鎂合金板帶爐卷軋制工藝研究與應(yīng)用

宋 璐，姬亞鋒

（1.山西太鋼工程技術(shù)有限公司，山西 太原030009；2.太原科技大學(xué)，山西 太原030024）

鎂合金作為目前工業(yè)上最輕的應(yīng)用金屬結(jié)構(gòu)材料，具有密度小、比強(qiáng)度高、尺寸穩(wěn)定性好、磁屏蔽性好及焊接性?xún)?yōu)良等一系列特性，正成為現(xiàn)代高新技術(shù)領(lǐng)域中最有希望的一種復(fù)合材料，在航空航天、汽車(chē)工業(yè)、3C產(chǎn)品和國(guó)防軍事等領(lǐng)域具有極其重要的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。此外，鎂合金可回收利用，對(duì)環(huán)境友好，被譽(yù)為“21世紀(jì)的綠色工程材料”和“第三大金屬結(jié)構(gòu)材料”。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，隨著鎂合金各種性能的進(jìn)一步完善，它必將成為未來(lái)金屬材料領(lǐng)域的主力軍，也必將為人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)[1]。

由于變形鎂合金相較于鑄造鎂合金具有組織晶粒細(xì)小、無(wú)縮孔、力學(xué)性能優(yōu)異等優(yōu)勢(shì)，具有較大的發(fā)展?jié)摿?。鎂合金板材在變形鎂合金中占有重要的地位，而軋制技術(shù)作為塑性變形的有效方法，是制備鎂合金板材最經(jīng)濟(jì)有效的方式。

1 鎂合金板帶生產(chǎn)技術(shù)

將鎂合金加熱至一定溫度進(jìn)行軋制，激活錐面滑移系，可提高塑性加工性能。鎂合金的滑移機(jī)制除受變形溫度影響外，還受到變形速率、晶粒度等因素的影響。在應(yīng)變速率較小時(shí)，鎂合金的主要變形機(jī)制是晶界滑移和孿生，在高應(yīng)變速率下，沿基面和非基面的滑移系均可啟動(dòng)，變形速率對(duì)位錯(cuò)滑移的影響在低溫高應(yīng)變速率下尤為顯著[2]。制備優(yōu)質(zhì)的鎂合金板材，大部分工藝都需要經(jīng)過(guò)多道次軋制工序，而軋制過(guò)程主要受兩方面因素的影響：第一方面為影響軋制金屬本身性能的一些因素，即金屬的化學(xué)成分和組織狀態(tài)以及熱力學(xué)條件；第二方面為軋制的工藝因素，如軋制溫度、軋制變形量和軋制速度以及后續(xù)的熱處理工藝等。

溫度作為影響鎂合金軋制過(guò)程的重要因素之一，對(duì)鎂合金的組織變化、變形抗力和塑性均有較大影響，在高溫下由于動(dòng)態(tài)回復(fù)、連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶、晶界滑動(dòng)和額外的滑移系統(tǒng)的激活導(dǎo)致合金的延展性顯著提高[3，4]。

在鎂合金軋制過(guò)程中，除溫度參數(shù)以外，變形量和軋制速度對(duì)鎂合金生產(chǎn)也起到至關(guān)重要的作用。變形量過(guò)大容易引起應(yīng)力集中致使板材開(kāi)裂，變形量過(guò)小會(huì)影響生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。由于應(yīng)變速率提高會(huì)導(dǎo)致鎂合金塑性下降，鎂合金板材軋制的速度相對(duì)于其他合金來(lái)說(shuō)較低。目前鎂合金板材軋制大多以多道次小壓下的方式進(jìn)行，即每道次壓下量不超過(guò)5%，4—5道次冷軋累積變形量達(dá)15%～20%后進(jìn)行中間退火[5-7]。

2 鎂合金板材爐卷軋制工藝及模型

2.1 軋制工藝流程

厚度為8～10 mm的熱軋鎂合金帶卷，經(jīng)加熱爐加熱至400°C左右，經(jīng)上卷機(jī)構(gòu)運(yùn)送至開(kāi)卷機(jī)，經(jīng)開(kāi)卷后進(jìn)行第1道次軋制，軋制后的帶材進(jìn)入機(jī)后卷取爐，第1道次軋制完成后，軋機(jī)進(jìn)行第2道次可逆軋制，軋制后的帶材進(jìn)入機(jī)前卷取爐，在爐卷軋機(jī)上往復(fù)軋制若干道次，軋制至0.7～3.0 mm的帶卷。

圖1 爐卷軋制工藝流程圖

2.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)

爐卷軋機(jī)組自動(dòng)化控制系統(tǒng)主要由軋線(xiàn)主令控制、溫度控制、自動(dòng)厚度控制等功能構(gòu)成。其中，軋線(xiàn)主令控制和溫度控制在S7-400PLC內(nèi)完成，液壓AGC控制在FM458內(nèi)完成。

2.2.1 軋機(jī)速度及張力控制

張力控制作為爐卷軋機(jī)保證穩(wěn)定軋制和產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵組成部分，主要包括張力設(shè)定、實(shí)際張力檢測(cè)和張力閉環(huán)控制。主軋機(jī)和卷取、開(kāi)卷機(jī)分別由交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，這些電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的基本目的就是軋制速度保持穩(wěn)定的同時(shí)保持張力穩(wěn)定。

2.2.2 溫度控制

溫度是熱軋板帶生產(chǎn)過(guò)程中最重要的工藝參數(shù)之一，直接影響到熱軋軋制力，精確預(yù)報(bào)軋機(jī)各道次的軋制溫度是保證厚度命中率的關(guān)鍵。鎂合金爐卷軋機(jī)加熱裝置包括鎂合金加熱爐和補(bǔ)溫爐兩部分。鎂合金加熱爐爐溫控制采用集散控制方式，整個(gè)裝置溫度按照工藝要求自動(dòng)調(diào)節(jié)，將鎂合金板卷加熱至軋制需要溫度，在軋制過(guò)程中，由補(bǔ)溫爐對(duì)軋制過(guò)程溫度進(jìn)行在線(xiàn)補(bǔ)償。

2.2.3 液壓閉環(huán)控制（HGC）

HGC是液壓壓下系統(tǒng)的基本環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)液壓壓下快速準(zhǔn)確的位置控制功能。液壓HGC工作時(shí)，由位置基準(zhǔn)值與液壓缸位移傳感器反饋值構(gòu)成閉環(huán)，綜合考慮液壓缸負(fù)載油壓變化，控制液壓缸位置上下移動(dòng)以消除輥縫誤差，HGC閉環(huán)控制的原理圖如圖2所示。

2013年發(fā)布的《中國(guó)人財(cái)富亞健康報(bào)告》和《中國(guó)大學(xué)生財(cái)商調(diào)查報(bào)告》顯示，目前的青年人群體中，出現(xiàn)了越來(lái)越多的“溫室族”“財(cái)盲族”“月光族”等族群，并有超過(guò)70%的學(xué)生認(rèn)為自己的理財(cái)知識(shí)還不夠，也沒(méi)有合適的渠道去了解。

圖2 HGC控制原理圖

2.2.4 自動(dòng)厚度控制（AGC）

鎂板厚度精度是檢驗(yàn)產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵性能指標(biāo)之一。是獲得高精度厚度控制精度的關(guān)鍵因素之一，采用厚度計(jì)AGC和監(jiān)控AGC對(duì)鎂合金板帶厚度進(jìn)行調(diào)節(jié)，以獲得厚度質(zhì)量良好的鎂合金板帶。

2.2.4.1 厚度計(jì)AGC

圖3 基于軋機(jī)彈性變形曲線(xiàn)的厚度計(jì)AGC原理圖

如圖3所示，SL為鎖定輥縫，F(xiàn)L為鎖定軋制力，hL為鎖定帶鋼厚度，S為實(shí)際輥縫，F(xiàn)為實(shí)際軋制力，h為實(shí)際帶鋼厚度，Δh為帶鋼厚度偏差。

考慮壓下效率，厚度計(jì)AGC調(diào)節(jié)量如式（1）所示：

式中，F(xiàn)H（F）為軋機(jī)牌坊彈跳方程，

2.2.4.2 基于Smith預(yù)估器的監(jiān)控AGC控制系統(tǒng)

由于熱連軋機(jī)測(cè)厚儀厚度變化量的檢測(cè)存在滯后時(shí)間，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在監(jiān)控AGC系統(tǒng)中引入Smith預(yù)估器以提高帶鋼厚度控制精度，在監(jiān)控AGC系統(tǒng)中，采用樣本跟蹤方式，取測(cè)厚儀至末機(jī)架軋輥中心線(xiàn)距離為樣本長(zhǎng)度，按樣本采樣處理信號(hào)，控制系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 帶Smith補(bǔ)償?shù)姆e分監(jiān)控AGC控制系統(tǒng)方框圖

由圖4可知：

設(shè)i時(shí)刻的采樣時(shí)間為T(mén)s（i），對(duì)公式（2）進(jìn)行定長(zhǎng)樣本的離散化，并將一階微分環(huán)節(jié)近似處理為式（3）：

將式（3）帶入式（2）并整理有：

式中：α為消差因子。

由式（4）可見(jiàn)，當(dāng)前輥縫修正量ΔS（i）受到當(dāng)前的厚度偏差Δh（i）、第（i-1）次的輥縫修正量ΔS（i-1）、第（i-τ）次的輥縫修正量ΔS（i-τ）有關(guān)。

3 結(jié)論

多種軋制方式已用于鎂合金板材生產(chǎn)，且可以得到晶粒相對(duì)細(xì)小的鎂合金組織，但往往采用多道次小變形量軋制，并且需要中間退火，影響生產(chǎn)效率，導(dǎo)致鎂合金板帶成本居高不下。采用爐卷軋機(jī)軋制鎂合金板材可以有效控制軋制溫度，提高板帶的性能，同時(shí)降低成本從而實(shí)現(xiàn)鎂合金板帶高效低成本制備。開(kāi)發(fā)鎂合金爐卷軋制工藝及自動(dòng)控制系統(tǒng)，可以有效促進(jìn)鎂合金板材制備技術(shù)的發(fā)展，對(duì)鎂合金的工業(yè)化的發(fā)展具有重要意義。