双金属冷复合轧机的设计初探

张京诚

(中色科技股份有限公司，河南 洛阳471039)



双金属冷复合轧机的设计初探

张京诚

(中色科技股份有限公司，河南 洛阳471039)

通过开发设计双金属冷复合轧机，对冷复合轧制的特殊工艺进行了针对性研究，最终采用经济合理的参数选择与方案配置完成了轧机设计，并成功生产出合格产品；同时对冷复合轧机的应用前景提出了展望。

金属复合；冷复合；轧制；轧机；设计

复合材料的发展方兴未艾，其中的金属复合材料在军工、电子、家电产品中已得到广泛应用。如钢铝复合材料在散热器方面、钢铜复合材料在军工方面、热双金属膨胀合金在电器开关方面的应用等等。金属复合带材的加工多是通过轧制复合方式来完成的，随着中国装备制造业的快速发展，各种规格的金属复合轧机迅速发展起来，根据材料强度大小不同，从百十毫米带宽发展到上千毫米带宽，从热复合发展到冷复合，金属种类涵盖了钢、铜、铝、精密合金等绝大多数金属材料。本文结合笔者参加的某型双金属冷复合轧机的开发设计，对复合轧机的设计技术进行初步探讨。

1 轧机类型

双金属复合轧机一般有热复合与冷复合两种形式。热复合轧机是在复合材料进入轧机之前对复合金属的基材进行加热，温度目标一般设定在材料退火温度上下，以使材料屈服强度有所降低，有利于轧制过程中轧制力能的降低。受材料特性的影响，加热方式有电阻加热、感应加热等。由于热复合需要配制在线加热设备，还需控制材料的热均匀性，设备构成相对复杂；同时加热方式的约束限制了复合材料种类的扩展，也使复合材料工艺性能的究研受到限制，所以冷复合方式越来越被关注，成为发展方向。

冷复合轧机即是在常温状态下进行轧制复合，通过60%～70%的压下量将两种或三种金属复合在一起。同样一台冷复合轧机在设计力能条件下，可对多种金属进行复合轧制，这样就大大拓宽了轧机的利用效能。

此外，热复合轧机还有一种形式，即采用热轧方式进行，主要是利用了大型热轧机的开坯能力，其生产的产品主要针对厚度规格较大的板材。

2 轧机设备组成

双金属冷复合带材轧机的设备主要由开卷机(1)(3台)、入口装置(2)、轧机导位装置(3)、轧机本体(4)、出口装置(5)、卷取机(6)以及上卸料小车(7)等设备组成(图1)。其中入口装置除了直头穿带功能外还可设置在线修磨装置，对来料带材进行表面打磨，以使复合带材界面露出新鲜的非氧化的金属层。带材修磨工序也可离线完成，只要在规定时间内进行复合轧制即可。冷复合轧机省掉了轧机入口的加热装置，整体配置相对简洁。在出口装置中根据需要还可配置边部剪切装置，以保证复合后带材的边部质量。

3 设计难点与对策

金属冷复合轧机从理论原理上与一般轧机完全相同，但由于受到金属复合轧制时特定工艺的影响，所以在某种条件下还存在可行性问题。为此，本文将主要结合某台冷复合轧机的设计进行探讨。

3.1 特定的轧制工艺

根据经验，金属复合轧制最关键的一个要求是一次轧制压下率必须达到60%～70%，同时由于双层叠轧的工况，轧制时不能有大量轧制润滑液存在，不然会使结合面带油，从而使复合失效。这一特点与其他传统轧机相比，设计思路上必然会带来一系列的变化。

图1 冷复合轧机机组配置图Fig.1 Layout of cold roll bonding mill line

3.2 轧制咬入问题

根据轧制的咬入要求，如果来料带材总厚度9mm、宽度350mm、屈服强度大于400MPa、压下率70%、轧辊与坯料的摩擦系数按0.1～0.12考虑，按正常咬入条件计算，则工作辊直径需要达到900～1200mm， 轧制力将达到1200～1500t，同时轧制力矩也将大幅提升，轧机规格较大，形式与成本均不理想。从成本考虑，结合实际生产过程，我们认为轧制时无需一次咬入达到最大压下率，可逐步提升，只要满足稳定轧制时的咬入条件即可。这样工作辊直径可大幅下降至300mm左右，轧制力也随之大幅减小至600t。同时采用4辊轧机配置并包含正负弯辊装置，轧制刚度高、板形也可进行调整。

3.3 轧制传动问题

根据材料屈服强度的不同，轧制传动方案的选择也不同。对于一些强度较小的材料，如铝合金、普碳钢，选择工作辊直接传动即可。而对于高强度钢、不锈钢、铁镍合金等材料则会因材料强度大，传动力矩高而使工作辊传动受到限制。

支承辊传动不打滑的条件是M轧

即，2×P×(R×Δh)0.5×ψ< 2×P×f×R，

由此导出公式，(Δh/R)0.5×ψ

式中，P为轧制压力，N；M轧为轧制力矩，N·m；M支摩擦为支承辊与工作辊间摩擦力传递的最大力矩，N·m；Δh为压下量，m；R为工作辊半径，m；ψ为轧制力臂系数，一般取值为0.3～0.45；f为轧辊间的摩擦系数，一般取值～0.1(含油光滑界面)。

根据上述公式条件，可通过适当提高工作辊直径来确保支承辊与工作辊间的扭矩有效传递，同时调大设备规格与力能参数。考虑到进一步提高传动的可靠性，采用了工作辊、支承辊4辊传动方案，即在工作辊可承受的扭矩条件下，让其尽可能更多的分担轧制力矩，实践证明，这一选择大大降低了传动系统的震荡风险。

3.4 轧制润滑问题

一般轧机在轧制过程中都会采用大量轧制油进行充分润滑，但复合轧机会因复合双层界面的轧制油渗入而导致复合失效。为此，复合轧机必须采用微量润滑方式，通常可采用辊涂、喷雾、人工涂抹等方式，同时应采用流动性较差的润滑油以防止其堆积流入复合界面。这样的工况又会带来另一个问题，即润滑不充分或不稳定可能会造成轧制力波动，从而导致厚差波动，严重时会引起轧制力超负荷或者咬入条件破坯引发轧机震荡。因此，选择合适的轧制油品种与均匀、持续、适合的润滑油用量，均是生产过程中必须极其重视的。

3.5 轧辊冷却问题

由于轧制润滑油的限制条件，复合轧机轧制时无法通过轧制油带走热量，而复合轧制时超大的压力量又会产生大量变形热，所以必须重新考虑轧辊的冷却方式，以确保轧辊温度稳定在合理范围内。为此，我们采用了轧辊中空通水冷却方式，并配合风冷，使轧辊温度可以控制在120℃以下。轧辊温度稳定的同时，也使润滑油的润滑效果处于稳定状态，使轧制稳定进行。

4 结论

本台冷复合轧机通过设计优化在满足复合轧制特殊工艺的条件下，采用了经济合理的设备规格参数实现了复合轧制。通过现场调试与实际生产，成功稳定轧制出330mm宽的超硬合金材料的双层与三层复合产品。

冷复合轧制在材料强度许可范围内，可实现多种金属材料的复合轧制，如不锈钢-铝合金(装饰材料)、铜-镍合金(开关材料)、镍-镍合金(开关材料)、铜-铝合金(导电材料)、钢-铝合金(轴瓦材料)等复合材料。因此，该型冷复合轧机也将随着双金属复合材料应用范围的不断拓展而具有更大的发展前景。

Design Analysis of Cold Roll Bonding Mill for Bimetal Composites

ZHANG Jingcheng

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

The paper studied special process of cold roll bonding through developing bimetal composite cold roll bonding mill, and it presented the design of the mill with reasonable parameters and schemes based on cost efficient, thus producing qualified products; it also put forward the outlook on application of cold roll bonding mill.

bimetal composite; cold roll bonding; rolling; rolling mill; design

2015-08-28

张京诚(1971-)，男，高级工程师，主要从事冶金机械成套设备的设计与项目管理工作。

TG335.8

A

1671-6795(2015)06-0006-02