CN102397876A - 镁合金薄板连续热轧机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种镁合金薄板热轧机，是一种短流程生产设备，在该三辊连续热轧机上能将镁合金液直接制成热轧薄板，三辊连续热轧机将镁合金液的凝固和热轧在其空间和时间上分开，即先使镁合金液凝固成薄板带坯，再利用余热对进入轧辊辊缝凝固带坯进行大变形量的热轧成为热轧薄板带。三辊连续热轧机主机由支撑辊(1)，热轧辊(2)，铸造辊(3)，热轧板带(4)，铸嘴(5)，镁合金液输送管道(6)，热轧卷(7)，飞剪(8)组成，且三辊连续热轧机主机为异径、异步三辊轧机，三只辊的轴线在同一平面，并向板带轧制出口一边倾斜，将铸嘴(5)设置在铸造辊(3)的一侧，铸嘴(5)和铸造辊(3)表面构成长度达300毫米的倾斜坡面凝固区，通过改变铸嘴(5)厚度和改变轧辊转速，控制凝固带坯的组织和带坯的厚度。该连续热轧薄板可以作为后继热轧、温轧或冷轧带坯进一步轧制成为成品板。

Description

镁合金薄板连续热轧机

技术领域

本发明属于一种镁合金热轧薄板的轧制设备，尤其属于将镁合金液直接生产出热轧薄板的轧机。

背景技术

金属板材是金属使用的最主要形式，占金属材料总量的80％以上，金属板材在电子、通讯、交通、航空航天等领域应用最多。近年来，金属轧制工程技术发展迅速，包括薄板坯连铸连轧技术、近终形薄带铸轧技术、高精度轧制技术、无头轧制及自由规程轧制等现代轧制技术。其中，近终形连铸以其接近最终产品尺寸、改善材料性能、生产流程短、投资省、节能和保护环境等一系列优点，是当今国际冶金界的一个热点。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。尤其是热轧板带轧制变形系数大、成本低、塑性好，因此，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。

双辊铸轧是将连续铸造和轧制结合，熔体凝固的同时承受一定量的轧制变形，即直接将金属熔体“轧制”成半成品带坯带材。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，福州华镁公司等成功开发了镁合金板材双辊异步连续三辊连续热轧机和板材铸轧技术，山西银光镁业建立了铸轧生产线，已经实现商业化生产。

镁合金铸轧目前尚处于起始阶段，存在许多问题有待于解决，双辊铸轧存在的问题是生产率较低、工艺稳定性较差；铸轧板的组织基本是铸造组织，镁合金铸轧板的厚度较大(在6毫米左右)和塑性变形量一般仅有3％～5％，后继轧制工作较复杂。镁合金铸轧板需要进一步温轧或热轧才能成为板材制品，薄板热轧不容易实施，温轧的道次加工率约为5％～10％，这就是说要把厚度为5毫米的铸轧板通过温轧轧制到1～2毫米，甚至轧制到1毫米以下，需要的道次数太多，而且道次间需要长时间地软化退火，致使生产率很低、生产成本仍然很高，很大程度上失去了成卷轧制要提高生产率的初衷。此外，双辊连续铸轧工艺基本限于生产纯金属、低合金化的软合金，当由于生产高合金化合金时，必然出现条带状缺陷。条带缺陷产生的原因在于金属带坯没有完全凝固时在轧辊中轧制，液体相受压时发生过滤性挤压，形成河流条带，轧制后呈现点状条带。条带实际是一种成分的区域偏析缺陷，因为最后凝固的液体比初始凝固的含有较高的溶质元素。合金元素含量越高的合金，条带缺陷也越严重，而且条带不能在热处理时消除。因此镁合金铸轧只适用于部分镁合金，铸轧板基本属于一种初加工坯料，需要较复杂的后继轧制才能成为板材产品。

如果将镁合金的铸造和热轧结合到一台轧机上，一次完成从镁合金液到热轧薄板，随后热轧薄板只要简单的后继轧制，即可成为性能很好的成品板材，必将是一种镁合金板材生产的较为理想的途径。镁合金连续热轧不仅根本简化镁合金板材的市场流程，而且提高产品质量、提高轧机产量、提高成材率。因此镁合金连续热轧可能是镁合金板材市场的巨大突破。

发明内容

本申请的目的是研制和发明将镁合金的铸造和热轧结合到一台轧机上的三辊连续热轧机。三辊连续热轧机的结构和相关装置包括：1-支撑辊，2-热轧辊，3-铸造辊，4-热轧板带，5-铸嘴，6-镁合金液输送管道，7-热轧卷，8-飞剪，9-镁合金液。镁合金三辊连续热轧机的机架、动力系统和其它辅助系统的设计采用双辊铸轧机的设计标准。三辊连续热轧机主机为异径、异步轧机，三只辊的轴线在同一平面，并向板带轧制出口一边倾斜。支撑辊1和铸造辊3是直径为800mm～1200mm的等径、转向相同的双驱动主动辊，热轧辊2是直径为200mm～350mm的从动辊。铸造辊和热轧辊组成三辊连续热轧机的工作辊副，并均为内水冷结构。支撑辊是热轧辊的支承辊。主动与从动辊的直径最佳搭配根据主要产品的镁合金特点和板坯厚度选择，对于大宽度或较高合金化的镁合金，采用较细的从动辊和更粗的主动辊。工作辊和支承辊的轴线平面上部向轧制方向倾斜0～15度，最佳为5～10度。铸嘴(5)设置在铸造辊(3)的一侧，铸嘴(5)和铸造辊(3)表面构成长度可达约200～300毫米的倾斜坡面凝固区。改变铸嘴厚度和改变轧辊转速，能实现控制凝固带坯的组织和带坯的厚度的目的。支撑辊(1)和铸造辊(3)表面线速度各自可调，使铸造辊(3)和热轧辊(2)形成异步热轧，异步比可调，控制在1.15～1.05范围，最佳值和轧制镁合金的种类和市场工艺有关。三辊连续热轧机的轧制比压力由于热轧辊直径减小而增加，轧机的刚度由于两主动辊直径大而增大。本申请的三辊连续热轧机设计依据是根据前期工艺试验并能满足技术关键和工艺参数，一般结构基本沿用二辊热轧机和四辊热轧机的设计理论和生产实践经验，包括轧辊的设计、机架强度和刚度设计、辊缝控制、水冷、轴承、润滑、轧制力和驱动力矩等系统。

本申请认为铸轧的传统工艺应该向铸轧-轧制融合，即将稳定的凝固和对凝固后的带坯施加大变形轧制，以获得变形特征的内部组织。在传统的三辊连续热轧机设计中，为了保证凝固点的控制和增加冷却速度，主要是通过加大轧辊直径实现的。但是随着轧辊直径的加大，轧制比压力降低，凝固带坯的变形效果弱化，同时设备的驱动也变得复杂化。为了既能采用大直径辊以提高凝固带坯的质量，又能采用小直径辊提高轧制比压力和获得更大变形率的轧制效果，并将凝固和轧制安排在不同区域进行，本申请采用不等径三辊设计。

前期实验了铸轧-热轧机两机架的铸轧板带余热热轧的效果，试验时铸轧和热轧两个机架间的距离尽可能的靠近以尽可能减少热散失，但铸轧带坯余热散失仍然较多，余热轧制的变形率仅有约10％，轧制后没有明显改变铸造组织特征，基本不具备热轧板的性能。进一步研究了最典型的板材用合金AZ31B的铸态热压缩行为。先将铸态AZ31B加工成一定尺寸的扁坯，快速升温至280℃～440℃，以10^-3～10^-1s-1的压缩速率压缩。压缩变形过程的初期，应力迅速增加到一个峰值，随后应力逐渐减小，最终达到稳态流动。压缩开始表现出加工硬化，随着变形增加，镁合金的动态再结晶软化大于加工硬化，流动应力逐渐达到一个稳定值。温度越高，动态再结晶进行的越来越充分。280℃时原始粗大晶粒已经得到了破坏，垂直于压缩方向的晶界上出现了大量的细小等轴晶粒，这时组织已经表现出了明显的动态再结晶特征。当温度升至360℃时，大部分区域被细小的晶粒覆盖，只能找到很少的原始粗大晶粒，而440℃时，几乎所有的晶粒都是发生动态再结晶后形成的，已经找不到粗大的原始晶粒。另一方面，再结晶晶粒大小随着温度的增高不断增大，280℃时再结晶晶粒约为5μm，温度增至360℃时，晶粒增至8μm，温度继续增加到440℃时，晶粒尺寸达到14μm左右。上述试验证明铸态AZ31B可以高温热轧，但如何对高合金化的多相脆性合金热轧也是镁合金连续热轧需要面对的问题。因此，在上述研究的基础上又研究了脆性更大的高合金化的AZ91D的半固态铸造坯的热轧性能。采用半固态浆料凝固形成的AZ91D铸造板带，由于共晶反应受到抑制，这种半固态凝固组织由过饱和的单相α、晶内和晶界上离散分布着的少量Mg₁₇Al₁₂质点组成。将这种板带快速加热到450℃后热轧，最大热变形量高达47％。此实验证明，配合适当的措施，多相铸造板带直接热轧是可行的，即使像AZ91D这样高合金化的铸造坯，也具备较好的热轧能力。铸态镁合金进行热轧塑性加工时，适当的变形条件获得较大的压制加工率是关键。

前期研究虽然证明铸态热轧是可行性，但考虑到铸态多相组织热轧的热塑性变形与传统热轧的淬火软化材料相比要困难许多，需要尽可能在工艺上需要更大变形量轧制是需要创造最佳热轧条件。本申请研究了可能的最佳连续热轧工艺和条件，包括铸嘴的镁合金液布流、斜坡半固态凝固区设计、良好韧性的凝固板带组织、热轧的热参数、热轧过程的缺陷愈合、热轧时的动态再结晶软化等。

将三辊连续热轧机倾斜，给铸嘴留有很大的空间，可以将前箱中的液位增大，同时铸嘴内镁液的流程也小，以保证凝固薄板带坯的各种参数的一致性。并且，倾斜角也使得凝固区域呈斜面状，造成凝固区延长，冷却时间延长，凝固模式彻底改变，铸造带坯一般是等轴晶，组织的均匀性提高，变形加工性能比不均匀的组织更好。同时倾斜的凝固区类似斜坡凝固，随着轧辊的转动，凝固层向上移动并逐渐增后。由于金属液的粘滞性，已经升到液面的凝固层离开熔池时会拖带一层金属液，因此，凝固层离开熔池后仍然增加厚度。铸造辊顶部基本和斜坡冷却板半固态制浆相似，在轧辊转动时，被粘滞拖带，凝固枝晶一边长大，一边拖带转动而发生球化，最后凝固层是一种半固态凝固的组织，呈玫瑰花状初生晶粒。控制轧辊表面线速度，使凝固层进入轧辊辊缝时上没有完全凝固，是有少量液相的半固态凝固组织，热轧最初阶段将是半固态轧制。半固态轧制抗力很小，轧制过程如果产生裂纹，能被迅速愈合，没有机会发展。半固态存在的时间和距离都十分有限，随后的轧制进入高温热轧阶段。

当镁合金的热轧温度在动态再结晶的温度以上，轧件有最大的塑性和不易发生开裂。镁合金动态再结晶无需孕育期，但只能在高温和临界变形量以上才能发生。例如，MB8厚板轧制终了温度为360℃时，内部组织基本处于恢复状态，但存在明显的加工织构；轧制终了温度为450℃时，内部组织为完全的再结晶状态。AZ31镁合金在350℃以上、应变量大于10％，发生动态再结晶软化，变形抗力为50Mpa。更高的轧制温度有利于动态再结晶充分完成。而440℃、应变速率为0.5～5/s轧制时，多数镁合金几乎所有的晶粒都是发生动态再结晶后形成的，已经找不到粗大的原始晶粒。因此，始轧温度在液相线温度约为550℃，此时液相含量小于10％，终轧温度为450℃。三辊连续热轧机需要保证凝固带坯余热轧制过程要在450℃以上。增加变形速率是保持温度不降低很多的最有效方法，较大的轧辊表面线速度和较小的热轧辊直径是主要措施。热轧阶段的轧制参数可以通过铸嘴结构、设置位置、浇注温度、轧辊转速等设备和操作调整，以满足不同的热轧工艺要求。

异步轧制是通过调节两个轧辊，使其表面线速度保持一定的速度差，异步轧制的变形区附加剪切变形和常规轧制压缩变形共同作用加速了晶粒细化和金属流动、产生软化作用。异步轧制和高温热轧时促进动态再结晶容易进行等。400℃的3毫米AZ31凝固态带坯，当异速比为1.2时，合金的晶粒最均匀细小，平均尺寸约为20μm；再进一步增大异速比，合金的晶粒粗化、力学性能又有所下降。异步轧制的AZ31织构强度及显微组织在300℃及以上保持稳定。因此，本申请的异步轧辊设计也是提高变形率的措施之一。

热轧板带离开辊缝的温度仍然较高，从辊缝出口开始，板带冷却降温，卷取成卷后的温度在350℃以上并能在此温度保持很长时间，期间发生静态再结晶。再结晶进行比较充分，加工硬化完全消除，不存在明显的残余应力，板带也不存在潜在板形不良，这种状态十分有利于后继轧制。连续热轧带卷从卷取机取下后，最好趁热实施淬火(均匀化)热处理，也可以冷却后成批在从室温加热到淬火温度并保温一定时间进行均匀化热处理。均匀化处理的连续热轧的板材经后继精整处理后成为产品出货，供后继成形加工板料。如果连续热轧板带的厚度小于1.5毫米，则允许冷板热辊反复多道次精轧。即使连续热轧板带的厚度大于1.5毫米，如果精轧的压下率很小，也可以冷轧。

按本申请的技术生产出的镁合金板外观平整光洁，呈银白色的金属光泽，可以满足部分产品的标准，部分需要进行后继温轧或冷轧，得到精度或强度要求更高的板材产品。连续热轧板的晶粒在15-20微米，当精轧板材的最终厚度控制在0.3mm左右，产品的平均晶粒度尺可以可以达到10微米以下。

附图说明

附图1是镁合金三辊连续热轧机的主机部分和关联装置示意图，附图2是图1凝固区和热轧区的局部放大。在图中：1-支撑辊，2-热轧辊，3-铸造辊，4-热轧板带，5-铸嘴，6-镁合金液输送管道，7-热轧卷，8-飞剪，9-镁合金液。

三辊连续热轧机的机架倾斜角一般设计时给定，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，一般不采用。本申请的设计基本沿用二辊轧机和四辊轧机的设计理论和生产实践经验，包括轧辊的设计、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，此时热轧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，热轧辊表面线速度会成形差异，但这种差异的效果等于异步轧制。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。三只辊的轴线在轧机工作时处于一个平面，但热轧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，为三辊连续热轧机主机配套。一种铸嘴只用于生产一种宽度的板带。轧机设计定型后，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热轧板。

轧机工作时热轧辊和铸造辊形成对转，铸嘴的镁合金液先在凝固区形成凝固层，凝固带坯移动到和热轧辊附近时余热温度在液相约占小于10％的半固态并进入辊缝承受大变形量热轧。热轧板带离开辊缝的温度控制在450℃附近。从辊缝出口开始，板带冷却降温，卷取成卷后的温度在350℃以上并能在此温度保持很长时间，期间发生静态再结晶。再结晶进行比较充分，加工硬化完全消除，不存在明显的残余应力，板带也不存在潜在板形不良，这种状态十分有利于后继轧制。连续热轧带卷从卷取机取下后，最好趁热实施淬火(均匀化)热处理，也可以冷却后成批在从室温加热到淬火温度并保温一定时间进行均匀化热处理。均匀化处理的连续热轧的板材经后继精整处理后成为产品出货，供后继成形加工板料。如果连续热轧板带的厚度小于1.5毫米，则允许冷板热辊反复多道次精轧。即使连续热轧板带的厚度大于1.5毫米，如果精轧的压下率很小，也可以冷轧。

具体实施例

1500mm镁合金薄板三辊连续热轧机

镁合金薄板三辊连续热轧机的结构，3只轧辊的实际长度为1700毫米。热轧辊直径为250mm，双驱动上铸造辊的直径为850mm。轧辊的内水冷结构按普通三辊连续热轧机的内水冷参数设计。轧辊的轴平面向前倾斜15度。采用两对上下油压缸，最大为1500吨轧制压力，可按需要分别调节轧辊左右两端的辊缝。双驱动上铸造辊轧辊的转动方向相同、转速独立无级可调，轧辊表面线速度设计范围为2米/分～8米/分，配合生产工艺按不同厚度板坯的需要任意改变。三只辊的轴线在同一平面，并向板带轧制出口一边倾斜10度。下主动辊表面线速度各自可调，使下主动辊和热轧辊形成异步，以获得较大的变形量。异步比可调，控制在1.2～1.05范围。铸嘴设置在铸造辊一侧，和铸造辊辊表面构成长度约为300毫米的倾斜坡面凝固区。通过加厚铸嘴厚度和减慢轧辊转速，可以增加形成半固态组织的凝固带坯的厚度。三辊连续热轧机的轧制比压力由于热轧辊直径减小而增加，轧机的刚度由于两主动辊直径大而增大。三辊连续热轧机的结构按双辊三辊连续热轧机的设计规范设计。从保温炉经热密封管道输送来的镁合金液先进入容积较大的前箱，然后进入与之一体连接的在进入铸嘴5。前箱和铸嘴用耐热和保温的陶瓷质材料制造，主要组成为锂水玻璃粘结硼酸镁晶须、六钛酸钾晶须、玻璃纤维和氧化镁粉末。这些措施保证进入辊缝的金属液在温度、流速和流量等几方面均匀一致。由于前箱和铸嘴保温性能、金属较大的热容和低温金属的高导热系数，使沿铸轧辊横向温差、厚度差、流速差较小，且不易堵塞。

三辊连续热轧机工作时，支撑辊1和铸造辊(铸轧辊)3，按顺时针以相同的转速转动，被动热轧辊(铸轧辊)2也随之以相同的轧辊表面线速度转动。与铸嘴5中的镁合金接触的铸轧辊2和3的表面开始凝固。下铸轧辊3和金属液接触弧更长，凝固时间也更长，在辊面向辊缝靠近的过程凝固层逐渐变厚。上铸轧辊(热轧辊2)用于接触弧很短，在辊缝附近基本处于半固态区。因此，即轧制变形区下层是固态，上层是糊状半固态，承受轧辊压下时，当压下量超过固体容许应变时，下部的固体会产生了裂纹，此时，上层半固态中的液体会被挤压并渗入到裂纹和充填裂纹11，使得裂纹最后被治愈弥合。进入裂缝的半固态枝晶被压碎，板带组织进一步细化。同时，铸轧的压下量较大和避免了开裂，板材质量较好。辊缝出口铸轧板温度约350℃，基本处于最佳的热拉伸矫直的范围，将卷取机设定为热拉伸张力值，在卷取时达到拉伸矫直的目的。为了消除热拉伸后的板带存在残余应力和避免能成为隐性板形不良，在卷取机上罩准热卷箱作为加热保温退火炉，在铸轧过程一直保持，卷取结束后又被转移到固溶热处理炉。保温退火炉在导轨上可以直线反复移动，移开和罩上，温度也允许调节。

本申请三辊连续热轧机可以生产厚度为1mm～3.5mm的镁合金热轧板，薄板的最大宽度约为1500mm，也允许窄板的生产。使用本申请三辊连续热轧机生产了AZ31、AZ61和MB8等牌号和多种厚度的镁合金薄板，同时对这些热轧板坯进行了后继减薄精轧精整等，生产出了不同规格的成品板，产品的精度和力学性能满足技术标准要求。

Claims (2)

1.一种镁合金三辊连续热轧机，具备先将镁合金液凝固成带坯，再利用其余热热轧成热轧板带功能，其特征在于：三辊连续热轧机主机由支撑辊(1)，热轧辊(2)，铸造辊(3)，热轧板带(4)，铸嘴(5)，镁合金液输送管道(6)，热轧卷(7)，飞剪(8)组成，其中支撑辊(1)和铸造辊(3)为直径为800mm～1200mm的等径辊，为相同转向的双驱动主动辊，热轧辊(2)是直径为200mm～350mm的从动辊，铸造辊(3)和热轧辊(2)组成三辊连续热轧机的工作辊副，并均为内水冷结构，支撑辊(1)对热轧辊(2)起支承作用，且三辊连续热轧机主机为异径、异步三辊轧机，三只辊的轴线在同一平面，并向板带轧制出口一边倾斜，将铸嘴(5)设置在铸造辊(3)的一侧，铸嘴(5)和铸造辊(3)表面构成长度达300毫米的倾斜坡面凝固区，通过改变铸嘴(5)厚度和改变轧辊转速，控制凝固带坯的组织和带坯的厚度。

2.如权利要求1所述的镁合金三辊连续热轧机，其中铸造辊(3)和热轧辊(2)组成连续热轧辊对，其特征在于：支撑辊(1)和铸造辊(3)表面线速度各自独立可调，使铸造辊(3)和热轧辊(2)形成异步轧制热轧，异步比控制在1.15～1.05。

Images