鋁熱軋機(jī)帶材生產(chǎn)工藝及設(shè)備特性探析

尤細(xì)淵

摘要：鋁熱軋機(jī)帶材生產(chǎn)工藝及設(shè)備特性沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)，只有參考文獻(xiàn)。本文首先對(duì)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(jiǎn)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(duì)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(duì)熱軋生產(chǎn)過(guò)程中厚度波動(dòng)的干擾因子進(jìn)行分析，提出應(yīng)對(duì)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(duì)鋁熱軋生產(chǎn)工藝及設(shè)備特性的發(fā)展趨勢(shì)、改善潛能及改善方向的幾點(diǎn)看法。

Abstract： There is no standard manual for the production process and equipment characteristics of aluminum hot rolling mill strip， only reference documents. This article first analyzes the basic performance， processing principle， technical characteristics and advantages of aluminum hot rolling. On this basis， it analyzes the bending roll control principle， explores the influence of several bending roll control methods on the process quality， and comprehensively analyzes various The advantages and disadvantages of the bending roll control mode， the development direction of hot rolling bending roll control is proposed. Secondly， the interference factors of thickness fluctuation in the hot rolling production process are analyzed， the thickness control system theory to deal with these interference factors is proposed， and the control concept of reducing thickness fluctuation is discussed. Finally， some opinions on the development trend， improvement potential and improvement direction of aluminum hot rolling production process and equipment characteristics are put forward.

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

Key words： hot rolling;roll bending system;profile;roll bending force;rolling force;roll gap;tension;emulsion

中圖分類(lèi)號(hào)：S220.6? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）20-0094-03

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(lái)越廣泛，鋁產(chǎn)品的市場(chǎng)體量不斷擴(kuò)增，鋁加工企業(yè)市場(chǎng)前景廣闊。以此同時(shí)，隨著新工藝方法的不斷突破，檢測(cè)技術(shù)發(fā)展的日趨精進(jìn)，市場(chǎng)對(duì)熱軋鋁材加工的品質(zhì)要求越來(lái)越嚴(yán)苛，顧客對(duì)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(lái)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(cè)到今天的在線(xiàn)自動(dòng)時(shí)時(shí)檢測(cè)的針孔檢測(cè)技術(shù)，每次技術(shù)革新面對(duì)的都是一個(gè)全新的時(shí)代，未與時(shí)俱進(jìn)面對(duì)的只有被淘汰。只有不斷優(yōu)化開(kāi)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)面前立于不敗之地。鋁熱軋對(duì)設(shè)備技術(shù)、生產(chǎn)工藝要求較高，因此本文將對(duì)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(kāi)始，在熱軋近似長(zhǎng)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(hào)、客戶(hù)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(guò)程起主導(dǎo)作用，但是由于變形速度的影響，再結(jié)晶過(guò)程來(lái)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(guò)程中金屬變形同時(shí)存在硬化和軟化的過(guò)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(lèi)，一類(lèi)是熱軋厚板，另一類(lèi)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(méi)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(guò)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(guò)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(wú)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(guò)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(kāi)軋機(jī)瞬間產(chǎn)生強(qiáng)大的壓力，會(huì)對(duì)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(kāi)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(guò)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(jiàn)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(lài)主操的經(jīng)驗(yàn)和水平。開(kāi)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(duì)應(yīng)于要軋帶材的最佳彎輥力值，并累積更新。軋制的過(guò)程中，彎輥力的大小再根據(jù)軋制力的波動(dòng)量來(lái)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(duì)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(cè)設(shè)備（如多通道測(cè)厚儀），檢測(cè)出的板形信號(hào)，進(jìn)行反饋控制。板形檢測(cè)機(jī)構(gòu)把檢測(cè)出的板形與目標(biāo)板形進(jìn)行對(duì)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(duì)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(lái)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(lái)實(shí)現(xiàn)把控制信號(hào)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(guò)程如圖 1 所示。

目前，在鋁熱軋機(jī)彎輥控制的常見(jiàn)控制方法是手動(dòng)控制結(jié)合開(kāi)環(huán)控制。以軋機(jī)歷史Fbending的IBA數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過(guò)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(lèi)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(guò)程中結(jié)合在線(xiàn)時(shí)時(shí)板型曲線(xiàn)，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(guò)測(cè)厚儀檢測(cè)出的板形信號(hào)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(jiàn)。未來(lái)精確控制發(fā)展趨勢(shì)必然是板形信號(hào)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(xiàn)和軋件塑性特性曲線(xiàn)交點(diǎn)的垂直線(xiàn)上。但是由于各種因素的影響，兩特性曲線(xiàn)不可能總是交在等厚軋制線(xiàn)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(wàn)倍。近10萬(wàn)倍的厚度壓延、微米級(jí)的精度要求，可想而知熱軋帶材厚度波動(dòng)控制的好壞，對(duì)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(lái)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(wú)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(duì)厚度控制產(chǎn)生不同程度的影響。生產(chǎn)過(guò)程中的換輥、軋輥的磨損、軸承箱的更換、軸承間隙等可通過(guò)輥縫的重新標(biāo)定來(lái)補(bǔ)償這些設(shè)備特性變化對(duì)厚度控制的影響。③工藝條件、工藝參數(shù)的變化。軋制過(guò)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(cè)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-Automation Gauge Control）的基本原理是通過(guò)測(cè)厚儀或者其他測(cè)量裝置連續(xù)測(cè)量帶材的實(shí)際軋出厚度，根據(jù)實(shí)際測(cè)量值與給定值相比較得到偏差值，將偏差信號(hào)反饋給控制系統(tǒng)，進(jìn)而通過(guò)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(lái)，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(cè)厚儀本身的測(cè)量精度非常精確，但測(cè)量反饋數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性會(huì)受蒸汽、乳化液等儀器周?chē)h(huán)境因素的影響而與實(shí)際值有所差異。未來(lái)如何改善測(cè)量設(shè)備的周?chē)淮_定環(huán)境的干擾、提高測(cè)量設(shè)備的抗干擾能力，提高測(cè)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(shì)

可以預(yù)見(jiàn)未來(lái)鋁板帶鋁箔加工企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(kāi)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。未來(lái)誰(shuí)掌握有先進(jìn)設(shè)備技術(shù)及加工工藝，誰(shuí)就能主導(dǎo)市場(chǎng)，享受市場(chǎng)體量增長(zhǎng)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(mǎn)足市場(chǎng)需求，增強(qiáng)企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(duì)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(duì)這些的深入探析將有助于提升我們產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

5? 結(jié)語(yǔ)

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(duì)應(yīng)的設(shè)備高度自動(dòng)化。只有我們材料加工專(zhuān)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(zhuān)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(lái)，共同探討、相互融合各自領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，才能共同探析工藝瓶頸、提升設(shè)備特性。

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