熱軋鈦板的翹曲控制措施研究

毛 成 ，曹 薦， 周慶升， 張先發(fā)， 張炳俊

(馬鋼股份公司一鋼軋總廠 安徽馬鞍山 243000)

鈦板具良好的耐腐蝕、非磁性等很多優(yōu)良的特性，被譽(yù)為“未來金屬”，在艦船制造、電力、化學(xué)工業(yè)等領(lǐng)域得到了迅速發(fā)展[1]。國(guó)內(nèi)各大中厚板生產(chǎn)企業(yè)開始利用生產(chǎn)中厚板的設(shè)備優(yōu)勢(shì)，進(jìn)行中厚板鈦板的生產(chǎn)。鈦屬于有色金屬，其本身的特性和鋼鐵等金屬有著較大的區(qū)別。因此，在鋼鐵企業(yè)嘗試生產(chǎn)純鈦板的過程中常出現(xiàn)上翹、下扣等翹曲問題，影響生產(chǎn)的穩(wěn)定順行。

1 熱軋鈦板翹曲的危害

鈦板在軋制過程中出現(xiàn)的翹曲主要分為上翹和下扣兩種，見圖1、圖2。這兩種板形問題，依據(jù)翹曲的嚴(yán)重程度對(duì)生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性影響不同，對(duì)上翹來說，輕微的上翹不影響正常的生產(chǎn)，但是上翹的程度過大容易撞壞軋機(jī)的設(shè)備，甚至發(fā)生纏輥事故；鈦板的下扣危害相對(duì)較大，因?yàn)榧词馆p微的下扣在軋制和運(yùn)輸過程中也會(huì)對(duì)設(shè)備沖擊，造成設(shè)備的損害，嚴(yán)重的鈦板下扣會(huì)發(fā)生鈦板卡在輸送輥道的間隙中，造成鈦板卡死無法移動(dòng)的事故。

在中厚板的熱軋過程中，無論是纏輥還是鈦板卡死事故的處理方法，首先是將發(fā)生事故的鈦板降溫，然后將鈦板切割，吊離。在鋼鐵企業(yè)處理事故采用的切割方式通常是火焰切割，而火焰切割的基本原理就是使切割部位的溫度急劇升高，超過其熔點(diǎn)，使其熔化，切割才能順利進(jìn)行。純鈦的熔點(diǎn)為1678℃，較鐵的熔點(diǎn)1528℃高150℃，另外鈦的熱導(dǎo)率較鐵低，因此切割過程將比鋼鐵更困難，切割時(shí)間將更長(zhǎng)。另外，鈦具有非磁性的物理特性，對(duì)切割后的小塊鈦板不能用磁盤吊進(jìn)行吊運(yùn)。

綜上所述，鈦板在生產(chǎn)過程中處理事故時(shí)無論是切割還是吊運(yùn)與鋼鐵相比難度更大，對(duì)生產(chǎn)穩(wěn)定性的影響更加嚴(yán)重，因此生產(chǎn)過程中控制鈦板翹曲，減少事故的發(fā)生就顯的尤為重要。

圖1 上翹

圖2 下扣

2 影響鈦板翹曲的因素

鈦板在軋制過程中出現(xiàn)翹曲的主要原因?yàn)殁伆蹇v向延伸不均勻?qū)е聫澢冃嗡?。鈦板厚度方向上下層延伸的不同，產(chǎn)生彎曲的效果不同，當(dāng)鈦板上表面的延伸小于下表面的延伸時(shí)形成上翹，反之則形成下扣，那么影響鈦板上下表面延伸的因素就是影響鈦板翹曲的因素。

2.1 溫度的影響

溫度的影響主要表現(xiàn)在鋼板上下表的溫差方面。鈦板上下表溫差使軋制過程中鈦板上下表的應(yīng)力不同，在相同軋制力的作用下引起壓下量的差異，從而使上下表的延伸不同，進(jìn)而形成翹曲。

生產(chǎn)過程中引起鈦板上下溫差主要有三個(gè)方面：加熱爐加熱時(shí)造成鈦坯上下表溫度不均勻；軋制過程中軋輥冷卻水對(duì)鈦板表面溫度的影響；高壓水除鱗對(duì)鈦板上下表的影響。

2.2 軋制線標(biāo)高的影響

軋制線標(biāo)高是指軋機(jī)下工作輥的上表面與機(jī)架輥的上輥面之間的高度差[2]。顯然當(dāng)軋制標(biāo)高為本道次壓下量的一半時(shí)鈦板能夠水平咬入，而當(dāng)軋制線的標(biāo)高不等于道次壓下量的一半時(shí)將，鈦板頭部將抬起或向下傾斜咬入，此時(shí)將發(fā)生不對(duì)稱軋制，造成鈦板頭部翹曲。據(jù)有關(guān)資料[2]，上下表壓下量公式為：

△h=[R(1-cosα)+ltgθ]/cosθ

(1)

R-軋輥半徑，α-咬入角，l-接觸弧長(zhǎng)

以軋制線標(biāo)高大于壓下量的一半為為例分析。假設(shè)當(dāng)時(shí)鈦板溫度均勻，軋輥輥徑及轉(zhuǎn)速一致，此時(shí)鈦坯將采取爬坡咬入(如圖3)，此時(shí)上輥的咬入角將大于下輥的咬入角，由于軋制力、上下表應(yīng)力以及鈦板寬度均相等，那么上表的壓下量將大于下表的壓下量，將會(huì)產(chǎn)生下扣的現(xiàn)象，反之將產(chǎn)生上翹現(xiàn)象。

圖3 軋制線標(biāo)高大于壓下量一半時(shí)咬入示意圖

2.3 上下輥速差和輥徑差的影響

中板精軋機(jī)的上、下工作輥，分別由兩臺(tái)主電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)。因兩臺(tái)主電機(jī)特性以及速度控制不可能完全相同，從而使得上、下工作輥的轉(zhuǎn)速不同，從而引起軋件頭部的變形不均勻，軋件總是向慢速輥方向彎曲。上輥轉(zhuǎn)速大，就會(huì)產(chǎn)生下扣。

在正常軋制工藝中，上、下工作輥直徑通常是不相等的。由于軋件上、下表面變形速度與上、下軋輥速度相關(guān)。輥徑的大小影響軋輥的線速度。在軋制過程中,當(dāng)上、下軋輥輥徑變化時(shí),軋輥表面的線速度也隨之變化。上、下軋輥表面線速度的變化相應(yīng)會(huì)影響軋件上、下表面的變形速度，從而使軋件向速度小的一側(cè)彎曲。當(dāng)上工作輥直徑大于下工作輥直徑，而其它變形條件相同時(shí)，軋件上表面的變形速度必然大于下表面，從而導(dǎo)致軋件發(fā)生扣頭；

3 翹曲的預(yù)防措施

3.1 減少鈦坯上下表溫差

在加熱工序，由于鈦坯的導(dǎo)熱性較鋼鐵差，為保證加熱的均勻性，減少上下表面的溫差，在加熱制度方面采取慢速加熱，加熱時(shí)間提高至2.0 min/mm-2.5 min/mm，并且均熱段時(shí)間需不低于總加熱時(shí)間的1/4。

軋制工序，粗軋時(shí)關(guān)閉軋機(jī)軋輥冷卻水，減少上輥冷卻水淋至鈦坯表面造成上下表的溫差。粗軋至精軋之間輸送輥道間的輸送輥道冷卻水關(guān)閉，減少鈦板運(yùn)輸過程中造成鈦板上下表的溫差。精軋機(jī)在軋制鈦板前檢查刮水板的磨損情況，并及時(shí)更換，防止由于刮水板漏水造成的鈦板上下表溫差。

3.2 合理調(diào)整軋制線標(biāo)高

由2.2分析可知軋制線標(biāo)高將直接影響鈦板的翹曲，理想型軋制線標(biāo)高為該道次壓下量的1/2，但是大部分中厚板軋機(jī)的軋制線標(biāo)高不具備時(shí)時(shí)調(diào)整的功能，僅在換輥時(shí)進(jìn)行標(biāo)高的設(shè)定。因此，精軋機(jī)標(biāo)高的設(shè)定以在實(shí)際生產(chǎn)過程中鋼板呈“雪橇”狀為合適的標(biāo)高。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)摸索，馬鋼中板線在生產(chǎn)鈦板時(shí)軋制線高度為(15-30)mm。

3.3 合理調(diào)整軋輥速差

中厚板軋機(jī)的軋輥為單機(jī)傳動(dòng)，每個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以單獨(dú)調(diào)整。通過電氣設(shè)定，在主傳動(dòng)界面設(shè)置上下輥速度調(diào)整界面，實(shí)現(xiàn)上下輥速差調(diào)整來改善鈦板的翹曲現(xiàn)象。

4 效果

通過以上措施的實(shí)施，軋制過程中鈦板的翹曲現(xiàn)象得到了很大的改善(如圖4、圖5 )，在前期的試軋過程中沒有出現(xiàn)由于翹曲而產(chǎn)生的事故，為鈦板的順利生產(chǎn)打下了基礎(chǔ)。

圖4 措施實(shí)施前

圖5 措施實(shí)施后

5 總結(jié)

1)鈦板生產(chǎn)過程中翹曲產(chǎn)生的后果較鋼鐵等黑色金屬對(duì)生產(chǎn)的穩(wěn)定性更加嚴(yán)重。

2)在生產(chǎn)過程中通過調(diào)整鈦板的上下表溫差、將標(biāo)高控制在15 mm-30 mm以及調(diào)整軋機(jī)轉(zhuǎn)速等措施改善鈦板翹曲現(xiàn)象，并取得良好效果。

參考文獻(xiàn)

[1] ZHANG Z Y,YANG H,LI H,WANG D. Quasi-static tensile behavior and constitutive modeling of large diameter thin-walled commercial pure titanium tube[J].Materials Science and Engineering A,2013,569:96-105.

[2] 閆曉強(qiáng)，張扶民，單為春，等．中板軋制過程板坯彎曲生成與抑制之五—軋制線高度及軋輥偏移距對(duì)板坯彎曲的影響[J]．北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，23(5)：463-465．