冷三連軋3104 罐體料終軋溫度的研究

任改林

（龍口南山鋁壓延新材料有限公司，山東龍口 265706）

隨著人們生活水平的提高，罐裝飲料越來越受歡迎。 飲料包裝行業對金屬飲料罐的需求愈來愈大。 鋁合金具有質量輕、強度高、耐腐蝕、易成型、能回收等一系列優點，成為理想的制罐材料[1]。 其中，3104 鋁合金屬于Al-Mn-Mg 不可熱處理強化的鋁合金系。該合金具有中等強度、 良好的深沖成型性和抗腐蝕性，被普遍用作飲料罐體和蓋料等的深沖材料[2]。

冷三連軋作為國內新一代鋁軋機， 具有生產效率高、軋制速度快、自動化程度高、厚度精度高的優點。在鋁材加工過程中，通常用鋁熱軋卷為原料進行冷三連軋， 得到的成品卷材用作進一步加工的基體材料。 然而連續冷變形引起的加工硬化會使卷材的強度、硬度上升，韌塑性指標下降。 作為易拉罐的基體材料， 在制罐過程中材料要經過深沖、 拉伸等變形，這就需要卷材具有較好的韌塑性。 研究發現，除通過調整基材的合金成分來改善力學性能外， 冷三連軋的終軋溫度對卷材的力學性能也有重要的影響。

傳統的單機架3104 罐體料生產工藝是三道次連軋，各道次加工率分配比較均勻且較大，終軋溫度可控制在155 ℃左右。冷三連軋作為3104 罐體料主要生產設備，終軋溫度只能達到135 ℃左右。在市場的推進下，3104 合金罐體料厚度不斷減薄， 給冷三連軋終軋溫度的提高創造了條件， 同時也對控制產品力學性能的衰減提出了更高的要求。 提高冷三連軋罐體料終軋溫度已經成為三連軋生產3104 罐體料亟待解決的問題。 本文擬建立一套能夠反映冷連軋中鋁帶材溫度與終軋溫度合理設定的軋制數學模型，并借此有意識地控制終軋溫度，從而大大提高產品的質量，提升企業的技術水平，給企業創造更好的經濟效益[3]。

1 終軋溫度模型的建立

根據 W.L.Roberts[4]的推導，軋制過程中帶材在冷連軋機各機架入口和出口溫度之間的關系見式1：

式中：T出i為帶材在第 i 機架的出口溫度，℃；T入i為帶材在第i 機架的入口溫度，℃；Ki為帶材在第i 道次的平均屈服強度，MPa；ri為帶材在第 i 道次的壓下量；ρ 為帶材密度，kg/m3；S 為帶材的比熱，J/（kg·℃）；J 為熱功當量，kcal/J。

從軋制溫度模型可以看出， 帶材終軋溫度跟三機架加工率、出口速度、總加工率、來料溫度、機架間冷卻嘴噴油量等因素有關。 但是各個因素影響程度不一，需要經過試驗逐一確認。

以下在某冷三連軋軋機做了相關試驗， 選取相同規格3104 合金罐體料，采用控制變量法逐一改變軋制參數得出各個影響因素的影響程度。 試驗的基本條件及參數如下：1）軋制所用的材料為3104 鋁合金板卷材；2）帶材平均密度取 2.715 g/cm3；3）帶材的比熱為896 J/(kg·℃)；4）帶材在第一機架的入口溫度設定值為20 ℃；5）軋制油傳熱系數分別為2 300、3 500、4 600 J／(s·m2·K)；6）帶材出第三機架后的空冷傳熱系數為 15 W/（m2·℃）；7）軋制油溫度為 31～38 ℃；8）機架間距離約 5.5 m，第三機架出口到卷取機距離為5.3 m，帶材從入口到出口的距離為16.3 m。

2 終軋溫度影響因素驗證

2.1 來料帶材溫度

選取帶材入口溫度偏差值為2 ℃的卷材， 控制其他參數不變，下卷檢測終軋溫度，帶材溫度與終軋溫度差值關系見圖1。

圖1 帶材溫度與終軋溫度偏差關系

從圖1 可以看出，帶材初始溫度每增加2 ℃，出口溫度平均增加約 0.04 ℃，且 0.04 ℃溫度范圍波動相對比較穩定。 可見帶材初始溫度對出口溫度影響很小， 這2 ℃帶材初始溫度的變化所引起的帶材內能的變化， 與其在軋制過程中內部所產生的熱量及大量傳走的熱量相比，可以忽略不計。通過控制帶材初始溫度來提高帶材出口溫度的效果不是很明顯。

2.2 總加工率

帶材入口厚度為 2.2 mm， 寬度為 1 620 mm，軋制速度為900 m/min，帶材初始溫度為20 ℃，選取出口厚度在0.285～0.260 mm 之間，即總加工率在 87.05%～88.18%，其他工藝參數不變，跟蹤對比出口溫度。 總加工率與終軋溫度的關系見圖2。

圖2 總加工率與終軋溫度的關系

由圖2 看出，出口厚度每增加0.005 mm，即總加工率每提高 0.23%，終軋溫度平均增加 0.35 ℃。這是由于總壓下率增大時，總變形功增加，從而增加了必要的電機功率，軋制變形量增加，變形熱增加，導致帶材終軋溫度隨之升高。工業生產中的目標厚度根據客戶訂單要求已確定， 故可通過提高來料厚度增加總加工率來提高終軋溫度。

2.3 機架間壓下率分配

通過上述試驗發現，總壓下率對出口溫度有比較明顯的影響。在冷連軋過程中，一般越是在后部機架處，軋制過程中由變形熱而引起的溫度上升越劇烈。 在軋制操作中，必須對帶材和軋輥進行冷卻，否則帶材溫度會相當高[4]。為此在保持總壓下率不變的情況下，選取來料和出口厚度相同的卷材（2.20～0.27 mm）進行軋制，分別通過調整F1、F2 和F3 三個機架的加工率來跟蹤出口溫度的變化。 機架間加工率與終軋溫度差的關系見圖3。 F1 機架的壓下率每增加1%， 終軋溫度平均增加 0.025 ℃；F2 機架的壓下率每增加1%，終軋溫度平均增加0.265 ℃； F3 機架的壓下率每增加1%，終軋溫度增加2.126 ℃。 由此可見，F3 機架壓下率對終軋溫度影響最大。 為了保證軋制工藝穩定性， 常規生產確定F3 機架加工率不變，調整F1 和F2 機架加工率。

圖3 機架間加工率與終軋溫度差的關系

2.4 軋制速度

軋制速度是鋁壓延軋制中最關鍵工藝參數， 軋制速度直接影響變形區、變形速度及變形熱，其對終軋溫度相對其他工藝參數影響更大。 調整軋制速度跟蹤終軋溫度變化，所得軋制速度與終軋溫度差關系見圖4。

圖4 軋制速度與終軋溫度差關系

從圖4 可以看出， 軋制速度對終軋溫度的影響更為明顯。 軋制速度每增加100 m/min，終軋溫度平均增加2.523 ℃。 軋制速度增加，意味著電機傳輸功率增加，即電機傳輸了更多的能量，導致輥縫間熱量增加，帶材溫度隨之升高。 隨著軋制速度不斷加快，終軋溫度增加速率慢慢變小。 這是由于軋制速度的增加會導致輥縫摩擦減少。 少一些摩擦意味著少一些總變形功，從而意味著較低的輥縫溫度。當增加的輸出功與減少的變形功達到平衡時，終軋溫度增加速率即逐漸趨于平衡。 其中軋制速度控制在800～1 000 m/min 時，對終軋溫度的影響較為明顯，最大溫度差可達到3 ℃。 因此，為了保證產品質量要求和穩定安全生產，常規批量軋制速度控制在800～1 100 m/min 之間較為理想，速度過快易引起軋機共振。

2.5 軋制油噴射量及軋制油溫度

軋制油在軋制過程中具有清潔、 潤滑、 冷卻作用，軋制油噴射量對提高終軋溫度是不利因素，但為了保證板形降低軋輥熱凸度與合格的表面質量，軋制過程中必須要有軋制油冷軋軋輥和清潔帶材表面。通常控制軋制油溫度在33～41 ℃之間，軋制油總噴射量在15 000 L/min，基礎冷軋噴射量約在3 500 L/min 左右，機架間噴射量在2 500 L/min。 受軋制工藝條件影響，軋制油調整量受限，可減小機架間噴射量減少帶材軋制變形熱流失，提高終軋溫度。冷卻不足易引起板形問題，所以軋制油噴射量調整范圍有限，一般不作調整。

3 結論

綜上所述，影響冷三連軋3104 合金罐體料終軋溫度影響因素有軋制速度、機架間加工率分配、總加工率、來料溫度。 1）軋制速度影響較大，速度每增加100 m/min 罐體料終軋溫度增加2.5 ℃左右，實際生產中可通過增加軋制速度提高終軋溫度。2）調整機架間加工率分配可提高終軋溫度，三機架加工率較明顯，加工率增加1%，溫度可增加2 ℃左右。 3）總加工率和來料溫度也可提高終軋溫度，整體影響較小，綜合影響只有1 ℃左右， 批量生產中受訂單目標厚度限定及現場環境影響，調整范圍具有局限性，一般不予考慮。