钛及钛合金冷轧薄板的板型控制研究

戴 毅，刘宇明，李 信

（西部钛业有限责任公司，陕西 西安710201）

0 前言

板形是板材的重要质量指标之一。随着工业用户对板带材质量要求的日趋严格，板形控制已成为冷轧板带生产的关键性技术问题。板形良好与否主要取决于三个因素：设备条件、工艺参数设定和材质特性[1]。尤其是在稀有金属轧制行业，如何确保良好的板型是轧制加工的关键技术。

板型控制技术，在钢铁冶金领域已经得到广泛应用，但针对稀有金属材料加工变形抗力大、变形量小等特点，稀有金属轧制板型控制技术显得更加突出。本文以西部钛业有限责任公司1 780 mm六辊可逆冷轧机为加工平台，对钛及钛合金板材轧制过程中的板形控制技术进行研究。常规钛及钛合金冷轧薄板生产流程为：原料→检验→冷轧1→除油1→中间退火1→冷轧2→除油2→中间退火2→…→成品退火→定尺剪切→表面处理→成品检验→包装入库。冷轧成型过程是通过1780冷轧机较大吨位的压力驱使板材进行厚度减薄、长度延伸的过程，冷轧变形属于塑性成型，当变形达到一定程度后，金属会产生严重的加工硬化，需要重新加热消除加工应力后继续变形，直到达到成品尺寸要求。冷轧工序是影响板材质量的关键环节，冷轧过程的成型均匀性直接决定最终成品板材的板型好坏，如何通过各种控制手段提升板型的工艺研究对提升最终产品质量至关重要。

1 钛及钛合金板形控制

HC轧机是20世纪70年代发展起来的比常规四辊轧机具有更好板形控制效果的新型轧机。本系统采用的是中间辊可移动的HCM六辊可逆轧机，它具有中间辊移动、工作辊弯辊和中间辊弯辊等板形控制手段，且板形控制能力强、稳定性较好以及具有轧机横向刚度系数无限大等优点[7]。

本文以西部钛业有限责任公司1 780 mm六辊可逆式冷轧机为生产设备，主要从轧件中间辊窜动、正负弯辊力施加、工艺润滑、速差控制、压下制度设定、轧辊倾斜等方面对钛及钛合金板材板型控制技术进行分析研究。

1.1中间辊窜辊控制

中间辊窜辊量的给定值以来料板宽为依据，传统经验计算公式[8]：X=（中间辊辊身长度L-B）/2.其中X为窜辊量；B为来料板宽。见图1.

图1 中间辊横向移动示意图

在钛及钛合金轧制过程，需要对中间辊窜辊量的设定进行修正，计算公式如下：X=（中间辊辊身长度L-板料宽度B）/2±修正系数V，修正系数V的给定详见表1所示。

表1 修正系数V值

实际生产过程中，根据轧制具体情况调整如下：1）当弯辊力多道次需要大于40 T才能保证良好板形时，可适当增加窜辊量，但不宜超过30 mm；2）当弯辊力为零或负弯时板材仍有中浪时，可适当减小窜辊量，但不宜超过30 mm；3）当长时间轧制有较为明显的热辊凸度时，可适当减小窜辊量，但不宜超过30 mm；4）当成品板材出现大于0.1 mm的边部减薄时，可适当增加窜辊量，但不宜超过30 mm.

1.2正负弯辊力控制

轧辊正负弯辊力给定值以出口板形为依据，通过改变轧制过程中轧辊实际辊型，实现对出口板材的板型调整。针对钛及钛合金板材轧制过程中的特殊性，调整方法如下：1）当出口板材有中浪时减小弯辊力、当出口板材有边浪时加大弯辊力；2）相同条件下弯辊力随轧制压力的增大而增大、减小而减小；3）相同条件下弯辊力随来料板宽的增加而减小，减小而增大；4）在没有出现单边浪的情况下，中间辊弯辊力只起到平衡作用即可，不宜大于工作辊弯辊力；5）当出现单边浪时，原因是由于窜辊量和中间辊弯辊力引起，但实际操作中由于找不到量化标准，只能通过如下方法调节：A、增加弯辊力，将单边浪转化为中浪，然后消除中浪；B、减小弯辊力，将单边浪转化为边浪，然后消除边浪；6）当板面出现波浪进行消除时，要求采用多道次、小压下，不能在一道次内消除，以免产生复合浪。具体原则是：浪越越大道次越多、板越越宽道次越多、成品要求越高道次越多。

1.3工艺润滑控制

钛及钛合金板材轧制过程中，为保证轧制的顺利进行，减小温降对辊型的影响，需要喷射工艺润滑油，工艺润滑效果的好坏直接影响轧件的板型质量，具体分析如下：

1）轧辊与轧件表面的摩擦系数是影响轧件变形难易程度和轧制压力大小的主要因素之一。摩擦系数决定轧件和轧辊的表面状态，摩擦系数的减小可以在轧制压力不变的情况下提高压下量，从而减少轧制道次，提高生产率。但是，摩擦系数不应过小，要保证轧辊能咬入轧材。

2）工艺润滑的正确喷射有利于轧辊设计凸度的保持。在钛及钛合金轧制过程中变形抗大力、变形热大，轧件与轧辊表面存在相对滑动，在大轧制压力和高轧制速度下，这种相对滑动也同样转化为巨大的摩擦热。这两种有害的热能将引起轧辊和板带材的温度迅速上升，使轧辊辊形发生变化，以致难以获得良好的板形。

3）在工艺润滑作用下，轧辊和板带材在轧制过程中表面将吸附一层极薄的润滑油膜，可减少轧辊表面磨损的速度。同时，可以改善金属在轧制时的塑性变形，提高了带材的表面质量。

综上分析可知：钛及钛合金板材轧制过程中，必须设定合适的工艺润滑，才能保证板材轧制的良好板型。

1.4速差控制

钛及钛合金轧制时，在上下工作辊的线速度相等的条件下，由于来料、润滑、温度等原因将会导致轧件出口时趋势性上翘或下扣，对人员和设备造成极大威胁。为有效解决这种上翘、下扣不良板型，需要对轧辊转速进行适当调节，具体分析如下：

1）当轧件出口上翘时，通过增加上工作辊线速度来提高轧件上表面的变形速率，从而使轧件趋于平行；

2）当轧件出口下扣时，通过减小上工作辊线速度来降低轧件上表面的变形速率，从而使轧件趋于平行。

在速差控制中，由于上下工作辊线速度不一致，可能导致上下工作辊打滑出现设备故障。所以，在实际中应尽量要控制速差大小，确保辊速速差调整值不大于4 rpm.

1.5压下制度设定

轧制是利用两个旋转着的轧辊将轧件咬入辊缝而进行的，如图2所示。

图2 板材轧制示意图

轧程变形量的给定和道次变形率的设定，直接引起厚度变化，但受轧制过程中变形速率不完全一致的影响，在厚度变化的同时，板材整体板型会随之发生变化。受金属特性的限制，为获得良好板型，钛及钛合金轧制变形量和道次变形率设定如下：

轧程变形量的设定原则：纯钛不大于50%～60%，钛合金不大于30%；道次变形率不大于8%～10%.为获得良好的钛及钛合金板型，在保证生产效率前提下，遵循如下原则：第一道次适量小压下，中间道次适当大压下，后续轧制采取“小压下、多道次”。实践证明：采用此压下设定原则能够保证良好的钛及钛合金板材板型。

1.6轧辊倾斜调整方法

轧辊倾辊控制主要是由于板带材出现了镰刀弯而采取的调整措施。通常情况下，“镰刀弯”的产生必然会影响板材平直度。为及时纠正这种不良板型，最直接的方法就是采用轧辊侧压的方法进行纠正，具体如下：当操作侧每出现1 mm/m的镰刀弯，将操作侧的轧制压力增大3 t～8 t，直至镰刀弯现象完全消除为止；当传动侧每出现1 mm/m的镰刀弯，将传动侧的轧制压力增大3 t～8 t，直至镰刀弯现象完全消除为止。但在倾辊控制时，确保轧机两侧的轧制压力差不超过100 T.

2 结论

综上所述，在冷轧生产中影响板形的因素较多，这些因素之间相互影响，相互干扰[9]。受稀有金属材料加工特性影响，钛及钛合金板材轧制过程中更是需要合理配置各种控制参数，实现最优组合。本文以1780六辊冷轧机为开发平台，采用各种板型调整手段，获得了平直度小于3 mm/m的钛及钛合金板材，见图3所示。分析研究可得：

图3 成品钛板

1）在传统经验公式基础上，中间辊窜动量设置需要进行修正处理；

2）可以通过调整正负弯辊力大小来改善板型，弯辊力的给定需要与轧制力、窜辊量设定配合；

3）合适的工艺润滑是保证获得良好板型不可或缺的条件；

4）采用适合于钛及钛合金轧制加工的压下制度，能大大提升板型水平。

参考文献：

[1]郑申白，曾庆亮，李子林.轧制过程自动化基础[M].北京：冶金工业出版社，2005，60-63.

[2]刘立文，韩静涛，贺毓辛.冷轧板形控制理论的发展[J].钢铁研究学报，1997，9（6）：51-54.

[3]丁修堃.轧制过程自动化[M].北京：冶金工业出版社，1986：93-148.

[4]张 浩，矫志杰，刘翠红，等.唐钢冷连轧机过程控制系统[J].东北大学学报，2007，28（10）：1381-1384.

[5]王廷溥.金属塑性加工学-轧制理论与工艺[M].北京：冶金工业出版社，1995：186-189.

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[7]L.Hua，Z.J.Zuo，J.Lan，D.S.Qian.Research on following motion rule of guide roller in cold rolling groove ball ring[J].Journal of Materials Processing Technology 2007：743-746.

[8]韩旭中，梅富强，蔡 茁，等.1450mm可逆式六辊冷轧机的研制与应用[J].轧钢，2005，22（6）：3-5.

[9]劳金海.钛薄板轧制技术的进步[J].上海钢研，2003（2）：57-60.