硬铝合金板带生产线工艺及物流设计探讨

马玉蕊

(中色科技股份有限公司，河南 洛阳 471039)

随着铝及铝合金加工材市场需求的与日俱增，国际国内铝加工材需求呈现旺盛局面，极大地促进了我国铝加工业快速稳定地发展，为建设规模化、现代化的铝加工企业提供了良好契机。但是，我国铝加工材产品的结构性短缺也表现的非常明显，尤其是在特大规格、高强、高韧、耐蚀、高精铝合金板带材等高端军工及民用等产品每年仍需要大量进口。这类铝合金包括2xxx系、7xxx系以及部分高镁5xxx系，本文统称为硬铝合金。建设专业的硬铝合金生产线是提升我国铝加工水平的本质要求。

典型2xxx系、7xxx系硬铝合金的特点是可热处理强化，产品一般要求有较好的综合性能，包括良好的工艺性能、一定的强度和塑性，还要求保证一定的化学成分，保证良好的焊接性能、常温或低温的冲击韧性，或一定的冲压性能、一定的晶粒组织以及各向组织的均匀性等[1]。与软合金相比其品种多、批量小、工序多、生产难度大。

可热处理强化的铝合金厚板的工艺流程为：热轧-淬火-拉伸-时效-探伤-锯切-检查、包装。硬铝合金薄板带材的工艺流程为：热轧-冷轧-淬火-时效-剪切-检查、包装。硬铝合金工艺的复杂决定了其生产设备种类多，包括轧制设备、热处理设备、矫直设备、探伤设备等；柔性生产以及多种设备之间的物流也显得特别重要，因此研究专业的硬铝合金生产线的工艺及物流设计具有重要的现实意义。

1 硬铝合金板带生产线主要设备的选择

某硬铝合金生产线以满足国家急需航空航天、汽车、船舶、高铁等高端铝材为目标，主要产品定位于大规格、高强度、高韧性、高损伤容限的高性能航空航天中厚板、超大规格船用板材和化工板材、高性能汽车板材等。产品产量约为40万t，包括两部分：中厚板和合金薄板带材；对于中厚板而言，航空厚板的宽度≤3600mm，但产品宽度考虑到满足最大宽度≥4150mm船用板的需要；选择板材轧机机架宽度4500mm。

目前铝轧制厚板可达到280mm，采用异步轧制的方式生产，全球仅有两台：爱励科布伦茨和爱励鼎盛铝业各有1台4064mm铝热粗轧机，据称采用这种技术可以用厚度500mm～600mm的铸锭直接轧制出中心变形充分的250mm厚板。考虑到技术的成熟、可靠性采用同步轧制的方法，此生产线生产最大厚度260mm的产品。飞机机翼板最大长度是36m，此生产线生产成品最长36m的板材。

对于合金薄板带材而言，集装箱板、船用冷轧板带材的宽度最宽可达到2500mm，热轧卷坯料的宽度应该在2700mm，因此带材热轧机宽度选为3150mm，配套1台2800mm冷轧机。考虑到大部分冷轧板材宽度都在2100mm以下，故考虑选择1台2300mm冷轧机，2台轧机互相配合，这样可以覆盖绝大部分宽度的板带材。

1.1 热轧机架的选择

为了保证硬铝合金金属内部组织的均一、稳定，要采用热轧开坯的工艺，目前热轧供坯法主要有以下工艺：

(1)单机架热轧。单机架又可分为块片式的单机架轧机和单机架单/双卷取轧机，前者用于生产板材，规模在5万t左右，后者可以兼顾带材和板材，规模在10万t左右。

(2)1+1热轧。由1台热粗轧和1台热精轧组成，热精轧的轧制速度可达到320m/min～350m/min，热轧卷最小厚度2.5mm左右，规模在15万t～20万t。

(3)热粗轧+多机架热连轧。该生产线由单机架或双机架热粗轧之后，配置3～6机架热精轧机，生产控制手段齐全，产品质量优异，适应于各类铝合金品种的生产，生产规模可达到30万t/a～60万t/a。这样的铝加工企业又分为两种，一种是热粗轧的辊面宽度大于热连轧的辊面宽度，其目的就是生产大宽度的热轧厚板；另外一种是热粗轧的辊面宽度等于热连轧的辊面宽度，其生产的产品重点在冷轧。热轧板带生产主要企业见表1。

表1 部分热轧板带生产企业热轧机配置情况

热轧机配置中会出现的典型问题是：(1)热轧机的生产效率低，市场上中厚板总体需求量小，如果只生产中厚板，产量小不能形成规模；(2)生产板带材，如果采用1台粗轧时粗轧成为产能的瓶颈。

选择4500mm(R1)+3150mm(R2)+3350mm(FM三机架)热连轧机组的配置，主要生产硬铝合金，其不同于单机架热轧和1+N热轧的工艺有以下几点：(1)厚板轧制和卷材轧制分别独立生产；(2)大铸锭从铸锭加热炉出炉，在R1上轧制数道次，重剪(R1配套)切头尾，通过辊道至R2上轧制数道次，轻剪切头，进入FM轧机轧制到成品道次。即1+1铸锭开坯，3机架精轧卷取；(3)大铸锭从铸锭加热炉出炉，R2上可逆轧制数道次，如裂边严重的还要经过立辊轧制边部，重剪(R2配套)切头尾，进入R1上轧制到成品道次，轻剪(R1配套)剪切后垛板。或铸锭从加热炉出炉，R1上轧制数道次，然后中断为两块，分别进入R1和R2轧制到成品道次，剪切后垛板。

从生产工艺可以得出这种配置的优势在于：(1)产品兼顾了板材和卷材，将板材生产和卷材生产合并为1条生产线，在正常生产条件下，厚板轧制和带材轧制是独立的且可以平行生产不互相干扰，生产规模大。(2)板材轧机和卷材轧机联动生产，1+1铸锭开坯3机架精轧卷取，减轻了粗轧机的负荷，一定程度上减少了1+1或1+N粗轧产能的瓶颈。(3)1+1配合生产，开坯轧机的凸度和板形控制不严格，并且开坯时高镁铝合金的裂边比较严重，可在配套的立辊轧机上滚边，而成品轧机的凸度板形控制更好，两台轧机协作生产提高了板材轧制的生产效率和质量。(4)板材轧机和1+3共用推进炉和公辅设施，节省了投资成本。

1+1+3的机型主要分工是：板材热轧机用于生产中厚板，热粗轧和三机架精轧用于生产≤12mm的热轧板用坯料，以及为冷轧带材提供热轧卷坯料。

产品结构为4mm以上板材占比50.33%，其它板带材占比49.67%；经过计算板材轧机共需要年时3624h，1+3轧机共需年时3880h，负荷率均在60%以下，在合理的范围之内。

1.2 淬火炉的选择

在铝合金热处理工艺中，淬火是最为严格的一种工序。淬火的目的是使高温合金快速冷却至某一较低温度，使在固溶处理时形成的固溶体固定成室温下溶质和空位均呈过饱和状态的固溶体[2]。固溶处理温度的上限是合金的开始熔化温度，比如2A12合金含有少量共晶，溶质具有最大溶解度的温度相当于共晶温度，为防止过烧，固溶处理温度必须低于共晶温度。例如2A12固溶处理温度为498±2℃。另外加热速度、保温时间、转移时间、冷却速度都是重要的工艺参数。

产品结构以宽度≤1600mm的占比约50%，最大宽度4300mm；长度≤8m的占比约45%，最大长度38m；选择长38m，宽4300mm和长25m，宽3500mm的淬火炉的搭配，以适应多种长、宽的组合。硬铝合金板材往往规格很多，应根据硬铝合金板材产品比例不同采用不同长度、宽度或单一长度、宽度的炉型。

1.3 预拉伸机的选择

在淬火过程中，由于板材表面层和中心层存在温度梯度，产生较大的内部残余应力，在进行机械加工时，会引起加工变形。铝合金板材进行拉伸处理的目的是通过纵向永久塑性变形，建立新的内部应力平衡系统，最大限度地消除板材淬火的残余应力，增加尺寸稳定性，改善加工性能[3]。其方法是在淬火后、时效处理前的规定时间内，对板材进行纵向拉伸处理。拉伸机能力和产品的截面积相关，最大拉伸力按如下公式计算：F=Fmaxσs；式中，Fmax为板材最大截面积；σs为材料屈服强度，典型铝合金板的屈服强度250MPa。

选择100MN和40MN不同拉伸力拉伸机的搭配。硬铝合金板材应根据其极限要求选择预拉伸机的参数。

2 硬铝合金板带生产线的物流设计

硬铝合金板带产品的规格多、批量小，对于中厚板，板材长度长，上料、卸料和过跨运输耗费时间长；对于冷轧带材来说，产量大，在制品卷材的流转也影响到生产工艺顺畅和产品质量。从生产设备的配置、主要生产设备的物流运输方式和在制品库的方案设计几个方面研究其物流设计。

2.1 主要生产设备的配置方式

热轧、中厚板热处理和冷轧、精整几个工序相对独立，依据生产工艺分为4个分厂：热轧厂、中厚板厂、冷轧厂、精整厂。热轧机、辊底炉、冷轧机、精整设备分别位于这几个分厂中，这样分区的好处是便于生产的组织和管理。

2.2 主要生产设备之间的物流运输方式

(1)热轧机与淬火炉之间的连接。板材轧机轻剪下线板材最长15m，重剪下线板材最长25m，这样的板材如果要在车间内转向非常困难，车间物流通过平移小车直接将热轧后的板材运送到淬火炉跨(图1)。

(2)淬火炉与拉伸机之间的连接。淬火炉产能为7.1t/h，拉伸机产能为30.7t/h，生产的瓶颈在于淬火炉，因此可考虑两台淬火炉并联。

车间内物流是通过平移小车直接将热轧后的板材运送到淬火炉跨。两台淬火炉采用辊道连接的方式并联后进入拉伸机辊道，采用这种方式省去两次车间天车吊运和一次过跨车运输板材，提高了物流的效率，同时减少了板材的磕碰和擦划伤，也保证了淬火和拉伸之间的间隔时间(图2)。

2.3 在制品周转库的配置方式

为了使热轧到冷轧以及冷轧到精整的物流最短，在热轧厂、冷轧厂和精整厂之间设置一个在制品周转存储区，经计算得出在制品总储存量位为968卷，卷材进出的最大频率为68卷/h。卷材进出频率见表2。

表2 卷材进出高架库频率表

如果采用智能天车，按照智能天车处理能力20卷/h，至少需要4台智能天车。如果采用智能天车的平面库应该为30m宽度的2跨，占地面积为：2×30m×220m=13200m2；如果采用7层单巷道的高架仓库其占地面积为：18m×276m= 4968m2，面积差达到8232m2。因此本设计选用1套7层单巷道高架仓库。高架仓库的基本参数为，堆垛机运行速度0～3.3m/s，提升速度0～0.4m/s(0.6m/s)，插杆伸缩速度0～0.6m/s(1.2m/s)。

高架仓库存放卷材的方式有两种，一种是支撑套筒形式，一种是支撑外圆形式，对于软合金而言，为了防止鞍座对卷材的擦划伤，可优先选用支撑套筒，硬铝合金高架仓库采用支撑卷材外圆的方式。高架仓库连接了热轧车间、冷轧车间和精整车间，是物流系统的核心区域。与热轧车间的连接通过托盘运输系统和横向侧移小车实现，与冷轧车间的连接通过运卷小车实现，与精整车间的连接通过运卷小车和AGV自动运卷小车的组合实现。

两台冷轧机的物料通过机列线旁边的托盘运输链相连，可以实现卷材在两台轧机之间的流动，两台轧机又同时和高架仓库相连，有利于物料的周转。

现代化的冷轧机都与高架仓库相连，进出高架仓库的方式有托盘式的和小车式的两种，如图3所示，左侧是小车式的，右侧是托盘式的。托盘式的需要旋转两次，设备比较笨重；小车式的运卷轨道在地面上，运输距离短且不是地沟小车式的牛腿式设计，因此保证了车间内消防通道的简洁、畅通。

考虑到从精整侧向冷轧侧运输套筒的方便，专门设计了一种提篮式套筒筐(图4)，这种套筒筐借助于堆垛机从高架库中穿过，可以实现从精整各个设备向冷轧机套筒运输的简便、快捷。这种套筒筐在生产中减少了套筒的运送频次，套筒堆积现象大大减少，是本项目物流的一个创新。

3 结论

(1)硬铝合金板带与软合金板带的区别之一是规模上的区别，硬铝合金板带热轧机机架的选择应依据规模和产品结构，当板材和卷材的量都较大时，可选择板材轧机+热粗轧+热精轧的布置方式。

(2)硬铝合金生产工艺区别于软合金的显著特点是其热处理工艺，对于中厚板而言辊底炉的选择可考虑长短搭配，拉伸机的吨位选择要考虑最大截面并适当留有余量。

(3)冷轧入高架库采用地面小车的形式，保证了从冷轧到高架库物流的快速直接，以及消防通道的畅通。采用一种提篮式套筒运输筐可以将精整侧的套筒通过高架仓库直接运送到冷轧侧。

(4)硬铝合金卷材采用支撑外圆、7层单巷道、单堆垛机的高架仓库，处理卷材的能力达到68卷/h，比平面库的物流速度快，占地面积节约了8332m2。