800mm四輥可逆熱軋鈦合金板材軋機(jī)淺析

趙國彬

(北方重工集團(tuán)有限公司 遼寧沈陽110141)

800mm四輥可逆熱軋鈦合金板材軋機(jī)淺析

趙國彬

(北方重工集團(tuán)有限公司 遼寧沈陽110141)

介紹了800mm四輥可逆熱軋鈦板機(jī)組,包括它的工藝參數(shù)、設(shè)備組成、主要技術(shù)參數(shù)的選擇及工藝特點(diǎn)，根據(jù)鈦合金材料的軋制機(jī)理，簡要分析了鈦板熱軋機(jī)組在一定的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行可控軋制的特點(diǎn)。對(duì)鈦合金板材新工藝加工的進(jìn)一步開發(fā)具有一定意義。

鈦合金 熱軋機(jī)組 液壓AGC

1 前言

鈦是20世紀(jì)50年代發(fā)展起來的一種重要的結(jié)構(gòu)金屬，鈦合金因具有強(qiáng)度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點(diǎn)而被廣泛用于各個(gè)領(lǐng)域。鈦合金主要用于制作飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)部件，其次為火箭、導(dǎo)彈和高速飛機(jī)的結(jié)構(gòu)件。

鑒于該產(chǎn)品的可發(fā)展性的樂觀前景，某科研機(jī)構(gòu)研制的新型800mm單機(jī)架四輥可逆熱軋鈦合金板材軋制機(jī)組，已于2013年11月進(jìn)行熱負(fù)荷試車并投入生產(chǎn)研究。

該軋機(jī)是一套電動(dòng)APC和液壓AGC組成的四輥可逆熱軋機(jī)，本套設(shè)備直接采用數(shù)字控制計(jì)算進(jìn)行厚度自動(dòng)控制，即DDC-AGC系統(tǒng)，成功地實(shí)現(xiàn)了在軋輥?zhàn)詣?dòng)預(yù)壓靠后，可按預(yù)設(shè)定的軋制工藝表進(jìn)行自動(dòng)軋制，前提條件是確保鈦合金板材的終軋溫度和板型的有效控制。軋機(jī)本身綜合了電動(dòng)APC和液壓AGC各自的特點(diǎn)和優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)了壓下量的快速給定、輥縫精確調(diào)整和軋制過程的輥縫控制?？刂撇僮飨到y(tǒng)先進(jìn)、可靠，高精度的傳感器檢測設(shè)備的投入，為軋制過程的穩(wěn)定性及高控制精度提供了有力保證。

該熱軋機(jī)在鈦合金進(jìn)行可行性軋制的實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)過程中，避免了許多鈦軋制的弊端和通病，通過各種板材實(shí)際的軋制，結(jié)合鈦合金的軋制機(jī)理，制定了合理的軋制工藝，為軋出高性能、高規(guī)格、高品質(zhì)的鈦板合金提供了有力的科學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2 軋機(jī)主要工藝參數(shù)

主要工藝參數(shù)如表1所示。

表1 軋機(jī)工藝參數(shù)

3 設(shè)備組成及其功能簡介

根據(jù)800mm單機(jī)架四輥可逆熱軋機(jī)工藝布置及控制程序要求，該軋機(jī)總體由機(jī)械設(shè)備、液壓設(shè)備和電氣控制設(shè)備三個(gè)部分組成。

3.1 機(jī)械設(shè)備

該軋機(jī)組由板坯加熱爐(1組)、機(jī)前工作輥道(1組)、機(jī)前對(duì)中裝置(1套)、機(jī)前機(jī)架輥道(1套)、機(jī)前推料裝置(1套)、800mm四輥熱軋機(jī)(1套)、機(jī)前推料裝置(1套)、機(jī)后機(jī)架輥道(1組)、機(jī)后對(duì)中裝置(1組)、機(jī)后工作輥道(1組)等設(shè)備組成。其中800mm四輥可逆熱軋機(jī)是機(jī)組的核心設(shè)備，由走臺(tái)圍欄、壓下裝置、牌坊、支撐輥系、工作輥系、換輥軌道、地腳板、平衡缸塊、平衡裝置、防纏導(dǎo)板等組成(見圖1)。在熱狀態(tài)下，將厚度小于100mm的鈦合金板坯，經(jīng)橫向和縱向軋制后，軋制成理想厚度的帶材。

圖1 800mm四輥可逆鈦板熱軋機(jī)

1-走臺(tái)圍欄； 2-壓下裝置； 3-牌坊； 4-支撐輥系； 5-工作輥系； 6-推鋼機(jī)； 7-換輥軌道； 8-地腳板； 9-平衡缸塊； 10-平衡裝置； 11-防纏導(dǎo)板

該四輥可逆熱軋機(jī)是由兩臺(tái)主電機(jī)經(jīng)主聯(lián)軸節(jié)，重型十字頭萬向接軸直接驅(qū)動(dòng)工作輥，該軋機(jī)主要由機(jī)架裝置、工作輥裝置、支撐輥裝置、電動(dòng)同步壓下裝置、液壓AGC推上裝置、主傳動(dòng)裝置、快速換輥裝置等組成。

機(jī)架裝置是由兩塊機(jī)架與上下梁形成的封閉性框架，保證軋輥在機(jī)架內(nèi)安全、高效的運(yùn)轉(zhuǎn)。

工作輥裝置由設(shè)在機(jī)架內(nèi)平衡塊上的八個(gè)液壓缸來實(shí)現(xiàn)其平衡系統(tǒng)的功能，平衡和彎輥壓力最大為25MPa，工作輥的軸向固定通過設(shè)在機(jī)架操作側(cè)上的軸端卡板(液壓缸驅(qū)動(dòng))來實(shí)現(xiàn)。

支承輥裝置由支承輥、軸承座及滑板和四列短圓柱滾子軸承和雙列圓錐滾子軸承分別承受徑向力和軸向力組成，在下支承輥的下部設(shè)有走輪，上支承輥軸承座由平衡裝置的橫梁挑起，使上支承輥軸承座與壓下螺絲、壓下球面墊緊靠在一起無間隙，壓下螺絲上、下調(diào)整時(shí)上支承輥軸承座隨平衡裝置的橫梁一起沿機(jī)架窗口內(nèi)側(cè)滑板上、下隨動(dòng)。

壓下裝置由兩臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)分別驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)組合式斜齒蝸輪蝸桿減速機(jī)帶動(dòng)壓下螺絲上、下移動(dòng)，用以按照壓下規(guī)程調(diào)整軋輥輥縫開口度，可在一定程序控制下對(duì)不同規(guī)格的板材進(jìn)行輥縫設(shè)定，裝在蝸桿一端的行程控制器用來控制壓下螺絲的極限行程。在壓下減速機(jī)軸頭上裝有光電編碼盤，操作側(cè)裝有一個(gè)磁尺進(jìn)行輥縫測量和調(diào)整，實(shí)現(xiàn)軋機(jī)開口度數(shù)字顯示，并為PLC程序提供數(shù)據(jù)以實(shí)現(xiàn)位置閉環(huán)控制，壓下電機(jī)依靠機(jī)械同步。

液壓AGC推上缸由液壓缸、位置傳感器、壓力傳感器及控制伺服閥組管路等組成，位于機(jī)架下表面和下支承輥軸承座之間，該裝置是在線厚度控制裝置，可實(shí)現(xiàn)液壓壓下APC功能，保證高精度、高質(zhì)量軋制，有效地控制板厚公差(主要調(diào)傾斜，控制板型)。

主傳動(dòng)裝置將主電機(jī)能量通過兩個(gè)一級(jí)減速的復(fù)合減速機(jī)傳遞給兩個(gè)軋機(jī)工作輥實(shí)現(xiàn)正常軋制，最大轉(zhuǎn)速100r/min，每根接軸傳遞的最大扭矩180kN·m。

快速換輥裝置由工作輥換輥裝置和支撐輥換輥裝置組成，目的是實(shí)現(xiàn)輥系的快速更換。

3.2 液壓設(shè)備

主要包括兩個(gè)液壓站系統(tǒng)(高壓、低壓兩個(gè)系統(tǒng)均有三個(gè)柱塞泵，各自帶一套循環(huán)水冷卻系統(tǒng))和一個(gè)稀油潤滑站。

1)低壓系統(tǒng)：包括主軋機(jī)接軸平衡、機(jī)前及機(jī)后對(duì)中、工作輥換輥、支承輥換輥、接軸平衡等輔助液壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)供送壓力油；

2)高壓系統(tǒng)：包括AGC缸系統(tǒng)、工作輥彎輥缸系統(tǒng)、支撐輥平衡缸系統(tǒng)。尤其是液壓壓下系統(tǒng)由液壓泵站、控制閥臺(tái)、蓄能器過濾裝置及壓下油缸裝置，每個(gè)壓下油缸裝置上配有壓力傳感器、高精度位移傳感器(MTS)、缸體配有集成閥塊，集成閥塊上安裝有電液伺服閥，安全溢流閥等組件。

3)稀油潤滑系統(tǒng)：包括主機(jī)減速機(jī)稀油潤滑站1臺(tái)，壓下減速機(jī)稀油潤滑站1臺(tái)。

3.3 電氣設(shè)備

該自動(dòng)化控制系統(tǒng)包括AGC計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、全數(shù)字直流傳動(dòng)控制系統(tǒng)、可編程邏輯控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)操作顯示系統(tǒng)。

1)電氣控制系統(tǒng)具有完整的軋機(jī)控制和操作功能，主要有軋制工藝操作控制、軋機(jī)速度控制、液壓系統(tǒng)控制、電動(dòng)壓下位置控制、液壓輥縫自動(dòng)控制等?？刂葡到y(tǒng)對(duì)軋制和實(shí)驗(yàn)過程中的一些實(shí)時(shí)參數(shù)進(jìn)行測量并整理存儲(chǔ)歸檔，設(shè)有完善的操作及監(jiān)控顯示系統(tǒng)和故障診斷報(bào)警系統(tǒng)。操作室具備軋線設(shè)備監(jiān)控、參數(shù)設(shè)定、軋件視頻跟蹤、故障診斷、參數(shù)趨勢分析等多項(xiàng)功能，構(gòu)成簡潔、方便的人機(jī)界面，為產(chǎn)品質(zhì)量作業(yè)率的提高提供了安全可靠的保證。

(1)電氣傳動(dòng)控制設(shè)備合分閘順序：包含熱軋主機(jī)上下輥電機(jī)(主機(jī)控制柜和主機(jī)勵(lì)磁柜)、壓下電機(jī)、輥道電機(jī)、泵站電機(jī)等的操作說明。

(2)AGC操作系統(tǒng)：包含主要有AGC操作顯示站、AGC控制站、軋機(jī)壓下液壓缸的壓力檢測、軋機(jī)軋制入口及出口速度檢測、主要技術(shù)參數(shù)和人機(jī)HMI畫面(見圖2)等。

圖2 800mm四輥可逆熱軋機(jī)HMI畫面

該圖為此工程監(jiān)控畫面的主畫面，平時(shí)我們觀察的主要數(shù)據(jù)都在此畫面中，包括軋機(jī)的軋制力、壓力差、兩側(cè)的輥縫、道次顯示、總道次設(shè)定、傾斜設(shè)定值顯示的柱狀圖、上支撐輥的平衡壓力設(shè)定。

(3)自動(dòng)位置控制(APC)：板帶厚度控制是通過調(diào)節(jié)輥縫的大小來實(shí)現(xiàn)的，壓下電機(jī)控制絲杠移動(dòng)，形成電動(dòng)位置閉環(huán)控制，即自動(dòng)位置控制(APC)。該位置控制系統(tǒng)是在速度系統(tǒng)外再加一個(gè)位置環(huán)(圖3)，通過位置檢測裝置和過程檢測裝置反饋到PLC中去，與上位機(jī)給定的位置目標(biāo)進(jìn)行比較，然后根據(jù)偏差信號(hào)的大小，由PLC給出速度控制信號(hào)，通過速度調(diào)節(jié)器驅(qū)動(dòng)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)位置調(diào)節(jié)。

2)優(yōu)點(diǎn)在于慣性小，反應(yīng)快，截止頻率高，對(duì)外來干擾跟隨性好，調(diào)節(jié)精度高；可有效的消除軋輥偏心引起輥縫發(fā)生高頻周期變化的干擾；還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)軋機(jī)剛度系數(shù)的調(diào)節(jié)，來獲得不同軋制條件下所要求的軋出厚度。

圖3 速度系統(tǒng)加位置環(huán)組成的位置控制系統(tǒng)

4 軋制力參數(shù)的選擇

鈦合金具有強(qiáng)度高而密度又小，機(jī)械性能好，韌性和抗蝕性能很好。另外，鈦合金的工藝性能差，切削加工困難，在熱加工中，非常容易吸收氫氧氮碳等雜質(zhì)。還有抗磨性差，生產(chǎn)工藝復(fù)雜。為了制定合理的工藝軋制流程，軋出合格的鈦合金熱軋板。理論設(shè)計(jì)與實(shí)際測試進(jìn)行了對(duì)比和校正。其中軋制力的參數(shù)是一個(gè)關(guān)鍵的選擇。

軋件對(duì)軋輥的總壓力P為軋制平均單位壓力pm與軋件和軋輥接觸面積A之乘積，即

P=pmA

式中b0—軋件之間的寬度；b1—軋件之后的寬度；L—接觸弧長度的水平投影。

計(jì)算接觸面積實(shí)質(zhì)上是計(jì)算接觸弧長度，很多時(shí)候一般不考慮軋制時(shí)軋輥產(chǎn)生的彈性壓扁現(xiàn)象。在板坯軋制時(shí)在兩個(gè)軋輥直徑相同的情況下，接觸弧長度的水平投影為

式中R—軋輥半徑；Δh—壓下量。

綜上可得出總軋制力

最大軋制力矩由如下公式計(jì)算：

式中P—軋制時(shí)的總壓力；ψ—力臂系數(shù)，根據(jù)軋制材料，取ψ=0.41；l—不考慮彈性壓扁時(shí)的接觸弧水平投影長度；

R—軋輥半徑；

Δh—軋制時(shí)的各道次壓下量。

以鈦合金板軋制為例計(jì)算，道次壓下量為10mm，軋制力為7234kN ，計(jì)算得軋制力矩為271.8kN·m，優(yōu)于技術(shù)參數(shù)要求。

5 主要工藝特點(diǎn)

1)800mm四輥可逆熱軋機(jī)組所軋制的對(duì)象主要是鈦合金，鈦合金是以鈦為基礎(chǔ)加入其他元素組成的合金。鈦有兩種同質(zhì)異晶體：882℃以下為密排六方結(jié)構(gòu)α鈦，882℃以上為體心立方的β鈦。由于鈦合金具有典型的密排六方晶體結(jié)構(gòu)，對(duì)稱性低，室溫滑移系少，冷加工成型困難。500℃是其軋制的溫度塑性變形能力的分界點(diǎn)，因此，目前大多數(shù)變形鈦合金都是通過熱加工的方法生產(chǎn)。其主要工藝特點(diǎn)如下：

(1) 要有合理的軋制工藝。與鋁、銅、鋼相比，鈦合金板帶材軋制時(shí)的特點(diǎn)是變形抗力大、塑性低、高溫下易氧化，因而加工比較困難。為了減少加熱時(shí)吸氣層和氧化皮的形成，純鈦和低合金化鈦合金采用較低的加熱溫度，且在熱透情況下盡可能縮短保溫時(shí)間。然而降低溫度會(huì)使軋制時(shí)變形抗力急劇增加，同時(shí)塑性也下降，這對(duì)于高合金化鈦合金往往是不允許的。為了獲得均勻細(xì)小晶粒組織和具有良好性能的板帶材，生產(chǎn)中常常采用多次熱軋、包覆疊軋和溫軋等，以保證板帶材在α或α+β相區(qū)有足夠的變形量。軋制時(shí)道次壓下量的分配總體原則是由小變大，由大再變小，所得尺寸的精度和板型要考慮合金的性質(zhì)和狀態(tài)。大變形量可以獲得更多的細(xì)化組織，通過組織結(jié)構(gòu)和硬度變化達(dá)到理想的材料性能要求。

(2)要保證鈦合金800℃至950℃的開軋溫度和500℃至695℃的終軋溫度。在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行軋制是保證成材率的必要條件。開軋溫度主要是保證鈦合金具有最大的塑性，有利于晶粒組織細(xì)化；終軋溫度不能降到鈦合金的脆性區(qū)。

(3)軋機(jī)與軋件用匹配最合理的軋制速度。最大軋制速度90m/min，最大軋制速度由速度編碼器測量，在監(jiān)控界面上顯示為90m/min。根據(jù)鈦合金的金屬特性，在實(shí)際軋制時(shí)把額定軋制速度 45m/min設(shè)定為穩(wěn)定軋制速度，該速度可進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2)根據(jù)變形鈦合金的軋制機(jī)理及金屬特性，必須有完善的軋制工藝與精湛的設(shè)備相結(jié)合，才能軋制出高精度、高性能的鈦合金板材。

6 結(jié)束語

800mm四輥可逆鈦板熱軋機(jī)組是作為試驗(yàn)生產(chǎn)所開發(fā)研制的多用途的成套設(shè)備，該機(jī)組設(shè)備在設(shè)備設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、自動(dòng)化控制等方面都有很高的要求。由于鈦合金在高科技航空航天領(lǐng)域、軍事領(lǐng)域的廣泛使用，未來在鈦合金項(xiàng)目上的研究及生產(chǎn)還有很大的提升空間。

[1]鄒家祥主編.軋鋼機(jī)械(第3版).北京：冶金工業(yè)出版社，2003.

[2]L.R金茲伯格·馬東清[譯].板帶軋制工藝學(xué)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2003.

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Analysis of 800mm Four-Roll Reversible Hot Rolling with Ti Alloy Plate Mill

Zhao Guobin Li Leisheng Du Yujuan

(Northern Heavy Industries Group Co., Ltd., Shenyang 110141)

In this paper, the 800mm four-roll reversible hot rolling for tai alloy plate unit with high automation level including its technological parameters, equipment composition, important technique features and rolling process is introduced. According to rolling mechanism of tai alloy materials, the paper analyzed briefly the controlled rolling features of the hot rolling unit of tai plate in a certain temperature range. The unit has a significance to the further development of the new processing technology of tai alloy plate．

Ti alloy Hot rolling unit Hydraulic AGC

趙國彬，男，1979年出生，畢業(yè)于沈陽化工學(xué)院機(jī)械專業(yè)，學(xué)士，工程師，從事冶金機(jī)械方面設(shè)計(jì)工作 李雷生 杜玉娟

TG333.71

B

10.3969/j.issn.1001-1269.2014.04.014

2014-03-19)