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(yè)對金屬飲料罐的需求愈來愈大。 鋁合金具有質(zhì)量輕、強度高、耐腐蝕、易成型、能回收等一系列優(yōu)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(nèi)新一代鋁軋機， 具有生產(chǎn)效率高、軋制速度快、自動化程度高、厚度精度高的優(yōu)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(xù)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(jīng)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(fā)現(xiàn)，除通過調(diào)整基材的合金成分來改善力學(xué)性能外， 冷三連軋的終軋溫度對卷材的力學(xué)性能也有重要的影響。

傳統(tǒng)的單機架3104 罐體料生產(chǎn)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(chǎn)設(shè)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(chuàng)造了條件， 同時也對控制產(chǎn)品力學(xué)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(jīng)成為三連軋生產(chǎn)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(shè)定的軋制數(shù)學(xué)模型，并借此有意識地控制終軋溫度，從而大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量，提升企業(yè)的技術(shù)水平，給企業(yè)創(chuàng)造更好的經(jīng)濟效益[3]。

1 終軋溫度模型的建立

根據(jù) W.L.Roberts[4]的推導(dǎo)，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(guān)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(dāng)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(guān)。 但是各個因素影響程度不一，需要經(jīng)過試驗逐一確認。

以下在某冷三連軋軋機做了相關(guān)試驗， 選取相同規(guī)格3104 合金罐體料，采用控制變量法逐一改變軋制參數(shù)得出各個影響因素的影響程度。 試驗的基本條件及參數(shù)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(shè)定值為20 ℃；5）軋制油傳熱系數(shù)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(shù)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(shù)不變，下卷檢測終軋溫度，帶材溫度與終軋溫度差值關(guān)系見圖1。

圖1 帶材溫度與終軋溫度偏差關(guān)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(wěn)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(nèi)能的變化， 與其在軋制過程中內(nèi)部所產(chǎn)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(shù)不變，跟蹤對比出口溫度。 總加工率與終軋溫度的關(guān)系見圖2。

圖2 總加工率與終軋溫度的關(guān)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(dǎo)致帶材終軋溫度隨之升高。工業(yè)生產(chǎn)中的目標厚度根據(jù)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(fā)現(xiàn)，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(dāng)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(diào)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(guān)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，F(xiàn)3 機架壓下率對終軋溫度影響最大。 為了保證軋制工藝穩(wěn)定性， 常規(guī)生產(chǎn)確定F3 機架加工率不變，調(diào)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(guān)系

2.4 軋制速度

軋制速度是鋁壓延軋制中最關(guān)鍵工藝參數(shù)， 軋制速度直接影響變形區(qū)、變形速度及變形熱，其對終軋溫度相對其他工藝參數(shù)影響更大。 調(diào)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(guān)系見圖4。

圖4 軋制速度與終軋溫度差關(guān)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(dǎo)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(dǎo)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(dāng)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(chǎn)品質(zhì)量要求和穩(wěn)定安全生產(chǎn)，常規(guī)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(zhì)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?？刂栖堉朴蜏囟仍?3～41 ℃之間，軋制油總噴射量在15 000 L/min，基礎(chǔ)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(diào)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(diào)整范圍有限，一般不作調(diào)整。

3 結(jié)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(chǎn)中可通過增加軋制速度提高終軋溫度。2）調(diào)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(chǎn)中受訂單目標厚度限定及現(xiàn)場環(huán)境影響，調(diào)整范圍具有局限性，一般不予考慮。