镁合金板带热轧机的设计选型分析

天津市中重科技工程有限公司

热线：022-86996623

韩 晨

男，高级工程师，硕士，毕业于北京科技大学轧钢工艺专业，

目前主要从事有色金属板带工艺开发与工程设计工作。

1. 中色科技股份有限公司，河南 洛阳 471039；

2. 洛阳有色金属加工设计研究院，河南 洛阳 471039

关键词

镁合金；板带；热轧机；设计选型；配置特点

Design Selection Analysis of Hot Rolling Mill for Magnesium Alloy Plate and Strip

HAN Chen1,2, SUN Fu-tao1,2

1. China Nonferrous Metals Processing Technology Co., Ltd., Luoyang , Henan , 471039, China；

2. Luoyang Engineering and Research Institute for Nonferrous Metals Processing , Luoyang , Henan , 471039, China

Abstract：Research and development and industrial production for Mg plate and strip are the hot spots of domestic and foreign research institutions and production enterprises. The equipment components and levels of hot rolling mill is very important for Mg plate products because of its for Breakdown rolling and finished rolling for Mg plate. Design selection and equipment components for professional hot rolling mill aiming Mg hot rolling process were mainly analyzed and suggested through presenting and analysing the application status and equipment components and process characteristics and equipment parameters.

Keywords：Magnesium alloy；Plate and strip；Hot rolling mill；Design selection；Configuration feature

摘要

镁合金板带材（以下简称镁板）具有密度小、比强度高、导热性和屏蔽性能好等优良特性，被称为“21世纪的绿色结构材料”，广泛应用在航空航天、国防军工、交通运输、试验设备、印刷制版、纺织机械及笔记本电脑和智能手机为代表的电子产品等领域[1-3]。

由于镁板开发和应用的滞后，因而其国内年产量相比钢铁板带材超亿吨、铝及铝合金板带材超千万吨、铜及铜合金板带材超百万吨、稀有金属的钛及钛合金板带材超万吨的年产量差距较为明显，其年产量基本和稀有难熔金属钼及钼合金板材的年产量相同。

镁板的实际年产量和市场供应量不仅与原材料、生产成本、工艺技术、市场需求量、产品质量和价格等因素有关，也与科技和社会发展水平、客户和市场的认知和认可程度、产品的实际深加工技术和现状、装备制造业发展水平等因素息息相关。

镁板热轧机的作用主要是针对生产工艺需求进行镁合金铸锭热轧开坯和中厚板成品轧制，进而生产出合格的中间板坯和最终成品板材。热轧机的工艺设计理念、机组部件配置、控制精度等装机水平直接决定着镁板产品的力学性能、尺寸公差和表面质量。

因而，通过对目前国内外镁板热轧机应用现状、机组组成、工艺特点和设备参数的介绍和分析，进而对专业化的镁板热轧机设计选型和机组配置提出建议就显得尤为重要。

1. 镁板热轧技术难点

导致镁板生产难度大的因素很多，但最主要还是镁的滑移系少，室温塑性变形能力差，只有温度升高到220℃以上时，镁板才能获得较好的变形能力。因此，镁板生产过程中往往需要进行多次加热。与压铸件和挤压件生产相比，镁板的轧制难度更大，主要体现在轧制过程中板材易产生裂纹、产品存在各向异性、生产效率低、成品率低等方面，但以轧制方式生产板材产品是镁合金大规模开发和应用的重要标志[4-5]。轧制方式生产的镁板产品组织和力学性能好，技术含量和附加值高，可实现大批量和尺寸灵活化生产。镁板热轧技术难点如下：

（1）镁的晶体结构为密排六方，力学性能呈现出显著的各向异性，常温下仅有三个滑移面（基面、棱锥面、棱柱面）和一个滑移方向，生产过程中变形抗力高，因而镁板轧制变形难度大[6]；

（2）镁在常温或潮湿状态下容易和空气和水蒸汽发生化学反应，尤其是温度超过400℃时与氧气的反应剧烈，其氧化膜变为多孔状、较厚且向基体内部快速生长；

（3）镁板的轧制温度要求严格而且温度范围窄、金属温降快，应变抗力大、加工硬化显著。另外，如果轧制时的道次压下率过大或轧制速度过高，不仅热轧坯料咬入困难，而且还容易出现轧制开裂、产品表面质量差、坯料与轧辊出现粘结等现象。

由于以上问题的存在，就要求镁板的热轧工艺技术和轧制设备必须针对其加工特性进行专门的开发与设计。

2. 国内镁板热轧机配置特点

国内镁板生产企业规模都不大、布局分散、企业综合实力不强，一些国有大型企业对于镁板的生产也以辅助性加工为主。在生产工艺设备方面，大多使用钢铁、铝、铜或钛板的轧制设备，或者是一些“二人转”轧机，甚至是六十年代设计制造并濒临报废的设备，而专业化的镁板生产设备较少。热轧生产过程中的矫直、剪切等精整工序多为离线进行。

在2000年以前，国内只有中铝洛铜铝镁板带分厂一家生产企业进行镁板的轧制，其热轧生产线的产能约300t/a，但由于当时市场需求量不高，因而其实际年产量仅为几十吨，产品主要用于军工行业。

截止到目前，除了中铝洛铜铝镁板带分厂外，国内利用钢、钛、铜铝等加工设备辅助性进行热轧镁板的企业近10家，生产线总产能接近1万t/a，实际热轧产量为500~700t/a。

国内生产企业热轧镁板所使用的轧机情况及配置特点如下：

（1）中铝洛铜：1600mm二重热轧机，老式轧机。1600mm二重热轧机主要由主机架、立辊轧机、机架辊道、中间辊道、回转辊道、导尺、运输辊道、二重换辊装置等部件组成，来料铸锭最大厚度200mm，热轧成品板材最小厚度6mm，工作辊直径Φ750mm，最大轧制力12000kN，最高轧制速度180m/min；

（2）宝鸡钛业：3300mm二辊热轧机，主要进行钛板热轧，辅助性生产镁板，最大轧制力44000kN（其板材热轧过程中的最大实际轧制力约10000kN）；

（3）西部材料：2800mm四辊热轧机，主要进行钛、钢板热轧，辅助性生产镁板。2800mm四辊热轧机主要由主机架、立辊、运输辊道、导尺、十一辊热矫直机、液压剪、在线补热炉等部件组成，来料最大厚度380mm，热轧成品板材最小厚度4mm，最大轧制力50000kN；

（4）营口银河：1725mm四辊热轧机，原设计用于钢板轧制，设计改造后专业用于镁板的热轧及工业化生产。1725mm四辊热轧机主要由主机架、运输辊道、在线中频炉及补热炉、旋转台、对中导尺、液压剪等部件组成，来料铸锭最大厚度350mm，热轧成品板材最小厚度5mm，工作辊直径Φ800mm，支撑辊直径Φ1500mm，最大轧制力30000kN，最高轧制速度120m/min[7]；

（5）重庆奥博：1500mm四辊热轧机，主要进行铝板热轧，辅助性生产镁板；

（6）中色科技：1600mm四辊热轧机，原设计为铜、铝、镁、钛产业化加工设备，设计改造后专业用于镁板的热轧。1600mm四辊热轧机主要由主机架、运输辊道、机架辊道、在线补热炉、转料辊道、对中导尺、在线热矫直机、液压重剪、成品定尺剪、下料及堆垛装置等部件组成，来料铸锭最大厚度320mm，成品板材最小厚度4mm，工作辊直径Φ550mm，支撑辊直径Φ900mm，最大轧制力20000kN，最高轧制速度180m/min[8]；

（7）其它：洛阳镁鑫公司、山西闻喜银光公司等镁板带生产企业目前也在利用幅宽超过1500mm的热轧机组进行宽幅中厚镁板的生产。

3. 国外镁板热轧机情况

国外采用热轧机进行铸锭轧制开坯生产的镁板产品主要是中厚板（厚度在4~6mm以上），产品主要应用在航空航天和军事装备领域（如美国和俄罗斯以热轧开坯法生产的镁合金板材均用于军工生产）。相比于国内镁板在航空航天、军事装备领域主要应用在导弹和火箭的仪表舱壁板、肋板和隔板、导弹和飞机的尾翼、战斗机副油箱及衬板等简单的、非受力或次承力的结构件上，国外在大型、复杂、承力等结构件上也开始使用了镁板。

国外最早进行镁板热温轧制的国家是前苏联，在1930年采用铝板轧机进行镁板轧制，而且其并非铸锭开坯轧制，而是对挤压后的坯料加热后进行中轧，最薄产品厚度为1mm。

图1国外典型镁板热轧机

Fig.1 Foreign typical hot rolling mill for Mg plate

国外生产企业热轧镁板所使用的轧机情况如下（典型镁板热轧机见图1）：

（1）1946年，英国伊利科创镁铝公司在带有立辊的2100mm二辊可逆钢板热轧机上进行AZ31铸锭的开坯热轧，铸锭最大厚度为356mm，热轧成品最小厚度为6mm，产品最大宽度1829mm，产品最大长度6090mm，最高轧制速度379m/min；

（2）1950年，美国道屋化学公司在Madison建立了世界上第一台按镁合金要求设计的2133mm四辊可逆热轧机，工作辊和支承辊的直径分别为Φ686mm、Φ1346mm；

（3）1950年，前苏联轻合金研究院采用2800mm四辊热轧机进行镁板热轧试验和生产，铸锭最大厚度为250mm，热轧成品最小厚度为6mm，产品最大宽度2500mm[8]；

（4）美国Brooks and Perkins公司底特律镁板轧制厂有一条“1+3”式的热连轧生产线，以往主要用于镁板的热轧，后来以热轧铝板为主；

（5）2002年，德国第二大钢铁公司即萨尔茨吉特公司组建了萨尔茨吉特镁板技术公司，2003年该公司现代化的热轧机投产，可生产的镁板最大宽度为1860mm；

（6）法塔亨特公司2010年设计制造了一套类似于钢铁行业使用的炉卷热轧机中试生产线，该公司和橡树岭国家实验室、英国伊利可创镁业公司进行合作对镁板带进行热温轧卷式法生产，并实现了来料厚度12.7mm以下、宽度250mm以下的料卷的试验性轧制。目前，该公司正在商业化推广可实现板带材最大宽度2000mm、最大卷径为Φ2000mm的工业化生产镁板带热轧生产线[9-10]。图2所示为法塔亨特公司开发的镁板热轧机。

图2 法塔亨特镁板热轧机

Fig.2 Mg plate hot rolling mill of FATA Hunter

4. 热轧流程及参考分析

厚度为6~100mm热轧镁板的生产工艺全流程为：配料→熔炼→铸造→均匀化→锯切→铣面→合格铸锭→加热→热轧→（补热）→（二次热轧）→热矫直→（热处理）→酸洗/砂光/修磨→成品锯切→涂油→包装。

国内某镁板企业生产厚度为6mm的板材时，采用的铸锭规格为180×850×1050mm，经过11个道次的轧制后（其中换向轧制3个道次），一次热轧板坯厚度为10.5mm，然后再进行酸洗和加热后进行二次热轧，经过3个道次的二次热轧后最终成品厚度为6mm。

镁合金铸锭的加热参数需根据相应合金的高温塑性图进行确定，一般合金如AZ31B的加热温度在450~490℃。部分特殊合金如ZK61M由于含锌量高，合金的高温抗拉强度低、塑性差，同时由于该合金的轧制热效应大，高温轧制时的变形热可使锭坯的温度超过合金的塑性温度范围，进而降低合金的热塑性，因而根据其塑性图确定的加热温度为410℃。同时，必须注意，高微合金化的镁合金不适合热轧，主要是因为二相粒子多会进一步加剧其热轧开裂性，如含Al量超过5%的镁合金AZ91D等就不适合进行热轧生产。

热轧过程中，金属的热损失及坯料自身的热均匀性对镁板轧制的影响最大，也直接决定着热轧机在线补热设施的设计。在根据铸锭轧程进行二次等补热外（例如厚度为180mm的铸锭，一次热轧至约30mm厚度时即需要进行待温或补热）还需根据镁合金轧制过程中的热辐射和热传导损失进行相应的加热和补温，以保证坯料轧制过程中对温度的严格要求。公式（1）为计算镁板热轧过程中温度损失的计算方法。

镁板热轧过程中，其轧制速度、道次压下量等对生产成本、轧制效率、板材表面质量尤其是组织和力学性能、热轧机轧制力和轧制扭矩等的确定会产生重要影响，甚至是直接决定了热轧机设计和轧制生产过程是否能够成功。因而，编制轧制道次时必须进行准确计算。公式（2）为计算镁板热轧过程中轧制速度和道次压下量的计算方法。在根据最小轧制厚度和最大咬入角确定工作辊直径后，最重要的就是要确定待轧镁合金坯料的应变速率值，而应变速率值的确定就必须进行应力-应变相关试验。

5. 热轧机设计选型及分析

（1）轧制力：轧制力需根据热轧道次编排、相应镁合金牌号热轧温度下的屈服强度（如AZ31B镁板坯在370℃下的屈服强度仅为15MPa，远小于其常温下约300MPa的屈服强度值）等参数进行计算确定，计算后还需在试验轧机或工业化轧制设备上进行验证并反馈以修正相关系数。在没有特殊要求的情况下，可按最大道次压下率30%、最大咬入角18°、单次轧程最大总压下78%等数据进行设备轧制力预估计算，单位宽度轧制力不小于10kN/mm（和铸锭宽度有一定的关系，例如采用宽幅2000mm轧机轧制坯料宽度800mm就不适合），另外对应的单位宽度主电机功率不小于1.25kW/mm以及单位宽度轧机刚性不小于1.6；

（2）轧制转矩：轧制转矩需根据铸锭规格、开坯道次轧制压下量、最大道次压下量、咬入角、工作辊直径、主电机功率等进行计算确定。如无特殊要求，一般镁板热轧机根据其辊面幅宽预估计算值可按0.8 kN·m/mm进行考虑；

（3）轧制速度：镁板热轧头两个道次考虑到顺利咬入和变形热的影响，一般轧制速度控制在30m/min以下，随着板坯温度的降低和生产节奏的提高以及道次压下率减小但需要保证终轧温度的要求，轧制速度应尽量提高，可控制在60~90m/min。在轧机设计时，考虑到采用低速大扭矩传动主系统和单独传动设计可保证设备具有动态调速，有效控制板型和翘曲，热轧机设计最大速度为120m/min即可满足生产工艺要求；

（4）轧辊预热：镁合金板坯的热容小，对温度敏感，对镁合金塑性图进行分析可知，终轧温度低于250℃时，镁合金具有较高的变形抗力和较低的塑性。实践证明，生产过程中如果轧辊不进行预热，其轧制性能差，容易产生表面裂纹，即使轧辊表面温度达到了要求，轧制过程中轧辊还要吸收大量的热，会降低轧制性能。因此，镁板热轧机设计时必须有针对性的进行轧辊预热系统的设计。优选设计为对轧辊进行感应式加热，其次为利用燃气进行燃烧预热，但在加热均匀性、温度精确控制、加热效率等方面前者优势明显。应用在铜、铝板带热轧机的乳液预热系统不适合镁板轧制过程中使用，仅可在轧制间隙进行。轧辊预热温度根据轧制规程与合金品种的不同一般控制在100~200℃；

（5）工艺润滑系统：镁板在热轧过程中如遇急冷将严重降低镁合金的轧制特性以及发生火灾，因此，镁合金热轧时通常不采用工艺润滑介质。但为了提高镁板的表面质量并减少轧制过程中轧辊与镁板的粘结，采用约100℃的30%~50%聚乙二醇水溶液对热轧机上下辊进行喷射效果较好。因而，热轧机应设计有聚乙二醇水溶液工艺润滑系统；

（6）立辊轧机：镁板热轧机应配置有近距离布置的立辊轧机或机架内的机前和机后轧边辊装置（轧制力在1000kN以上），在对锭坯进行边部微量轧制进行宽度尺寸控制的同时，可有效改善镁板的热轧变形性能、减少边部开裂和需深冲制品的各向异性。同时，近距离的立辊或机架内轧边辊在配合轧机轧制的过程中对镁板形成后张力，可有效提高因无张力轧制存在的长规格板材板型不良的现状；

（7）旋转平台：由于镁板力学性能要求有纵向和横向的差异范围，而目前只能通过换向轧制来满足其要求。同时，换向轧制也能够有效改善镁合板坯的热轧变形性能、减少边部开裂和需深冲制品的各向异性。旋转平台应在轧机机前和机后各设置1套，长度应根据轧机的幅宽进行确定。旋转平台可设计为旋转辊道、可升降旋转支架等型式；

（8）补热炉：由于镁板轧制过程中部分合金和规格产品需要进行补热，因而镁板热轧机必须设计有在线补热炉。补热炉的型式应为热风循环炉，其长度根据轧制工艺编制所需进行设计。需要说明的是，由于镁合金在线动态再结晶和应变诱导再结晶过程较为缓慢，因而在补热过程中应满足其一定时长的静态再结晶和待温轧制过程，因而采用在线感应式、中频式、分段式快速加热炉较难满足生产要求，而采用传统的辊道式全封闭加热炉较为合适（需设计有惰性气体保护）。另外，如果热轧生产线产能较低，例如幅宽1500mm的产品年产能在几千吨的级别，补热炉可设计为在线固定式；而如果产能较大，考虑到补热过程时间长，为了不影响热轧机的交叉生产，应将补热炉设计为可移出式；

（9）矫直机：由于镁板尤其是中厚板的矫直需要在一定温度下进行，因而在热轧机上在线设置矫直机比离线设置更能满足生产工艺需求（利用轧后余热）。考虑到目前镁板的实际应用情况以及热轧机可轧制产品的厚度范围，单套设备矫直镁板的范围可选择5~15mm（超过15mm厚度的可简单辊平），更厚的产品采用压平机（可设计为热轧机在线）或蠕变炉（离线）进行生产。该厚度范围所需热矫直机的辊系一般为十一辊；

（10）剪切机：轧制过程中由于镁板可能存在翘头、鳄鱼嘴等缺陷，以及为了满足成品轧制后剪切头尾、板材中断的需求，应设置液压剪。如果要求产品在线剪切精度较高，应设置定尺剪装置；

（11）快速换辊装置：由于镁板板产品一般为订单生产，合金品种和产品规格更换频繁，因而热轧机设计时需要配置快速换辊装置，以减少人工换辊对换辊速度、换辊质量的影响；

（12）测量和控制系统：在线配置板型控制系统、测厚仪、液压AGC系统等，以保证板型、精度和均匀性，进而提高产品质量和成品精度；

（13）自动喂料装置：采用自动喂料系统，以缩短轧制时间，提高生产节奏，减少镁板坯高温状态下的氧化，提高产品质量和成品率；

（14）下料装置：热轧机尾部设计下料真空吸盘、堆垛机等辅助设施，可以使生产连续性强，生产效率高，同时降低人工劳动强度；

（15）消防系统：由于热轧过程中镁板碎屑容易引起燃烧，因而热轧机尤其是出炉辊道处、辊缝处应设计有自动惰性气体灭火喷头及其控制系统（如氩气瓶组）。

6. 结语

镁板的热轧工艺及控制是常规结构金属材料中难度最大的，生产工艺和热轧机等设备的设计计算无法采用轧钢、轧铜、轧铝的常规计算公式（金属晶体类别不同）。因而，通过对镁板热轧工艺的分析进而有针对性的设计热轧机就显得尤为重要。

本文通过对目前国内外镁板热轧机应用现状、机组组成、工艺特点和设备参数的介绍尤其是对热轧工艺技术的具体分析，对专业化的镁板热轧机设计选型和机组配置进行了分析和建议，对镁板热轧生产和轧机的设计具有一定的参考意义。

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