CN101811136A - 一种镁合金宽板铸轧设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种镁合金宽板三辊铸轧机，用于直接将镁合金液铸轧成宽度800mm～1800mm的宽幅铸轧板坯，其特征在于：该铸轧机为三辊铸轧机，有一对相同转向的直径为800mm～1200mm的等径双驱动辊，即上主动辊1和下主动辊3，一个直径为200mm～600mm从动辊2，下主动辊3和从动辊2组成铸轧辊对，为内水冷结构，上主动辊1是从动辊2的支承辊，且三只辊的轴线所在的平面向铸嘴一边倾斜。倾斜角度为0-15°。本发明的倾斜三辊铸轧机的不等直径铸轧工作辊既具备二辊铸轧机和四辊铸轧机的优点，又能克服它们的缺点，有凝固冷却速度大、轧制压强高、板形控制较好的特点。三辊铸轧机将镁合金液铸轧成宽度800mm～1800mm的宽幅大变形量、好板形的铸轧板带。

Description

一种镁合金宽板铸轧设备

技术领域

本申请涉及一种镁合金铸轧设备，尤其涉及一种镁合金宽幅薄板坯的三辊铸轧设备设备。

技术背景

镁合金的密度约为钢的1/4，铝的2/3，与塑料相近，具有比强度和比刚度高、热传导性好、阻尼减震性佳、机加工性能优良、零件尺寸稳定和易回收等优点，具有优异的价值和广阔的应用前景，被誉为“21世纪最具发展前途的绿色工程材料”。镁合金现在已被广泛地应用于汽车、航空、航天、冶金、化工、通信、电子和体育用品等行业中。特别是自二十世纪九十年代初以来，日益紧迫的能源和环境问题极大地刺激了镁合金的发展，全球范围内对镁合金的需求呈现强劲、持续的增长趋势。

目前镁合金产品以压铸件居多，虽然压铸方法容易获得结构复杂的零件，压铸的生产效率也高，但压铸件存在组织疏松、气孔、晶粒粗大、成分偏析等缺陷，性能很难满足较高的使用要求，大大制约了镁合金的应用范围。市场需求对镁合金产品的性能提出了日益苛刻的要求，因此，研究重点正逐渐转向性能优异、可靠性高变形镁合金制品。通过锻造、挤压、轧制、拉拔以及冲压等加工方法制备出的镁合金零部件，作电子产品和家用电器的壳体、汽车覆盖件、车内面板等零部件，市场需求巨大。

金属板材在电子、通讯、交通、航空航天等领域应用最多。目前镁合金板材的应用受到很大限制，主要原因是镁合金板材加工装备及工艺技术不够成熟，力学性能也需进一步提高，生产成本需要降低等。为了提高板材轧制的效率、降低消耗、提高板材成形工艺性，除了常规的轧制工艺外，还开发了许多新的轧制技术，如单辊驱动轧制、异步轧制、双辊交叉轧制、连铸连轧、等径角轧制等。镁合金开坯轧制应用较多的是铸锭开坯轧制，其生产流程为：铸锭铣面→铸锭均匀化→加热→板坯制备→板坯剪切下料→板坯加热→粗轧→酸洗→加热→中轧→中断或下料→加热→精轧→产品退火→精轧→氧化上色→涂油包装。镁合金板材轧制过程中，采用多道次、小压下量工艺进行轧制，道次间进行中间退火。这样的工艺相对落后，适宜于镁合金板材的小批量加工。挤压开坯轧制主要是利用挤压加工方法，获得性能优良的镁合金窄幅板坯。由于镁合金宽幅薄板的生产工艺复杂、周期长，致使生产成本非常高昂。

双辊铸轧是将连续铸造和轧制结合，熔体凝固的同时承受轧制变形，即直接将金属熔体“轧制”成半成品带坯或成品带材。结晶器是两个带水冷系统的旋转铸轧辊，熔体在其辊缝间完成凝固和热轧两个过程，整个过程时间很短。双辊铸轧的优点包括：简化了工序、缩短了流程、提高了成材率、大幅度节约能源、减少各种消耗。目前，镁合金的双辊铸轧技术已取得了进展，德国ThyssenKrupp Stahl采用镁合金板材铸轧技术生产出了宽700mm、厚6mm的铸轧板坯；澳大利亚CSIRO就致力于镁合金板材铸轧技术的研究，并已经进行工业化试生产，板材宽度可达630mm，厚度2.3-5mm。另外日本住友铝业、三协铝业、三菱铝业，韩国国家机械研究院在镁合金板材铸轧技术方面都取得了较大的成果。国内也对双辊铸轧技术进行了研发，福州华镁公司成功开发了镁合金板材双辊异步连续铸轧设备，并结合采用快速凝固、半固态加工，直接将液体镁合金轧制成具有组织均匀、晶粒细化的板材。山西银光镁业建立了铸轧生产线，已经实现商业化生产。虽然对镁合金板材铸轧工艺展开了大量的研究，并取得了较大的进展，但相对于钢和铝合金，镁合金薄带品质较差、成品率低等问题。这些问题都严重阻碍了镁合金铸轧板材的产业化进程。

镁合金宽板冲压汽车内门板、发动机盖和行李箱盖等已获成功。将镁合金板材大量应用于汽车，首先压解决成本高的问题和满足冲压加工的需求。镁合金宽幅薄板的热轧比钢板热轧的难度更大，原因在于镁合金板热轧的参数范围很窄，热薄板散热又快，使得必须增加加热次数和轧制道次。薄板的温度分布不均匀也给轧制生产带来难题，轧件首尾温度的误差使产品尺寸精度超出标准。因此，开发镁合金宽幅薄板热轧技术已经成为目前镁合金生产的急切任务。在镁合金窄板铸轧技术已经取得了初步成功的形势下，研发1200mm以上宽的镁合金宽幅薄板铸轧已经被提到日程。镁合金宽幅薄板的铸轧设备有很大的难度，二辊铸轧设备和四辊铸轧设备难于胜任。二辊铸轧设备的铸轧辊的辊缝流程很长，尤其是铸轧板厚度很小时，无法将镁合金液体布流到接近轧辊的轴平面。如果在轧制区凝固成很厚，需要的轧制率需要很大的轧制力，结构上很难实现，否则将需要更粗的轧辊，反过来进一步增加辊缝流程长度。使用例如英国的高速铝合金四辊铸轧设备，能克服上述问题，但铸轧设备结构复杂，凝固需要的铸轧冷却强度达不到要求，铸轧质量也受到很大制约。因此，铸轧设备对镁合金宽幅板的铸轧已经成为迫切需要突破关键。

发明内容

本申请的目的是研发镁合金宽幅薄板铸轧设备主机。

1.本申请的目标是这样实现的，为了满足将镁合金液铸轧成宽度800mm～1800mm的宽幅大变形量、板形好的铸轧板带，将铸轧设备主机设计成异径三辊铸轧设备。铸轧设备主机的铸轧功能结构是一对直径为800mm～1200mm的双驱动主动辊，即上主动辊1和下主动辊3，一个直径为200mm～600mm从动辊2，下主动辊3和从动辊2组成铸轧辊对，为内水冷结构，上主动辊1是从动辊2的支承辊，且三只辊的轴线所在的平面向铸嘴5一边倾斜；在使用中对镁合金液在铸嘴5沿铸轧辊横向布流的温度差、厚度差和流速差都控制在10％以内的铸轧布流方法，轧制区是复合半固态，压下率为50％-60％的铸轧，铸轧出的铸轧板进行在线板形控制。倾斜角度为0～15°，最佳为5～10°。下主动辊3和中间辊2为内水冷的铸轧辊对。上主动辊3是中间辊2的支承辊，可以是实芯，或与下主动辊3相同的内水冷芯，采用内水冷芯辊可以作为下主动辊3的替换辊。本申请采用两项措施实现铸轧设备的高铸轧比，即大的压下率：一是采用小直径中间辊，二是采用最小压力大于1800吨轧制力的油压缸对大直径辊对施加轧制压力。上下两个大直径辊采用双驱动，无极调速，两辊的转向相同，同步带动中间辊转动，即小直径中间辊是从动辊。铸轧辊副的表面线速度范围是2米/分～8米/分，表面线速度根据板厚变化。三辊结构的铸轧设备便于宽幅薄板铸轧，也能保证铸轧工艺的顺利实施，从而获得需要的变形量和较好的板形的板坯和板带。本申请的设计沿用二辊铸轧设备和四辊铸轧设备的设计理论和生产实践经验，包括铸轧辊的设计、机架强度和刚度设计、水冷系统、轴承和润滑、轧制力和驱动等。为了应对不同需要以扩大铸轧设备的使用范围，允许更换不同直径的中间辊，此时需要预留主动辊的开口高度。

本申请分析了二辊铸轧设备和四辊铸轧设备的生产积累经验，以及无法满足铸轧镁合金宽幅薄板的原因和有待弥补的方法，并结合模拟试验，发明了这种铸轧设备结构。三辊铸轧设备的设计，根据600毫米宽度镁合金铸轧的实践，中间辊设定为200-600毫米范围，上支撑辊和下铸轧主凝固辊为等直径内水冷粗辊，直径大致为800-1200毫米。三辊铸轧设备的铸轧力要满足铸轧压下率要大和三辊铸轧设备的工作参数范围，在铸轧条件下轧件(铸轧变形)的状态下镁合金的变形抗力和变形集合状态等，按最小轧制力等于轧辊与轧件接触面积和单位轧制抗力的乘积，一般等于变形程度、变形温度、变形速度影响系数乘以材料的条件屈服强度，铸轧压强在轧制区取400MPa。总轧制力约为1800吨，实际设定轧制力需要大于2000吨。在该轧制参数的条件下，轧制压下量满足大于40％的轧制率目标。

本申请认为，异径铸轧工作辊副能同时具备二辊铸轧设备和四辊铸轧设备的优点，又能克服它们的缺点。靠摩擦从属转动的小直径铸轧辊，轧件和轧辊的接触面积和单位压力降低幅度大，小直径辊对轧件有楔入作用，两者的共同作用，使总的轧制力大幅度降低，而小直径的中间辊获得大的轧制比压。大直径的铸轧下辊满足实现冷却强度大的指标。为了解决小直径中间辊刚度低的问题，在中间辊的上部增加第三根支承辊是一种科学的解决方案。考虑到镁合金宽幅薄板铸轧的工艺实施将三辊铸轧设备设计成倾斜的，倾斜配置，允许使用厚度大的铸嘴和大容量。前箱和铸嘴也能采用更厚的保温材料，因此，沿轧辊横向上镁合金的温度一致性提高，轧制抗力的差别减小，铸轧出板带的厚度、应力也趋于一致。大容量镁合金熔体的稳定供给、铸嘴结构设计优化、均匀布流技术、凝固组织控制等关键技术，达到镁合金液在流嘴处流场均匀、温度场稳定；不赌塞，长时间连续生产。

要将镁合金液铸轧成宽度最大宽度可达1800mm，铸嘴内镁合金液沿铸轧辊横向温度差小、厚度差小、流速差小的布流，在辊缝的变形区是下层向上液体分数的量逐步增多的复合半固态并承受大的压下率铸轧，以得到更大的变形率且不产生轧制裂纹；铸轧板离开轧辊后立即趁余热拉伸矫直，并且随即将拉伸卷取的板卷进入保温退火炉在线退火，实现在线板形控制以获得好的铸轧板带。

保证镁合金液在进入铸嘴是沿铸轧辊横向温差、厚度差、流速差尽可能小的均匀分布，布流技术是实现镁合金宽幅薄板的技术关键之一，为了实现该目标，需要把进入铸嘴的镁合金液在温度场、速度场和流量的均匀性准确控制，这样使金属液在随后进入铸轧辊辊缝时量、温度和变形抗力也横向基本相同，一直到板带的出口都具有一致性，不存在显性和隐性的板形不良，获得铸轧板带的板形必然良好。基于倾斜三辊铸轧设备的设计给前箱、铸嘴留有大的空间，允许加大金属液的体积，以容许金属液自身以大的热容、热流和速度保持热物理性质的同一性。由于空间富裕，将前箱中的液位增大，同时铸嘴内镁液的流程也小，将金属液的浇注温度降低，以减少热量散失并提高导热系数。这些措施都是进入辊缝的金属变得均匀一致，达到了从源头控制板形不良的起因。

传统轧制的总压下量很大，一般在90％以上。大轧制量主要是为了通过反复轧制消除成分偏析、粗晶、疏松、疏孔、裂纹、气孔、夹杂等铸造缺陷。镁合金成卷轧制难度大，如果道次过多，将使生产过程无法进行。因此，镁合金成卷轧制即要求很少的轧制道次完成轧制，又希望较大的变形程度，因此，工艺的核心在于利用铸轧的高温获得很大的轧制量。因此，需要制定合理的工艺参数控制铸轧过程中铸轧区的液相区、糊状区、固相区的相对长度，以保证铸辊对铸轧区的有效冷却和变形，从而控制凝固组织和铸轧板坯缺陷，以得到高质量的镁合金铸轧板坯，为后续轧制奠定基础。铸轧辊是铸轧过程中的核心装置，起着实施冷却、施加铸轧力和成形的核心作用。薄带坯铸轧比常规铸轧具有更大的冷却强度，可以得到更细小的晶粒尺寸及枝晶间距，提高合金元素在固溶体中的过饱和度，可以充分抑制常规铸轧带坯表面经常出现的由于重熔而产生的粗大化合物组织和表面偏析等缺陷，从而能提高表面和内部质量。双辊连续铸轧生产镁合金薄带，薄带一般为4毫米以下，其凝固方式的根本改善，减少甚至消除多种凝固缺陷，因此，铸轧的压下量降到50％左右和不大的温轧轧制压下量，一般也能获得较高的质量板材产品。此工艺的关键是铸轧的压下量要大，为了使铸轧既要大的轧制率，又要避免轧制量过大而产生裂纹缺陷的铸轧效果，在本申请的倾斜三辊铸轧设备的不等径铸轧辊副中，下辊粗，允许铸嘴的下部设计成更长的接触弧，因此下辊现成的凝固层较厚；上辊细，冷却强度低，在铸轧变形区上层允许是半固态。这种特殊的复合半固态，在轧制区利用半固态轧制时的过滤现象，使液体镁液在铸轧挤压下，沿轧制时产生的裂纹被压入，然后在裂纹缝隙中凝固和焊合，使裂纹愈合。即复合半固态大压下量铸轧得到的薄铸轧板已经初步具备较大轧制率的组织。

采用小横向温差布流和复合半固态大压下率后宽幅铸轧板，如果板形好，以后的温轧时变得容易，但如果板形差，则很难采用有限的温轧纠正，因此，铸轧时板带的板形好是必要条件。基于铸轧辊缝出口处的铸轧板温度尚在350℃左右，基本处于最佳的热拉伸矫直的范围，为此，利用铸轧设备系统的卷取机和张力卷取时将张力控制在热拉伸张力值，即可达到卷取和拉伸矫直双重目的。热拉伸张力的应力为100MPa-200MPa，根据板宽和板厚计算出卷取机的卷取机的拉伸力，然后轧机的控制系统自动保持热拉伸的应力范围。铸轧后和热拉伸后的板带，仍然存在有残余应力，按常规铸轧板带卷取自然冷却，这些应力将可能成为隐性的板形不良。在线将热拉伸矫直和卷取的板带卷在线进入保温炉退火，则能消除隐性的板形不良。铸轧板在线板形控制的保温退火炉设计成在导轨上可以直线移动的罩式炉形式，能方便地从卷取机的卷筒上移开和罩上，温度也允许调节，以便适合于操作工艺要求。

上述技术为后续工序的减薄轧制奠定了厚度已经更接近成品板厚度和较好的良好板形状的板坯的基础，使温轧、冷轧工序具备以经济的生产流程轧制成最后的成品薄板。本申请系统地进行了各种铸轧镁合金宽幅薄板铸轧的前期可行性论证和验证性实验。结果能满足生产要求。

附图说明

附图1是镁合金宽幅薄板铸轧的三辊铸轧设备铸轧部分相对关系的结构示意图。

1-上主动辊

2-从动辊

3-下主动辊

4-铸轧板

5-铸嘴

6-热管道

三辊铸轧设备的机架倾斜角一般设计时固定，如有必要在机架上设计改变角度的结构，不过此时驱动系统复杂化，一般建议不采用。三辊铸轧设备成为本申请的设计基本沿用二辊铸轧设备和四辊铸轧设备的设计理论和生产实践经验，包括铸轧辊的设计、机架强度和刚度设计、水冷、轴承、润滑、轧制力和驱动力矩等系统。

工作时双驱动辊按图示的顺时针方向按基本相同的转速转动，此时中间辊也被带动以相同的轧辊表面线速度转动。如果考虑到辊面的滑动，铸轧辊表面线速度会成形差异，但这种差异的效果等于异步铸轧，对铸轧有益。上主动辊也可以设计成和下主动辊相同的内水冷芯，作为下主动辊磨损后的替换辊，即当下主动辊使用一定时间后，二者互换。三只辊的轴线在铸轧设备工作时处于一个平面，但中间辊设计时必须有一个向铸嘴一边的偏离量(e值)，设计是参考四辊轧机工作辊的e值的计算方法。铸嘴用耐热和保温的陶瓷质材料制造，是金属液供应系统的一部分，为铸轧设备主机配套。一种铸嘴只用于生产一种宽度的板带。铸轧设备设计定型后，最大板宽度被确定，但是能根据需要开机前安装不同型号的铸嘴，生产小于最大宽度的各种铸轧板。

铸轧时中间辊和下辊形成对转，铸嘴来的镁合金液先冷却凝固、后轧制成铸轧板，离开辊缝后成为连续的镁合金铸轧板带。铸轧板带在卷取机的拉伸后卷取成铸轧板卷。考虑到中间辊被板带拖带造成转速滞后，一般不需要时纠正这种异步。轧辊表面线速度的合理值和合金牌号、铸嘴处镁合金液的温度、板带的厚度有关，通常都是通过试生产选择。油缸压下力的选择和轧辊表面线速度的合理值配合，需要通过试验主要工艺因素的以下和交互作用分析，然后总结得出。

本申请的三辊铸轧设备允许设计成800mm～1800mm范围内不同宽度、2mm～6mm范围各种厚度的铸轧板坯。铸轧轧制率的选择根据产品要求而定，一般分为产品板为铸轧板和需要进一步减薄温轧的更薄制品。如果水冷循环水槽的容积足够大，能维持较长工作时间变化不显著，则铸轧辊内水冷的冷却强度一般手动调节冷却水流量、并定时监控出水温度值和调整冷却水阀门即可满足生产要求；待规模化后且生产运行稳定后增加自动控制分系统。轧制压下率与终产品板的厚度有关，终产品板越薄，压下率越大。厚板铸轧轧辊表面线速度在2米/分～3米/分，薄板铸轧轧辊表面线速度在3米/分以上。铸轧设备铸轧的驱动系统和铸轧辊表面线速度的设计，兼顾薄板和较厚板坯的生产，以适应多规格产品的需要。

铸轧效果基本依赖能否利用好铸轧设备的基本性能和与制定合理的生产工艺规程来实现。

具体实施例

1800mm镁合金薄板三辊铸轧设备

最宽1800mm镁合金薄板三辊铸轧设备的结构，3只轧辊的实际工作段长度为2000毫米。中间辊直径为350mm，两个双驱动辊的直径为960mm。轧辊的内水冷结构按普通铸轧设备的内水冷参数设计。轧辊的轴平面向前倾斜10度。采用牌坊两对上下油压缸，最大为2000吨轧制力，可按需要分别调节轧辊左右两端的辊缝。双驱动轧辊的转动方向相同，铸轧辊能无极调速，铸轧辊表面线速度设计范围为2米/分～8米/分可调，配合生产工艺按不同厚度板坯的需要任意改变。本申请三辊铸轧设备可以生产厚度为1mm～6mm的镁合金铸轧板。厚度4mm以下的薄板允许成卷铸轧，较厚的板坯在铸轧过程中定尺切断，成为铸轧板片或进一步按片式轧制减薄成板片。如果将厚度大于4mm的薄板卷取，可能出现裂纹，从而影响铸轧板的质量。铸轧薄板的最大宽度为1800mm，也允许窄板的铸轧。

使用本申请三辊铸轧设备生产了AZ31、AZ61和MB8等牌号和多种厚度的镁合金板坯，同时对这些铸轧板坯进行了后继减薄精轧精整等，生产出了国内外不同规格的成品板，产品的精度和力学性能满足技术标准要求。

Claims (6)

1.一种镁合金宽板三辊铸轧机，用于直接将镁合金液铸轧成宽度800mm～1800mm的宽幅铸轧板坯，其特征在于：该铸轧机为三辊铸轧机，有一对相同转向的直径为800mm～1200mm的等径双驱动辊，即上主动辊1和下主动辊3，一个直径为200mm～600mm从动辊2，下主动辊3和从动辊2组成铸轧辊对，为内水冷结构，上主动辊1是从动辊2的支承辊，且三只辊的轴线所在的平面向铸嘴一边倾斜。

2.如权利要求1所述的镁合金宽板三辊铸轧机，其特征在于其中的倾斜角度为0-15°。

3.如权利要求1所述的镁合金宽板三辊铸轧机，其特征在于其中的倾斜角度为5-10°。

4.如权利要求1所述的镁合金宽板三辊铸轧机，其特征在于上主动辊1是实芯。

5.如权利要求1所述的镁合金宽板三辊铸轧机，其特征在于上主动辊1是内水冷芯，作为下主动辊3的替换辊。

6.如权利要求1所述的镁合金宽板三辊铸轧机，其特征在于可更换不同直径的从动辊2。

Images