熱軋基本原理及工藝

一．概論鋁是目前僅次于鋼鐵的第二類金屬，其板帶材具有質(zhì)輕、比強(qiáng)度高、耐蝕、可焊、易加工、表面美觀等特點(diǎn)被廣泛的應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)行業(yè)，特別是航空航天、包裝印刷、建筑裝飾、電子家電、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域。比如，航空航天方面，前幾天發(fā)射的“神八”飛船，上面好多鋁及鋁合金用品都是西南鋁和東輕公司加工制造的，不過(guò)這些產(chǎn)品一般都是軍工產(chǎn)品，我們目前還沒(méi)有生產(chǎn)的權(quán)利，我們廠也沒(méi)有參與加工，但是也是鋁加工行業(yè)的驕傲。包裝印刷方面，大家都熟知的PS版，雖然現(xiàn)在我們已經(jīng)退出了這個(gè)產(chǎn)品的生產(chǎn)競(jìng)爭(zhēng)行列，但是我們?cè)?jīng)生產(chǎn)過(guò)，曾經(jīng)取得過(guò)比較好的生產(chǎn)成績(jī)。建筑裝飾方面，我們生產(chǎn)過(guò)的主要有鋁塑底板帶，大批量的各系合金的氧化帶等。電子家電方面較多，前段時(shí)間大批量生產(chǎn)的液晶電視背板，鍵盤(pán)料等。交通運(yùn)輸方面，大家熟知的5754聲屏障。雖然有些產(chǎn)品我們已經(jīng)不再生產(chǎn)，但是這些產(chǎn)品我們不再陌生，到超市里面逛街的時(shí)候看看電飯煲蓋子里的鋁板，看看各種大型的液晶電視，可能某些產(chǎn)品所用的鋁及鋁合金配件就是我們廠生產(chǎn)的呢！

二．熱軋的簡(jiǎn)單概念及特點(diǎn)熱軋是指在金屬再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行的軋制。再結(jié)晶就是當(dāng)退火溫度足夠高，時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí)，在變形金屬或合金的纖維組織中產(chǎn)生無(wú)應(yīng)變的新晶粒（再結(jié)晶核心），新晶粒不斷的長(zhǎng)大，直至原來(lái)的變形組織完全消失，金屬或合金的性能也發(fā)生顯著變化，這一過(guò)程稱為再結(jié)晶，其中開(kāi)始生成新晶粒的溫度稱為開(kāi)始再結(jié)晶溫度，顯微組織全部被新晶粒所占據(jù)的溫度稱為終了再結(jié)晶溫度，一般我們所稱的再結(jié)晶溫度就是開(kāi)始再結(jié)晶溫度和終了再結(jié)晶溫度的算術(shù)平均值，一般再結(jié)晶溫度主要受合金成分、形變程度、原始晶粒度、退火溫度等因素的影響。以上就是理論上的熱軋的簡(jiǎn)單原理，在我們鋁加工行業(yè)的實(shí)際生產(chǎn)中主要的體現(xiàn)是，當(dāng)鑄錠在加熱爐內(nèi)加熱到一定的溫度，也就是再結(jié)晶溫度以上時(shí)，進(jìn)行的軋制，而這一個(gè)溫度的確定主要依據(jù)是鋁合金的相圖，也就是最理想化的情況下，加熱溫度的確定為該合金在多元相圖中固相線80%處的溫度為依據(jù)，這就牽扯到了不同合金多元相圖的問(wèn)題，比較深?yuàn)W，所以我們只要知道，加熱溫度的確定是以該合金固相線的80%為依據(jù)，在制度的執(zhí)行中，根據(jù)實(shí)際的生產(chǎn)情況，根據(jù)設(shè)備的運(yùn)行情況，多加修改所得到的適合該合金生產(chǎn)的溫度。熱軋的特點(diǎn)：1.能耗低，塑性加工良好，變形抗力低，加工硬化不明顯，易進(jìn)行軋制，減少了金屬變形所需的能耗。2.熱軋通常采用大鑄錠、大壓下量軋制，生產(chǎn)節(jié)奏快，產(chǎn)量大，這樣為規(guī)模化大生產(chǎn)創(chuàng)造了條件。3.通過(guò)熱軋將鑄態(tài)組織轉(zhuǎn)變?yōu)榧庸そM織，通過(guò)組織的轉(zhuǎn)變使材料的塑性大幅度的提高。4.軋制方式的特性決定了軋后板材性能存在著各向異性，一是材料的縱向、橫向和高向有著明顯的性能差異，二是存在著變形織構(gòu)和再結(jié)晶織構(gòu)，在沖制性能上存在著明顯的方向性。

三．設(shè)備的特點(diǎn)1.單機(jī)架雙卷取熱軋機(jī)的特點(diǎn)由于是粗軋和精軋的二合一機(jī)臺(tái)，所以要具備粗軋和精軋的生產(chǎn)特點(diǎn)，工作輥的選擇不僅要考慮到熱粗軋的壓下量，也要考慮到軋制的最大厚度。清輥工藝必須適用于工作輥的整體軋制過(guò)程中的軋輥表面質(zhì)量要求，以確保板帶表面質(zhì)量。冷卻噴射、乳液質(zhì)量和集中潤(rùn)滑必須同時(shí)適用于熱粗軋和熱精軋過(guò)程，要同時(shí)滿足頭幾道次的高溫大壓下量和最終產(chǎn)品的表面質(zhì)量。卷取機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須適用于軋制過(guò)程的張力控制，在可逆軋制過(guò)程中，不得損傷帶材表面質(zhì)量要求。2.加熱爐的特點(diǎn)目前我們采用的是鋁錠推進(jìn)式加熱爐，能源方面采用煤氣作為加熱介質(zhì)，熱風(fēng)強(qiáng)制循環(huán)對(duì)鋁錠進(jìn)行加熱，其特點(diǎn)主要是以下幾點(diǎn)：固定在頂部的循環(huán)風(fēng)機(jī)提高了加熱速度，通過(guò)應(yīng)用風(fēng)機(jī)均勻送風(fēng)的原則，改變平導(dǎo)流板、垂直導(dǎo)流板、噴流系統(tǒng)及加熱區(qū)隔板等形狀，并對(duì)噴流系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)和布置，可調(diào)節(jié)和改善氣流分布情況，提高爐膛內(nèi)的溫度均勻性，從而提高鑄錠溫度的均勻性。安裝合理的燒嘴分布均勻，并配有助燃風(fēng)機(jī)提供助燃空氣，冷卻風(fēng)機(jī)控制溫度的精度以及降溫時(shí)的速度。應(yīng)用了迎風(fēng)燃燒混合技術(shù)的開(kāi)發(fā)，是噴流加熱既縮短了加熱時(shí)間又避免了鑄錠在加熱過(guò)程中邊部過(guò)燒，而且特定的燃燒角度使得煤氣燃燒效率最大化，燃燒效率得到提高，減少了能耗。爐內(nèi)的溫控方式采用溫差比例控制和均熱后降溫時(shí)的轉(zhuǎn)定溫控制，提高了控制的精度。在爐子一周配備的熱電偶便于爐內(nèi)溫度的控制，測(cè)量鋁錠溫度的熱電偶便于鋁錠實(shí)際溫度的控制，測(cè)量鋁錠的溫度采用了氣動(dòng)伸縮式熱電偶測(cè)溫，測(cè)溫時(shí)熱電偶的針頭自動(dòng)伸出與鋁錠表面接觸，測(cè)溫完畢時(shí)，熱電偶的針頭自動(dòng)縮回離開(kāi)鋁錠表面，熱電偶的測(cè)溫精度可以達(dá)到正負(fù)1度。

四．熱軋?jiān)?.軋制的理論：軋制是借助旋轉(zhuǎn)軋輥的摩擦力將軋件拖入軋輥間，同時(shí)依靠軋輥施加的壓力使軋件在兩個(gè)軋輥或兩個(gè)以上的軋輥間發(fā)生壓縮變形的一種材料加工方法。2.軋制參數(shù)：軋制變形過(guò)程，厚度方向的壓縮是主導(dǎo)變形。當(dāng)軋件厚度方向受到軋輥壓縮時(shí)，將使金屬發(fā)生沿縱向和橫向的流動(dòng)，但是縱向的延伸變形總是大大超過(guò)橫向的擴(kuò)展量，這是因?yàn)檩伱婺Σ亮?duì)寬向流動(dòng)的阻礙總是大于縱向，也就是說(shuō)，相對(duì)縱向而言，橫向的寬展總是比較小，軋制時(shí)的變形指數(shù)主要為：絕對(duì)壓下量：表示軋制前后軋件厚度絕對(duì)的變化量，便于生產(chǎn)操作上直接調(diào)整軋輥的輥縫值。加工率：用于記錄近似變形程度。寬展：生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)用于表示寬展的絕對(duì)增加值。生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)涉及到得最基本的參數(shù)就以上幾個(gè)，其它的比如伸長(zhǎng)率，延伸系數(shù)等只是為了理論的分析。所以在現(xiàn)場(chǎng)用的最多的就是根據(jù)金屬塑性變形的體積不變條件計(jì)算軋后的長(zhǎng)度、加工率等。3.軋制過(guò)程的建立：軋制過(guò)程總共經(jīng)歷4個(gè)階段，分別為咬入階段，拽入階段，穩(wěn)定軋制階段和軋制終了階段。

咬入階段：軋件開(kāi)始接觸旋轉(zhuǎn)的軋輥，軋輥開(kāi)始對(duì)軋件施加作用，將其拖入輥縫間，以便建立軋制過(guò)程。拽入階段：一旦軋件被旋轉(zhuǎn)著的軋輥咬著后，軋輥對(duì)軋件的拖拽力增大，軋件逐漸充滿輥縫，直至軋件前端到達(dá)兩輥連心線位置為止。穩(wěn)定軋制階段：軋件前端從輥縫間出來(lái)后，繼續(xù)依靠旋轉(zhuǎn)軋輥摩擦力對(duì)軋件的作用，連續(xù)、穩(wěn)定地通過(guò)輥縫，產(chǎn)生所需要的變形，厚度方向壓縮，縱向延伸。軋制終了階段：從軋件后端進(jìn)入輥縫間的變形區(qū)開(kāi)始，直至軋件與軋輥完全脫離接觸為止。4.實(shí)際軋制生產(chǎn)中會(huì)出現(xiàn)軋件不能順利被軋輥咬入，致使軋制過(guò)程停止，以及咬入角不合理引起板材塑性變形不均勻的情況，不僅降低了生產(chǎn)效率，而且產(chǎn)品易存在質(zhì)量問(wèn)題，這是因?yàn)橐氩④堉频倪^(guò)程是一個(gè)不穩(wěn)定過(guò)程，當(dāng)咬入的時(shí)候，變形區(qū)的幾何參數(shù)，運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)都是變化的，所以咬入角即軋輥與軋件接觸部分所夾的中心角是軋制過(guò)程中一個(gè)極其重要的影響因素，合理的咬入角應(yīng)當(dāng)在15度到20度之間，且當(dāng)軋輥半徑相同時(shí)，咬入角隨壓下量呈拋物線形增長(zhǎng)。5.穩(wěn)定軋制是軋制過(guò)程的主要階段，但是咬入過(guò)程卻是建立軋制過(guò)程的先決條件，這個(gè)圖就是一個(gè)簡(jiǎn)單咬入的示意圖，軋件在咬入的這一瞬間，軋件受到軋輥的正

壓力N和切向摩擦力T的作用，根據(jù)摩擦定律，可以將N和T分解為同一方向上的兩個(gè)力，即垂直方向上和水平方向上，這樣就有了N和T兩個(gè)力的分力在兩個(gè)方向上的疊加，疊加后在垂直方向上讓軋件受到壓縮，產(chǎn)生塑性變形，而水平方向上的兩個(gè)力方向相反，即如果要順利的咬入的話，T的水平方向上分力要大于N的水平方向上的分力，這樣就固定了一個(gè)指標(biāo)即咬入角來(lái)判定咬入狀態(tài)，即上圖中的α角。通常摩擦系數(shù)使用摩擦角β表示，即如果要順利的咬入，則必須要滿足α≤β，上面這個(gè)式子說(shuō)明，當(dāng)摩擦角大于（充其量等于）咬入角時(shí)，可實(shí)現(xiàn)自然咬入。6.穩(wěn)定軋制時(shí)的咬入條件：

軋件咬入后，軋制進(jìn)入拽入階段，軋件與軋輥間的接觸面隨著軋件向輥縫間的充滿而增加，因此軋輥對(duì)軋件的作用力點(diǎn)的位置也向出輥方向移動(dòng)，使輥間的力平衡狀態(tài)發(fā)生變化，經(jīng)過(guò)公式計(jì)算得出α＜2β為穩(wěn)定軋制的臨界條件。7.根據(jù)以上兩個(gè)公式看出，凡是減小軋輥咬入角和增大輥面對(duì)軋件摩擦。系數(shù)的因素均有利于強(qiáng)化咬入和建立穩(wěn)定軋制過(guò)程，通常采用的措施為：

1）減小軋輥咬入角，改善咬入的措施。采用大直徑軋輥，可減小接觸角，并有利于加大壓下量。減小壓下量，雖可以減小咬入角，但降低壓下量反而要增加軋制道次。軋件前端做成楔形或圓弧狀，以減小咬入角，可實(shí)行大壓下量軋制。沿軋制方向施加水平推力進(jìn)行強(qiáng)迫咬入，如輥道運(yùn)送軋件的慣性力等施加水平推力，進(jìn)行強(qiáng)迫咬入。咬入時(shí)抬高輥縫以利于咬入，軋制時(shí)實(shí)行帶負(fù)荷壓下增大穩(wěn)定軋制時(shí)的變形量。2）增大輥面摩擦系數(shù)，改善咬入的措施。咬入時(shí)輥面不進(jìn)行潤(rùn)滑，增大輥面的摩擦。低速咬入，告訴軋制，也可以增大咬入時(shí)的摩擦，改善咬入條件，同時(shí)對(duì)提高軋制生產(chǎn)效率也有利。根據(jù)金屬摩擦與溫度的關(guān)系特性，通過(guò)適當(dāng)改變軋制溫度來(lái)增大摩擦，對(duì)于大部分金屬，提高軋制溫度由于軋件表面氧化皮的存在，能增大摩擦等。8.軋制時(shí)的金屬流動(dòng)與變形軋制時(shí)金屬在兩輥縫間發(fā)生塑性變形的區(qū)域稱為軋制變形區(qū)，該區(qū)域由軋件與軋輥的接觸弧，軋件進(jìn)入軋輥垂直斷面和出口垂直斷面所圍成的區(qū)域，該區(qū)域主要牽涉到一個(gè)重要指標(biāo)就是變形區(qū)長(zhǎng)度，該長(zhǎng)度直接影響著軋制時(shí)的金屬的流動(dòng)。因?yàn)橹饕淖冃伟l(fā)生在該區(qū)域，所以該區(qū)域牽涉到較多的數(shù)據(jù)，較多的變形，不再贅述，有興趣的可以下去研究研究。9.這里牽扯到另外兩個(gè)重要名詞是前滑和后滑，和我們的生產(chǎn)緊密相關(guān)。當(dāng)金屬由軋前厚度H軋至軋后厚度h時(shí)，進(jìn)入變形區(qū)的軋件厚度逐漸減薄，根據(jù)塑性變形的體積不變條件，則通過(guò)變形區(qū)內(nèi)任意橫斷面的秒流量必然相等，則由于軋件越來(lái)越薄軋件運(yùn)動(dòng)的水平速度從入輥口速度到出輥口速度越來(lái)越高，其結(jié)果是前滑區(qū)軋件的前進(jìn)速度高于輥面線速，即軋件相對(duì)輥面向前滑動(dòng)，反之，后滑區(qū)軋件的速度低于輥面速度，只有在中性面上二者的速度才相等。實(shí)際上，軋制時(shí)的前滑值一般為2%-10%，前滑對(duì)于帶材的軋制卷取，連軋時(shí)前后張力控制有重要的使用意義。在我們現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)中，可以明顯的看到前滑留下來(lái)的痕跡，尤其是平鋪道次，整個(gè)料頭形狀的印痕。10.軋件斷面上高向的流動(dòng)和變形大量的實(shí)驗(yàn)研究和理論分析表明，軋制變形區(qū)內(nèi)的流動(dòng)和變形是不均勻的，其主要原因是接觸摩擦的影響所致，摩擦越大，水平流速便越不均勻，其中同橫截面上，相鄰不同高度的兩層面上質(zhì)點(diǎn)間的流速差越大，則變形就越大。另外變形區(qū)的形狀系數(shù)對(duì)軋制斷面高向上的變形分布情況影響很大，黨軋件相對(duì)較薄時(shí)，壓縮變形將深透到軋件中心，出現(xiàn)中心層變形比表層大的現(xiàn)象，當(dāng)軋件相對(duì)較厚時(shí)，隨著變形區(qū)形狀系數(shù)的減小，外端對(duì)變形過(guò)程的影響變得突出，壓縮變形難以深入到軋件中心，只限于表層附近區(qū)域發(fā)生塑性變形，出現(xiàn)表層的變形比心部大的現(xiàn)象。當(dāng)厚軋件軋制時(shí)，因?yàn)榻佑|摩擦的增高，某些合金的熱軋頭幾道次的變形量較小，加之摩擦大，容易出現(xiàn)粘輥，因而導(dǎo)致軋件頭部張嘴，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)纏輥。11.軋制時(shí)金屬除了高向壓縮和沿縱向的延伸外，也存在著沿橫向流動(dòng)引起的橫向變形，稱之為寬展。根據(jù)金屬沿最小阻力方向流動(dòng)流動(dòng)的法則，由于摩擦阻力影響的不同，使得金屬沿水平截面的流動(dòng)可以分為4個(gè)區(qū)域，如圖所示，變形區(qū)可以分為延伸區(qū)和寬展區(qū)兩部分，在區(qū)和區(qū)，橫向阻力大于縱向阻力，金屬質(zhì)點(diǎn)幾乎全朝縱向流動(dòng)，獲得延伸變形，在區(qū)和區(qū)，橫向阻力比縱向阻力小得多，金屬質(zhì)點(diǎn)朝橫向流動(dòng)產(chǎn)生寬展，可見(jiàn)，寬展主要產(chǎn)生在軋件邊部，而且后滑區(qū)比前滑區(qū)多。由于摩擦阻力從軋件邊部向中心越來(lái)越大，所以越靠近邊部的金屬質(zhì)點(diǎn)橫向流動(dòng)的趨勢(shì)越大，反之中心部位的金屬質(zhì)點(diǎn)縱向流動(dòng)的趨勢(shì)越來(lái)越大，即中心部位的金屬質(zhì)點(diǎn)縱向流動(dòng)快于邊部，這就是為什么軋件頭部呈扇形，而尾部呈魚(yú)尾形的原因，如果中心與邊部流速差所引起邊部的附加拉應(yīng)力超過(guò)了金屬的強(qiáng)度極限，將出現(xiàn)邊部裂紋。寬展其實(shí)是一個(gè)很復(fù)雜的過(guò)程，我們目前還沒(méi)有一個(gè)明確的計(jì)算寬展的方法，大多寬展的計(jì)算都是根據(jù)測(cè)量來(lái)的數(shù)據(jù)推斷出來(lái)的，要么就是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作的經(jīng)驗(yàn)獲得的，所以這一方面研究的空間很大。

五、熱軋工藝簡(jiǎn)單的確定原則1.熱軋的方式很多，但是我們最常見(jiàn)的也最簡(jiǎn)單的就是縱軋，也就是采用順著鑄錠長(zhǎng)度方向進(jìn)行軋制的方式，在軋制過(guò)程中主要是軋輥、軋件和乳液的三者之間相互作用的過(guò)程，另外還有輥縫外的立輥輥邊軋制、卷取張力控制等。2.影響軋制的因素2.1軋輥的各項(xiàng)參數(shù)，這一因素中影響的主要參數(shù)為輥型和表面粗糙度，而這兩個(gè)參數(shù)的制定要根據(jù)實(shí)際的經(jīng)驗(yàn)才能夠確定出，根據(jù)軋機(jī)生產(chǎn)工藝要求而定，比如熱軋機(jī)的輥面粗糙度的選擇要求既要有利于咬入，防止軋制過(guò)程中打滑，也要防止因輥面粗糙而影響產(chǎn)品表面質(zhì)量。表面粗糙度是指零件加工表面所具有的，較小間距和微小峰谷的微觀集合形狀不平度。雖然定義如此，但是包含著一種用特定的磨削工藝磨削出來(lái)的表面狀態(tài)。比如，同樣磨削一根粗糙度為1.0的工作輥，用80號(hào)的砂輪和用150號(hào)的砂輪磨出的效果就大不一樣，其他如不同的磨削液、不同的磨削工藝加工出來(lái)的效果也會(huì)不一樣。

2.2熱軋溫度

這個(gè)熱軋溫度包括開(kāi)軋溫度和終軋溫度，開(kāi)軋溫度的確定主要是根據(jù)合金相圖中固相線溫度的80%左右，而終軋溫度的確定要根據(jù)合金的塑性圖確定，一般要求控制在合金的再結(jié)晶溫度以上。

2.3軋制速度

一般情況下，為了提高生產(chǎn)效率，保證合理的終軋溫度，在設(shè)備允許的范圍內(nèi)盡量采用高速軋制，而在實(shí)際的生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)不同的軋制階段確定不同的軋制速度，比如開(kāi)始軋制階段，平鋪階段，卷取階段等，不同的階段可采用不同的速度進(jìn)行軋制。

2.4熱軋壓下