金属复合板带材轧制复合技术与装备研发

杨松涛，赵景申，张鹏翼，何中要，孙 鹏

(中色科技股份有限公司，河南洛阳471039)



金属复合板带材轧制复合技术与装备研发

杨松涛，赵景申，张鹏翼，何中要，孙 鹏

(中色科技股份有限公司，河南洛阳471039)

文章分析了金属复合板带材热轧复合和冷轧复合的工艺技术，介绍了国内轧制复合设备的结构特点，阐述了冷复合轧制装备的工艺要求和研究重点，对拓展金属复合板带材的应用范围，转移金属板带材过剩产能，推进产品结构调整以及加快企业转型升级具有一定意义。

复合工艺；金属复合板；复合轧机；热轧；冷轧

当前，钢铁及有色金属加工行业产能严重过剩，为提高市场竞争力，各单位均致力于开发新的高附加值产品。用轧制法生产金属复合板带材，可节约稀缺贵重金属，实现资源优化配置，备受企业的青睐。市场上出现的金属复合板带材品种有铝合金钎焊板、铜/铝、钢/铝、钢/铜、碳钢/不锈钢、钛/铝、钛/钢以及热双金属等，这些材料在电子电器、冶金、化工、汽车、航天航空等领域得到了广泛的应用[1]。

各大高校、科研院所和企业围绕轧制复合法，在表面处理、轧制复合工艺、退火处理、复合机理以及轧制复合设备等方面做了大量试验和研究，并取得了一定的研究成果。然而，这些技术成果和复合材料在市场上却很少得以产业化生产和应用，究其原因，一方面因为实验室工况条件与实际生产有所不同，生产中的工艺还处于摸索阶段；另一方面，与工艺相配套的轧制复合设备研究不够深入，不能完全满足复合工艺的需要。

1 金属复合板带材轧制复合技术

1.1 热轧复合工艺

热轧复合法是将待复合的金属坯料加热到一定温度，在热和力的作用下实现复合的一种成形方法，其工艺流程如图1所示。复合板来料可分两种，一种是块状板坯，如爆炸焊接坯或铆接组焊坯；另一种是成卷的热轧料或冷轧料。热轧复合前，首先要将组元金属待复合面进行表面处理，以达洁净、活化的目的[2-3]；然后将来料进行加热、轧制。

图1 热轧复合工艺流程Fig.1 Flow chart of hot-rolling bonding

对于铆接组焊的中厚板坯来说，由于轧制道次较多，随着轧制总加工率的增加会产生一定的宽展，需进行边部轧制，当各层金属实现结合之后允许用乳液等介质进行大面积润滑与冷却；而对于成卷的薄板组元金属来说，一般只进行一个道次复合，为避免待复合面受到污染，复合过程中不允许乳液喷淋。热轧所需临界变形率较冷轧小，速度上比冷轧快，但一般不超过30m/min。

热轧复合可以降低轧制力，降低临界变形率，通过控制各层组元金属的加热温度，对复合阶段基体材料与覆体材料的协同变形有利。但是，热轧复合具有以下缺点：① 工艺流程长，能耗大，能效低；② 由于热轧复合道次多，容易造成复合板各组元金属分层厚度不均匀，成材率低； ③ 复合界面之间容易产生金属氧化物，对复合板结合强度不利；④ 一次性投入资金较多。为解决以上问题，冷轧复合技术应运而生，成为目前实验研究的热点和实际生产的主导工艺方向。

1.2 冷轧复合工艺

冷轧生产工艺流程如图2所示。包括三个主要工序(轧制三步法)，表面处理→轧制复合→退火处理，各工序对最终产品的质量和性能有着重要的影响。

图2 冷轧复合工艺流程Fig.2 Flow chart of cold-rolling bonding

表面处理的目的是为了去除板材表面的油污、形成硬化层、增大结合表面积，提高复合板的界面结合强度，为物理接触的形成阶段创造条件，从而达到复合板材在轧制过程中良好的界面结合。表面处理方法主要有机械法和化学法，实际生产中一般采用钢刷或砂带打磨处理。表面处理程中会形成一层加工硬化层，其塑性低于基体金属，在强烈的金属塑性变形过程中，塑性差的硬化层会优先破裂露出底层新鲜的基体金属，界面两侧的新鲜金属在巨大的正压力作用下，通过硬化层的裂缝挤出或挤入并且相互接触形成牢固的冶金结合。轧制变形量越大，被挤出的新鲜金属越多，激活点也越多，相应的界面结合性能就越好[4-5]。

冷轧复合所需的临界变形率较热轧复合大，为降低轧制力，生产实践中也会采用加热方式进行温轧。不同材料临界变形率不同，热双金属ε≈45%；铝合金钎焊板ε≈25%；铜铝复合板ε≈ 37%。冷轧复合时，要求加工率在临界变形率以上，否则基材和覆材将不能实现复合。相关资料显示，金属复合板带材的结合强度随冷轧复合加工率的增大而增大。

轧制速度具有双重作用[5-6]，一方面，速度高可以提高界面温度，有利于组元金属的复合；但是高的

轧制速度缩短界面结合的有效时间，导致界面接触时间不足，不利于金属间的复合。虽然低速复合有利于增加界面结合强度，但影响生产效率。

冷轧复合后，复合板带基材和覆材之间的结合只处于机械物理结合阶段，为保证复合强度，实现物理结合向冶金结合的转变，需要对复合板带材进行退火处理。不同的复合板带材需根据具体的退火制度合理选择工艺参数。

2 金属复合板带材轧制复合装备

2.1 热复合轧机

金属复合板带材的热轧复合，起初是在传统铝、铜、钢铁材料的热轧机机组上进行的，这种设备在结构上主要由机前滚道、机前导尺装置、轧边辊装置、轧机本体、机后导尺装置、机后滚道、机后卷取机等组成，该热轧机组与加热炉分开布置，且局限于厚料的复合。

由于在炉内加热以及复合过程中，复合界面处极易发生氧化，对于复合板的结合强度会有不利影响。为了改善加热氧化问题和实现中厚板及薄板带材的热轧复合，在设备的配置上，将加热装置与轧机机组布置在同一生产线上，其中，加热炉保护气氛、各组元金属带材张力可控可调，加热炉紧挨轧机本体，使加热后的带材能在较短时间内进入辊缝实现复合。

热复合轧机示意图如图3所示。该机组主要由开卷机、中间带材矫直机、可控气氛加热炉、轧机本体、入口导卫装置、清辊器、纠偏装置和卷取机等组成。为保证复合过程摩擦界面的稳定性，在机组功能上还须配置润滑和冷却装置。热复合后的带材经热处理后一般要在普通4辊、6辊或20辊轧机上进行冷轧加工。

图3 热复合轧机示意图Fig.3 Layout of hot bonding mill

2.2 冷复合轧机

冷复合轧制装备的设计配置是在“冷轧三步法”工艺要求下进行的。在机组配置上与图3相似，一般冷复合轧机不配置加热装置(如果待复合的组元金属性能差别较大，可保留加热装置以实现温轧复合)。根据冷轧复合的工艺要求，待复合的组元层金属复合前要经过表面处理，考虑到冷轧复合速度较低，可将表面处理工序配置在机组中，也可根据实际生产需要，单独设计表面处理生产线。常见的冷复合轧机机组配置如图4所示。

图4 冷复合轧机示意图Fig.4 Layout of cold bonding mill

对比图3和图4可知，冷复合轧机与热复合轧机在配置上区别不大，对于冷复合轧机来说，关键部位在于中间层和上下层的打磨装置、机前入口装置和润滑冷却装置，并根据生产需要，配置了中间基材的剪切焊接装置和机后随动液压剪切装置。

冷轧复合与热轧相比具有工艺流程短，低能耗，生产效率高以及投入资金少，风险低等优点，另外，板带材宽度方向组元金属分层厚度比较均匀，成材率高，在实际应用中得到了生产厂家的青睐。

3 冷复合轧机的工艺要求和研究重点

3.1 冷复合工艺对轧制设备的工艺要求

(1)冷复合轧机对打磨装置的工艺要求是，钢刷辊速度、垂直于带材方向的位移可调，在断带或断电的情况下能实现快速远离带材以避免不理想的打磨效果。打磨过程中将产生金属粉尘，要求打磨装置配备必要的吸尘装置；

(2)冷轧复合不允许待复合面存在乳液、轧制油等其它污染物，因此，整个摩擦界面处于干摩擦状态。冷轧复合要求大压下率，随着轧制时间延长，带材和轧辊温度升高，会造成摩擦界面的恶化，严重时产生粘辊现象，甚至引起轧机震动[7]，这对金属复合板带材的生产带来不利影响。设计时必须配置一定的润滑装置和轧辊冷却装置；

(3)冷轧复合工艺要求基材和覆材进入辊缝前要对齐，不允许有错层和跑偏现象，因此在机组配置上需考虑各组元层金属的纠偏机构；

(4)各组元金属的张力可调，同时，为达到基材和覆材塑性变形的协调性，适当加热温度对降低轧制变形抗力、增加结合强度有很大好处。在冷复合轧机的机组配置上，可设计在线加热装置，以实现在一定轧制速度下达到所需温度，但对宽度方向上的温差控制有严格要求。

3.2 冷复合轧制设备的研究重点

(1)辊系类型和结构设计

冷复合轧机常见的辊系类型有2辊和4辊。采用2辊形式，因冷复合需要的加工率大，如果辊径小，则轧辊刚度不够；如果轧辊直径大，虽然刚度有一定改善，但会造成轧制力偏高。随着金属复合板带材朝着宽幅方向发展，2辊辊系不利于板形控制，但是，2辊辊系有利于轧辊冷却装置和润滑装置的配置与设计，对复合有利。

相反，如果采用4辊辊系，轧辊刚度可以保证，且工作辊直径较小，对应的轧制力较小；4辊辊系形式有利于板形控制，但不利于轧辊的冷却和润滑。因此，合适的辊型和辊径是冷复合轧机设计时的重点；

(2)冷却与润滑装置

冷复合工艺要求配置冷却装置和润滑装置，有资料显示，轧辊冷却可采用中间打孔通水冷却，也可采取不同材质的辊芯辊套结构。在润滑与冷却装置方面，宝山钢铁股份有限公司的陈忠平[8]等申请了“固相复合轧机润滑装置”的发明专利，该专利选用了流动性差、不易滴落、粘稠的氯化石蜡作为润滑介质，在结构上设计了自动涂刷装置，可降低人工涂刷的劳动强度，并且可保证润滑界面稳定均匀。南方铝业(中国)有限公司的林平等人申请了“冷轧复合生产线的乳化液喷射装置”，解决了因温升引起的工作辊过热或粘铝问题[9]。针对不同的金属复合板带材，应将润滑介质的选择、润滑装置的设计、工作辊冷却系统的结构设计及控制方式作为设计和研发的重点；

(3)在线加热装置

一般而言，覆材和基材的层厚比较小，特别是在三层复合过程中，通常只对中间层加热。加热方式有电阻式加热和感应加热两种，不管采用何种方式，要求在带材宽度上的温差不能太大，否则将影响复合后的结合效果，不利于板形控制。考虑到温降和带材表面氧化程度的差异，在线加热装置距离辊缝的距离不要太远。如何保证带材在轧制复合速度下加热到预定的工艺温度是加热装置在设计中需要解决的关键性技术难题；

(4)剪切与焊接装置

基材厚度较覆材大，且要经过矫直展平、加热，为了减少中间穿带次数，提高生产效率，保证复合轧制的连续化生产，在机组配置上要设计前后带材的料尾与料头剪切和焊接装置，此装置要求剪切平齐，焊接时宽度方向要求严格控制，以避免进入辊缝前后出现的错层跑偏现象。国内有专门的公司来研制和生产这种装备，但大多应用于钢铁行业，如果基材为铝、铜材料，需采取特有的焊接方式和手段。开发出适合冷复合轧制用的剪焊装置也是研发的重点。

4 结束语

冷复合轧机装备的研制符合国家“节能减排、循环经济”的政策，满足新工艺、新产品、新技术的发展要求。在目前钢铁和有色金属加工行业产能过剩的情况下，冷复合轧机的开发和金属复合板带材的生产可以转移过剩产业，拓展新的产业链，添加新的利润增长点，实现资源的优化组合，具有较大的市场前景。随着金属复合板带材宽度和品种的增多，对冷复合轧机的关键工艺技术和装备配置还需进一步研究和优化。

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[4] 黄宏军，张泽伟，王书生，等. 铜铝薄板轧制复合工艺[J]. 沈阳工业大学学报，2009，31(5)：531-534.

[5] 杨松涛，赵景申，欧阳向荣，等. 影响双金属轧制复合结合强度的工艺因素概述 [J]. 有色金属加工，2013，42(3)：5-8.

[6] 张迎晖，王达，赵鸿金，等. 轧制复合电缆用Cu/Al复合材料变形规律研究 [J]. 特种铸造及有色合金，2010，30(10)：949-950.

[7] 贾朝光. 贵金属复合材料复合轧制中轧机震动的分析 [J]. 上海有色金属，2001，22(2)：65-68.

[8] 陈忠平，张亚彬，沈利坤. 固相复合轧机润滑装置. 中国，ZL 200720199210.3[P]，2008-12-31.

[9] 林平. 冷轧复合生产线用的乳化液喷射装置. 中国，ZL 200820145710.3[P]，2009-7-1.

Research and Development of Technology and Equipment for Roll-Bonded Clad Plates

YANG Songtao, ZHAO Jingshen, ZHANG Pengyi, HE Zhongyao, SUN Peng

(China Nonferrous Metals Processing Technology Co., Ltd., Luoyang 471039, China)

The paper analyzed technological processes of hot-rolling bonding and cold-rolling bonding in the production of metal clad plates; it presented technological requirements and research focus of cold rolling bonding equipment based on the analysis of structure characteristics of domestic roll bonding equipment; it provided reference for expanding the application scope of metal clad plates, addressing aluminum processing overcapacity, promoting product structure adjustment, and accelerating the transformation and upgrading of enterprises.

roll bonding technology; metal clad plates; bonding mill; hot rolling; cold rolling

2015-05-08

杨松涛(1983-)男，硕士，工程师，主要从事有色金属加工工艺及装备技术研发工作。

TG335.8+1

A

1671-6795(2015)05-0033-04