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、比強度高、耐蝕、可焊、易加工、表面美觀等特點被廣泛的應(yīng)用于國民經(jīng)濟的各個行業(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，不過這些產(chǎn)品一般都是軍工產(chǎn)品，我們目前還沒有生產(chǎn)的權(quán)利，我們廠也沒有參與加工，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)退出了這個產(chǎn)品的生產(chǎn)競爭行列，但是我們曾經(jīng)生產(chǎn)過，曾經(jīng)取得過比較好的生產(chǎn)成績。建筑裝飾方面，我們生產(chǎn)過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，前段時間大批量生產(chǎn)的液晶電視背板，鍵盤料等。交通運輸方面，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．熱軋的簡單概念及特點熱軋是指在金屬再結(jié)晶溫度以上進行的軋制。再結(jié)晶就是當(dāng)退火溫度足夠高，時間足夠長時，在變形金屬或合金的纖維組織中產(chǎn)生無應(yīng)變的新晶粒（再結(jié)晶核心），新晶粒不斷的長大，直至原來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，這一過程稱為再結(jié)晶，其中開始生成新晶粒的溫度稱為開始再結(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單原理，在我們鋁加工行業(yè)的實際生產(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，進行的軋制，而這一個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題，比較深奧，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)實際的生產(chǎn)情況，根據(jù)設(shè)備的運行情況，多加修改所得到的適合該合金生產(chǎn)的溫度。熱軋的特點：1.能耗低，塑性加工良好，變形抗力低，加工硬化不明顯，易進行軋制，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)?；笊a(chǎn)創(chuàng)造了條件。3.通過熱軋將鑄態(tài)組織轉(zhuǎn)變?yōu)榧庸そM織，通過組織的轉(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1.單機架雙卷取熱軋機的特點由于是粗軋和精軋的二合一機臺，所以要具備粗軋和精軋的生產(chǎn)特點，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)量和集中潤滑必須同時適用于熱粗軋和熱精軋過程，要同時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。卷取機結(jié)構(gòu)設(shè)計必須適用于軋制過程的張力控制，在可逆軋制過程中，不得損傷帶材表面質(zhì)量要求。2.加熱爐的特點目前我們采用的是鋁錠推進式加熱爐，能源方面采用煤氣作為加熱介質(zhì)，熱風(fēng)強制循環(huán)對鋁錠進行加熱，其特點主要是以下幾點：固定在頂部的循環(huán)風(fēng)機提高了加熱速度，通過應(yīng)用風(fēng)機均勻送風(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，并對噴流系統(tǒng)的合理設(shè)計和布置，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)機提供助燃空氣，冷卻風(fēng)機控制溫度的精度以及降溫時的速度。應(yīng)用了迎風(fēng)燃燒混合技術(shù)的開發(fā)，是噴流加熱既縮短了加熱時間又避免了鑄錠在加熱過程中邊部過燒，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，測量鋁錠溫度的熱電偶便于鋁錠實際溫度的控制，測量鋁錠的溫度采用了氣動伸縮式熱電偶測溫，測溫時熱電偶的針頭自動伸出與鋁錠表面接觸，測溫完畢時，熱電偶的針頭自動縮回離開鋁錠表面，熱電偶的測溫精度可以達到正負1度。

四．熱軋原理1.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，同時依靠軋輥施加的壓力使軋件在兩個軋輥或兩個以上的軋輥間發(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，將使金屬發(fā)生沿縱向和橫向的流動，但是縱向的延伸變形總是大大超過橫向的擴展量，這是因為輥面摩擦力對寬向流動的阻礙總是大于縱向，也就是說，相對縱向而言，橫向的寬展總是比較小，軋制時的變形指數(shù)主要為：絕對壓下量：表示軋制前后軋件厚度絕對的變化量，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)場用于表示寬展的絕對增加值。生產(chǎn)現(xiàn)場涉及到得最基本的參數(shù)就以上幾個，其它的比如伸長率，延伸系數(shù)等只是為了理論的分析。所以在現(xiàn)場用的最多的就是根據(jù)金屬塑性變形的體積不變條件計算軋后的長度、加工率等。3.軋制過程的建立：軋制過程總共經(jīng)歷4個階段，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：軋件開始接觸旋轉(zhuǎn)的軋輥，軋輥開始對軋件施加作用，將其拖入輥縫間，以便建立軋制過程。拽入階段：一旦軋件被旋轉(zhuǎn)著的軋輥咬著后，軋輥對軋件的拖拽力增大，軋件逐漸充滿輥縫，直至軋件前端到達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后，繼續(xù)依靠旋轉(zhuǎn)軋輥摩擦力對軋件的作用，連續(xù)、穩(wěn)定地通過輥縫，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：從軋件后端進入輥縫間的變形區(qū)開始，直至軋件與軋輥完全脫離接觸為止。4.實際軋制生產(chǎn)中會出現(xiàn)軋件不能順利被軋輥咬入，致使軋制過程停止，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)量問題，這是因為咬入并軋制的過程是一個不穩(wěn)定過程，當(dāng)咬入的時候，變形區(qū)的幾何參數(shù)，運動學(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程中一個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，咬入角隨壓下量呈拋物線形增長。5.穩(wěn)定軋制是軋制過程的主要階段，但是咬入過程卻是建立軋制過程的先決條件，這個圖就是一個簡單咬入的示意圖，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力，即垂直方向上和水平方向上，這樣就有了N和T兩個力的分力在兩個方向上的疊加，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，這樣就固定了一個指標(biāo)即咬入角來判定咬入狀態(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，上面這個式子說明，當(dāng)摩擦角大于（充其量等于）咬入角時，可實現(xiàn)自然咬入。6.穩(wěn)定軋制時的咬入條件：

軋件咬入后，軋制進入拽入階段，軋件與軋輥間的接觸面隨著軋件向輥縫間的充滿而增加，因此軋輥對軋件的作用力點的位置也向出輥方向移動，使輥間的力平衡狀態(tài)發(fā)生變化，經(jīng)過公式計算得出α＜2β為穩(wěn)定軋制的臨界條件。7.根據(jù)以上兩個公式看出，凡是減小軋輥咬入角和增大輥面對軋件摩擦。系數(shù)的因素均有利于強化咬入和建立穩(wěn)定軋制過程，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，可實行大壓下量軋制。沿軋制方向施加水平推力進行強迫咬入，如輥道運送軋件的慣性力等施加水平推力，進行強迫咬入。咬入時抬高輥縫以利于咬入，軋制時實行帶負荷壓下增大穩(wěn)定軋制時的變形量。2）增大輥面摩擦系數(shù)，改善咬入的措施。咬入時輥面不進行潤滑，增大輥面的摩擦。低速咬入，告訴軋制，也可以增大咬入時的摩擦，改善咬入條件，同時對提高軋制生產(chǎn)效率也有利。根據(jù)金屬摩擦與溫度的關(guān)系特性，通過適當(dāng)改變軋制溫度來增大摩擦，對于大部分金屬，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.軋制時的金屬流動與變形軋制時金屬在兩輥縫間發(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)域主要牽涉到一個重要指標(biāo)就是變形區(qū)長度，該長度直接影響著軋制時的金屬的流動。因為主要的變形發(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，進入變形區(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，則由于軋件越來越薄軋件運動的水平速度從入輥口速度到出輥口速度越來越高，其結(jié)果是前滑區(qū)軋件的前進速度高于輥面線速，即軋件相對輥面向前滑動，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。實際上，軋制時的前滑值一般為2%-10%，前滑對于帶材的軋制卷取，連軋時前后張力控制有重要的使用意義。在我們現(xiàn)場的生產(chǎn)中，可以明顯的看到前滑留下來的痕跡，尤其是平鋪道次，整個料頭形狀的印痕。10.軋件斷面上高向的流動和變形大量的實驗研究和理論分析表明，軋制變形區(qū)內(nèi)的流動和變形是不均勻的，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)對軋制斷面高向上的變形分布情況影響很大，黨軋件相對較薄時，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)軋件相對較厚時，隨著變形區(qū)形狀系數(shù)的減小，外端對變形過程的影響變得突出，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，因為接觸摩擦的增高，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，嚴重時還會纏輥。11.軋制時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流動的法則，由于摩擦阻力影響的不同，使得金屬沿水平截面的流動可以分為4個區(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)點幾乎全朝縱向流動，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)點朝橫向流動產(chǎn)生寬展，可見，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越大，所以越靠近邊部的金屬質(zhì)點橫向流動的趨勢越大，反之中心部位的金屬質(zhì)點縱向流動的趨勢越來越大，即中心部位的金屬質(zhì)點縱向流動快于邊部，這就是為什么軋件頭部呈扇形，而尾部呈魚尾形的原因，如果中心與邊部流速差所引起邊部的附加拉應(yīng)力超過了金屬的強度極限，將出現(xiàn)邊部裂紋。寬展其實是一個很復(fù)雜的過程，我們目前還沒有一個明確的計算寬展的方法，大多寬展的計算都是根據(jù)測量來的數(shù)據(jù)推斷出來的，要么就是根據(jù)現(xiàn)場實際操作的經(jīng)驗獲得的，所以這一方面研究的空間很大。

五、熱軋工藝簡單的確定原則1.熱軋的方式很多，但是我們最常見的也最簡單的就是縱軋，也就是采用順著鑄錠長度方向進行軋制的方式，在軋制過程中主要是軋輥、軋件和乳液的三者之間相互作用的過程，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，而這兩個參數(shù)的制定要根據(jù)實際的經(jīng)驗才能夠確定出，根據(jù)軋機生產(chǎn)工藝要求而定，比如熱軋機的輥面粗糙度的選擇要求既要有利于咬入，防止軋制過程中打滑，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號的砂輪和用150號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的效果也會不一樣。

2.2熱軋溫度

這個熱軋溫度包括開軋溫度和終軋溫度，開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行軋制。

2.4熱軋壓下