20輥精密箔材軋機的發(fā)展與應用分析

展宏勛，張國霞

（西北有色金屬研究院，陜西 西安710016）

金屬極薄帶也稱箔材，國內有色金屬加工行業(yè)通常把銅箔、鋁箔厚度上限定為0.1～0.2 mm[1]，而此規(guī)格的黑色金屬帶稱為薄帶，厚度更小的，如0.02～0.03 mm以下的稱為極薄帶或超薄帶[2]。在此將厚度在0.02 mm以下的極薄金屬帶材稱為箔材[3]，金、銀、鋁、銅、鎳、鉬、鉭、鈮、鈦等金屬及其合金均可軋制成箔材。目前世界上軋制金屬帶材的最薄厚度是0.001 mm[4]，以前只能用蒸鍍或者疊軋方法少量制取，多輥軋機的誕生使得多輥軋機軋制成為金屬箔材的主要加工手段，尤其是以高精度著稱的森吉米爾20輥軋機應用最為廣泛。近年來，隨著科學技術與現代工業(yè)的迅速發(fā)展，電子電力、航空航天、核工業(yè)、國防工業(yè)等軍工行業(yè)和冶金、化工、機械等民用市場對高精度稀有金屬箔材的需求不斷增長，更是對箔材的尺寸及公差精度提出了越來越高的要求。為了進一步滿足我國軍工行業(yè)和民品市場對稀有金屬精密箔材需求，填補我國在0.005 mm以下箔材生產的空白，逐漸解決高精度箔材的進口依賴問題，并促進我國森吉米爾20輥軋機設計制造水平的發(fā)展，西北有色金屬研究院（以下簡稱西北院）于2012年引進了由加拿大WF公司設計制造的森吉米爾20輥精密箔材軋機，以下簡稱精密箔材軋機。本文對該設備的國內外發(fā)展現狀、應用前景及結構特點進行了介紹和分析，為國內軋機設計與制造和箔材產品應用等技術人員提供參考。

1 國內外20輥軋機的發(fā)展現狀

帶箔材軋制的最小厚度與工作輥直徑和彈性模量、變形抗力和平均張應力有關[5]。帶鋼的變形抗力取決于其機械性能，軋輥的彈性模量受到軋輥的材料限制，采用較大的軋制張力有利于減小帶鋼厚度，但過大的軋制張力容易引起斷帶，因此，減小軋輥直徑軋制更薄的帶材是一個很好的途徑。雖然減小工作輥直徑可以減小軋制力和軋制力矩，軋出更薄的帶材來，但是工作輥的扭轉強度和水平剛度都受到限制，因此就出現了支撐輥數大于2的多輥軋機，于是20輥軋機也就因運而生。

1932年，波蘭工程師森吉米爾（Sendzimir）發(fā)明了軋機機架為整體結構的多輥冷軋機。1939年在美國申請了該軋機的專利權，并成立了森吉米爾公司。1945年制造出了第一臺20輥軋機（ZR9-19.5）。至1958年專利到期前，由森基米爾公司設計、WF公司制造的各種型號的森基米爾軋機共91臺，其中20輥軋機58臺。從1958年開始，森吉米爾先生與日本、法國、德國等國家合作生產森吉米爾冷軋機[6-7]。由于森吉米爾20輥軋機能夠生產厚度公差精度范圍很窄的箔材，所以，目前已成為全球普遍應用的高精度箔材的主要加工手段。

我國于1958年開始研究多輥軋機，最早由北京鋼鐵學院研制了一臺100 mm的20輥軋機，1960年初制造安裝。1963年本溪技工學校制造了兩臺130 mm的20輥軋機。1966年到1970年，西安重型機械研究所完成了700 mm、280 mm和1 200 mm 20輥軋機設計。1978年，北京有色金屬冶金設備設計研究總院完成了我國第一臺Φ6.5 mm×130 mm的精密合金極薄帶20輥冷軋機的研制，是我國第一臺能夠軋制極薄帶的冷軋機，實際軋出的板厚2.6 μm[3]。2005年中冶集團設備總院研制的一臺多輥軋機順利軋制出0.00143 mm×40 mm的鈦箔和0.00209 mm×35 mm的銅箔。

目前，國際知名的森吉米爾軋機設計制造廠家主要有美國Tenova I2S公司、加拿大WF公司、法國DMS公司、日本神戶制鋼所、日本日立公司、德國西馬克公司、意大利達涅利公司等，由它們設計制作的森吉米爾20輥軋機遍布全球，尤其是在黑色和有色金屬高精度帶材軋制中占有絕對優(yōu)勢。國內20輥軋機的設計制造廠家主要有中國重型機械研究院及一些高校和大型鋼鐵廠，鄭州拓撲有限公司、北京賽瑞福有限公司、北京斯蒂爾羅林有限公司等也涉及部分20輥軋機的設計制造。但是，不論在設計方面還是制造能力方面我國都跟世界一流水平存在較大差距，尤其是用于軋制微米級金屬箔材的高精度森吉米爾20輥軋機國內尚不具備設計制造能力。

2 精密箔材軋機的應用前景

20輥森吉米爾軋機是一種多輥軋機。憑借它在軋制薄帶和極薄帶材方面的獨特優(yōu)勢，在全世界得到迅速發(fā)展，目前世界上運行的這種軋機有四百多臺[8]。它可用來軋制優(yōu)質碳鋼、合金鋼、不銹鋼、有色金屬及非金屬材料，尤其廣泛用于不銹鋼帶材、精密合金帶箔材和有色金屬箔材的軋制。

目前，金屬極薄帶材軋制技術以歐美和日本發(fā)展最為先進。據文獻介紹[8-9]，美國在軋制寬度為120 mm的硅鋼時，最小厚度可達0.002 mm；日本軋制寬度為200 mm的不銹鋼時，最小厚度為0.01 mm，軋制有色金屬時，最薄可達0.0018 mm，均處于國際領先水平。

為了縮短我國在精密箔材軋制技術方面與國際先進水平的差距，培養(yǎng)技術骨干，我國從1974年開始引進森吉米爾20輥軋機。據了解，東方鉭業(yè)軋制寬度為150 mm的鉭箔材時，最薄可達0.05 mm；西安瑞福萊鎢鉬有限公司引進的四立柱20輥軋機在軋制寬度為100 mm的鉬箔材時，最小厚度可達0.01 5 mm；上海金屬帶箔廠軋制寬度為70 mm的鉬箔時，最薄可達0.005 mm；多家鋁箔生產企業(yè)軋制700 mm寬的鋁箔時，最薄可達到0.005 mm.西北院引進的精密箔材軋機工作輥直徑僅Ф6.5 mm，軋制寬度100 mm～130 mm的稀有金屬箔材最小厚度可達0.005 mm，厚度精度±0.000 5 mm.

由此可見，軋制帶材最小厚度與其寬度和材料有關，而我國在寬度100 mm以上的金屬箔材軋制方面與國外還存在較大差距，尤其是厚度小于0.005 mm的寬幅稀有金屬箔材軋制。西北院精密箔材軋機產品具有寬度大、厚度薄、厚度公差小、平直度好、表面光亮一致等特點，目前主要用于滿足電子、航空航天、核工業(yè)和軍工行業(yè)等部門所需的高精度鉬、鉭、鈮、鈦、鋯及其合金箔材的生產，是軍工行業(yè)和國民經濟發(fā)展不可缺少的高精尖產品。在滿足軍工產品需求的前提下，還可用于開發(fā)稀有金屬及合金箔材在化工、冶金、機械等領域的民品市場，具有非常廣闊的應用前景。

3 精密箔材軋機組成及其主要特點

精密箔材軋機主要有軋機主體、開卷卷取機、墊紙卷紙機、接觸式測厚儀、激光測速儀、張力計、液壓系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)等組成。

3.1 軋機主體

軋機主體采用適合于高強度材料大壓下量軋制的整體牌坊，使工作機座剛度大，變形程度小，保證很小的厚度和平整度公差。軋機輥系在整體牌坊的梅花孔內按1-2-3-4呈塔形布置，輥系結構[10]如圖1所示。

圖1 輥系結構圖

塔形輥系使軋制壓力經多點支撐梁結構的外層支承輥通過鞍座呈放射狀態(tài)均勻的傳遞給機架的各個斷面。塔形輥系結構還能夠很好的保證小直徑工作輥在垂直平面和水平面內具有較大的剛度和穩(wěn)定性，從而保證軋制的穩(wěn)定性。

3.2 徑向輥型調整機構

B、C支承輥組的鞍座分解如圖2所示[5]。扇形齒輪1與內偏心環(huán)4用鍵固定在心軸2上，而且扇形齒輪節(jié)圓與內偏心環(huán)外圓同心。扇形齒輪1與壓下調整雙面齒條嚙合，組成壓下調整機構。用銷釘將外偏心環(huán)5與兩側的扇形齒輪片3連接，扇形齒輪片3與徑向輥型調整雙面齒條嚙合，組成徑向輥型調整機構。

圖2 B、C支承輥鞍座分解圖

徑向輥型調整機構[8]布置在機架的頂部，如圖3所示，穿過機架頂部由五根雙面齒條分別與B、C支撐輥上的五對外偏心扇形齒輪片相嚙合，每個齒條分別由五個伺服油缸單獨驅動。通過驅動相應齒條的垂直運動，從而帶動外偏心扇形齒輪片旋轉，使最外層支撐輥凸度發(fā)生變化，實現板形控制的目的。

圖3 徑向輥型調整機構示意圖

3.3 電氣控制系統(tǒng)

PLC控制分為兩級：一級為基礎自動化級，二級為過程監(jiān)控控制級，由彩色人機界面（簡稱HMI）組成。通訊模塊及數字模塊安裝在主操作臺，提供主PLC和主操臺數字PLC模塊之間的通訊。同時采用“0”扭矩電機，無齒輪箱減速箱，保證了傳動的平穩(wěn)性。

3.4 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)主要包括泵站和壓下油缸。該軋機采用具有高精度液壓壓下系統(tǒng)和液壓傳動的徑向輥型調整機構。液壓傳動反應靈敏，控制精度高，在此基礎上配備了測量偏差僅為0.0005 mm的高精度Vollmer接觸式測厚儀，使軋制箔材的板形好，尺寸精度高。

4 結束語

我國在20輥軋機研制方面做了大量工作，并且取得了一定的成果，但是，由于電氣集成、液壓AGC控制、張力控制和系統(tǒng)加工件的組裝公差等方面的欠缺，使我國在高精度20輥軋機設計、制造和運行方面與國際先進水平相比存在很大的差距。

隨著科學技術的發(fā)展，各工業(yè)領域對高精度稀有金屬箔材的需求在不斷增長，而我國在高精度多輥軋機設計、制造和運行方面與國際先進水平相差甚遠，在高精度超薄帶材的生產方面也比較落后，為了滿足市場需求，填補我國在0.005 mm以下箔材生產的空白，逐漸解決高精度箔材的進口依賴問題，引進國際先進設備，提高我國的整體工業(yè)技術水平是很有必要的。

我院引進的森吉米爾20輥軋機是一臺專門用于軋制稀有金屬箔材的精密軋機，產品主要面向電子、軍工、航空航天和核工業(yè)等領域，市場前景可觀。另外，產品的最小厚度可達到0.005 mm，厚度公差不大于箔材厚度的±0.6%，絕對誤差不大于0.001 mm，當軋制0.01 mm以下箔材時，厚度公差最小可達0.0005 mm，填補了國內寬幅稀有金屬精密箔材軋制的空白，有助于解決高精度箔材的進口依賴問題。