一般铝热轧机均采用工作辊弯曲,本文仅探讨工作辊弯曲。当液压弯辊缸压力改变时,可使轧辊弯曲变形,进而改变轧辊的凸度。弯辊力的作用效果可分为两种:一种是使辊缝凸度增大即正弯;另一种是使辊缝凸度减小即负弯。生产中可根据板形控制需要决定采用哪种方式。在铝锭的轧制过程中,很多干扰因素会影响弯辊力的控制。例如,在板带进入轧机瞬间和板带离开轧机瞬间产生强大的压力,会对工作辊和支撑辊的辊形产生很大的影响,从而干扰弯辊力控制,此外轧辊的热凸度、轧制速度、张力等也会引起弯辊力的变化。由于这些干扰因素的存在,弯辊力的控制就显得尤为重要。弯辊的控制方式,可以采用手动方式、开环控制、闭环控制三种。手动方式即轧制之前,根据以往的经验、历史数据事先给出一个固定的弯辊力,以此值设置轧制弯辊力,在轧制的过程中,如果发现有浪形,再根据出现的是边浪还是中浪相应地减小或增大弯辊力。由于这种方式单纯依靠人为调节,操作手只有在出现明显可见的浪形时,才会去调节弯辊力,板形控制滞后,且产品质量很大程度上依赖主操的经验和水平。开环控制是自动控制的一种,主要是根据轧制力进行板形前馈控制,即先由符合实际的最佳弯辊力数学模型或由轧制实践积累的经验值,程序按一定的计算逻辑方法自动计算对应于要轧带材的最佳弯辊力值,并累积更新。轧制的过程中,弯辊力的大小再根据轧制力的波动量来实时的调整。即Fbending=Fs+KeΔP其中:Fbendin为考虑轧制力波动后应施加的弯辊力;Fs为由数学模型或经验值所得的弯辊力预设定值;Ke为轧制力波动对弯辊力的影响系数,它与轧机横向刚度、轧辊横向刚度、轧辊粗糙度和辊径、带材板宽等各因素有关;ΔP为当前轧制力与设定的稳态时标准轧制力的偏差。闭环控制是根据板形检测设备(如多通道测厚仪),检测出的板形信号,进行反馈控制。板形检测机构把检测出的板形与目标板形进行对比,偏差值回归成一个多项式,再把多项式的各项对应到相应的板形调节机构进行参数调节。闭环控制下,弯辊主要用来消除板形的二次缺陷。不管是手动调节还是前馈或反馈方式的自动控制,都需要借助于控制器来实现把控制信号转化为相应的弯辊力输出,从而调节弯辊力的大小。其控制过程如图1所示。目前,在铝热轧机弯辊控制的常见控制方法是手动控制结合开环控制。以轧机历史Fbending的IBA数据为基础,通过一定的计算逻辑,计算最佳弯辊力值,作为弯辊力基础控制值,以此类推定期更新计算新的弯辊力值,并以此值作为下个周期弯辊力的基础数据。操作手在生产过程中结合在线时时板型曲线,手动人为微调工作辊凸度,使板型达到较为理想的状态。而通过测厚仪检测出的板形信号进行反馈控制的闭环控制和单纯人为手动控制的方式较为少见。未来精确控制发展趋势必然是板形信号时时反馈伺服高频响应的闭环控制。

3厚度控制系统探析

带材厚度是带材生产工艺质量指标至关重要的参数之一。轧制厚度控制就是要使所轧铝板带厚度始终保持在轧机的弹性特性曲线和轧件塑性特性曲线交点的垂直线上。但是由于各种因素的影响,两特性曲线不可能总是交在等厚轧制线上,因而出现厚度偏差。铝热轧机担负着把铝锭从厚度600mm左右压延轧制至2.5mm左右的使命,而经后续工序冷轧、铝箔深加工至0.006mm,整个加工流程厚度压延近10万倍。近10万倍的厚度压延、微米级的精度要求,可想而知热轧带材厚度波动控制的好坏,对整个带材加工的成败起着至关重要的作用,影响是不言而喻的。在此我们仅探讨热轧工序带材厚度波动的控制。在整个热轧生产加工流程中,探析影响带材厚度波动的原因,归纳总结主要有如下方面:①板锭来料方面。原料板锭厚度不匀,轧件硬度波动,所有这方面的缺陷都会造成的轧件出口厚度的无规律的波动。②轧机设备特性方面。轧机的刚度,轧辊热膨胀、磨损及粗糙度,支撑辊偏心及轴承油膜间隙,压下伺服液压缸的静态特性、响应速度、摩擦力、泄漏量,厚度控制系统本身性能不良等各种因素都会对厚度控制产生不同程度的影响。生产过程中的换辊、轧辊的磨损、轴承箱的更换、轴承间隙等可通过辊缝的重新标定来补偿这些设备特性变化对厚度控制的影响。③工艺条件、工艺参数的变化。轧制过程中张力的波动,轧制速度的调整和波动,材料的温度变化,材料的变形速率,轧制乳化液各项指标的波动,均是影响轧件厚度波动的重要因素。随着轧制理论研究的不断进步、自动检测技术与机械自动控制的不断发展,特别是高性能的电液伺服阀在有色加工行业上的应用,厚度自动控制理论应运而生不断发展,已成为现代板带生产中不可缺少的重要组成部分。厚度自动控制(AGC-AutomationGaugeControl)的基本原理是通过测厚仪或者其他测量装置连续测量带材的实际轧出厚度,根据实际测量值与给定值相比较得到偏差值,将偏差信号反馈给控制系统,进而通过控制系统调整压下量、张紧力,将出口带材厚度控制在允许的偏差范围内[2]。在厚度控制系统中,带材轧制出口板厚为被控制量,理想希望出口板厚恒定,影响出口板厚变化的各种扰动因素多且复杂。近年来,AGC系统在铝加工行业得到十分广泛的发展。图2为热精轧机AGC控制系统图。其基本控制思想是:采用闭环控制+扰动补偿控制。此种方法美中不足的地方在于测厚仪本身的测量精度非常精确,但测量反馈数据的准确性会受蒸汽、乳化液等仪器周围环境因素的影响而与实际值有所差异。未来如何改善测量设备的周围不确定环境的干扰、提高测量设备的抗干扰能力,提高测量数据的可靠性,将是一个重要的研究方向[3]。

4发展趋势

可以预见未来铝板带铝箔加工企业的市场竞争愈加激烈。只有结合自身生产设备的特点,不断探讨、寻找、开发、改善工艺、设备,才能使企业走在行业的前沿。只有不断改进生产工艺降低生产成本、提高生产效率、提高设备功能性能、提高产品质量特性,才能够增强企业的市场竞争力。未来谁掌握有先进设备技术及加工工艺,谁就能主导市场,享受市场体量增长的福利。为此我们需要不断优化生产工艺与生产设备,满足市场需求,增强企业市场竞争力。在优化生产工艺时,需要以现有的生产工艺和设备为基础,不能完全否定传统的生产工艺和设备。改善要有方案,方案要有论证、目的要明确,不要盲目改进,改善后要有对比、有总结。除此之外,轧制前板锭的清洗装置研发设计与投入使用,可以大大改善后续深加工针孔等缺陷;轧辊的分区冷却可实现更为精确的板型控制;摸索自身最优化的乳化液控制指标等等,对这些的深入探析将有助于提升我们产品的市场竞争力。

5结语

以上只是探讨铝热轧机带材生产工艺和设备特性几个关键生产工艺和设备特性的一部分。热轧生产各个流程有各自复杂繁琐的生产工艺,各个流程对应的设备高度自动化。只有我们材料加工专业技术人员更加深入领悟轧机设备特性精髓,轧机机械自动化控制专业设备技术人员融会贯通把设备特性和工艺质量指标串联起来,共同探讨、相互融合各自领域的专业知识,才能共同探析工艺瓶颈、提升设备特性。

参考文献:

[1]曹冠宇.热轧板轧钢工艺的相关要点分析探讨[J].山东工业技术,2018(14):22-23.

[2]杨冬梅.中国第一卷TC4钛合金热轧带卷在中铝沈加轧制成功[J].钢铁钒钛,2016(3):118.

[3]杨帆,刘志芳,黄珍,等.热轧板轧钢工艺的相关要点分析探讨[J].中国金属通报,2017(07):92-93.

作者:尤细渊 单位:厦门厦顺铝箔有限公司

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