鋁合金鑄軋坯料板形控制

焦建剛，梁魯清

（1.青海投資集團(tuán)有限公司，西寧810008；2.青海橋頭鋁電股份有限公司，西寧810100）

0 前言

近年來(lái)，鋁合金鑄軋生產(chǎn)方法因節(jié)能、成本低等優(yōu)勢(shì)已成為板、帶、箔合金生產(chǎn)提供優(yōu)質(zhì)坯料的廣泛的較佳生產(chǎn)方法；同時(shí)，下游產(chǎn)品的質(zhì)量與工藝要求對(duì)鑄軋坯料的質(zhì)量要求愈來(lái)愈高。對(duì)于青海某鋁業(yè)公司生產(chǎn)的鑄軋坯料來(lái)說(shuō)，提高產(chǎn)品質(zhì)量、控制成本是重中之重。鋁合金鑄軋坯料板形控制是產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，其包含縱向厚差、邊部厚度、兩邊厚差、相鄰兩點(diǎn)厚差、中凸度、中凸度偏差、相對(duì)同板差等諸多外形尺寸控制要求。據(jù)統(tǒng)計(jì)，公司在生產(chǎn)過(guò)程中因調(diào)整板形而產(chǎn)生的廢料占總廢料量的52%，是其它質(zhì)量缺陷廢料量的3～4倍，直接影響鑄軋坯料生產(chǎn)綜合成品率。因此，系統(tǒng)分析影響坯料板形不良的因素并采取相應(yīng)的控制措施是鑄軋坯料生產(chǎn)急需解決的實(shí)際問(wèn)題。

1 鑄軋板形技術(shù)要求

鋁合金鑄軋坯料板形檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)是按GB/T 3950-2017鋁及鋁合金鑄軋帶材國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行[1]。該標(biāo)準(zhǔn)明確了鑄軋板外形尺寸、偏差數(shù)值及檢測(cè)要求，但因企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，往往會(huì)按照高精級(jí)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，如表1所示。

表1 鋁合金鑄軋板板形控制指標(biāo)

在實(shí)際鑄軋生產(chǎn)中，用戶對(duì)新更換的軋輥立板和批次產(chǎn)品首次立板以及產(chǎn)品有特殊要求。卷成品前，應(yīng)對(duì)鑄軋坯料板形各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，符合用戶要求后方可生產(chǎn)。正常生產(chǎn)中，每卷開(kāi)頭切取寬100～200 mm的鑄軋板試樣板，待樣板冷卻后，使用精度為0.01 mm的千分尺測(cè)量同板差和中凸度，用精度為1 mm的鋼卷尺測(cè)量板寬度。

2 板形不良的具體特征

鑄軋帶材是為后續(xù)鋁板帶箔的軋制生產(chǎn)提供坯料的，因此其板形的控制質(zhì)量就顯得十分重要[2]。鋁材冷軋時(shí)，以縱向延伸為主，如果鑄軋板坯的同板差和凸度太大，用于生產(chǎn)板帶材時(shí)，會(huì)造成單邊、中間波浪超標(biāo)，矯直時(shí)產(chǎn)生壓折等缺陷；用于生產(chǎn)箔材時(shí)，會(huì)產(chǎn)生起皺、斷帶、壓折、嚴(yán)重帶油等缺陷。這些不僅直接影響后續(xù)產(chǎn)品的質(zhì)量和成品率，也會(huì)造成生產(chǎn)輔助時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，生產(chǎn)設(shè)備使用周期過(guò)短等生產(chǎn)要素的低效率運(yùn)行。板形不良是指生產(chǎn)的鑄軋帶材外形尺寸，如縱向厚差、同板差、橫向厚差、中凸度、相鄰點(diǎn)等指標(biāo)中有單項(xiàng)或多項(xiàng)不符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或客戶產(chǎn)品質(zhì)量要求，出現(xiàn)縱向厚差超標(biāo)、中凸度超標(biāo)、同板差超標(biāo)、肋薄肋厚、中心點(diǎn)偏移、相鄰點(diǎn)超標(biāo)、M型W型板形等問(wèn)題，如圖2所示。

3 影響坯料板形的因素及其控制措施

在鋁合金鑄軋生產(chǎn)中，影響鑄軋坯料板形不良的因素較多[3]，有設(shè)備條件，主要包括輥芯結(jié)構(gòu)、鑄軋輥輥徑、鑄軋輥磨削工況、冷卻條件、輥縫和輥套裝配精度等；有工藝參數(shù)，主要包括軋制力、軋制速度、軋制溫度、前箱液面高度、鋁熔體溫度波動(dòng)等。

3.1 鑄軋輥設(shè)備影響及其控制措施

（1）鑄軋輥芯冷卻水槽的結(jié)構(gòu)。公司現(xiàn)有鑄造軋?jiān)O(shè)備為?960 mm×1 850 mm和?1 003 mm×2 000 mm水平式鑄軋機(jī)。鑄軋輥的冷卻循環(huán)供水方式為一端輸入與流出，如圖2所示。輥芯表面布滿軸向和周向溝槽，輥芯中心鉆有冷卻水輸入孔，在中心孔上鉆有一排排水孔，沿軋輥橫截面直徑方向?qū)ΨQ分布，并與輥套、輥芯間的溝槽相通。回水孔與進(jìn)水孔相差60°角，分別通向沿軸線方向均勻分布于輥芯表面的三條回水槽溝，然后從輸入端流出。根據(jù)設(shè)計(jì)與生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，這種冷卻方式使鑄軋輥輥面長(zhǎng)度兩端存在一定的溫度差。由于循環(huán)水的進(jìn)、出口端在同一斷面處，頻繁進(jìn)行著冷熱水的交換，而另一端則保持基本均衡的溫度，造成進(jìn)、出口端的輥面溫度比另一端低，進(jìn)、出口端的鑄軋板坯的厚度要比另一端稍厚。在鑄軋輥圓周方向通過(guò)測(cè)量輥面溫度也存在著高、低溫的循環(huán)趨勢(shì)，使鑄軋板坯的縱向厚度產(chǎn)生薄厚循環(huán)，造成板坯縱向厚差超標(biāo)。生產(chǎn)中通過(guò)控制進(jìn)水口水溫、水壓，要求進(jìn)水溫度在25～30℃，進(jìn)、出口水溫差控制在2～5℃；進(jìn)口水壓為0.25～0.3 MPa，并要求在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中鑄軋輥芯內(nèi)充滿冷卻水。實(shí)踐表明，這些措施能使鑄軋板板形得到有效控制。

（2）鑄軋輥的輥徑。以?960 mm×1 850 mm鑄軋輥為例，當(dāng)新鑄軋輥徑為960mm，輥芯直徑為820 mm時(shí)，使用輥徑一般為880～960 mm。根據(jù)鋁及鋁合金的凝固特點(diǎn)，輥芯一定時(shí)，輥徑太大，輥套厚度較厚，熱傳遞慢，鑄軋速度降低，不利于生產(chǎn)效率的發(fā)揮；輥徑過(guò)小，輥套厚度則較薄，輥面溫度的高低溫度變換更加明顯，使鑄軋板坯縱向厚度差更為突出。另外，輥套較薄時(shí)，在鑄軋過(guò)程中，軋輥受力、變形不均勻也會(huì)造成板形缺陷。因此，要限制鑄軋輥的使用直徑，公司規(guī)定鑄軋輥正常使用輥徑為875～960mm，使用狀況最好的鑄軋輥?zhàn)钚≥亸綖?72mm。

（3）鑄軋輥的車(chē)、磨削加工。鑄軋輥的工作工況十分惡劣，外表面接觸液態(tài)鋁液，內(nèi)部受到冷卻水強(qiáng)制冷卻，且由于受到反復(fù)的熱交變應(yīng)力作用，還受到軋制力作用的彎曲應(yīng)力、扭應(yīng)力、表面摩擦力以及周期性熱沖擊等影響，最終會(huì)導(dǎo)致表面熱疲勞裂紋缺陷[4]。鑄軋輥使用一段時(shí)間出現(xiàn)疲勞裂紋缺陷后必須進(jìn)行車(chē)削，將軋輥表面產(chǎn)生的龜裂紋車(chē)掉，一般車(chē)削減徑3～5 mm。然后選擇合適的砂輪，根據(jù)規(guī)定的鑄軋輥粗糙度、凸度要求進(jìn)行磨削。鑄軋輥的凸度是根據(jù)不同的輥徑來(lái)確定的，圖3為鑄軋輥徑與凸度的關(guān)系。磨削后的鑄軋輥必須進(jìn)行軸向和周向的打表測(cè)量，測(cè)量其周向跳動(dòng)值、配對(duì)軋輥直徑差、凸度、粗糙度是否在規(guī)定的范圍內(nèi)。

在鑄軋過(guò)程中，同時(shí)存在液體與固體接觸以及固體與固體接觸的情況，因此保持鑄軋輥表面粗糙度均勻性是獲得良好板形曲線和內(nèi)部組織質(zhì)量的重要保證。鑄軋輥表面粗糙度Ra應(yīng)控制在0.6～1.0 μm間，Ra的波動(dòng)范圍應(yīng)控制在0.010～0.012 μm之間。

（4）鑄軋輥冷卻水。由于公司所使用的冷卻水水質(zhì)較硬，含礦物質(zhì)較多，在一定的溫度下極易形成水垢，水垢又使輥內(nèi)冷卻水槽局部堵塞，造成熱傳導(dǎo)不良。據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，輥芯水槽堵塞處的鑄軋輥表面溫度高出軋輥周向相鄰處40℃以上，使得輥芯堵塞處鑄軋板坯突然變薄，造成鑄軋板坯板形超標(biāo)，出現(xiàn)肋厚、肋薄缺陷，嚴(yán)重影響后續(xù)的冷軋加工板形，使冷軋板產(chǎn)生周期性波浪，而且有可能造成鑄軋輥無(wú)法使用。

針對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行分析并制定了如下解決措施：一是對(duì)鑄軋輥芯進(jìn)行定期清洗，清洗液為少量的稀鹽酸加緩蝕劑及鈍化劑等組成的混合液；二是將原用生活用水改造成為去離子水冷卻運(yùn)行系統(tǒng)，大大減輕了輥芯水槽水結(jié)垢的問(wèn)題；三是定期清理水池，更換過(guò)濾器過(guò)濾網(wǎng)，并在鑄軋輥進(jìn)、出口水處加裝過(guò)濾網(wǎng)；四是定期分析檢測(cè)水質(zhì)，控制水質(zhì)單項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)。改進(jìn)后生產(chǎn)的鑄軋板坯厚度突變現(xiàn)象明顯減少，鑄軋坯料的板形得到有效改善。

3.2 生產(chǎn)工藝影響因素及其控制措施

通過(guò)分析鑄軋區(qū)長(zhǎng)度、鑄軋速度、鑄嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)、前箱液位高度及溫度、預(yù)設(shè)的軋制力等生產(chǎn)工藝要素對(duì)鑄軋板坯的板形影響，其中包含輥縫設(shè)定、合金成分、產(chǎn)品規(guī)格對(duì)鑄軋板坯中凸度、板厚影響，并提出有效的控制辦法，使生產(chǎn)出的產(chǎn)品符合用戶要求。

（1）輥縫、軸承間隙。欲得到滿意的板形和板凸度，就應(yīng)控制好輥縫，選擇一個(gè)合理的輥縫輪廓[5]。為了保證最終產(chǎn)品的厚度和力學(xué)性能等指標(biāo)，生產(chǎn)不同合金、不同厚度的鑄軋板坯，應(yīng)相應(yīng)調(diào)整出適當(dāng)?shù)蔫T軋輥輥縫。一般鑄軋1×××系合金時(shí)，輥縫調(diào)整為5.2～9.8 mm；鑄軋3×××系、8×××系合金時(shí)為4.8～5.5 mm。鑄軋前，調(diào)整軋輥兩端相同的輥縫，差值在0.02 mm以內(nèi)，測(cè)量輥縫時(shí)，輥面溫度40～60℃。有時(shí)出現(xiàn)軋輥兩端輥縫差值較大，這主要是由于鑄軋輥兩端軸承間隙差異、軋制力不同、以及輥縫墊片尺寸安裝不一致造成的。我們通過(guò)調(diào)整單側(cè)軋制力來(lái)改善同板差，在線減小壓力可增加一定的板厚。鑄軋輥與軸承箱裝配時(shí)，要定期對(duì)軸承進(jìn)行清洗、加油。鑄軋輥軸承間隙跳動(dòng)值應(yīng)≤0.10 mm，軸承間隙要適中，控制在0.3～0.35 mm；若間隙過(guò)小，影響軸承使用壽命，若間隙過(guò)大，則會(huì)影響到鑄軋板坯的縱向厚差。

（2）合金牌號(hào)。公司在十幾年的鋁鑄軋產(chǎn)品生產(chǎn)中大多數(shù)是以硬度較小的純鋁系列（1×××系列）為主，也有少量的硬度較大的3003及8011合金。由于受到液壓系統(tǒng)施加的軋制力以及鋁板坯對(duì)軋輥的反作用力，鑄軋輥產(chǎn)生了一定的彎曲變形，生產(chǎn)的板坯中部凸起。合金越硬，變形抗力或反作用力越大，軋輥彎曲越大，所以板坯中凸度也越大。生產(chǎn)較硬的合金時(shí)，鑄軋輥中凸度需要大一些，而生產(chǎn)較軟的合金時(shí)，鑄軋輥中凸度需要小一些，這樣就可以保持鑄軋板坯中凸度相對(duì)穩(wěn)定。生產(chǎn)3003、8011合金產(chǎn)品使用的鑄軋輥凸度比1060、1070合金高?0.20 mm。

（3）產(chǎn)品規(guī)格。生產(chǎn)的鋁鑄軋產(chǎn)品有1 050～1 800 mm范圍內(nèi)的多種規(guī)格，生產(chǎn)的板坯越寬，板坯中凸度越大，越易出現(xiàn)橫向肋厚肋薄現(xiàn)象；生產(chǎn)的板坯越窄，板坯中凸度越小。生產(chǎn)的產(chǎn)品規(guī)格是由用戶需求決定的，無(wú)法改變，但是可以通過(guò)鑄軋卷產(chǎn)品規(guī)格與鑄軋板坯中凸度之間的關(guān)系指導(dǎo)我們對(duì)鑄軋板坯中凸度進(jìn)行有效控制。一是調(diào)整生產(chǎn)工藝參數(shù)，使得不同規(guī)格的板寬產(chǎn)品板形均能符合要求；二是適當(dāng)增加鑄軋輥凸度?0.04～0.08 mm，可以緩解寬板影響板坯凸度大的問(wèn)題。

（4）鑄軋區(qū)長(zhǎng)度。鑄軋區(qū)長(zhǎng)度是在生產(chǎn)前安裝鑄嘴時(shí)固定下來(lái)的，為解決產(chǎn)品質(zhì)量缺陷可以在生產(chǎn)中做微量調(diào)整。從鑄軋生產(chǎn)的凝固原理來(lái)看，鑄軋生產(chǎn)時(shí)有三個(gè)區(qū)域：1區(qū)為液態(tài)區(qū)、2區(qū)為半凝固區(qū)、3區(qū)為熱軋區(qū)，從鑄嘴前沿到兩輥中心點(diǎn)的距離為鑄軋區(qū)長(zhǎng)度。生產(chǎn)時(shí)，液態(tài)鋁經(jīng)過(guò)鑄嘴流入軋輥，接觸到溫度較低的軋輥后逐漸由液態(tài)變?yōu)榘肽虪顟B(tài)，這個(gè)區(qū)域就是半凝固區(qū)，繼續(xù)往前就會(huì)完全凝固，然后經(jīng)軋輥軋成板坯。鑄軋區(qū)長(zhǎng)度增加實(shí)際上是增長(zhǎng)了熱軋區(qū)，致使軋輥受到的作用力增大，軋輥彎曲變形增大，板坯中凸度加大；鑄軋區(qū)長(zhǎng)度減小實(shí)際上是減小了熱軋區(qū)，使軋輥受到的作用力減小，彎曲變形減小，所以板坯中凸度也變小。鑄軋區(qū)長(zhǎng)度是影響板坯中凸度的一個(gè)主要因素，在生產(chǎn)中要特別注意控制。生產(chǎn)1×××系合金產(chǎn)品時(shí)鑄軋區(qū)長(zhǎng)度預(yù)設(shè)為62～80 mm；對(duì)于3×××系、8×××系合金產(chǎn)品，鑄軋區(qū)長(zhǎng)度預(yù)設(shè)為51～60 mm。同時(shí)，還需要根據(jù)鑄軋輥中凸度以及板形要求的凸度匹配來(lái)確定。

（5）鑄嘴內(nèi)腔分布。鑄嘴內(nèi)腔分布是根據(jù)金屬流動(dòng)力學(xué)原理中的金屬液體在鑄嘴內(nèi)部各點(diǎn)出入處的流速和流動(dòng)時(shí)的截面面積的大小設(shè)定的。而內(nèi)腔內(nèi)墊片的合理設(shè)計(jì)與分布是使金屬液體在鑄嘴內(nèi)腔均勻分布與均勻流速的關(guān)鍵因素，這一因素也是造成鑄軋板板形合格與否的重要原因。

現(xiàn)代鑄嘴內(nèi)腔結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)為中間金屬熔體出口的截面面積最小，兩側(cè)的截面面積最大，就是為了保證鑄嘴口每點(diǎn)的金屬液體流量基本上相同，最大程度保障鑄軋板形不出現(xiàn)波浪型。實(shí)際生產(chǎn)中公司通過(guò)數(shù)值模擬熔體在鑄嘴內(nèi)腔的流量，采用了兩種鑄嘴內(nèi)腔結(jié)構(gòu)：一級(jí)分布和三級(jí)分布結(jié)構(gòu)鑄嘴。

（6）軋制壓力。在其它鑄軋工藝參數(shù)相同的情況下，隨著軋制壓力的提高，板坯中凸度有增大的趨勢(shì)，但軋制壓力這一工藝條件對(duì)鑄軋板坯中凸度直接影響不是很大。正常生產(chǎn)中可通過(guò)調(diào)節(jié)預(yù)軋制力改變板坯厚度及兩邊的厚差，有效控制鑄軋板的中凸度。實(shí)際軋制力工藝參數(shù)為：預(yù)設(shè)軋制壓力400～550 t，正常生產(chǎn)軋制壓力400～750 t；這樣鑄軋板坯厚度差可控制在±1.5%左右，優(yōu)于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，更符合用戶要求。

（7）前箱液面高度及溫度。前箱液面高度與結(jié)晶前沿存在一定的高度差，維持一定的壓力，保證鋁液不斷地、均勻地供給，同時(shí)，又不能從嘴輥間隙中漏出造成鑄軋中斷。當(dāng)前箱液面增高時(shí)，輥縫張大，板厚增加，厚差不變，但因前箱液面高，調(diào)節(jié)范圍較小，生產(chǎn)中應(yīng)配合其他板厚、中凸度等參數(shù)做相應(yīng)調(diào)整。前箱液面高度影響液穴深度，進(jìn)而對(duì)板形產(chǎn)生重要影響。前箱溫度主要影響金屬變形抗力，從而影響板厚；提高前箱溫度，可以使冷卻區(qū)、鑄造區(qū)前移，從而減小了軋制區(qū)，使中凸度減小。相反，降低鑄軋溫度，使冷卻區(qū)、鑄造區(qū)后移，增大了軋制區(qū)，使中凸度增加，板坯厚度增加。保證穩(wěn)定的前箱液面，液面高度規(guī)定為上嘴唇1/2至2/3處，1×××系合金產(chǎn)品前箱鋁液溫度控制在680～690℃，3×××系、8×××系合金前箱鋁液溫度控制在690～710℃。穩(wěn)定的前箱液面高度及溫度才能生產(chǎn)出合格的鑄軋板。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)鑄軋輥凸度、輥型曲線和鑄軋輥循環(huán)冷卻水以及鑄軋輥使用維護(hù)等工藝的摸索和研究，找到了問(wèn)題癥結(jié)所在，并提出了有效的解決措施，使鑄軋板板形質(zhì)量得到了大幅改善。

在鑄軋生產(chǎn)中，鑄軋輥輥芯冷卻水溝槽的形式、鑄軋輥的裝配、鑄軋輥的輥徑、鑄軋輥的車(chē)、磨削加工、鑄軋輥冷卻水等對(duì)板坯板形的影響較大。依據(jù)所生產(chǎn)的不同合金、不同規(guī)格產(chǎn)品所產(chǎn)生的板形變化，微量調(diào)整鑄軋輥兩端鑄軋區(qū)的長(zhǎng)短、鑄軋速度，設(shè)定合理的輥縫，使用分布合理的鑄嘴內(nèi)腔，調(diào)整軋制壓力及前箱液面高度等鑄軋工藝參數(shù)，最終改善了板坯板形，避免了肋厚、肋薄、中心偏移等不良缺陷的發(fā)生。