CN109351773B - 一种电塑性宽带轧制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电塑性宽带轧制装置，包括：脉冲电源、内嵌导电块工作辊、移动式导电辊及智能电塑测控系统，其中导电块有助于冷轧宽带的横向均匀化电流分布，智能电塑测控系统有助于在线自动调整电塑性参数。在轧制过程，首先智能电塑测控系统根据轧制参数设定脉冲电流密度、频率、脉宽等电参数，同时自动调整左右导电辊与工作辊之间的距离；穿带建张后开始低速轧制，同步启动电脉冲，进行电塑性轧制，待各项参数稳定后升速轧制；临近带尾时，在降速过程中，实时监控电参数变化，停机前及时关闭脉冲电源。本发明强化并均匀化冷轧宽带内的脉冲电流分布，根据轧制参数实时优化调整电参数，实现电塑性效应最佳化应用，提高冷轧过程的塑性变形能力。
Description
技术领域
本发明涉及轧制机械设备的塑性加工领域，尤其涉及到适用于高等级合金带、超硬材等难变形宽带的电塑性宽带轧制装置。
背景技术
新材料的快速发展在很大程度上促使了工业进步和技术革新，随之给新材料的加工设备和生产技术提出了更高的要求，尤其高强高硬合金或脆性难变形金属材料，如超高强钢、镁合金、钛镍合金以及钨、钼、铼等合金带，共同特点是冷态轧制困难、塑性差，容易出现变形不均匀、边裂、延伸困难和加工硬化严重等问题，而热态轧制又会导致组织变化大、表面氧化严重等问题，严重影响该类合金带的产品质量和加工精度。
多年来，国内外针对电塑性开展了一系列的理论研究和技术攻关，重点集中在电塑效应机理和电流辅助成形两个方面，尤其是近年来电塑性相关研究已经成为各类成形制造领域的前沿和热点，有望显著改善各类难变形材料的成形性能和加工质量。在轧制领域，主要利用电塑热效应和纯电致效应，通过调整金属组织演变特性和宏观力能参数降低流变应力，达到改善脆性或高硬等难变形带材加工困难、塑性差的目的，另外期待解决边裂、微裂纹或微孔洞等工程问题。
然而，相对于棒料、线材或窄条状合金带，大宽厚比难变形宽带的轧制工况非常复杂，在高速轧制过程中非常容易出现翘曲、侧弯、偏移、起浪、加工硬化严重等现场问题。这会导致普通的电流装置夹持困难，电压电流施加困难，通电瞬间易爆火花，且在整个轧制过程中，受通电介质、轧制速度、轧机绝缘等因素的影响非常大，电流密度相对过低或分布不均，难以达到有效阈值，使得宽带轧制的电塑性效应不明显甚至恶化当前工况。截至目前，国内外尚没有关于难变形宽带电塑性效应的相关报道，暂时也缺少有效手段和高效装置，来解决宽带的电塑性轧制难题。
另外，限制电塑性技术发展的另外一个瓶颈是其控制系统。当前，绝大多数的电塑性理论和实验，基本都是针对完全静态或低速准静态的试样开展研究，且在某个试样的连续试验环节中，电压、电流及脉宽和周期等电塑性参数几乎不变，或者改变某项电塑性参数针对不同试样进行多工况测试。然而，对于复杂在线工况或高速动态过程，需要非常可靠的高精度数学模型以及可实时调整的高效控制系统，才能实现电塑性效应的精细在线调控。高效电塑性测控装置及其相应控制系统的缺失，在很大程度上限制了电塑性理论和技术的工业化进程，亟待尽快解决和完善，尤其对于难变形宽带的高速电塑性轧制过程来说，难度不言而喻。
研发高效电塑性轧制装置及其配套智能测控系统，对于改善难变形宽带的轧制工艺，提高其组织性能和力能参数，至关重要。目前还没有发现导电辊的相关发明应用于电塑性轧制装置。本发明将导电辊和配套的工作辊应用四辊轧机，进行难变形带材的轧制生产。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供了一种用于超硬合金带、高强钢及各类脆性或高硬等难变形宽带的电塑性带宽轧制装置，本发明提高难变形宽带的塑性加工能力，使其在低温下也能够获得较好的延伸率，通过调整应力应变关系，改善综合机械性能，同时获得良好的形状尺寸、组织性能和表面质量。
为实现上述目的，本发明是根据以下技术方案实现的：
一种电塑性宽带轧制装置，包括：脉冲电源、内嵌导电块的工作辊、移动式的导电辊和智能电塑测控系统，其特征在于，两个所述脉冲电源分别配置在轧机入口和出口并形成并联回路；所述智能电塑测控系统根据轧制参数离线设定和在线精调电脉冲参数和导电辊位置并获得最佳电塑性效应，提高冷轧难变形宽带的塑性形变能力并调节轧制区的应力应变分布；所述导电辊分别设置在轧机前端和后端，并同步传输电脉冲至难变形宽带中，并在变形区与所述工作辊组接触形成并联回路，强化变形区内难变形宽带的脉冲电流和电塑性效应，改善冷轧难变形宽带在整个轧制过程中的组织形态、形变规律以及变形区接触界面形貌和摩擦状况。
上述技术方案中，在工作辊和导电辊的两侧端部分别安装接触式或非接触式的导电内环；在轴承座固定导电外环，所述导电外环外接脉冲并联电源，导电内环和导电外环构成导电部件。
上述技术方案中，所述在工作辊和导电辊内部分别镶嵌不同数量的导电块，通过导电内环传输脉冲电流给内部的导电块，所述导电块分别给工作辊和导电辊施加不同极性的均匀高能脉冲电流，提高冷轧宽带脉冲电流的均匀分布规律。
上述技术方案中，所述轧机采用四辊轧机，包括左卷筒、右卷筒、导向辊以及张力辊，其中通过左卷筒和所述右卷筒带动带材进行传输，导向辊调节左卷筒或者右卷筒放出的带材越过张力辊。。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
本发明对宽带施加高能均匀电流，提高塑性变形能力，同时根据轧制工艺和形变规律自动调整脉宽、频率、电压、距离等参数，优化冷轧宽带的电流密度和本构关系，实施高效电塑性轧制过程，提高超硬难变形宽带的冷态轧制能力。
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它附图。
图1为本发明的一种电塑性宽带轧制装置示意图；
图2为本发明的高能电脉冲并联结构示意图；
图3为本发明的工作辊或导电辊内部结构示意图；
图4为本发明的非接触式导电部件结构示意图；
图5为本发明的非接触式导电环示意图；
图6为本发明的径向接触式导电部件结构示意图；
图7-1及图7-2为本发明的径向接触式导电环示意图；
图8为本发明的轴向接触式导电部件结构示意图；
图9-1及图9-2为本发明的轴向接触式导电环示意图；
其中，附图标记：1：左卷筒；2：带材；3：左导向辊；4：左张力辊；5：左下导电辊；6：左上导电辊；7：左脉冲电源；8：下工作辊；9：上工作辊；10：上支承辊；11：下支承辊；12：右脉冲电源；13：右上导电辊；14：右下导电辊；15：右张力辊；16：右导向辊；17：右卷筒；18：辊体；19：导电块；20：内导线；21：导电轴头；22：挡环；23：轴承座；24：轴承；25：轴承外绝缘套；26：调整套筒；27：端盖；28：外导线；29：外磁环；30：内磁环；31：锁紧螺母和键组合件；32：轴承内环顶套；33：绝缘挡环；29-1：径向外环；29-2：径向外环弹簧；29-3：径向内导电环；30-1：径向内环；30-2：径向内环弹簧；30-3：径向内环碳刷；29-I：轴向外环；29-II：轴向外环弹簧；29-III：轴向内环导电环；30-I：轴向内环；30-II：轴向内环弹簧；30-III：轴向内环碳刷。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“径向”、“轴向”、“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明在轧机机前机后各增装1套电脉冲装置，电脉冲装置释放高能脉冲电流，途径导电辊、带材和工作辊，形成电脉冲回。脉冲电流能改变带材内部的力能参数和微观组织形态，提高硬质合金带的塑性和可轧性。其中，导电辊和工作辊内部结构类似，分别镶嵌不同尺寸和数量的导电块，通过感应磁环或碳刷滑环传输高能脉冲电流。此外，导电辊可沿轧向移动，根据带材规格和轧制参数调整，自动调整导电辊与工作辊之间的距离，获得最佳的电塑性特征参数。
如图1所示，本发明的一种电塑性宽带轧制装置，包括：左脉冲电源7和右脉冲电源12、内嵌导电块的工作辊、移动式的导电辊和智能电塑测控系统，两个所述脉冲电源分别配置在轧机入口和出口并形成并联回路；所述智能电塑测控系统根据轧制参数离线设定和在线精调电脉冲参数和导电辊位置并获得最佳电塑性效应，提高冷轧难变形宽带的塑性形变能力并调节轧制区的应力应变分布；所述导电辊分别设置在轧机前端和后端，并同步传输电脉冲至难变形宽带中，并在变形区与所述工作辊组接触形成并联回路，强化变形区内难变形宽带的脉冲电流和电塑性效应，改善冷轧难变形宽带在整个轧制过程中的组织形态、形变规律以及变形区接触界面形貌和摩擦状况。
其中，智能电塑测控系统主要包括传感检测部分、信息处理部分、信息传输部分和信息控制部分。传感检测主要包括带钢温度、轧制力、带钢出入口厚度、前后张力及带钢内部电流，信息处理部分为电塑性效应下的金属模型和辊系模型耦合的智能电塑性轧制模型，信息传输部分主要为有线传输，信息控制部分主要有脉冲电源输出、导电辊位移、轧机转速等。
左脉冲电源7、右脉冲电源12为金属带材提供高能脉冲电流，施加在工作辊和导电辊的脉冲电源参数为：脉冲宽度5-1000μs，频率10-1000Hz，电流密度幅值为10-5000A/mm2。
轧机采用四辊轧机，四辊轧机工作辊直径小，可以轧制更薄精度更高的带材。该轧机有左卷筒1、右卷筒17、左导向辊3、右导向辊16和左张力辊4、右张力辊15。由左卷筒1、右卷筒17带动带材进行传输，传输速度为0.1-30m/s。
左下导电辊5、左上导电辊6和右上导电辊13、右下导电辊14和下工作辊8、上工作辊9与所述的四辊轧机机架部分绝缘。左下导电辊5、左上导电辊6和下工作辊8、上工作辊9分别连接于左脉冲电源7两输出端，输出的高能脉冲电流用于加工材料的电塑性轧制。右上导电辊13、右下导电辊14和下工作辊8、上工作辊9分别连接于右脉冲电源12两输出端，输出的高能脉冲电流用于强化轧制变形区的电流密度和对已加工完板带的低温电塑性退火，降低材料位错密度、提高材料性能和塑性成形的能力。图1中左下导电辊5、左上导电辊6连接左脉冲电源7的正输出端，另一端连接下工作辊8、上工作辊9。右上导电辊13、右下导电辊14连接右脉冲电源12的正输出端，另一端连接下工作辊8、上工作辊9。根据被加工材料的不同左导电辊与上下工作辊的距离维持在0-800mm，右导电辊组与上下工作辊的距离维持在0-800mm。为降低电路内的电阻导电辊外辊材质，选择导电性良好的耐磨材料。
如图2所示，本发明的高能电脉冲并联结构是在轧辊上施加脉冲电流的轧制方法，轧制方向从左致右，在左导电辊、入口带钢、轧辊上施加左脉冲电流，在右导电辊、出口带钢、轧辊上施加右脉冲电流，形成的两个电流回路共同性形成了新的脉冲并联回路。两条脉冲电流回路在轧制变形区域实现了加强电流密度的目的。
图3的工作辊与导电辊的结构示意图中，上下工作辊结构相同。图2所示，工作辊和导电辊辊身长度相同，这样可以保证带钢的电流密度分布尽可能的均匀。导电辊和工作辊内部结构类似，分别镶嵌不同尺寸和数量的导电块。工作辊与导电辊直径不同，由于在轧制过程中作用不同，导电辊要保证耐磨性和导电性，工作辊保证刚度和耐磨性等，所以工作辊直径比导电辊直径大。工作辊和导电辊的辊体18材质为GCr15，是导电辊体、空心轴件，轧辊要求表面淬火。辊体18两端与导电轴头21通过螺栓连接并固定。导电轴头21沿轴向是空心轴体，方便导线从外部接入到轧辊内部导电块，有效降低脉冲电流回路中的电阻。挡环22用于固定轴承内圈。
如图4非接触式导电环示意图中，轴承与轴承座之间加入轴承外绝缘套25和绝缘挡环33，保证了工作辊、导电辊机架的直接接触。绝缘套25和调整套筒26通过螺栓与轴承座23固定相连。
在图6径向接触式导电部件结构示意图中，以导电辊为例，脉冲电正极流经外导线28、径向接触式外环29-1、径向接触式外环弹簧29-2、径向接触式内环导电环29-3、径向接触式内环碳刷30-3、径向接触式内环弹簧30-2、径向接触式内环30-1、回路导线、导电块、导电辊辊体，电流流入带钢。
在图8轴向接触式导电部件结构示意图中，以导电辊为例，脉冲电正极流经外导线28、轴向接触式外环29-I、轴向接触式外环弹簧29-II、轴向接触式内环导电环29-III、轴向接触式内环碳刷30-III、轴向接触式内环弹簧30-II、轴向接触式内环30-I、工作辊内部形成了一个连通的电路。脉冲电源正极、导电辊、带钢、导电工作辊、脉冲电源负极形成电流回路。
本发明将导电辊和脉冲电源输出的控制与电塑性轧制成功应用于难加工材料的轧制，通过控制左下导电辊5、左上导电辊6与工作辊的距离来调节电塑性效应与焦耳效应对带钢流变应力综合作用效果，直观效果即是轧制力的改变。通过控制右上导电辊13、右下导电辊14与工作辊的距离来调控带钢在电致塑性作用下的时间，从而改善轧制后带钢的机械性能。通过调整电压、频率和材料在线处理时间可以改变轧制后带材的力学性能，达到最优电压、频率、处理时间后带材可以在几十秒内完成完全退火，而高频可能会造成材料机械性能的降低。通过在线控制手段使得电塑性在线退火后材料的机械性能更容易被改善。
本发明在轧制引入脉冲电源和控制手段减小了塑性变形引起的位错缠结，有助于位错越过缺陷和晶界，促进位错的运动，降低位错密度和变形力。并且高能电脉冲降低了位错滑移所需要的激活能，有助于交滑移，提高了材料的塑性成形能力，有效降低成形时的变形抗力。
实施例
加工料为退火304不锈钢，宽度100mm，厚度0.5mm，各道次压下量为0.1mm。
参照图1至图9，参照四辊可逆轧机轧制5带材实验为例，包括左卷筒1、右卷筒17、左导向辊3和右导向辊16、左张力辊4和右张力辊15、左下导电辊5和左上导电辊6、右上导电辊13和右下导电辊14，左右导电辊之间的是一对设计的导电工作辊组，上轧辊组由上支撑辊和上工作辊组成，下轧辊组由下支撑辊和下工作辊组成。左导向辊3用于调节左卷筒1放出的带材越过左张力辊4，穿过左下导电辊5和左上导电辊6进入轧辊组，右上导电辊13和右下导电辊14、右张力辊15、右导向辊16和右卷筒17用于调节带材的方向。使带材轧制方向保持不变，两组导电辊使得带材轧制过程中始终保持水平。
采用图1连接方式和本发明所述的工作辊和导电辊，左脉冲电源7正输出端连接左下导电辊5和左上导电辊6，脉冲电源负输出端连接上工作辊，在轧制过程中两者与带钢形成电流回路，实现电塑性轧制。
启动轧机，轧机低速稳定轧制后打开左脉冲电源7，防止尖端放电出现的电火花，轧制结束前关闭脉冲电源再关闭轧机。逆向轧制时将关闭左脉冲电源7，打开右脉冲电源12。
在轧制过程中，通过对轧制带材施加脉冲电源，高能电脉冲能有效地降低材料的加工硬化程度，提高其塑性变形性能，从而可以在不进行中间退火的情况下，增加轧制道次，提高总变形量，轻松获得更薄的板材带材。脉冲电流的施加还能抑制遍布裂纹的扩展、改善表面形貌、提高轧制带材的质量、提高成材率。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (2)
1.一种电塑性宽带轧制装置，包括：脉冲电源、内嵌导电块的工作辊、移动式的导电辊和智能电塑测控系统，其特征在于，两个所述脉冲电源分别配置在轧机入口和出口并形成并联回路；所述智能电塑测控系统根据轧制参数离线设定和在线精调电脉冲参数和导电辊位置并获得最佳电塑性效应，提高冷轧难变形宽带的塑性形变能力并调节轧制区的应力应变分布；所述导电辊连接脉冲电源正极并分别设置在轧机前端和后端，同步传输脉冲电流至冷轧难变形宽带，脉冲电流汇集在轧制变形区形成并联回路，流入连接在脉冲电源负极的工作辊组，强化变形区内冷轧难变形宽带的脉冲电流和电塑性效应，改善冷轧难变形宽带在整个轧制过程中的组织形态、形变规律以及变形区接触界面形貌和摩擦状况,在工作辊和导电辊的两侧端部分别安装接触式或非接触式的导电内环；在轴承座固定导电外环，所述导电外环外接脉冲电源，导电内环和导电外环构成导电部件,所述工作辊和导电辊内部分别镶嵌不同数量的导电块，通过导电内环传输脉冲电流给内部的导电块，所述导电块分别给工作辊和导电辊施加不同极性的均匀高能脉冲电流，提高冷轧难变形宽带脉冲电流的均匀分布规律。
2.根据权利要求1所述的一种电塑性宽带轧制装置，其特征在于，所述轧机采用四辊轧机，包括左卷筒、右卷筒、导向辊以及张力辊，其中通过左卷筒和所述右卷筒带动冷轧难变形宽带进行传输，导向辊调节左卷筒或者右卷筒收放的冷轧难变形宽带，冷轧难变形宽带越过张力辊进入导电辊，穿过工作辊，穿出另一端导电辊、张力辊和导向辊进入卷筒，左、右张力辊同时对冷轧难变形宽带纵向张力进行调节。
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