镁合金薄带材轧制新进展

王祝堂

(中国有色金属加工工业协会，北京100814)

镁及镁合金是一类密度极小的结构材料，具有比强度、比刚度高，电磁屏蔽和减震性能优良，且铸造性能优越，适宜批量压铸，在交通运输装备和电子器件领域有着广泛的应用。近些年来，由于个人电子设备的高速增长，提高车辆燃油效率呼声日益高涨，减轻其自身质量迫在眉睫，而镁合金在这方面具有特别强的竞争力。然而由于镁合金的价格高、成形性能较低削弱了它的竞争力，限制了其应用范围的拓宽，尤其是薄板带的应用，因为在当前的生产技术条件下，工业化生产薄板带的难度比生产挤压材、模锻件、锻件、压铸件与铸件大得多，扩大薄板带的应用，更有助于众多装备与器材的轻量化。

镁为密集六方(HCP)晶体结构，室温塑性较差。迄今，所有的薄镁板都是用小锭热轧的，热轧温度250～450℃，因此，生产薄板时必须进行几次离线加热才能继续轧制，轧制温度必须保证在以上区间。薄板是一块一块轧制的，不但成本高，劳动强度大，效率低、成材率低，而且品质得不到保证，性能与尺寸稳定性差，所以必须研发高效的、技术含量高的镁薄带轧制工艺与装备。近些年来，中国、德国、澳大利亚、韩国等在双辊式连续铸轧镁合金带坯工艺方面取得了长足的进展，可直接铸轧成大带卷，带坯厚度4～7mm，但还不能高效地轧制出市场竞争力强的薄带材。如何解决这一问题，开发新的镁带卷轧制技术与装备，如同轧制铝带卷那样优质高产，是对冶金工作者与轧制装备设计工程师的一个严峻挑战。

1 法塔亨特公司的中试轧制-加热生产线

美国法塔亨特公司2010年设计制造的可逆式轧机及由一些附属设备组成的中试生产线(图1)于2011～2012年在UT-Battelle ORNL(Oak Ridge National Laboratory，橡树岭国家实验室)投入中间试验，取得了阶段性的成效，完全能批量生产可满足用户需求的镁板带，不但可进行工业化生产，而且改善所轧带材的显微组织，提高其可塑性与成形性能，保持良好的表面特性，并使轧制后的热处理减至最低限度。中间试验由三个单位实施，法塔亨特公司提供生产线的成套设备，橡树岭国家实验室提供厂房与必要的技术支持，英国伊利可创镁业公司北美公司提供原材料及人力资源，并参与材料各项性能、组织的冶金评价。

图1 美国橡树岭国家实验室的镁带中试热轧线

1.1 初步投产试验

2012年在南加利福尼亚(Southern Califonia)的一企业进行了初步投产试验，成功地试产出镁合金带材。轧制生产线来料带坯规格，厚≤12.7mm，宽≤250mm，对轧制速度可进行同步或非同步控制。现在的进料辊道适于块片进料，但将来可改为带卷进料。该轧制生产线是美国2012年最优秀发明创新100项之一，并取得美国实用专利。

1.2 热轧线组成

中试热轧生产线的基本组成单元为1台4辊可逆式热轧机(也可以用2辊或6辊轧机)；轧机两侧各有1台热卷取/开卷机，可将镁合金带卷加热和保持在既定的温度范围内；1套轧机驱动系统，可以在非对称轧制镁板时独立驱动工作辊；可装/卸带卷的工作台(图2)

1-1号热卷取/开卷机；2-4辊可逆式热轧机；3-2号热卷取/开卷机；4-出料侧喂料夹送辊；5-惰气冷却区；6-剪切机；7-辊矫机导向辊；8-卷取/开卷机组

1.3 基本特点

法塔亨特镁带轧制中试生产线具有以下特点：

——可实现可逆式多道次轧制，带材温度始终保持在200～450℃；

——可进行中间退火处理，软化带材组织；

——工作辊速度可同步，也可异步。在异步轧制时，可向所轧带材导入更多机械功和热，从而可减小镁密集六方晶体结构的主平面织构，因此所轧带材的可塑性及低温成形性能都得到改善；

——在运转的任何时候可全程提升轧制速度，加快变形速度；

学生学习完“植物激素调节”后，进行探究活动。由于该活动开放性较大，因此教师可提前1～2周布置任务。学生自行组队分工，利用课余时间查阅资料，然后设计探究方案。某小组同学设计了如下的探究不同浓度2，4-D对柳树枝条生根的影响的方案：

——一个工作辊的直径作了适当减小，以便在异步(非对称)轧制镁带时能适应接触弧长最小的情况下，仍有足够的扭转刚度与强度去平衡轧制负载的上升；

——辊缝的高速调控是通过液压系统进行的，因而调得又快又准，可得到厚度偏差均匀稳定的带材；

——每道次的压下率可达到恰如其分的最大值，使轧制带材有细小均匀的晶粒组织，各项力学性能得到全面提升；

——工作辊弯曲系统强而有力，可轧制板形好的带材；

——可进行片-片轧制，也可实现片-卷轧制，是一条技术水平高的镁带连续轧制中试生产线，可生产部分商品。

2 轧制线结构简介

这条生产线用于将双辊式连续铸轧镁带坯热轧成薄带材，在轧机的两侧各有1台热卷取/开卷机，在右端有一开卷/重卷转轴。轧好的热带卷由小车运走，待轧的冷铸轧带卷由小车从贮料区运来，转轴有可胀缩芯杆，其作用是支撑铸轧带卷运送到轧制线上，在卷取热轧带时可向带材施加张力。开卷转轴也可使带卷侧向移动，从而在轧制过程中保持带卷与轧制中心线一致。

2.1 备料台

在开卷/卷取转轴之后有带卷准备装置即备料台，由带材修整机、带偏转辊的夹送辊和矫平机组成。夹送辊的作用是将待轧带卷的第一圈送入轧机辊缝，夹住轧后带卷的最后一圈带材。

2.2 剪刀与加热系统

1-进料侧穿带夹送辊；2-1#热卷取机

2.3 轧机

带材离开第一台(左)热卷取机后，通过夹送辊与纠偏辊向轧机前进。纠偏辊与夹送辊可以减小热卷取机的开启度，使带卷的热损失降至最少，在一卷轧完后能托住带材尾，同时使后一卷带材头部被轧机咬入。带材通过夹送辊与纠偏辊后随即通过测厚传感器，它可以向上抬起至一定高度。厚度传感器安于C形框架上，轧机两侧各有一个。

工作辊辊缝大小可通过双向动作的负载液压缸(安于每个机架顶部)调控。每个液压缸各有一个位于中心的位置转换器与一些低摩擦的密封件。液压缸底安有楔形块系统，可保持轧制线恒定。在机架底部装有漏油接收盘，可收集漏出的润滑油，在冷却液收集盘的上方安装有钢丝网，可收集掉落的各种固体物。工作辊弯曲杆与机架相连，可向工作辊施加强大的液压机械力促使其弯曲，使轧制的带材具有良好的板形，弯辊机械力由液压缸发出。

工作辊和支承辊轴承设有降温冷却系统，工作辊和支承辊的内外都有电阻加热元件。电阻元件沿辊的纵轴对称分布，电阻加热元件封装与可膨胀的铜合金壳内与工作辊紧密接触，可快速且均匀地加热工作辊，加热功率可调。工作辊的外部加热采用减应法，沿辊面宽度分区加热，采用这种内外加热法可迅速将工作辊加热到预定温度。内部加热元件可将工作辊最高加热大350℃，加热温度可根据所轧带材的板形要求随时调控，板形测量数据与加热温度调控器实行闭环控制。

上下工作辊都设有刷辊器以刷除辊面粘镁，刷辊器可振荡摆动并带有真空吸尘系统。冷却润滑剂喷淋管设在工作辊的上下方，两侧都有，可随时向辊面喷洒，可根据需要使辊面保持干的、湿的、润滑的、大量喷淋的4种状态，喷淋管沿辊面宽度分区控制。轧机上方设有烟气抽吸系统以保持良好的工作环境。

2.4 工作辊的驱动

工作辊通过齿轮减速机、传动轴由电机独立驱动，工作辊轧制速度可单个独立调控，以便实现异步(不对称)轧制时产生足够的剪力进行切向轧制，使所轧镁带具有良好的织构和均匀的显微组织，在后续加工时具有大的塑性与高的成形性能，便于制造形状复杂的零部件。

3 第二种热轧线

不论是前面介绍的中试热轧线还是即将介绍的第二种热轧线都是全自动化轧制的，各项工艺参数诸如轧制道次、轧制温度、压下率、厚度、速度、外型与带材的最终板形都由电脑自动调控。图2所示的第一种热轧线中有一组单独开卷/卷取机组，轧制时计算机能确保经最后一道轧制后能准确进入左边的卷取机。

在右热卷取机的进带侧有一穿带台，控制进料状态。当带材进入卷取机后带材冷却系统立即启动，使带材温度降至可以卷取的设定温度。冷却至哪个温度取决于镁带的最终用途。带材在吹风冷却后还可以根据用途进行补充雾冷或水冷，在雾、水冷却后，带材的潮气与水由气刀吹净。吹干的带材由夹送辊、纠偏辊平稳地送进卷取机，以最佳的卷取角将带材卷成松紧度合适的带卷。在卷取过程中由板形辊检测带材的平直度，卷好的带卷由电动小车运走。

图4为第二种镁带热轧生产线示意图。这条生产线有两套独立的开卷/卷取机组，并有主动式热辊道，以便可逆轧制镁薄板或厚板。这条生产线既可以轧制铸轧带坯，也可以轧制铸造锭坯。辊道台上下方有热空气喷吹系统，可将锭坯从室温加热到(约)500℃。在轧机的两侧设有热辊道台与热卷取机，以确保带材在规定温度范围内一道次一道次地轧到最终厚度。

4 结束语

本文简要地介绍了法塔亨特工程公司、伊利可创镁业北美公司、美国橡树岭国家实验室联手对双辊式连续铸轧带坯在中试热轧线上进行了可逆式热轧，取得了阶段性的成果，是镁合金薄带材生产的新里程碑。试验表明，尽管轧制的带材较窄，但无可争辩地证明生产线的装备设计制造先进，轧制工艺可行，完全可以移置到宽带的商业生产线上，进行800～1200mm宽的镁合金薄带商业化生产的时日不会遥远了。

1-开卷机；2-纠偏辊与辊式矫机；3-剪床；4-进带侧夹送辊；5-1#热卷取机；6-4辊可逆式热轧机；7-2#热卷取机；8-出带侧夹送辊；9-空冷区；10-出带侧夹送辊；11-卷取机

轧制薄镁合金带的关键装备是加热系统与自动化控制设备，而加热设备与加热方式是关键的关键，包括对带材、轧辊和带卷的加热，轧制最好在340～380℃进行。

中国2005年洛阳铜业公司、银光镁业公司就铸轧成功宽约500mm的、质量达500kg的镁合金带卷，以后有些企业铸轧成功宽1200mm的带卷，但在工业化生产薄镁带(厚≥0.2mm)方面还没有取得突破性的成就，其关键是受制于装备水平。如果法塔亨特公司宽可逆式热轧生产线成套供应有可能的话，也可以考虑引进。

镁合金厚板(>6mm)必须用传统的铸锭热轧法生产。

当前，如何较大幅度地降低镁材的生产成本是镁行业面临的严峻挑战之一，只有在镁材价格仅比同规格同用途铝材价格高四五倍时，镁材在轻量化装备与器材方面的应用才会有较强的竞争力，否则推广镁在轨道车辆与机动车中的应用有较大难度。

中国是一个世界镁业大国，也已进入世界初级强国行列，但要成为一个真正的镁业强国，还有一段较长的路要走。笔者衷心地希望，本文提供的信息对中国镁板带生产有一定的借鉴作用。在镁合金带材轧制中必须解决带材、带卷等加热与装备、工艺自动化问题。否则，很难生产出组织性能上乘稳定、尺寸偏差精准的有市场竞争力的产品。

[1]Roberto Passoni, Chris Romanowski etc. New Reversing Rolling Mill Can Make Magnesium Sheet Commercially Viable[J], LIGHT METAL AGE, FEBRUARY 2013：53-55