热轧轧制基本原理及基本工艺

创业 2024-12-04 10:21 中国

一．概论

铝是目前仅次于钢铁的第二类金属，其板带材具有质轻、比强度高、耐蚀、可焊、易加工、表面美观等特点被广泛的应用于国民经济的各个行业，特别是航空航天、包装印刷、建筑装饰、电子家电、交通运输等领域。比如，航空航天方面，前几天发射的“神八”飞船，上面好多铝及铝合金用品都是西南铝和东轻公司加工制造的，不过这些产品一般都是军工产品，我们目前还没有生产的权利，我们厂也没有参与加工，但是也是铝加工行业的骄傲。包装印刷方面，大家都熟知的PS版，虽然现在我们已经退出了这个产品的生产竞争行列，但是我们曾经生产过，曾经取得过比较好的生产成绩。建筑装饰方面，我们生产过的主要有铝塑底板带，大批量的各系合金的氧化带等。电子家电方面较多，前段时间大批量生产的液晶电视背板，键盘料等。交通运输方面，大家熟知的5754声屏障。虽然有些产品我们已经不再生产，但是这些产品我们不再陌生，到超市里面逛街的时候看看电饭煲盖子里的铝板，看看各种大型的液晶电视，可能某些产品所用的铝及铝合金配件就是我们厂生产的呢！

二．热轧的简单概念及特点

热轧是指在金属再结晶温度以上进行的轧制。

再结晶就是当退火温度足够高，时间足够长时，在变形金属或合金的纤维组织中产生无应变的新晶粒（再结晶核心），新晶粒不断的长大，直至原来的变形组织完全消失，金属或合金的性能也发生显著变化，这一过程称为再结晶，其中开始生成新晶粒的温度称为开始再结晶温度，显微组织全部被新晶粒所占据的温度称为终了再结晶温度，一般我们所称的再结晶温度就是开始再结晶温度和终了再结晶温度的算术平均值，一般再结晶温度主要受合金成分、形变程度、原始晶粒度、退火温度等因素的影响。

以上就是理论上的热轧的简单原理，在我们铝加工行业的实际生产中主要的体现是，当铸锭在加热炉内加热到一定的温度，也就是再结晶温度以上时，进行的轧制，而这一个温度的确定主要依据是铝合金的相图，也就是最理想化的情况下，加热温度的确定为该合金在多元相图中固相线80%处的温度为依据，这就牵扯到了不同合金多元相图的问题，比较深奥，所以我们只要知道，加热温度的确定是以该合金固相线的80%为依据，在制度的执行中，根据实际的生产情况，根据设备的运行情况，多加修改所得到的适合该合金生产的温度。

热轧的特点：

1.能耗低，塑性加工良好，变形抗力低，加工硬化不明显，易进行轧制，减少了金属变形所需的能耗。

2.热轧通常采用大铸锭、大压下量轧制，生产节奏快，产量大，这样为规模化大生产创造了条件。

3.通过热轧将铸态组织转变为加工组织，通过组织的转变使材料的塑性大幅度的提高。

4.轧制方式的特性决定了轧后板材性能存在着各向异性，一是材料的纵向、横向和高向有着明显的性能差异，二是存在着变形织构和再结晶织构，在冲制性能上存在着明显的方向性。

三．设备的特点

1.单机架双卷取热轧机的特点

由于是粗轧和精轧的二合一机台，所以要具备粗轧和精轧的生产特点，工作辊的选择不仅要考虑到热粗轧的压下量，也要考虑到轧制的最大厚度。

清辊工艺必须适用于工作辊的整体轧制过程中的轧辊表面质量要求，以确保板带表面质量。

冷却喷射、乳液质量和集中润滑必须同时适用于热粗轧和热精轧过程，要同时满足头几道次的高温大压下量和最终产品的表面质量。

卷取机结构设计必须适用于轧制过程的张力控制，在可逆轧制过程中，不得损伤带材表面质量要求。

2.加热炉的特点

目前我们采用的是铝锭推进式加热炉，能源方面采用煤气作为加热介质，热风强制循环对铝锭进行加热，其特点主要是以下几点：

固定在顶部的循环风机提高了加热速度，通过应用风机均匀送风的原则，改变平导流板、垂直导流板、喷流系统及加热区隔板等形状，并对喷流系统的合理设计和布置，可调节和改善气流分布情况，提高炉膛内的温度均匀性，从而提高铸锭温度的均匀性。

安装合理的烧嘴分布均匀，并配有助燃风机提供助燃空气，冷却风机控制温度的精度以及降温时的速度。

应用了迎风燃烧混合技术的开发，是喷流加热既缩短了加热时间又避免了铸锭在加热过程中边部过烧，而且特定的燃烧角度使得煤气燃烧效率最大化，燃烧效率得到提高，减少了能耗。

炉内的温控方式采用温差比例控制和均热后降温时的转定温控制，提高了控制的精度。

在炉子一周配备的热电偶便于炉内温度的控制，测量铝锭温度的热电偶便于铝锭实际温度的控制，测量铝锭的温度采用了气动伸缩式热电偶测温，测温时热电偶的针头自动伸出与铝锭表面接触，测温完毕时，热电偶的针头自动缩回离开铝锭表面，热电偶的测温精度可以达到正负1度。

四．热轧原理

1.轧制的理论：轧制是借助旋转轧辊的摩擦力将轧件拖入轧辊间，同时依靠轧辊施加的压力使轧件在两个轧辊或两个以上的轧辊间发生压缩变形的一种材料加工方法。

2.轧制参数：轧制变形过程，厚度方向的压缩是主导变形。当轧件厚度方向受到轧辊压缩时，将使金属发生沿纵向和横向的流动，但是纵向的延伸变形总是大大超过横向的扩展量，这是因为辊面摩擦力对宽向流动的阻碍总是大于纵向，也就是说，相对纵向而言，横向的宽展总是比较小，轧制时的变形指数主要为：

绝对压下量：表示轧制前后轧件厚度绝对的变化量，便于生产操作上直接调整轧辊的辊缝值。

加工率：用于记录近似变形程度。

宽展：生产现场用于表示宽展的绝对增加值。

生产现场涉及到得最基本的参数就以上几个，其它的比如伸长率，延伸系数等只是为了理论的分析。所以在现场用的最多的就是根据金属塑性变形的体积不变条件计算轧后的长度、加工率等。

3.轧制过程的建立：轧制过程总共经历4个阶段，分别为咬入阶段，拽入阶段，稳定轧制阶段和轧制终了阶段。

咬入阶段：轧件开始接触旋转的轧辊，轧辊开始对轧件施加作用，将其拖入辊缝间，以便建立轧制过程。

拽入阶段：一旦轧件被旋转着的轧辊咬着后，轧辊对轧件的拖拽力增大，轧件逐渐充满辊缝，直至轧件前端到达两辊连心线位置为止。

稳定轧制阶段：轧件前端从辊缝间出来后，继续依靠旋转轧辊摩擦力对轧件的作用，连续、稳定地通过辊缝，产生所需要的变形，厚度方向压缩，纵向延伸。

轧制终了阶段：从轧件后端进入辊缝间的变形区开始，直至轧件与轧辊完全脱离接触为止。

4.实际轧制生产中会出现轧件不能顺利被轧辊咬入，致使轧制过程停止，以及咬入角不合理引起板材塑性变形不均匀的情况，不仅降低了生产效率，而且产品易存在质量问题，这是因为咬入并轧制的过程是一个不稳定过程，当咬入的时候，变形区的几何参数，运动学参数都是变化的，所以咬入角即轧辊与轧件接触部分所夹的中心角是轧制过程中一个极其重要的影响因素，合理的咬入角应当在15度到20度之间，且当轧辊半径相同时，咬入角随压下量呈抛物线形增长。

5.稳定轧制是轧制过程的主要阶段，但是咬入过程却是建立轧制过程的先决条件，这个图就是一个简单咬入的示意图，轧件在咬入的这一瞬间，轧件受到轧辊的正

压力N和切向摩擦力T的作用，根据摩擦定律，可以将N和T分解为同一方向上的两个力，即垂直方向上和水平方向上，这样就有了N和T两个力的分力在两个方向上的叠加，叠加后在垂直方向上让轧件受到压缩，产生塑性变形，而水平方向上的两个力方向相反，即如果要顺利的咬入的话，T 的水平方向上分力要大于N的水平方向上的分力，这样就固定了一个指标即咬入角来判定咬入状态，即上图中的α角。

通常摩擦系数使用摩擦角β表示，即如果要顺利的咬入，则必须要满足α≤β，上面这个式子说明，当摩擦角大于（充其量等于）咬入角时，可实现自然咬入。

6.稳定轧制时的咬入条件：

轧件咬入后，轧制进入拽入阶段，轧件与轧辊间的接触面随着轧件向辊缝间的充满而增加，因此轧辊对轧件的作用力点的位置也向出辊方向移动，使辊间的力平衡状态发生变化，经过公式计算得出α＜2β为稳定轧制的临界条件。

7.根据以上两个公式看出，凡是减小轧辊咬入角和增大辊面对轧件摩擦。系数的因素均有利于强化咬入和建立稳定轧制过程，通常采用的措施为：

1）减小轧辊咬入角，改善咬入的措施。

采用大直径轧辊，可减小接触角，并有利于加大压下量。

减小压下量，虽可以减小咬入角，但降低压下量反而要增加轧制道次。

轧件前端做成楔形或圆弧状，以减小咬入角，可实行大压下量轧制。

沿轧制方向施加水平推力进行强迫咬入，如辊道运送轧件的惯性力等施加水平推力，进行强迫咬入。

咬入时抬高辊缝以利于咬入，轧制时实行带负荷压下增大稳定轧制时的变形量。

2）增大辊面摩擦系数，改善咬入的措施。

咬入时辊面不进行润滑，增大辊面的摩擦。

低速咬入，告诉轧制，也可以增大咬入时的摩擦，改善咬入条件，同时对提高轧制生产效率也有利。

根据金属摩擦与温度的关系特性，通过适当改变轧制温度来增大摩擦，对于大部分金属，提高轧制温度由于轧件表面氧化皮的存在，能增大摩擦等。

8.轧制时的金属流动与变形

轧制时金属在两辊缝间发生塑性变形的区域称为轧制变形区，该区域由轧件与轧辊的接触弧，轧件进入轧辊垂直断面和出口垂直断面所围成的区域，该区域主要牵涉到一个重要指标就是变形区长度，该长度直接影响着轧制时的金属的流动。因为主要的变形发生在该区域，所以该区域牵涉到较多的数据，较多的变形，不再赘述，有兴趣的可以下去研究研究。

9.这里牵扯到另外两个重要名词是前滑和后滑，和我们的生产紧密相关。当金属由轧前厚度H轧至轧后厚度h时，进入变形区的轧件厚度逐渐减薄，根据塑性变形的体积不变条件，则通过变形区内任意横断面的秒流量必然相等，则由于轧件越来越薄轧件运动的水平速度从入辊口速度到出辊口速度越来越高，其结果是前滑区轧件的前进速度高于辊面线速，即轧件相对辊面向前滑动，反之，后滑区轧件的速度低于辊面速度，只有在中性面上二者的速度才相等。

实际上，轧制时的前滑值一般为2%-10%，前滑对于带材的轧制卷取，连轧时前后张力控制有重要的使用意义。在我们现场的生产中，可以明显的看到前滑留下来的痕迹，尤其是平铺道次，整个料头形状的印痕。

10.轧件断面上高向的流动和变形

大量的实验研究和理论分析表明，轧制变形区内的流动和变形是不均匀的，其主要原因是接触摩擦的影响所致，摩擦越大，水平流速便越不均匀，其中同横截面上，相邻不同高度的两层面上质点间的流速差越大，则变形就越大。

另外变形区的形状系数对轧制断面高向上的变形分布情况影响很大，党轧件相对较薄时，压缩变形将深透到轧件中心，出现中心层变形比表层大的现象，当轧件相对较厚时，随着变形区形状系数的减小，外端对变形过程的影响变得突出，压缩变形难以深入到轧件中心，只限于表层附近区域发生塑性变形，出现表层的变形比心部大的现象。当厚轧件轧制时，因为接触摩擦的增高，某些合金的热轧头几道次的变形量较小，加之摩擦大，容易出现粘辊，因而导致轧件头部张嘴，严重时还会缠辊。

11.轧制时金属除了高向压缩和沿纵向的延伸外，也存在着沿横向流动引起的横向变形，称之为宽展。根据金属沿最小阻力方向流动流动的法则，由于摩擦阻力影响的不同，使得金属沿水平截面的流动可以分为4个区域，如图所示，变形区可以分为延伸区和宽展区两部分，在区和区，横向阻力大于纵向阻力，金属质点几乎全朝纵向流动，获得延伸变形，在区和区，横向阻力比纵向阻力小得多，金属质点朝横向流动产生宽展，可见，宽展主要产生在轧件边部，而且后滑区比前滑区多。由于摩擦阻力从轧件边部向中心越来越大，所以越靠近边部的金属质点横向流动的趋势越大，反之中心部位的金属质点纵向流动的趋势越来越大，即中心部位的金属质点纵向流动快于边部，这就是为什么轧件头部呈扇形，而尾部呈鱼尾形的原因，如果中心与边部流速差所引起边部的附加拉应力超过了金属的强度极限，将出现边部裂纹。宽展其实是一个很复杂的过程，我们目前还没有一个明确的计算宽展的方法，大多宽展的计算都是根据测量来的数据推断出来的，要么就是根据现场实际操作的经验获得的，所以这一方面研究的空间很大。

五、热轧工艺简单的确定原则

1.热轧的方式很多，但是我们最常见的也最简单的就是纵轧，也就是采用顺着铸锭长度方向进行轧制的方式，在轧制过程中主要是轧辊、轧件和乳液的三者之间相互作用的过程，另外还有辊缝外的立辊辊边轧制、卷取张力控制等。

2.影响轧制的因素

2.1轧辊的各项参数，这一因素中影响的主要参数为辊型和表面粗糙度，而这两个参数的制定要根据实际的经验才能够确定出，根据轧机生产工艺要求而定，比如热轧机的辊面粗糙度的选择要求既要有利于咬入，防止轧制过程中打滑，也要防止因辊面粗糙而影响产品表面质量。表面粗糙度是指零件加工表面所具有的，较小间距和微小峰谷的微观集合形状不平度。虽然定义如此，但是包含着一种用特定的磨削工艺磨削出来的表面状态。比如，同样磨削一根粗糙度为1.0的工作辊，用80号的砂轮和用150号的砂轮磨出的效果就大不一样，其他如不同的磨削液、不同的磨削工艺加工出来的效果也会不一样。

2.2热轧温度

这个热轧温度包括开轧温度和终轧温度，开轧温度的确定主要是根据合金相图中固相线温度的80%左右，而终轧温度的确定要根据合金的塑性图确定，一般要求控制在合金的再结晶温度以上。

2.3轧制速度

一般情况下，为了提高生产效率，保证合理的终轧温度，在设备允许的范围内尽量采用高速轧制，而在实际的生产中应根据不同的轧制阶段确定不同的轧制速度，比如开始轧制阶段，平铺阶段，卷取阶段等，不同的阶段可采用不同的速度进行轧制。

2.4热轧压下制度

热轧压下制度的确定主要包括热轧总加工率和道次加工率的确定，而热轧总加工率其确定原则是：

a)合金材料的性质，比如纯铝，高温塑性范围较宽，热轧脆性小，变形抗力低，因而总加工率大，但是硬铝合金，热轧温度范围窄，热脆性倾向大，其总加工率通常比软铝合金小。

b)满足最终产品表面质量和性能的要求，比如供给冷轧的坯料，热轧总加工率应留足冷变形量，以利于控制产品性能和获得良好的冷轧表面质量。

c)轧机能力及设备条件，轧机最大工作开口度和最小轧制厚度差越大，铸锭越厚，热轧总加工率越大，但是铸锭厚度受轧机开口度和辊道长度的限制。

热轧道次加工率的确定原则：

a)制定道次加工率应考虑合金的高温性能，咬入条件，产品质量要求及设备能力，不同轧制阶段道次加工率确定原则是：

b)开始轧制阶段，道次加工率较小，一般为2%-10%，因为前几道次主要是变铸造组织为加工组织，满足咬入条件。

c)中间轧制阶段，随金属加工性能的改善，如果设备条件允许，应该尽量加大道次变形量，对硬铝合金道次加工率可达到45%以上，软铝合金可达50%，大压下量的轧制将产生大的变形热，补充带材在轧制过程中的热损耗，有利于维持正常轧制。

d)最后轧制阶段，一般道次加工率减小，为防止热轧制品产生粗大晶粒，热轧最后道次的加工率应大于临界变形量（15%-20%），热轧最后两道次温度较低，变形抗力较大，其压下量分配应该保持带材良好的板形，厚度偏差以及表面质量。

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