鈦及鈦合金冷軋薄板的板型控制研究

戴 毅，劉宇明，李 信

（西部鈦業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 西安710201）

0 前言

板形是板材的重要質(zhì)量指標(biāo)之一。隨著工業(yè)用戶對(duì)板帶材質(zhì)量要求的日趨嚴(yán)格，板形控制已成為冷軋板帶生產(chǎn)的關(guān)鍵性技術(shù)問題。板形良好與否主要取決于三個(gè)因素：設(shè)備條件、工藝參數(shù)設(shè)定和材質(zhì)特性[1]。尤其是在稀有金屬軋制行業(yè)，如何確保良好的板型是軋制加工的關(guān)鍵技術(shù)。

板型控制技術(shù)，在鋼鐵冶金領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，但針對(duì)稀有金屬材料加工變形抗力大、變形量小等特點(diǎn)，稀有金屬軋制板型控制技術(shù)顯得更加突出。本文以西部鈦業(yè)有限責(zé)任公司1 780 mm六輥可逆冷軋機(jī)為加工平臺(tái)，對(duì)鈦及鈦合金板材軋制過程中的板形控制技術(shù)進(jìn)行研究。常規(guī)鈦及鈦合金冷軋薄板生產(chǎn)流程為：原料→檢驗(yàn)→冷軋1→除油1→中間退火1→冷軋2→除油2→中間退火2→…→成品退火→定尺剪切→表面處理→成品檢驗(yàn)→包裝入庫。冷軋成型過程是通過1780冷軋機(jī)較大噸位的壓力驅(qū)使板材進(jìn)行厚度減薄、長度延伸的過程，冷軋變形屬于塑性成型，當(dāng)變形達(dá)到一定程度后，金屬會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的加工硬化，需要重新加熱消除加工應(yīng)力后繼續(xù)變形，直到達(dá)到成品尺寸要求。冷軋工序是影響板材質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，冷軋過程的成型均勻性直接決定最終成品板材的板型好壞，如何通過各種控制手段提升板型的工藝研究對(duì)提升最終產(chǎn)品質(zhì)量至關(guān)重要。

1 鈦及鈦合金板形控制

HC軋機(jī)是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的比常規(guī)四輥軋機(jī)具有更好板形控制效果的新型軋機(jī)。本系統(tǒng)采用的是中間輥可移動(dòng)的HCM六輥可逆軋機(jī)，它具有中間輥移動(dòng)、工作輥彎輥和中間輥彎輥等板形控制手段，且板形控制能力強(qiáng)、穩(wěn)定性較好以及具有軋機(jī)橫向剛度系數(shù)無限大等優(yōu)點(diǎn)[7]。

本文以西部鈦業(yè)有限責(zé)任公司1 780 mm六輥可逆式冷軋機(jī)為生產(chǎn)設(shè)備，主要從軋件中間輥竄動(dòng)、正負(fù)彎輥力施加、工藝潤滑、速差控制、壓下制度設(shè)定、軋輥傾斜等方面對(duì)鈦及鈦合金板材板型控制技術(shù)進(jìn)行分析研究。

1.1中間輥竄輥控制

中間輥竄輥量的給定值以來料板寬為依據(jù)，傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式[8]：X=（中間輥輥身長度L-B）/2.其中X為竄輥量；B為來料板寬。見圖1.

圖1 中間輥橫向移動(dòng)示意圖

在鈦及鈦合金軋制過程，需要對(duì)中間輥竄輥量的設(shè)定進(jìn)行修正，計(jì)算公式如下：X=（中間輥輥身長度L-板料寬度B）/2±修正系數(shù)V，修正系數(shù)V的給定詳見表1所示。

表1 修正系數(shù)V值

實(shí)際生產(chǎn)過程中，根據(jù)軋制具體情況調(diào)整如下：1）當(dāng)彎輥力多道次需要大于40 T才能保證良好板形時(shí)，可適當(dāng)增加竄輥量，但不宜超過30 mm；2）當(dāng)彎輥力為零或負(fù)彎時(shí)板材仍有中浪時(shí)，可適當(dāng)減小竄輥量，但不宜超過30 mm；3）當(dāng)長時(shí)間軋制有較為明顯的熱輥凸度時(shí)，可適當(dāng)減小竄輥量，但不宜超過30 mm；4）當(dāng)成品板材出現(xiàn)大于0.1 mm的邊部減薄時(shí)，可適當(dāng)增加竄輥量，但不宜超過30 mm.

1.2正負(fù)彎輥力控制

軋輥正負(fù)彎輥力給定值以出口板形為依據(jù)，通過改變軋制過程中軋輥實(shí)際輥型，實(shí)現(xiàn)對(duì)出口板材的板型調(diào)整。針對(duì)鈦及鈦合金板材軋制過程中的特殊性，調(diào)整方法如下：1）當(dāng)出口板材有中浪時(shí)減小彎輥力、當(dāng)出口板材有邊浪時(shí)加大彎輥力；2）相同條件下彎輥力隨軋制壓力的增大而增大、減小而減??；3）相同條件下彎輥力隨來料板寬的增加而減小，減小而增大；4）在沒有出現(xiàn)單邊浪的情況下，中間輥彎輥力只起到平衡作用即可，不宜大于工作輥彎輥力；5）當(dāng)出現(xiàn)單邊浪時(shí)，原因是由于竄輥量和中間輥彎輥力引起，但實(shí)際操作中由于找不到量化標(biāo)準(zhǔn)，只能通過如下方法調(diào)節(jié)：A、增加彎輥力，將單邊浪轉(zhuǎn)化為中浪，然后消除中浪；B、減小彎輥力，將單邊浪轉(zhuǎn)化為邊浪，然后消除邊浪；6）當(dāng)板面出現(xiàn)波浪進(jìn)行消除時(shí)，要求采用多道次、小壓下，不能在一道次內(nèi)消除，以免產(chǎn)生復(fù)合浪。具體原則是：浪越越大道次越多、板越越寬道次越多、成品要求越高道次越多。

1.3工藝潤滑控制

鈦及鈦合金板材軋制過程中，為保證軋制的順利進(jìn)行，減小溫降對(duì)輥型的影響，需要噴射工藝潤滑油，工藝潤滑效果的好壞直接影響軋件的板型質(zhì)量，具體分析如下：

1）軋輥與軋件表面的摩擦系數(shù)是影響軋件變形難易程度和軋制壓力大小的主要因素之一。摩擦系數(shù)決定軋件和軋輥的表面狀態(tài)，摩擦系數(shù)的減小可以在軋制壓力不變的情況下提高壓下量，從而減少軋制道次，提高生產(chǎn)率。但是，摩擦系數(shù)不應(yīng)過小，要保證軋輥能咬入軋材。

2）工藝潤滑的正確噴射有利于軋輥設(shè)計(jì)凸度的保持。在鈦及鈦合金軋制過程中變形抗大力、變形熱大，軋件與軋輥表面存在相對(duì)滑動(dòng)，在大軋制壓力和高軋制速度下，這種相對(duì)滑動(dòng)也同樣轉(zhuǎn)化為巨大的摩擦熱。這兩種有害的熱能將引起軋輥和板帶材的溫度迅速上升，使軋輥輥形發(fā)生變化，以致難以獲得良好的板形。

3）在工藝潤滑作用下，軋輥和板帶材在軋制過程中表面將吸附一層極薄的潤滑油膜，可減少軋輥表面磨損的速度。同時(shí)，可以改善金屬在軋制時(shí)的塑性變形，提高了帶材的表面質(zhì)量。

綜上分析可知：鈦及鈦合金板材軋制過程中，必須設(shè)定合適的工藝潤滑，才能保證板材軋制的良好板型。

1.4速差控制

鈦及鈦合金軋制時(shí)，在上下工作輥的線速度相等的條件下，由于來料、潤滑、溫度等原因?qū)?huì)導(dǎo)致軋件出口時(shí)趨勢性上翹或下扣，對(duì)人員和設(shè)備造成極大威脅。為有效解決這種上翹、下扣不良板型，需要對(duì)軋輥轉(zhuǎn)速進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，具體分析如下：

1）當(dāng)軋件出口上翹時(shí)，通過增加上工作輥線速度來提高軋件上表面的變形速率，從而使軋件趨于平行；

2）當(dāng)軋件出口下扣時(shí)，通過減小上工作輥線速度來降低軋件上表面的變形速率，從而使軋件趨于平行。

在速差控制中，由于上下工作輥線速度不一致，可能導(dǎo)致上下工作輥打滑出現(xiàn)設(shè)備故障。所以，在實(shí)際中應(yīng)盡量要控制速差大小，確保輥速速差調(diào)整值不大于4 rpm.

1.5壓下制度設(shè)定

軋制是利用兩個(gè)旋轉(zhuǎn)著的軋輥將軋件咬入輥縫而進(jìn)行的，如圖2所示。

圖2 板材軋制示意圖

軋程變形量的給定和道次變形率的設(shè)定，直接引起厚度變化，但受軋制過程中變形速率不完全一致的影響，在厚度變化的同時(shí)，板材整體板型會(huì)隨之發(fā)生變化。受金屬特性的限制，為獲得良好板型，鈦及鈦合金軋制變形量和道次變形率設(shè)定如下：

軋程變形量的設(shè)定原則：純鈦不大于50%～60%，鈦合金不大于30%；道次變形率不大于8%～10%.為獲得良好的鈦及鈦合金板型，在保證生產(chǎn)效率前提下，遵循如下原則：第一道次適量小壓下，中間道次適當(dāng)大壓下，后續(xù)軋制采取“小壓下、多道次”。實(shí)踐證明：采用此壓下設(shè)定原則能夠保證良好的鈦及鈦合金板材板型。

1.6軋輥傾斜調(diào)整方法

軋輥傾輥控制主要是由于板帶材出現(xiàn)了鐮刀彎而采取的調(diào)整措施。通常情況下，“鐮刀彎”的產(chǎn)生必然會(huì)影響板材平直度。為及時(shí)糾正這種不良板型，最直接的方法就是采用軋輥側(cè)壓的方法進(jìn)行糾正，具體如下：當(dāng)操作側(cè)每出現(xiàn)1 mm/m的鐮刀彎，將操作側(cè)的軋制壓力增大3 t～8 t，直至鐮刀彎現(xiàn)象完全消除為止；當(dāng)傳動(dòng)側(cè)每出現(xiàn)1 mm/m的鐮刀彎，將傳動(dòng)側(cè)的軋制壓力增大3 t～8 t，直至鐮刀彎現(xiàn)象完全消除為止。但在傾輥控制時(shí)，確保軋機(jī)兩側(cè)的軋制壓力差不超過100 T.

2 結(jié)論

綜上所述，在冷軋生產(chǎn)中影響板形的因素較多，這些因素之間相互影響，相互干擾[9]。受稀有金屬材料加工特性影響，鈦及鈦合金板材軋制過程中更是需要合理配置各種控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)組合。本文以1780六輥冷軋機(jī)為開發(fā)平臺(tái)，采用各種板型調(diào)整手段，獲得了平直度小于3 mm/m的鈦及鈦合金板材，見圖3所示。分析研究可得：

圖3 成品鈦板

1）在傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式基礎(chǔ)上，中間輥竄動(dòng)量設(shè)置需要進(jìn)行修正處理；

2）可以通過調(diào)整正負(fù)彎輥力大小來改善板型，彎輥力的給定需要與軋制力、竄輥量設(shè)定配合；

3）合適的工藝潤滑是保證獲得良好板型不可或缺的條件；

4）采用適合于鈦及鈦合金軋制加工的壓下制度，能大大提升板型水平。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭申白，曾慶亮，李子林.軋制過程自動(dòng)化基礎(chǔ)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2005，60-63.

[2]劉立文，韓靜濤，賀毓辛.冷軋板形控制理論的發(fā)展[J].鋼鐵研究學(xué)報(bào)，1997，9（6）：51-54.

[3]丁修堃.軋制過程自動(dòng)化[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1986：93-148.

[4]張 浩，矯志杰，劉翠紅，等.唐鋼冷連軋機(jī)過程控制系統(tǒng)[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，28（10）：1381-1384.

[5]王廷溥.金屬塑性加工學(xué)-軋制理論與工藝[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1995：186-189.

[6]王國棟.冷軋板形的模糊控制[J].軋鋼，1994（5）：55-57.

[7]L.Hua，Z.J.Zuo，J.Lan，D.S.Qian.Research on following motion rule of guide roller in cold rolling groove ball ring[J].Journal of Materials Processing Technology 2007：743-746.

[8]韓旭中，梅富強(qiáng)，蔡 茁，等.1450mm可逆式六輥冷軋機(jī)的研制與應(yīng)用[J].軋鋼，2005，22（6）：3-5.

[9]勞金海.鈦薄板軋制技術(shù)的進(jìn)步[J].上海鋼研，2003（2）：57-60.