CN105521996B - 一种镁合金带材热辊加热轧制装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种镁合金带材热辊加热轧制装置及方法，包括，运输辊道，所述运输辊道由至少一个运输辊组成；至少一个轧机机架，至少一组轧辊，所述轧辊之间设有镁合金带材；第一红外测温仪和第二红外测温仪；感应线圈；PLC控制器；轧制参数操作台等，在镁合金带材轧制时，基于镁合金导热系数高、传热快以及高频感应加热效率高的优点，利用轧辊对轧件传热从而实现镁合金的在线加热轧制技术，通过控制轧辊表面感应加热温度实现轧件出口温度的精确控制，不仅可以对常温带材进行加热轧制，也可以对热带材进行补温轧制，降低带材轧制过程中的温降速度，减少边裂产生几率，提高成品质量。
Description
技术领域
本发明属于镁合金带材加工技术领域，尤其涉及一种镁合金带材热辊加热轧制装置及方法。
背景技术
镁合金作为先进轻质金属结构材料，具备高比强度和良好的抗冲击性，能满足航空航天、汽车及电子产品轻量化要求，减少能源消耗和环境污染，已成为欧美、日本等国家与地区工业应用增长最快的材料之一。但密排六方的晶格结构决定了镁合金室温塑性变形能力较差，极大限制了其应用范围。轧制作为镁合金的重要加工变形方式受到了广泛的关注，由于镁合金的室温变形能力差，因此常用的轧制工艺为温轧和热轧。但在轧制过程中镁合金板材表面粗糙，氧化严重，同时，温降过快，容易导致裂纹产生，且温度降低使镁合金板材的基面织构强度增加，存在严重的各向异性，极大降低了塑性，影响后续加工。为了弥补轧制过程中的温降，一个公开的日本专利中(专利号：2003-521863)，采用轧机两侧施加两个加热炉，利用加热炉对镁合金带材进行往复加热和轧制，该方法一定程度上起到了补热作用，但明显降低了效率，增加了能耗。另一个授权的中国专利(专利号：201310246053.7)中，申请人提出了通过加热棒加热上下轧辊到不同温度从而实现镁合金异步轧制技术，弱化基面织构，提高镁合金变形塑性，该方法中，加热棒加热效率低，轧件带走热量后，轧辊难以快速达到预想温度，另外，加热孔的存在导致轧辊弹性极限降低，难以精确控制轧辊温度和轧制过程辊缝。在授权的一种镁合金热轧装置及轧制加热的方法(专利号：201010591333.8)专利中，申请人基于硅碳棒加热法设计了一套运输辊道和轧辊加热器，从而实现镁合金加热轧制，但该方法轧辊加热温度较低(低于200℃)，难以大幅度提高镁合金变形塑性，且能耗大，加热效率低。上述的几个专利均利用测温和反馈系统控制温度，没有明确的温度变化控制模型，难以实现轧制过程温度的精确控制。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对上述现有镁合金带材轧制过程温降快导致的塑性变形能力低，加热炉离线加热效率低，轧制间隙退火能耗高的缺点，本发明的目的是提供一种结构简单、制作和维护成本低、能够很好实现镁合金在线加热轧制的装置及方法。
本发明其中一个技术主题采用的技术方案是：一种镁合金带材热辊加热轧制装置，包括，
运输辊道，所述运输辊道由至少一个运输辊组成；
至少一个轧机机架，所述轧机机架设于所述运输辊道上；
至少一组轧辊，所述轧辊设于轧机机架上，所述轧辊之间设有待轧制的镁合金带材；
第一红外测温仪，所述第一红外测温仪设于轧机机架的轧辊侧面，所述第一红外测温仪通过第二接线箱与PLC控制器电连接；所述第一红外测温仪用于检测轧辊出口和入口端温度参数，所述PLC控制器响应来自第一红外测温仪的温度信息；
第二红外测温仪，所述第二红外测温仪设于轧机机架的轧辊侧面，所述第二红外测温仪通过第二接线箱与PLC控制器电连接；所述第二红外测温仪用于检测轧辊之间镁合金带材的出口和入口端温度信息，所述PLC控制器响应来自第二红外测温仪的温度信息；
感应线圈，所述感应线圈设于轧辊一侧，用于加热该轧辊；所述感应线圈一端通过第三接线箱与PLC控制器电连接，另一端与高频感应加热控制器电连接；
所述高频感应加热控制器设于该装置一侧，通过第一接线箱与PLC控制器通讯连接；
轧制参数操作台，所述轧制参数操作台设于该加热轧制装置一侧，与PLC控制器通讯连接；
卷取机，所述卷取机设于运输辊道一个端部，将轧辊处理后的镁合金带材卷取；
冷却水箱，所述冷却水箱设于运输辊道一侧，所述冷却水箱中的冷却水通过冷却水管对感应线圈进行冷却。
本发明另外一个技术主题采用的技术方案是：一种镁合金带材热辊加热轧制方法，该方法包括以下步骤，
a.冷却水循环
打开感应电源的冷却水，冷却水箱中的冷却水通过冷却水管对感应线圈进行循环冷却；
b.轧制参数设定
打开轧制参数操作台，设定轧制速度为0.01-0.5m/s，设定辊缝为0.3-5mm，设定轧制温度为0-500℃；PLC控制器响应来自轧制参数操作台的轧制速度、辊缝和轧制温度信息；
c.计算轧辊设定温度并设定感应加热参数
根据轧制温度要求以及轧件温度和轧辊表面温度的关系模型计算轧辊设定温度；根据轧辊需要的目标温度设定感应加热参数，并计算感应加热时间；
d.轧辊在线加热以及轧辊温度监测
利用感应线圈对轧辊进行加热，到达设定的感应加热时间后，第一红外测温仪每隔5-10s测试一次轧辊温度信息，并将温度信息传递给PLC控制器，当测试的轧辊表面温度达到要求后转入步骤e；当测试的轧辊表面温度未达到要求后转入步骤f；
e.对镁合金带材进行轧制；
f.如果到达预定加热时间后，轧辊表面温度低于预设定温度，通过轧辊温度闭环控制系统自动调节感应加热参数，继续对轧辊表面进行加热，直至第一红外测温仪测定值达到工艺要求,转入步骤e；
g.轧制过程的修正
为避免轧制过程中轧件带走热量导致的轧辊温降，将感应加热电流修正为满足目标要求的1.05-1.1倍；
h.轧制过程温度监测
开始轧制后，第一红外测温仪和第二红外测温仪分别对轧辊和轧制件的出口端和入口端每隔5s进行一次测温，当轧件温度满足要求时转入步骤I；当轧件温度不满足设定轧制温度时，转入步骤j；
i.连续轧制
当轧件温度满足要求时，进行连续轧制；
j.轧件温度修正
当轧件温度不满足设定轧制温度时，通过温度差值修正轧辊表面设定温度，然后利用轧辊温度闭环控制系统自动调节感应加热参数，使其达到修正后的轧辊表面设定温度，转入步骤i；
k.卷取
轧制最后一道次时利用卷取机对轧制后带材进行卷取。
优选地，上述温度控制算法如下，
当轧制参数操作台通过HMI人机界面设定轧制速度v(m/s)，轧制辊缝h1(mm)、轧制温度TD(℃)后，加热轧件到所需轧制温度与轧制参数和轧辊温度之间满足如下公式；
式中，A′是与轧制参数有关常数，B′,C′,D′,E′,F′,G′,H′是与
材料有关的常数，h0为轧制前轧件厚度；代入轧制速度、轧制前轧件厚度、辊缝值以及轧制温度可以由上式计算出所需轧辊温度TR(℃)，((h0-h1)/h0)·100(％)为压下率。
优选地，根据计算得到轧辊温度设定感应加热所需感应工作电流、感应加热工作频率和加热时间，感应工作电流设定范围0-200A，感应加热工作频率设定范围10-50KHz，加热时间设定在5分钟以上。
优选地，加热时间、感应工作电流、感应加热工作频率以及轧辊表面温度之间满足如下公式，
式中：A″,B″,C″,D″,E″是与轧辊材料有关的常数；t为加热时间，单位为s；CS为感应加热工作电流，单位为A；S为线圈截面积，单位为mm2；FW为感应加热工作频率，单位为KHz。
本发明的优点和有益效果在于：本发明提到的热轧装置可以是两辊轧机，也可以是四辊轧机或多辊轧机，可以是单机架轧制，也可是多机架连轧。
本发明镁合金带材在线加热轧制装置不仅可以用于镁合金的加热轧制，也可以用于其它难轧金属的加热轧制，如铝锂合金、硅钢，钛合金等。
本发明的镁合金带材在线加热装置不仅可以对常温带材进行加热轧制，也可以对热带材进行补温轧制，降低带材轧制过程中的温降速度，减少边裂产生几率，提高成品质量。
本发明的特点是在镁合金带材轧制时，基于镁合金导热系数高、传热快以及高频感应加热效率高的优点，利用加热的轧辊对轧件传热从而实现镁合金带材在线加热轧制技术，通过控制轧辊表面感应加热温度实现轧件出口温度的精确控制。本发明设备能够实现镁合金大应变连续轧制，细化晶粒和提高镁合金带材综合性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种实施例的结构示意图；以及
图2为轧制后带材横断面微观组织示意图；
图中，1-运输辊道，2-镁合金带材，3-高频感应加热控制器，4-第一接线箱，5-第二接线箱 6-第三接线箱 7-第一红外测温仪，8-轧辊，9-轧机机架，10-卷取机，11-感应线圈，12-冷却水管，13-冷却水箱，14-第二红外测温仪，15-轧制参数操作台，16-PLC控制器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示，为本发明一种实施例的结构示意图，本发明其中一个技术主题涉及一种镁合金带材热辊加热轧制装置，该装置包括，
运输辊道1，所述运输辊道1由至少一个运输辊组成；
至少一个轧机机架9，所述轧机机架9设于所述运输辊道1上；
至少一组轧辊8，所述轧辊8设于轧机机架9上，所述轧辊8之间设有待轧制的镁合金带材2；
第一红外测温仪7，所述第一红外测温仪7设于轧机机架9的轧辊8侧面，所述第一红外测温仪7通过第二接线箱5与PLC控制器16电连接；所述第一红外测温仪7用于检测轧辊出口和入口端温度参数，所述PLC控制器16响应来自第一红外测温仪7的温度信息；
第二红外测温仪14，所述第二红外测温仪14设于轧机机架9的轧辊8侧面，所述第二红外测温仪14通过第二接线箱5与PLC控制器16电连接；所述第二红外测温仪14用于检测轧辊8之间镁合金带材2的出口和入口端温度信息，所述PLC控制器16响应来自第二红外测温仪14的温度信息；
感应线圈11，所述感应线圈11设于轧辊8一侧，用于加热该轧辊8；所述感应线圈11一端通过第三接线箱6与PLC控制器16电连接，另一端与高频感应加热控制器3电连接；
所述高频感应加热控制器3设于该装置一侧，通过第一接线箱4与PLC控制器16通讯连接；
轧制参数操作台15，所述轧制参数操作台15设于该加热轧制装置一侧，与PLC控制器16通讯连接；
卷取机10，所述卷取机10设于运输辊道1一个端部，将轧辊8处理后的镁合金带材2卷取；
冷却水箱13，所述冷却水箱13设于运输辊道1一侧，所述冷却水箱13中的冷却水通过冷却水管12对感应线圈11进行冷却。
本发明另外一个技术主题采用的技术方案是：一种镁合金带材热辊加热轧制方法，该方法包括以下步骤，
a.冷却水循环
打开感应电源的冷却水，冷却水箱13中的冷却水通过冷却水管12对感应线圈11进行循环冷却；
b.轧制参数设定
打开轧制参数操作台15，设定轧制速度为0.01-0.5m/s，设定辊缝为0.3-5mm，设定轧制温度为0-500℃；PLC控制器16响应来自轧制参数操作台15的轧制速度、辊缝和轧制温度信息；
c.计算轧辊设定温度并设定感应加热参数
根据轧制温度要求以及轧件温度和轧辊表面温度的关系模型计算轧辊设定温度；根据轧辊需要的目标温度设定感应加热参数，并计算感应加热时间；
d.轧辊在线加热以及轧辊温度监测
利用感应线圈11对轧辊8进行加热，到达设定的感应加热时间后，第一红外测温仪7每隔5-10s测试一次轧辊8温度信息，并将温度信息传递给PLC控制器16，当测试的轧辊8表面温度达到要求后转入步骤e；当测试的轧辊8表面温度未达到要求后转入步骤f；
e.对镁合金带材进行轧制；
f.如果到达预定加热时间后，轧辊8表面温度低于预设定温度，通过轧辊8温度闭环控制系统自动调节感应加热参数，继续对轧辊8表面进行加热，直至第一红外测温仪7测定值达到工艺要求,转入步骤e；
g.轧制过程的修正
为避免轧制过程中轧件带走热量导致的轧辊温降，将感应加热电流修正为满足目标要求的1.05-1.1倍；
h.轧制过程温度监测
开始轧制后，第一红外测温仪7和第二红外测温仪14分别对轧辊8和轧制件(此处为镁合金带材2)的出口端和入口端每隔5s进行一次测温，当轧件温度满足要求时转入步骤I；当轧件温度不满足设定轧制温度时，转入步骤j；
i.连续轧制
当轧件温度满足要求时，进行连续轧制；
j.轧件温度修正
当轧件温度不满足设定轧制温度时，通过温度差值修正轧辊8表面设定温度，然后利用轧辊8温度闭环控制系统自动调节感应加热参数，使其达到修正后的轧辊8表面设定温度，转入步骤i；
k.卷取
轧制最后一道次时利用卷取机10对轧制后带材进行卷取。
上述温度控制算法如下，
当轧制参数操作台15通过HMI人机界面设定轧制速度v(m/s)，轧制辊缝h1(mm)、轧制温度TD(℃)后，加热轧件到所需轧制温度与轧制参数和轧辊温度之间满足如下公式；
式中，A′是与轧制参数有关常数，B′,C′,D′,E′,F′,G′,H′是与
材料有关的常数，h0为轧制前轧件厚度；代入轧制速度、轧制前轧件厚度、辊缝值以及轧制温度可以由上式计算出所需轧辊温度TR(℃)，((h0-h1)/h0)·100(％)为压下率。
根据计算得到轧辊温度设定感应加热所需感应电流、工作频率和加热时间，电流设定范围0-200A，工作频率设定范围10-50KHz，加热时间设定在5分钟以上。
上述加热时间、感应电流、工作频率以及轧辊表面温度之间满足如下公式，
式中：A″,B″,C″,D″,E″是与轧辊材料有关的常数，t(s)为加热时间，CS(A)为感应加热工作电流，S(mm2)为线圈截面积，FW(KHz)为感应加热工作频率。
本实施例所选镁合金为AZ31B，化学成分为：Al：3.1％，Zn：0.9％，Fe：0.003％，Mn：0.9，Cu：0.01，Ni：0.001，S：～0.001，P：～0.001，Mg：余量。带材初始厚度2mm，宽度250mm。轧制速度设定为0.05m/s，轧制温度设定为300℃。轧制一道次，轧制辊缝为1.4mm。针对镁合金带材，公式(1)中的材料参数分别为：A′＝25.4,B′＝3.9×10-3,C′＝0.9,D′＝2.41,E′＝1.83,F′＝5.5,G′＝2.3,H′＝0.93,代入公式(1)可以计算轧辊需要加热温度为360℃。轧辊材质为高温模具钢，公式(2)中的参数分别为：A″＝1.2，B″＝1.33×10-3，C″＝1.58，D″＝1.19，E″＝0.25。加热时间设定为5min，感应加热工作频率设定为35KHz，线圈截面积为2mm2，代入公式(2)计算所需电流为：152A，利用HMI人机界面输入设定参数，开启轧辊和轧件在线红外测温仪，感应加热器开始对轧辊加热，加热5min后，测试轧辊温度367℃，进行轧制，测试到轧件入口温度265℃，为出口温度为325℃，轧制变形区温度满足轧制参数设定要求，不需要修正轧辊表面设定温度。轧制结束后对镁合金带材进行卷取，取出部分材料进行探伤、力学性能和微观组织检测，如图2所示，带材中心没有发现微裂纹，边部裂纹最大宽度小于0.5m，最大深度小于2mm，晶粒明显细化，最小的晶粒能够达到1μm，断面微观组织均匀，表面质量良好，无明显氧化痕迹。本发明提出的镁合金带材在线加热轧制装置和方法结构简单，效率高，节能降耗，轧件综合质量较好。
以上所述仅是本发明的优先实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种镁合金带材热辊加热轧制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤，
a.冷却水循环
打开感应电源的冷却水，冷却水箱(13)中的冷却水通过冷却水管(12)对感应线圈(11)进行循环冷却；
b.轧制参数设定
打开轧制参数操作台(15)，设定轧制速度为0.01-0.5m/s，设定辊缝为0.3-5mm，设定轧制温度为0-500℃；PLC控制器(16)响应来自轧制参数操作台(15)的轧制速度、辊缝和轧制温度信息；
c.计算轧辊设定温度并设定感应加热参数
根据轧制温度要求以及轧件温度和轧辊表面温度的关系模型计算轧辊设定温度；根据轧辊需要温度设定目标感应加热参数，并计算感应加热时间；
d.轧辊在线加热以及轧辊温度监测
利用感应线圈(11)对轧辊(8)进行加热，到达设定的感应加热时间后，第一红外测温仪(7)每隔5-10s测试一次轧辊(8)温度信息，并将温度信息传递给PLC控制器(16)，当测试的轧辊(8)表面温度达到要求后转入步骤e；当测试的轧辊(8)表面温度未达到要求后转入步骤f；
e.对镁合金带材进行轧制；
f.如果到达预定加热时间后，轧辊(8)表面温度低于预设定温度，通过轧辊(8)温度闭环控制系统自动调节感应加热参数，继续对轧辊(8)表面进行加热，直至第一红外测温仪(7)测定值达到工艺要求,转入步骤e；
g.轧制过程的修正
为避免轧制过程中轧件带走热量导致的轧辊(8)温降，将感应加热电流修正为满足目标要求的1.05-1.1倍；
h.轧制过程温度监测
开始轧制后，第一红外测温仪(7)和第二红外测温仪(14)分别对轧辊和轧制件的出口端和入口端每隔5s进行一次测温，当轧件温度满足要求时转入步骤i；当轧件温度不满足设定轧制温度时，转入步骤j；
i.连续轧制
当轧件温度满足要求时，进行连续轧制；
j.轧件温度修正
当轧件温度不满足设定轧制温度时，通过温度差值修正轧辊表面设定温度，然后利用轧辊温度闭环控制系统自动调节感应加热参数，使其达到修正后的轧辊表面设定温度，转入步骤i；
k.卷取
轧制最后一道次时利用卷取机(10)对轧制带材进行卷取。
2.根据权利要求1所述的镁合金带材热辊加热轧制方法，其特征在于，根据计算得到轧辊温度设定感应加热所需感应工作电流、感应加热工作频率和加热时间，感应工作电流设定范围0-200A，感应加热工作频率设定范围10-50KHz，加热时间设定在5分钟以上。
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