鎂合金板帶爐卷軋制工藝研究與應用

宋 璐，姬亞鋒

（1.山西太鋼工程技術有限公司，山西 太原030009；2.太原科技大學，山西 太原030024）

鎂合金作為目前工業上最輕的應用金屬結構材料，具有密度小、比強度高、尺寸穩定性好、磁屏蔽性好及焊接性優良等一系列特性，正成為現代高新技術領域中最有希望的一種復合材料，在航空航天、汽車工業、3C產品和國防軍事等領域具有極其重要的應用價值和廣闊的應用前景。此外，鎂合金可回收利用，對環境友好，被譽為“21世紀的綠色工程材料”和“第三大金屬結構材料”。隨著科學技術的進一步發展，隨著鎂合金各種性能的進一步完善，它必將成為未來金屬材料領域的主力軍，也必將為人類社會的發展做出更大的貢獻[1]。

由于變形鎂合金相較于鑄造鎂合金具有組織晶粒細小、無縮孔、力學性能優異等優勢，具有較大的發展潛力。鎂合金板材在變形鎂合金中占有重要的地位，而軋制技術作為塑性變形的有效方法，是制備鎂合金板材最經濟有效的方式。

1 鎂合金板帶生產技術

將鎂合金加熱至一定溫度進行軋制，激活錐面滑移系，可提高塑性加工性能。鎂合金的滑移機制除受變形溫度影響外，還受到變形速率、晶粒度等因素的影響。在應變速率較小時，鎂合金的主要變形機制是晶界滑移和孿生，在高應變速率下，沿基面和非基面的滑移系均可啟動，變形速率對位錯滑移的影響在低溫高應變速率下尤為顯著[2]。制備優質的鎂合金板材，大部分工藝都需要經過多道次軋制工序，而軋制過程主要受兩方面因素的影響：第一方面為影響軋制金屬本身性能的一些因素，即金屬的化學成分和組織狀態以及熱力學條件；第二方面為軋制的工藝因素，如軋制溫度、軋制變形量和軋制速度以及后續的熱處理工藝等。

溫度作為影響鎂合金軋制過程的重要因素之一，對鎂合金的組織變化、變形抗力和塑性均有較大影響，在高溫下由于動態回復、連續動態再結晶、晶界滑動和額外的滑移系統的激活導致合金的延展性顯著提高[3，4]。

在鎂合金軋制過程中，除溫度參數以外，變形量和軋制速度對鎂合金生產也起到至關重要的作用。變形量過大容易引起應力集中致使板材開裂，變形量過小會影響生產效率和產品質量。由于應變速率提高會導致鎂合金塑性下降，鎂合金板材軋制的速度相對于其他合金來說較低。目前鎂合金板材軋制大多以多道次小壓下的方式進行，即每道次壓下量不超過5%，4—5道次冷軋累積變形量達15%～20%后進行中間退火[5-7]。

2 鎂合金板材爐卷軋制工藝及模型

2.1 軋制工藝流程

厚度為8～10 mm的熱軋鎂合金帶卷，經加熱爐加熱至400°C左右，經上卷機構運送至開卷機，經開卷后進行第1道次軋制，軋制后的帶材進入機后卷取爐，第1道次軋制完成后，軋機進行第2道次可逆軋制，軋制后的帶材進入機前卷取爐，在爐卷軋機上往復軋制若干道次，軋制至0.7～3.0 mm的帶卷。

圖1 爐卷軋制工藝流程圖

2.2 自動控制系統

爐卷軋機組自動化控制系統主要由軋線主令控制、溫度控制、自動厚度控制等功能構成。其中，軋線主令控制和溫度控制在S7-400PLC內完成，液壓AGC控制在FM458內完成。

2.2.1 軋機速度及張力控制

張力控制作為爐卷軋機保證穩定軋制和產品質量的關鍵組成部分，主要包括張力設定、實際張力檢測和張力閉環控制。主軋機和卷取、開卷機分別由交流電動機驅動，這些電機調速系統的基本目的就是軋制速度保持穩定的同時保持張力穩定。

2.2.2 溫度控制

溫度是熱軋板帶生產過程中最重要的工藝參數之一，直接影響到熱軋軋制力，精確預報軋機各道次的軋制溫度是保證厚度命中率的關鍵。鎂合金爐卷軋機加熱裝置包括鎂合金加熱爐和補溫爐兩部分。鎂合金加熱爐爐溫控制采用集散控制方式，整個裝置溫度按照工藝要求自動調節，將鎂合金板卷加熱至軋制需要溫度，在軋制過程中，由補溫爐對軋制過程溫度進行在線補償。

2.2.3 液壓閉環控制（HGC）

HGC是液壓壓下系統的基本環節，實現液壓壓下快速準確的位置控制功能。液壓HGC工作時，由位置基準值與液壓缸位移傳感器反饋值構成閉環，綜合考慮液壓缸負載油壓變化，控制液壓缸位置上下移動以消除輥縫誤差，HGC閉環控制的原理圖如圖2所示。

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圖2 HGC控制原理圖

2.2.4 自動厚度控制（AGC）

鎂板厚度精度是檢驗產品質量的關鍵性能指標之一。是獲得高精度厚度控制精度的關鍵因素之一，采用厚度計AGC和監控AGC對鎂合金板帶厚度進行調節，以獲得厚度質量良好的鎂合金板帶。

2.2.4.1 厚度計AGC

圖3 基于軋機彈性變形曲線的厚度計AGC原理圖

如圖3所示，SL為鎖定輥縫，FL為鎖定軋制力，hL為鎖定帶鋼厚度，S為實際輥縫，F為實際軋制力，h為實際帶鋼厚度，Δh為帶鋼厚度偏差。

考慮壓下效率，厚度計AGC調節量如式（1）所示：

式中，FH（F）為軋機牌坊彈跳方程，

2.2.4.2 基于Smith預估器的監控AGC控制系統

由于熱連軋機測厚儀厚度變化量的檢測存在滯后時間，嚴重影響系統的穩定性，在監控AGC系統中引入Smith預估器以提高帶鋼厚度控制精度，在監控AGC系統中，采用樣本跟蹤方式，取測厚儀至末機架軋輥中心線距離為樣本長度，按樣本采樣處理信號，控制系統如圖4所示。

圖4 帶Smith補償的積分監控AGC控制系統方框圖

由圖4可知：

設i時刻的采樣時間為Ts（i），對公式（2）進行定長樣本的離散化，并將一階微分環節近似處理為式（3）：

將式（3）帶入式（2）并整理有：

式中：α為消差因子。

由式（4）可見，當前輥縫修正量ΔS（i）受到當前的厚度偏差Δh（i）、第（i-1）次的輥縫修正量ΔS（i-1）、第（i-τ）次的輥縫修正量ΔS（i-τ）有關。

3 結論

多種軋制方式已用于鎂合金板材生產，且可以得到晶粒相對細小的鎂合金組織，但往往采用多道次小變形量軋制，并且需要中間退火，影響生產效率，導致鎂合金板帶成本居高不下。采用爐卷軋機軋制鎂合金板材可以有效控制軋制溫度，提高板帶的性能，同時降低成本從而實現鎂合金板帶高效低成本制備。開發鎂合金爐卷軋制工藝及自動控制系統，可以有效促進鎂合金板材制備技術的發展，對鎂合金的工業化的發展具有重要意義。