CN112958625B - 一种铝合金超宽板的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铝合金超宽板的制备方法，包括有以下步骤：熔铸、均匀化热处理、机加工、加热、热轧和矫直；在机加工中，切除铸锭的头尾部、并铣削铸锭的表面凝壳层后，沿铸锭热轧方向切除铸锭的两侧的上下棱角，以在铸锭热轧方向的两侧的上下棱角处形成斜面，其中斜面的水平角度为20°~40°，端部居中厚度保留为铣面后铸锭厚度的1/3~1/2。本发明通过优化铸锭规格形状，能够大幅缩窄安全距离值，从而突破产品宽度设计极限，最终达到实现热态坯料宽度与轧辊宽度齐平、冷态切边产品宽度与轧辊宽度相当的效果，充分释放装备的潜能。
Description
技术领域
本发明涉及铝合金轧制技术领域，尤其涉及一种铝合金超宽板的制备方法。
背景技术
铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。
铝合金厚板通过热轧机生产制备，轧制产品宽度受热轧机轧辊限制。轧辊主要由辊身、辊颈和轴头3部分组成。辊身是实际参与轧制金属的轧辊中间部分，也是直接决定着轧机能生产极限轧制产品宽度的关键部件。大型轧机设备技术规格说明书中，出于可操作性及安全等角度考虑，规定轧制产品极限宽度往往比辊身宽度小约200～300mm。如轧机辊身宽度4100mm，轧制产品宽度≤3800mm；轧机辊身宽度3300mm，轧制产品宽度≤3100mm。
中国专利CN 104289518 B公开了一种超宽幅的铝及铝合金中厚板轧制方法，其通过转向装置使铸锭(板坯)沿着自身纵轴线转动0～90°，进入轧辊斜轧或者横轧，得到宽度大于原始铸锭(板坯)的成品中厚板，该方法可以解决窄宽度规格原始铸锭(板坯)生产超宽幅中厚板的难题。受结晶器影响，铸锭宽度不能实现与轧辊宽度匹配的问题，该专利采用横轧技术，成品宽度远大于铸锭投入宽度，但是该专利使用的横轧技术仍旧不能更大化释放设备能力，热轧机产品设计宽度受到轧辊辊身宽度的制约，从设备安全生产的角度考虑，必须预留有较大安全距离值，未能充分释放装备的潜能。
发明内容
针对以上不足，本发明提供一种铝合金超宽板的制备方法，能够减少安全距离值，充分释放装备的潜能。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种铝合金超宽板的制备方法，包括有以下步骤：熔铸、均匀化热处理、机加工、加热、热轧和矫直；在机加工中，切除铸锭的头尾部、并铣削铸锭的表面凝壳层后，沿铸锭热轧方向切除铸锭的两侧的上下棱角，以在铸锭热轧方向的两侧的上下棱角处形成斜面，其中斜面的水平角度为20°～40°，端部居中厚度保留为铣面后铸锭厚度的1/3～1/2。
优选的，在机加工中，切除铸锭的头尾部、并铣削铸锭的表面凝壳层后，切除铸锭的头尾部的上下棱角，以在铸锭的头尾部的上下两侧形成斜面，其中斜面的水平角度为20°～40°，端部居中厚度保留为铣面后铸锭厚度的1/3～1/2；在热轧中，将铸锭沿自身轴线转动90°，以进行横轧。
优选的，在热轧中，开轧温度控制在350℃～500℃，轧成50mm～210mm的厚板，终轧温度控制在290℃～450℃。
优选的，在热轧中，采用0.4～0.6m/s的轧制速度、单道次10mm～15mm的压下量，并每轧2～3个道次后使用立辊来回轧制2～3次。
优选的，在均匀化热处理中，热处理温度为480℃～540℃，保温时间为8h～24h，然后冷却至室温。
优选的，在加热中，将机加工后的扁锭加热至360℃～510℃，保温时间3h～25h。
优选的，在矫直中，将热轧板在拉伸机上经过冷变形量0.3％～1.0％的拉伸矫直。
优选的，铝合金超宽板的制备方法还包括有步骤无损探伤，拉伸矫直后的板坯进行水浸式无损探伤，按照验收等级进行判定，确保板材内部质量良好。
优选的，铝合金超宽板的制备方法还包括有步骤锯切，经过无损探伤合格的板材，按要求进行成品定尺锯切。
现有技术的缺点是热轧机产品设计宽度受到轧辊辊身宽度的制约，从设备安全生产的角度考虑，必须预留有较大安全距离值，未能充分释放装备的潜能。对于大型轧机，该安全距离值一般设定为200～300mm。如轧机辊身宽度4100mm，轧制产品宽度≤3800mm；轧机辊身宽度3300mm，轧制产品宽度≤3100mm。
本发明优化工艺方案，在机加工中，切除铸锭的头尾部、并铣削铸锭的表面凝壳层后，沿铸锭热轧方向切除铸锭的两侧的上下棱角，以在铸锭热轧方向的两侧的上下棱角处形成斜面，形成一种整体呈“鞍形”的结构，其中斜面的水平角度为20°～40°，端部居中厚度保留为铣面后铸锭厚度的1/3～1/2。通过把铸锭加工成鞍形，可以有效控制轧制过程金属的流向，减小了开轧时自然宽展量，为轧制中后期顺利使用立辊限制铸锭边缘金属流动，确保板坯宽度可控和保障设备的安全奠定基础。
本发明中，降低热轧开轧温度，减少扁锭受热膨胀量，在轧机固定的情况下，有效增加扁锭投入长度，同时降低热轧终轧温度，减少自然冷却收缩量，是提高成品宽度最主要的关键点；使用超低轧制速度及降低道次压下量，防止板坯打滑跑偏；并每轧2～3个道次后使用立辊来回轧制2～3次，防止自然宽展效应使宽度超过辊身宽度，使热轧板坯的自然宽展得到有效控制。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过优化铸锭规格形状，能够大幅缩窄安全距离值，从而突破产品宽度设计极限，最终达到热态坯料宽度与轧辊宽度齐平、冷态切边产品宽度与轧辊宽度相当的效果，充分释放装备的潜能。
以宽度≥4000mm的超宽板为例，按常规方法，若要产出宽度≥4000mm的超宽板，则必须使用辊身宽度达到4300mm的热轧机方能实现，而采用本发明技术，使用辊身宽度4100mm热轧机便可生产≥4000mm的超宽板。同品牌的4100mm热轧机设备成本投入比4300mm热轧机可节约数亿元，可为计划建热轧厂企业节约大量资金投入。对于已建成投产的企业，可进一步释放轧机设备潜能，提升企业硬实力及市场竞争力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，以下将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明实施例中机加工后铸锭的形状示意图；
图2为本发明实施例中热轧时铸锭的方位示意图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
表1为常用的5052铝合金合金成分(wt％)表，本发明的对比例和实施例中所选用的5052铝合金均采用表1的合金组分。
表1 5052铝合金合金成分(wt％)表
实施例1
本优选的实施例提供一种铝合金超宽板的制备方法，包括以下步骤：
(1)熔铸：按表1的合金成分进行配料，接着进行必要的熔炼、精炼、除杂后，铝液进入到热顶，按需半连续铸造成550mm×2650mm×4800mm(厚×宽×长，以下表示方式均相同)的铸锭。其中，熔铸中的熔炼、精炼、除杂等工序参照现有技术以进行。
(2)均匀化热处理：将上述铸锭放进均热炉中进行均匀化处理，升温时间为8h，保温时间为24h，保温温度设定为480℃，保温完成，将铸锭移出均热炉，自然冷却。
(3)机加工：铸锭均匀化热处理后，在带锯上有效切除铸锭的头尾部，并用铣面机铣削铸锭的表面凝壳层，最后结合轧制时的金属流体力学，为了精确调控金属沿轧制方向延展和自然宽展的匹配关系，使用水平据切除铸锭的头尾部的上下棱角，以在铸锭的头尾部的上下两侧形成斜面，以形成一种整体呈“鞍形”的结构，可参照图1，其中斜面的水平角度为30°，端部居中厚度保留为铣面后铸锭厚度的1/3。机加工后扁锭规格为520mm×2620mm×4030mm。
(4)加热：将机加工后的扁锭加热至510℃，保温时间3h，扁锭受热膨胀，出炉后测量扁锭长度为4080mm。
(5)热轧：使用65MN的4100mm热轧机将扁锭沿自身轴线转动90°，也即长宽对调后以进行横轧，可参照图2，开轧温度500℃，轧制过程中，采用0.5m/s低速、单道次10mm～15mm小压下量手动轧制，防止打滑跑偏，并每轧两个道次后使用立辊来回轧制两次，防止自然宽展效应使宽度超过辊身宽度4100mm。目标厚度为210mm，终轧温度为450℃，热态板坯宽度4100mm。轧制完成后将板坯卸至平板车上自然冷却至室温(20℃)，板坯宽度收缩至4061mm，即板坯规格为210mm×4061mm×L。
(6)矫直：将上述210mm×4061mm×L板坯拉伸矫直，拉伸率为0.3％。
(7)无损探伤：将上述经过拉伸矫直的板坯进行水浸式无损探伤，结果满足GB/T6519 A级验收标准。
(8)锯切：将经过上述探伤合格的板材，把两侧边在轧制过程中产生的凹槽完全切除后，成品板材规格为210mm×4030mm×4610mm成品，验收包装。
实施例2
本优选的实施例提供一种铝合金超宽板的制备方法，包括以下步骤：
(1)熔铸：按表1的合金成分进行配料，接着进行必要的熔炼、精炼、除杂后，铝液进入到热顶，按需半连续铸造成550mm×2650mm×4850mm的铸锭。其中，熔铸中的熔炼、精炼、除杂等工序参照现有技术以进行。
(2)均匀化热处理：将上述铸锭放进均热炉中进行均匀化处理，升温时间为8h，保温时间为24h，保温温度设定为480℃，保温完成，将铸锭移出均热炉，自然冷却。
(3)机加工：铸锭均匀化热处理后，在带锯上有效切除铸锭的头尾部，并用铣面机铣削铸锭的表面凝壳层，最后结合轧制时的金属流体力学，为了精确调控金属沿轧制方向延展和自然宽展的匹配关系，使用水平据切除铸锭的头尾部的上下棱角，以在铸锭的头尾部的上下两侧形成斜面，以形成一种整体呈“鞍形”的结构，可参照图1，其中斜面的水平角度为30°，端部居中厚度保留为铣面后铸锭厚度的1/2。机加工后扁锭规格为520mm×2620mm×4050mm。
(4)加热：将机加工后的扁锭加热至360℃，保温时间25h，扁锭受热膨胀，出炉后测量扁锭长度为4085mm；
(5)热轧：使用65MN的4100mm热轧机将扁锭沿自身轴线转动90°，也即长宽对调后以进行横轧，可参照图2，开轧温度350℃，轧制过程中，采用0.5m/s低速、单道次10mm～15mm小压下量手动轧制，防止打滑跑偏，并每轧两个道次后使用立辊来回轧制两次，防止自然宽展效应使宽度超过辊身宽度4100mm。目标厚度为155mm，终轧温度为290℃，热态板坯宽度4100mm。轧制完成后将板坯卸至平板车上自然冷却至室温(20℃)，板坯宽度收缩至4083mm，即板坯规格为155mm×4083mm×L。
(6)矫直：将上述155mm×4083mm×L板坯拉伸矫直，拉伸率0.3％。
(7)无损探伤：将上述经过拉伸矫直的板坯进行水浸式无损探伤，结果满足GB/T6519 A级验收标准。
(8)锯切：将经过上述探伤合格的板材，把两侧边在轧制过程中产生的凹槽完全切除后，成品板材规格为155mm×4050mm×4610mm成品，验收包装。
实施例3
本优选的实施例提供一种铝合金超宽板的制备方法，包括以下步骤：
(1)熔铸：按表2的合金成分进行配料，接着进行必要的熔炼、精炼、除杂后，铝液进入到热顶，按需半连续铸造成550mm×2650mm×4850mm的铸锭。其中，熔铸中的熔炼、精炼、除杂等工序参照现有技术以进行。
表2 3003-H112铝合金合金成分(wt％)表
(2)均匀化热处理：将上述铸锭放进均热炉中进行均匀化处理，升温时间为8h，保温时间为24h，保温温度设定为480℃，保温完成，将铸锭移出均热炉，自然冷却。
(3)机加工：铸锭均匀化热处理后，在带锯上有效切除铸锭的头尾部，并用铣面机铣削铸锭的表面凝壳层，最后结合轧制时的金属流体力学，为了精确调控金属沿轧制方向延展和自然宽展的匹配关系，使用水平据切除铸锭的头尾部的上下棱角，以在铸锭的头尾部的上下两侧形成斜面，以形成一种整体呈“鞍形”的结构，可参照图1，其中斜面的水平角度为30°，端部居中厚度保留为铣面后铸锭厚度的2/5。机加工后扁锭规格为520mm×2620mm×4050mm。
(4)加热：将机加工后的扁锭加热至360℃，保温时间25h，扁锭受热膨胀，出炉后测量扁锭长度为4084mm；
(5)热轧：使用65MN的4100mm热轧机将扁锭沿自身轴线转动90°，也即长宽对调后以进行横轧，可参照图2，开轧温度350℃，轧制过程中，采用0.5m/s低速、单道次10mm～15mm小压下量手动轧制，防止打滑跑偏，并每轧两个道次后使用立辊来回轧制两次，防止自然宽展效应使宽度超过辊身宽度4100mm。目标厚度为50mm，终轧温度为290℃，热态板坯宽度4100mm。轧制完成后将板坯卸至平板车上自然冷却至室温(20℃)，板坯宽度收缩至4082mm，即板坯规格为50mm×4082mm×L。
(6)矫直：将上述50mm×4082mm×L板坯拉伸矫直，拉伸率0.3％。
(7)无损探伤：将上述经过拉伸矫直的板坯进行水浸式无损探伤，结果满足GB/T6519 A级验收标准。
(8)锯切：将经过上述探伤合格的板材，把两侧边在轧制过程中产生的凹槽完全切除后，成品板材规格为50mm×4050mm×4610mm成品，验收包装。
对比例1
本对比例提供一种对比例，其为一种铝合金超宽板的制备方法，包括以下步骤：
(1)熔铸：按表1的合金成分进行配料，接着进行必要的熔炼、精炼、除杂后，铝液进入到热顶，按需半连续铸造成550mm×2650mm×4500mm的铸锭。其中，熔铸中的熔炼、精炼、除杂等工序参照现有技术以进行。
(2)均匀化热处理：将上述铸锭放进均热炉中进行均匀化处理，升温时间为9h，保温时间为8h，保温温度设定为540℃，保温完成，将铸锭移出均热炉，自然冷却。
(3)机加工：铸锭均匀化热处理后，在带锯上有效切除铸锭的头尾部，并用铣面机铣削铸锭的表面凝壳层，机加工后扁锭规格为520mm×2620mm×3750mm。
(4)加热：将机加工后的扁锭加热至510℃，保温时间3h，扁锭受热膨胀，出炉后测量扁锭长度为3800mm；
(5)热轧：使用65MN的4100mm热轧机将扁锭将扁锭沿自身轴线转动90°，也即长宽对调后以进行横轧，开轧温度500℃，轧制过程中，采用1.0m/s中低速、单道次15mm～25mm压下量手动轧制，防止打滑跑偏，目标厚度为50mm，终轧温度为450℃，热态板坯宽度3840mm。轧制完成后将板坯卸至平板车上自然冷却至室温(20℃)，板坯宽度收缩至3800mm，即板坯规格为50mm×3800mm×L。
(6)矫直：将上述50mm×3800mm×L板坯拉伸矫直，拉伸率1.0％。
(7)无损探伤：将上述经过拉伸矫直的板坯进行水浸式无损探伤，结果满足GB/T6519 A级验收标准。
(8)锯切：将经过上述探伤合格的板材，把两侧边在轧制过程中产生的凹槽完全切除后，成品板材规格为50mm×3750mm×4610mm成品，验收包装。
对比例2
本对比例提供，其为一种铝合金超宽板的制备方法，包括以下步骤：
(1)熔铸：按表1的合金成分进行配料，接着进行必要的熔炼、精炼、除杂后，铝液进入到热顶，按需半连续铸造成550mm×2650mm×4800mm的铸锭。其中，熔铸中的熔炼、精炼、除杂等工序参照现有技术以进行。
(2)均匀化热处理：将上述铸锭放进均热炉中进行均匀化处理，升温时间为9h，保温时间为8h，保温温度设定为540℃，保温完成，将铸锭移出均热炉，自然冷却。
(3)机加工：铸锭均匀化热处理后，在带锯上有效切除铸锭的头尾部，并用铣面机铣削铸锭的表面凝壳层，机加工后扁锭规格为520mm×2620mm×4030mm。
(4)加热：将机加工后的扁锭加热至510℃，保温时间3h，扁锭受热膨胀，出炉后测量扁锭长度为4080mm。
(5)热轧：使用65MN的4100mm热轧机将扁锭扁锭沿自身轴线转动90°，也即长宽对调后以进行横轧，开轧温度500℃，轧制过程中，采用0.5m/s低速、单道次10mm～15mm小压下量手动轧制，防止打滑跑偏，并每轧两个道次后使用立辊来回轧制两次，防止自然宽展效应使宽度超过辊身宽度4100mm。目标厚度为150mm，终轧温度为450℃，热态板坯宽度4090mm。轧制完成后将板坯卸至平板车上自然冷却至室温(20℃)，板坯宽度收缩至4048mm，即板坯规格为150mm×4048mm×L。
(6)矫直：将上述150mm×4048mm×L板坯拉伸矫直，拉伸率0.5％。
(7)无损探伤：将上述经过拉伸矫直的板坯进行水浸式无损探伤，结果满足GB/T6519 A级验收标准。
(8)锯切：将经过上述探伤合格的板材，把两侧边在轧制过程中产生的凹槽完全切除后，成品板材规格为150mm×4000mm×4610mm成品，验收包装。
表3各示例制备的铝合金板材的指标情况
从表3中可看出，实施例1至3获得的铝合金板材，其板材宽度与轧辊宽度相当，表明通过本发明的方法制备铝合金能够大幅缩窄安全距离值，突破产品宽度设计极限，最终达到实现热态坯料宽度与轧辊宽度齐平、冷态切边产品宽度与轧辊宽度相当的效果，充分释放装备的潜能。
所有示例的室温拉伸性能均满足指标要求，无损探伤等级较高，表明板材性能符合使用要求。对比例1和2与实施例1和2对比得知，降低终轧温度，产品的屈服强度有小幅提升，延伸率则相应的降低，而抗拉强度无明显变化。
表4各示例制备方法中的部分相关参数
表4给出了各示例制备方法中的部分相关参数，由表4可以看出，从实施例1和实施例2对比得知，利用金属材料的热胀冷缩随温度变化而变化的线性关系，通过降低铸锭加热温度(开轧温度)，减小热膨胀量，可以进一步增加投入铸锭长度，并通过控制终轧温度来控制板坯冷却过程的冷收缩量，最终达到产品宽度在实施例1的基础上提升了20mm的效果，且产品宽度增量与投锭增量相当，表明通过降低铸锭加热温度(开轧温度)，减小热膨胀量，可以进一步增加投入铸锭长度，并通过控制终轧温度来控制板坯冷却过程的冷收缩量，可进一步缩窄安全距离值，增加板材宽度。从实施例2和实施例3对比得知，不同系列的不可热处理合金，使用本发明技术可实现同等效果。
从实施例1和对比例2对比得知，扁锭长度及热轧工艺一致的情况下，通过改变铸锭形状(指本发明所说的“鞍形”)，最终达到产品宽度在对比例2的基础上提升了30mm的目的。其主要原因为开轧初期，道次压下量小，扁锭表层变形大、芯部变形小，表层金属沿着轧制方向延展的同时，自然宽展效应较大，使得表层宽度逐渐与芯部宽度齐平；到轧制中后期时，扁锭厚度较小，随着道次压下量适当的增加，扁锭表层及芯部变形相对较均匀，扁锭整体主要沿着轧制方向延展，自然宽展效应较小，通过配合立辊有效限宽，改善侧边凹槽深度，最终通过减少凹槽切除量来达到提升切边产品宽度的效果。
从对比例1和对比例2和实施例的对比得知，通过使用降低轧制速度及降低道次压下量，并配合使用立辊，有效控制板坯的打滑跑偏以及自然宽展效应，使得轧制产品切边宽度变大，比设备规格书规定的宽度有大幅提升。
综上，从5个示例可看出，使用同一台辊身宽度地热轧机，通过优化设计扁锭机加工后的形状、调整扁锭加热温度、开轧温度、终轧温度等工艺参数，有效控制轧制过程金属的流向、热膨胀量和冷收缩量，并通过铸锭加工精度和轧制精度的精准控制，成品宽度得到显著提高，突破了产品宽度设计极限，安全生产距离值由设备生产设计的200～300mm缩减至50mm。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种铝合金超宽板的制备方法，包括有以下步骤：熔铸、均匀化热处理、机加工、加热、热轧和矫直，其特征在于：在机加工中，切除铸锭的头尾部、并铣削铸锭的表面凝壳层后，沿铸锭热轧方向切除铸锭的两侧的上下棱角，以在铸锭热轧方向的两侧的上下棱角处形成斜面，其中斜面的水平角度为20°~40°，端部居中厚度保留为铣面后铸锭厚度的1/3~1/2，通过把铸锭加工成鞍形，有效控制轧制过程金属的流向，减小了开轧时自然宽展量，以助于在轧制中后期使用立辊限制铸锭边缘金属流动；
在热轧中，开轧温度控制在350℃～500℃，轧成50mm~210mm的厚板，终轧温度控制在290℃～450℃，降低热轧开轧温度，减少扁锭受热膨胀量，在轧机固定的情况下，有效增加扁锭投入长度，同时降低热轧终轧温度，减少自然冷却收缩量；
采用0.4~0.6m/s的轧制速度、单道次10mm~15mm的压下量，使用超低轧制速度及降低道次压下量，防止板坯打滑跑偏，并每轧2~3个道次后使用立辊来回轧制2~3次，防止自然宽展效应使宽度超过辊身宽度，使热轧板坯的自然宽展得到有效控制。
2.根据权利要求1所述的铝合金超宽板的制备方法，其特征在于：在机加工中，切除铸锭的头尾部、并铣削铸锭的表面凝壳层后，切除铸锭的头尾部的上下棱角，以在铸锭的头尾部的上下两侧形成斜面，其中斜面的水平角度为20°~40°，端部居中厚度保留为铣面后铸锭厚度的1/3~1/2；在热轧中，将铸锭沿自身轴线转动90°，以进行横轧。
3.根据权利要求1所述的铝合金超宽板的制备方法，其特征在于：在均匀化热处理中，热处理温度为480℃~540℃，保温时间为8h~24h，然后冷却至室温。
4.根据权利要求1所述的铝合金超宽板的制备方法，其特征在于：在加热中，将机加工后的扁锭加热至360℃～510℃，保温时间3h～25h。
5.根据权利要求1所述的铝合金超宽板的制备方法，其特征在于：在矫直中，将热轧板在拉伸机上经过冷变形量0.3%~1.0%的拉伸矫直。
6.根据权利要求1所述的铝合金超宽板的制备方法，其特征在于：还包括有步骤无损探伤，拉伸矫直后的板坯进行水浸式无损探伤。
7.根据权利要求6所述的铝合金超宽板的制备方法，其特征在于：还包括有步骤锯切，经过无损探伤合格的板材，按要求进行成品定尺锯切。
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