镁合金板带炉卷轧制工艺研究与应用

宋 璐，姬亚锋

（1.山西太钢工程技术有限公司，山西 太原030009；2.太原科技大学，山西 太原030024）

镁合金作为目前工业上最轻的应用金属结构材料，具有密度小、比强度高、尺寸稳定性好、磁屏蔽性好及焊接性优良等一系列特性，正成为现代高新技术领域中最有希望的一种复合材料，在航空航天、汽车工业、3C产品和国防军事等领域具有极其重要的应用价值和广阔的应用前景。此外，镁合金可回收利用，对环境友好，被誉为“21世纪的绿色工程材料”和“第三大金属结构材料”。随着科学技术的进一步发展，随着镁合金各种性能的进一步完善，它必将成为未来金属材料领域的主力军，也必将为人类社会的发展做出更大的贡献[1]。

由于变形镁合金相较于铸造镁合金具有组织晶粒细小、无缩孔、力学性能优异等优势，具有较大的发展潜力。镁合金板材在变形镁合金中占有重要的地位，而轧制技术作为塑性变形的有效方法，是制备镁合金板材最经济有效的方式。

1 镁合金板带生产技术

将镁合金加热至一定温度进行轧制，激活锥面滑移系，可提高塑性加工性能。镁合金的滑移机制除受变形温度影响外，还受到变形速率、晶粒度等因素的影响。在应变速率较小时，镁合金的主要变形机制是晶界滑移和孪生，在高应变速率下，沿基面和非基面的滑移系均可启动，变形速率对位错滑移的影响在低温高应变速率下尤为显著[2]。制备优质的镁合金板材，大部分工艺都需要经过多道次轧制工序，而轧制过程主要受两方面因素的影响：第一方面为影响轧制金属本身性能的一些因素，即金属的化学成分和组织状态以及热力学条件；第二方面为轧制的工艺因素，如轧制温度、轧制变形量和轧制速度以及后续的热处理工艺等。

温度作为影响镁合金轧制过程的重要因素之一，对镁合金的组织变化、变形抗力和塑性均有较大影响，在高温下由于动态回复、连续动态再结晶、晶界滑动和额外的滑移系统的激活导致合金的延展性显著提高[3，4]。

在镁合金轧制过程中，除温度参数以外，变形量和轧制速度对镁合金生产也起到至关重要的作用。变形量过大容易引起应力集中致使板材开裂，变形量过小会影响生产效率和产品质量。由于应变速率提高会导致镁合金塑性下降，镁合金板材轧制的速度相对于其他合金来说较低。目前镁合金板材轧制大多以多道次小压下的方式进行，即每道次压下量不超过5%，4—5道次冷轧累积变形量达15%～20%后进行中间退火[5-7]。

2 镁合金板材炉卷轧制工艺及模型

2.1 轧制工艺流程

厚度为8～10 mm的热轧镁合金带卷，经加热炉加热至400°C左右，经上卷机构运送至开卷机，经开卷后进行第1道次轧制，轧制后的带材进入机后卷取炉，第1道次轧制完成后，轧机进行第2道次可逆轧制，轧制后的带材进入机前卷取炉，在炉卷轧机上往复轧制若干道次，轧制至0.7～3.0 mm的带卷。

图1 炉卷轧制工艺流程图

2.2 自动控制系统

炉卷轧机组自动化控制系统主要由轧线主令控制、温度控制、自动厚度控制等功能构成。其中，轧线主令控制和温度控制在S7-400PLC内完成，液压AGC控制在FM458内完成。

2.2.1 轧机速度及张力控制

张力控制作为炉卷轧机保证稳定轧制和产品质量的关键组成部分，主要包括张力设定、实际张力检测和张力闭环控制。主轧机和卷取、开卷机分别由交流电动机驱动，这些电机调速系统的基本目的就是轧制速度保持稳定的同时保持张力稳定。

2.2.2 温度控制

温度是热轧板带生产过程中最重要的工艺参数之一，直接影响到热轧轧制力，精确预报轧机各道次的轧制温度是保证厚度命中率的关键。镁合金炉卷轧机加热装置包括镁合金加热炉和补温炉两部分。镁合金加热炉炉温控制采用集散控制方式，整个装置温度按照工艺要求自动调节，将镁合金板卷加热至轧制需要温度，在轧制过程中，由补温炉对轧制过程温度进行在线补偿。

2.2.3 液压闭环控制（HGC）

HGC是液压压下系统的基本环节，实现液压压下快速准确的位置控制功能。液压HGC工作时，由位置基准值与液压缸位移传感器反馈值构成闭环，综合考虑液压缸负载油压变化，控制液压缸位置上下移动以消除辊缝误差，HGC闭环控制的原理图如图2所示。

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图2 HGC控制原理图

2.2.4 自动厚度控制（AGC）

镁板厚度精度是检验产品质量的关键性能指标之一。是获得高精度厚度控制精度的关键因素之一，采用厚度计AGC和监控AGC对镁合金板带厚度进行调节，以获得厚度质量良好的镁合金板带。

2.2.4.1 厚度计AGC

图3 基于轧机弹性变形曲线的厚度计AGC原理图

如图3所示，SL为锁定辊缝，FL为锁定轧制力，hL为锁定带钢厚度，S为实际辊缝，F为实际轧制力，h为实际带钢厚度，Δh为带钢厚度偏差。

考虑压下效率，厚度计AGC调节量如式（1）所示：

式中，FH（F）为轧机牌坊弹跳方程，

2.2.4.2 基于Smith预估器的监控AGC控制系统

由于热连轧机测厚仪厚度变化量的检测存在滞后时间，严重影响系统的稳定性，在监控AGC系统中引入Smith预估器以提高带钢厚度控制精度，在监控AGC系统中，采用样本跟踪方式，取测厚仪至末机架轧辊中心线距离为样本长度，按样本采样处理信号，控制系统如图4所示。

图4 带Smith补偿的积分监控AGC控制系统方框图

由图4可知：

设i时刻的采样时间为Ts（i），对公式（2）进行定长样本的离散化，并将一阶微分环节近似处理为式（3）：

将式（3）带入式（2）并整理有：

式中：α为消差因子。

由式（4）可见，当前辊缝修正量ΔS（i）受到当前的厚度偏差Δh（i）、第（i-1）次的辊缝修正量ΔS（i-1）、第（i-τ）次的辊缝修正量ΔS（i-τ）有关。

3 结论

多种轧制方式已用于镁合金板材生产，且可以得到晶粒相对细小的镁合金组织，但往往采用多道次小变形量轧制，并且需要中间退火，影响生产效率，导致镁合金板带成本居高不下。采用炉卷轧机轧制镁合金板材可以有效控制轧制温度，提高板带的性能，同时降低成本从而实现镁合金板带高效低成本制备。开发镁合金炉卷轧制工艺及自动控制系统，可以有效促进镁合金板材制备技术的发展，对镁合金的工业化的发展具有重要意义。