鎂合金板帶材目前成為國內(nèi)外科研機構(gòu)和生產(chǎn)企業(yè)研制、開發(fā)和工業(yè)化生產(chǎn)的熱點。鎂板熱軋機主要用于鎂合金鑄錠的開坯軋制和中厚板產(chǎn)品的成品軋制，因而其機組配置和裝機水平對產(chǎn)品的質(zhì)量起到非常重要的作用。通過對目前國內(nèi)外鎂板熱軋機應(yīng)用現(xiàn)狀、機組組成、工藝特點和設(shè)備參數(shù)的介紹和分析，針對鎂板熱軋工藝需求重點對專業(yè)化的熱軋機設(shè)計選型和機組配置進行了分析和建議。

　　鎂板熱軋機的作用主要是針對生產(chǎn)工藝需求進行鎂合金鑄錠熱軋開坯和中厚板成品軋制，進而生產(chǎn)出合格的中間板坯和最終成品板材。熱軋機的工藝設(shè)計理念、機組部件配置、控制精度等裝機水平直接決定著鎂板產(chǎn)品的力學(xué)性能、尺寸公差和表面質(zhì)量。

　　鎂板的熱軋工藝及控制是常規(guī)結(jié)構(gòu)金屬材料中難度最大的，生產(chǎn)工藝和熱軋機等設(shè)備的設(shè)計計算無法采用軋鋼、軋銅、軋鋁的常規(guī)計算公式(金屬晶體類別不同)。因而，通過對鎂板熱軋工藝的分析進而有針對性的設(shè)計熱軋機就顯得尤為重要。

　　1、鎂板熱軋技術(shù)難點

　　導(dǎo)致鎂板生產(chǎn)難度大的因素很多，但最主要還是鎂的滑移系少，室溫塑性變形能力差，只有溫度升高到220℃以上時，鎂板才能獲得較好的變形能力。鎂板軋制過程中易產(chǎn)生裂紋、產(chǎn)品存在各向異性、生產(chǎn)效率低、成品率低等。鎂板熱軋技術(shù)難點如下：

　　(1)鎂的晶體結(jié)構(gòu)為密排六方，力學(xué)性能呈現(xiàn)出顯著的各向異性，常溫下僅有三個滑移面(基面、棱錐面、棱柱面)和一個滑移方向，生產(chǎn)過程中變形抗力高，因而鎂板軋制變形難度大;

　　(2)鎂在常溫或潮濕狀態(tài)下容易和空氣和水蒸汽發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，尤其是溫度超過400℃時與氧氣的反應(yīng)劇烈，其氧化膜變?yōu)槎嗫谞?、較厚且向基體內(nèi)部快速生長;

　　(3)鎂板的軋制溫度要求嚴格而且溫度范圍窄、金屬溫降快，應(yīng)變抗力大、加工硬化顯著。另外，如果軋制時的道次壓下率過大或軋制速度過高，不僅熱軋坯料咬入困難，而且還容易出現(xiàn)軋制開裂、產(chǎn)品表面質(zhì)量差、坯料與軋輥出現(xiàn)粘結(jié)等現(xiàn)象。

　　由于以上問題的存在，就要求鎂板的熱軋工藝技術(shù)和軋制設(shè)備必須針對其加工特性進行專門的開發(fā)與設(shè)計。

　　2、國內(nèi)鎂板熱軋機配置特點

　　國內(nèi)鎂板生產(chǎn)企業(yè)規(guī)模都不大、布局分散、企業(yè)綜合實力不強，一些國有大型企業(yè)對于鎂板的生產(chǎn)也以輔助性加工為主。在生產(chǎn)工藝設(shè)備方面，大多使用鋼鐵、鋁、銅或鈦板的軋制設(shè)備，或者是一些“二人轉(zhuǎn)”軋機，甚至是六十年代設(shè)計制造并瀕臨報廢的設(shè)備，而專業(yè)化的鎂板生產(chǎn)設(shè)備較少。熱軋生產(chǎn)過程中的矯直、剪切等精整工序多為離線進行。

　　在2000年以前，國內(nèi)只有中鋁洛銅鋁鎂板帶分廠一家生產(chǎn)企業(yè)進行鎂板的軋制，其熱軋生產(chǎn)線的產(chǎn)能約300t/a，但由于當時市場需求量不高，因而其實際年產(chǎn)量僅為幾十噸，產(chǎn)品主要用于軍工行業(yè)。

　　截止到目前，除了中鋁洛銅鋁鎂板帶分廠外，國內(nèi)利用鋼、鈦、銅鋁等加工設(shè)備輔助性進行熱軋鎂板的企業(yè)近10家，生產(chǎn)線總產(chǎn)能超過1.5萬t/a，實際熱軋產(chǎn)量為500~700t/a。

　　國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)熱軋鎂板所使用的軋機情況及配置特點如下：

　　(1)中鋁洛銅：1600mm二重熱軋機，老式軋機。1600mm二重熱軋機主要由主機架、立輥軋機、機架輥道、中間輥道、回轉(zhuǎn)輥道、導(dǎo)尺、運輸輥道、二重換輥裝置等部件組成，來料鑄錠最大厚度200mm，熱軋成品板材最小厚度6mm，工作輥直徑Φ750mm，最大軋制力12000kN，最高軋制速度180m/min;

　　(2)寶雞鈦業(yè)：3300mm二輥熱軋機，主要進行鈦板熱軋，輔助性生產(chǎn)鎂板，最大軋制力44000kN(其板材熱軋過程中的最大實際軋制力約10000kN);

　　(3)西部材料：2800mm四輥熱軋機，主要進行鈦、鋼板熱軋，輔助性生產(chǎn)鎂板。2800mm四輥熱軋機主要由主機架、立輥、運輸輥道、導(dǎo)尺、十一輥熱矯直機、液壓剪、在線補熱爐等部件組成，來料最大厚度380mm，熱軋成品板材最小厚度4mm，最大軋制力50000kN;

　　(4)營口銀河：1725mm四輥熱軋機，原設(shè)計用于鋼板軋制，設(shè)計改造后專業(yè)用于鎂板的熱軋及工業(yè)化生產(chǎn)。1725mm四輥熱軋機主要由主機架、運輸輥道、在線中頻爐及補熱爐、旋轉(zhuǎn)臺、對中導(dǎo)尺、液壓剪等部件組成，來料鑄錠最大厚度350mm，熱軋成品板材最小厚度5mm，工作輥直徑Φ800mm，支撐輥直徑Φ1500mm，最大軋制力30000kN，最高軋制速度120m/min;

　　(5)重慶奧博：1500mm四輥熱軋機，主要進行鋁板熱軋，輔助性生產(chǎn)鎂板;

　　(6)中色科技：1600mm四輥熱軋機，原設(shè)計為銅、鋁、鎂、鈦產(chǎn)業(yè)化加工設(shè)備，設(shè)計改造后專業(yè)用于鎂板的熱軋。1600mm四輥熱軋機主要由主機架、運輸輥道、機架輥道、在線補熱爐、轉(zhuǎn)料輥道、對中導(dǎo)尺、在線熱矯直機、液壓重剪、成品定尺剪、下料及堆垛裝置等部件組成，來料鑄錠最大厚度320mm，成品板材最小厚度4mm，工作輥直徑Φ550mm，支撐輥直徑Φ900mm，最大軋制力20000kN，最高軋制速度180m/min;

　　(7)其它：目前，洛陽鎂鑫公司、山西聞喜銀光公司等鎂板生產(chǎn)企業(yè)也正在實施幅寬為1500~1700mm的熱軋機組。

　　3、國外鎂板熱軋機情況

　　國外采用熱軋機進行鑄錠軋制開坯生產(chǎn)的鎂板產(chǎn)品主要是中厚板(厚度在4~6mm以上)，產(chǎn)品主要應(yīng)用在航空航天和軍事裝備領(lǐng)域(如美國和俄羅斯以熱軋開坯法生產(chǎn)的鎂合金板材均用于軍工生產(chǎn))。相比于國內(nèi)鎂板在航空航天、軍事裝備領(lǐng)域主要應(yīng)用在導(dǎo)彈和火箭的儀表艙壁板、肋板和隔板、導(dǎo)彈和飛機的尾翼、戰(zhàn)斗機副油箱及襯板等簡單的、非受力或次承力的結(jié)構(gòu)件上，國外在大型、復(fù)雜、承力等結(jié)構(gòu)件上也開始使用了鎂板。

　　國外最早進行鎂板熱溫軋制的國家是前蘇聯(lián)，在1930年采用鋁板軋機進行鎂板軋制，而且其并非鑄錠開坯軋制，而是對擠壓后的坯料加熱后進行中軋，最薄產(chǎn)品厚度為1mm。

　　國外生產(chǎn)企業(yè)熱軋鎂板所使用的軋機情況如下(典型鎂板熱軋機見圖1)：

　　(1)1946年，英國伊利科創(chuàng)鎂鋁公司在帶有立輥的2100mm二輥可逆鋼板熱軋機上進行AZ31鑄錠的開坯熱軋，鑄錠最大厚度為356mm，熱軋成品最小厚度為6mm，產(chǎn)品最大寬度1829mm，產(chǎn)品最大長度6090mm，最高軋制速度379m/min;

　　(2)1950年，美國道屋化學(xué)公司在Madison建立了世界上第一臺按鎂合金要求設(shè)計的2133mm四輥可逆熱軋機，工作輥和支承輥的直徑分別為Φ686mm、Φ1346mm;

　　(3)1950年，前蘇聯(lián)輕合金研究院采用2800mm四輥熱軋機進行鎂板熱軋試驗和生產(chǎn)，鑄錠最大厚度為250mm，熱軋成品最小厚度為6mm，產(chǎn)品最大寬度2500mm;

　　(4)美國Brooks and Perkins公司底特律鎂板軋制廠有一條“1+3”式的熱連軋生產(chǎn)線，以往主要用于鎂板的熱軋，后來以熱軋鋁板為主;

　　(5)2002年，德國第二大鋼鐵公司即薩爾茨吉特公司組建了薩爾茨吉特鎂板技術(shù)公司，2003年該公司現(xiàn)代化的熱軋機投產(chǎn)，可生產(chǎn)的鎂板最大寬度為1860mm;

　　(6)法塔亨特公司2010年設(shè)計制造了一套類似于鋼鐵行業(yè)使用的爐卷熱軋機中試生產(chǎn)線，該公司和橡樹嶺國家實驗室、英國伊利可創(chuàng)鎂業(yè)公司進行合作對鎂板帶進行熱溫軋卷式法生產(chǎn)，并實現(xiàn)了來料厚度12.7mm以下、寬度250mm以下的料卷的試驗性軋制。目前，該公司正在商業(yè)化推廣可實現(xiàn)板帶材最大寬度2000mm、最大卷徑為Φ2000mm的工業(yè)化生產(chǎn)鎂板帶熱軋生產(chǎn)線。圖2所示為法塔亨特公司開發(fā)的鎂板熱軋機。

　　4、熱軋流程

　　厚度為6~100mm熱軋鎂板的生產(chǎn)工藝全流程為：配料—熔煉—鑄造—均勻化—鋸切—銑面—合格鑄錠—加熱—熱軋—(補熱)—(二次熱軋)—熱矯直—(熱處理)—酸洗/砂光/修磨—成品鋸切—涂油—包裝。

　　國內(nèi)某鎂板企業(yè)生產(chǎn)厚度為6mm的板材時，采用的鑄錠規(guī)格為180×850×1050mm，經(jīng)過11個道次的軋制后(其中換向軋制3個道次)，一次熱軋板坯厚度為10.5mm，然后再進行酸洗和加熱后進行二次熱軋，經(jīng)過3個道次的二次熱軋后最終成品厚度為6mm。

　　鎂合金鑄錠的加熱參數(shù)需根據(jù)相應(yīng)合金的高溫塑性圖進行確定，一般合金如AZ31B的加熱溫度在450~490℃。部分特殊合金如ZK61M由于含鋅量高，合金的高溫抗拉強度低、塑性差，同時由于該合金的軋制熱效應(yīng)大，高溫軋制時的變形熱可使錠坯的溫度超過合金的塑性溫度范圍，進而降低合金的熱塑性，因而根據(jù)其塑性圖確定的加熱溫度為410℃。同時，必須注意，高微合金化的鎂合金不適合熱軋，主要是因為二相粒子多會進一步加劇其熱軋開裂性，如含Al量超過5%的鎂合金AZ91D等就不適合進行熱軋生產(chǎn)。

　　5、熱軋機設(shè)計選型及分析

　　(1)軋制力：軋制力需根據(jù)熱軋道次編排、相應(yīng)鎂合金牌號熱軋溫度下的屈服強度(如AZ31B鎂板坯在370℃下的屈服強度僅為15MPa，遠小于其常溫下約300MPa的屈服強度值)等參數(shù)進行計算確定，計算后還需在試驗軋機或工業(yè)化軋制設(shè)備上進行驗證并反饋以修正相關(guān)系數(shù)。在沒有特殊要求的情況下，可按最大道次壓下率30%、最大咬入角18°、單次軋程最大總壓下78%等數(shù)據(jù)進行設(shè)備軋制力預(yù)估計算，單位寬度軋制力不小于10kN/mm(和鑄錠寬度有一定的關(guān)系，例如采用寬幅2000mm軋機軋制坯料寬度800mm就不適合)，另外對應(yīng)的單位寬度主電機功率不小于1.25kW/mm以及單位寬度軋機剛性不小于1.6;

　　(2)軋制轉(zhuǎn)矩：軋制轉(zhuǎn)矩需根據(jù)鑄錠規(guī)格、開坯道次軋制壓下量、最大道次壓下量、咬入角、工作輥直徑、主電機功率等進行計算確定。如無特殊要求，一般鎂板熱軋機根據(jù)其輥面幅寬預(yù)估計算值可按0.8 kN·m/mm進行考慮;

　　(3)軋制速度：鎂板熱軋頭兩個道次考慮到順利咬入和變形熱的影響，一般軋制速度控制在30m/min以下，隨著板坯溫度的降低和生產(chǎn)節(jié)奏的提高以及道次壓下率減小但需要保證終軋溫度的要求，軋制速度應(yīng)盡量提高，可控制在60~90m/min。在軋機設(shè)計時，考慮到采用低速大扭矩傳動主系統(tǒng)和單獨傳動設(shè)計可保證設(shè)備具有動態(tài)調(diào)速，有效控制板型和翹曲，熱軋機設(shè)計最大速度為120m/min即可滿足生產(chǎn)工藝要求;

　　(4)軋輥預(yù)熱：鎂合金板坯的熱容小，對溫度敏感，對鎂合金塑性圖進行分析可知，終軋溫度低于250℃時，鎂合金具有較高的變形抗力和較低的塑性。實踐證明，生產(chǎn)過程中如果軋輥不進行預(yù)熱，其軋制性能差，容易產(chǎn)生表面裂紋，即使軋輥表面溫度達到了要求，軋制過程中軋輥還要吸收大量的熱，會降低軋制性能。因此，鎂板熱軋機設(shè)計時必須有針對性的進行軋輥預(yù)熱系統(tǒng)的設(shè)計。優(yōu)選設(shè)計為對軋輥進行感應(yīng)式加熱，其次為利用燃氣進行燃燒預(yù)熱，但在加熱均勻性、溫度精確控制、加熱效率等方面前者優(yōu)勢明顯。應(yīng)用在銅、鋁板帶熱軋機的乳液預(yù)熱系統(tǒng)不適合鎂板軋制過程中使用，僅可在軋制間隙進行。軋輥預(yù)熱溫度根據(jù)軋制規(guī)程與合金品種的不同一般控制在100~200℃;

　　(5)工藝潤滑系統(tǒng)：鎂板在熱軋過程中如遇急冷將嚴重降低鎂合金的軋制特性以及發(fā)生火災(zāi)，因此，鎂合金熱軋時通常不采用工藝潤滑介質(zhì)。但為了提高鎂板的表面質(zhì)量并減少軋制過程中軋輥與鎂板的粘結(jié)，采用約100℃的30%~50%聚乙二醇水溶液對熱軋機上下輥進行噴射效果較好。因而，熱軋機應(yīng)設(shè)計有聚乙二醇水溶液工藝潤滑系統(tǒng);

　　(6)立輥軋機：鎂板熱軋機應(yīng)配置有近距離布置的立輥軋機或機架內(nèi)的機前和機后軋邊輥裝置(軋制力在1000kN以上)，在對錠坯進行邊部微量軋制進行寬度尺寸控制的同時，可有效改善鎂板的熱軋變形性能、減少邊部開裂和需深沖制品的各向異性。同時，近距離的立輥或機架內(nèi)軋邊輥在配合軋機軋制的過程中對鎂板形成后張力，可有效提高因無張力軋制存在的長規(guī)格板材板型不良的現(xiàn)狀;

　　(7)旋轉(zhuǎn)平臺：由于鎂板力學(xué)性能要求有縱向和橫向的差異范圍，而目前只能通過換向軋制來滿足其要求。同時，換向軋制也能夠有效改善鎂合板坯的熱軋變形性能、減少邊部開裂和需深沖制品的各向異性。旋轉(zhuǎn)平臺應(yīng)在軋機機前和機后各設(shè)置1套，長度應(yīng)根據(jù)軋機的幅寬進行確定。旋轉(zhuǎn)平臺可設(shè)計為旋轉(zhuǎn)輥道、可升降旋轉(zhuǎn)支架等型式;

　　(8)補熱爐：由于鎂板軋制過程中部分合金和規(guī)格產(chǎn)品需要進行補熱，因而鎂板熱軋機必須設(shè)計有在線補熱爐。補熱爐的型式應(yīng)為熱風循環(huán)爐，其長度根據(jù)軋制工藝編制所需進行設(shè)計。需要說明的是，由于鎂合金在線動態(tài)再結(jié)晶和應(yīng)變誘導(dǎo)再結(jié)晶過程較為緩慢，因而在補熱過程中應(yīng)滿足其一定時長的靜態(tài)再結(jié)晶和待溫軋制過程，因而采用在線感應(yīng)式、中頻式、分段式快速加熱爐較難滿足生產(chǎn)要求，而采用傳統(tǒng)的輥道式全封閉加熱爐較為合適(需設(shè)計有惰性氣體保護)。另外，如果熱軋生產(chǎn)線產(chǎn)能較低，例如幅寬1500mm的產(chǎn)品年產(chǎn)能在幾千噸的級別，補熱爐可設(shè)計為在線固定式;而如果產(chǎn)能較大，考慮到補熱過程時間長，為了不影響熱軋機的交叉生產(chǎn)，應(yīng)將補熱爐設(shè)計為可移出式;

　　(9)矯直機：由于鎂板尤其是中厚板的矯直需要在一定溫度下進行，因而在熱軋機上在線設(shè)置矯直機比離線設(shè)置更能滿足生產(chǎn)工藝需求(利用軋后余熱)?？紤]到目前鎂板的實際應(yīng)用情況以及熱軋機可軋制產(chǎn)品的厚度范圍，單套設(shè)備矯直鎂板的范圍可選擇5~15mm(超過15mm厚度的可簡單輥平)，更厚的產(chǎn)品采用壓平機(可設(shè)計為熱軋機在線)或蠕變爐(離線)進行生產(chǎn)。該厚度范圍所需熱矯直機的輥系一般為十一輥;

　　(10)剪切機：軋制過程中由于鎂板可能存在翹頭、鱷魚嘴等缺陷，以及為了滿足成品軋制后剪切頭尾、板材中斷的需求，應(yīng)設(shè)置液壓剪。如果要求產(chǎn)品在線剪切精度較高，應(yīng)設(shè)置定尺剪裝置;

　　(11)快速換輥裝置：由于鎂板板產(chǎn)品一般為訂單生產(chǎn)，合金品種和產(chǎn)品規(guī)格更換頻繁，因而熱軋機設(shè)計時需要配置快速換輥裝置，以減少人工換輥對換輥速度、換輥質(zhì)量的影響;

　　(12)測量和控制系統(tǒng)：在線配置板型控制系統(tǒng)、測厚儀、液壓AGC系統(tǒng)等，以保證板型、精度和均勻性，進而提高產(chǎn)品質(zhì)量和成品精度;

　　(13)自動喂料裝置：采用自動喂料系統(tǒng)，以縮短軋制時間，提高生產(chǎn)節(jié)奏，減少鎂板坯高溫狀態(tài)下的氧化，提高產(chǎn)品質(zhì)量和成品率;

　　(14)下料裝置：熱軋機尾部設(shè)計下料真空吸盤、堆垛機等輔助設(shè)施，可以使生產(chǎn)連續(xù)性強，生產(chǎn)效率高，同時降低人工勞動強度;

　　(15)消防系統(tǒng)：由于熱軋過程中鎂板碎屑容易引起燃燒，因而熱軋機尤其是出爐輥道處、輥縫處應(yīng)設(shè)計有自動惰性氣體滅火噴頭及其控制系統(tǒng)(如氬氣瓶組)。

　　6、結(jié)語

　　本文通過對目前國內(nèi)外鎂板熱軋機應(yīng)用現(xiàn)狀、機組組成、工藝特點和設(shè)備參數(shù)的介紹尤其是對熱軋工藝技術(shù)的具體分析，對專業(yè)化的鎂板熱軋機設(shè)計選型和機組配置進行了分析和建議，對鎂板熱軋生產(chǎn)和軋機的設(shè)計具有一定的參考意義。