基于TRIZ的高端鋁合金板帶材表面黑線的改善方法研究

蔣長標，曹 宇，莫灼強，鐘谷波，鄧松云，雷佩儒

（1.廣西南南鋁加工有限公司，廣西 南寧530031；2.廣西壯族自治區科學技術協會，廣西 南寧530031）

中國是世界第一鋁材大國，但鋁合金產品主要為擠壓材。國產軋制板帶材長期局限于低附加值的普通民用產品，航空、高鐵、汽車及“3C”電子等領域使用的高附加值鋁合金板帶材至今依然大部分依賴進口。進口鋁板帶材高昂的成本，大大制約了鋁在國內汽車工業等高端領域的應用[1]。要解決高端鋁合金板帶材成本高的問題，實現其國產化是必經之路。

隨著近年CVC軋機、輥底爐、氣墊爐等先進設備的引進和鋁加工技術的快速發展，國內一些大型鋁合金加工企業紛紛開始產品轉型升級，進軍長期被國外壟斷的高端鋁板帶材市場。

經過數年攻堅，國產高端鋁合金板帶材已經在市場上形成一定的競爭力，特別是在大規格、高性能、高均勻、高潔凈等方面，已經取得不少技術突破。但在國產高端鋁材走向世界的過程中，依然存在一些技術障礙。鋁合金板帶材的高表面質量問題即是難題之一。而在眾多表面問題中，表面黑線問題尤為突出，是一個行業性的難題。

鋁合金表面黑線是因為在生產過程表面出現缺陷、乳液和軋制油等異物進入缺陷位置，軋制壓延后形成[2]。所以，表面損傷是表面黑線的第一要素。鋁合金高溫下硬度很低，也最容易產生表面損傷。因此，熱軋過程是鋁合金板帶材表面黑線的主要來源，管控好熱軋過程的鋁材表面質量即可改善其表面黑線的情況。

現有的改善方案主要依靠加強過程管理，即嚴格管控成品鑄錠的表面質量，嚴格管控制乳液和軋制油潔凈度，將熱軋和冷軋成品道次采用新輥（新打磨的輥子，軋制成品小于40卷）軋制，調整各工序開卷和卷曲的張力控制，減少層間錯動等。雖然也對表面黑線有一定改善效果，但并不穩定，難讓客戶滿意。全部采用新輥生產將增加生產成本和生產周期。見圖1.

圖1 黑線及其顯微組織

TRIZ是指導人們發明創新、解決工程問題的系統化的方法學體系。采用TRIZ理論求解技術難題，有助于人們發現問題的瓶頸，充分挖掘可利用的資源，更快更好地解決問題。因此，運用TRIZ理論構建了針對高端鋁合金板帶材表面黑線改善問題的問題模型，對黑線問題進行系統分析，希望能獲得最優的解決方案。

1 系統分析

對鋁合金熱軋過程建立系統分析模型[3]如圖2所示。

圖2 鋁合金板帶材熱軋系統分析模型

通過系統模型圖可知，導致鋁合金表面損傷而生產黑線的原因主要是：（1）鑄錠及導路不干凈，經熱粗軋大壓下量變形后，異物劃傷或嵌入鋁材表面；（2）精軋過程高溫反復卷曲導致鋁材表面劃傷；（3）乳液潤滑能力不足使鋁材軋制時與軋機間摩擦加劇。所以，要改善鋁合金表面黑線問題，首先就要從這三個方面著手，改善熱軋過程產生的鋁合金表面損傷。

2 解決方案

2.1方案求解

2.1.1異物顆粒的解決方案

異物顆粒為鑄錠自身帶入，本身很難避免。所以考慮增加清除工序。如果增加設備，將會使設備變得復雜。從增加技術系統理想度的角度，首先考慮利用系統內資源來解決問題。

對系統進行資源分析，發現系統中的乳液系統可用于清洗異物顆粒。由此得到方案一：將粗軋機乳液引到軋機前端，對鑄錠和導路進行高壓噴淋。方案示意圖如圖3所示。

圖3 方案一示意圖

2.1.2熱精軋多道次卷曲的解決方案

在鋁合金板帶材生產過程中，一般采用多道次（3～4道次）熱精軋，但鋁合金板帶材高溫下較軟，軋制過程反復地開卷和卷曲很容易造成表面損傷。所以，工程上希望減少熱精軋卷曲次數，即減少精軋道次。減少精軋道次可以有效減少鋁材的表面損傷，但厚度卻不能達到要求。

這是一對技術矛盾[3，4]：改善的參數為30作用物體的有害因素，惡化參數為3運動物體的長度。查找矛盾矩陣得到四個對應的創新原理：17空間維數變化原理、1分割原理、39惰性環境原理、4增加不對稱原理。

根據1分割原理“將厚度的減少量進行分割”得到方案二：采用一道次熱精軋[5]，將余下的厚度分到表面質量控制較好的冷軋工序，通過適當的熱處理來調節性能，避免鋁合金在高溫下多次開卷和卷曲，減少鋁合金板材表面的熱粘傷。方案示意圖見圖4.

圖4 方案二示意圖

2.1.3乳液潤滑能力不足的解決方案

在一定范圍內，乳液潤滑能力與乳液濃度成正相關。所以，提高乳液濃度即可增強乳液潤滑能力。但軋制后乳液必須清除干凈，否則粘附在鋁材表面的乳液干燥后將會在冷軋工序壓入鋁材表面，同樣影響鋁材表面質量。清除軋制乳液要靠壓縮空氣吹掃，乳液濃度約低，吹掃約容易。所以，乳液濃度既要高也要低。這就產生了一對物理矛盾[3，4]。

這個矛盾可以采用TRIZ的空間分離原理來解決。由此得到方案三：采用梯度濃度方法，即在軋制位置，使用高濃度乳液噴淋，在出口側使用低濃度乳液噴淋，稀釋鋁合金表面的乳液濃度，使乳液容易被吹掃干凈。方案示意圖如圖5所示。

圖5 方案三示意圖

2.2方案評價

上述三個備選方案針對的是不同的問題，都可以改善鋁合金板帶材表面黑線的情況。方案可操作性都較強，充分使用了系統內資源，節約了設備改造成本。三個方案彼此之間相對獨立，可以同時實施。

經綜合考慮，采用三個備選方案并行的方式形成了一個最終方案，即將粗軋機乳液引到軋機前端，對鑄錠和導路進行高壓噴淋來清除異物顆粒，并采用梯度濃度方法，在軋機軋制位置使用高濃度乳液噴淋，在出口側使用低濃度乳液噴淋來稀釋鋁材表面的乳液，改善乳液的潤滑效果和吹掃效果，同時改變軋制工藝，將多道次熱精軋改為一道次熱精軋加多道次冷軋，避免了高溫反復卷曲對鋁材表面造成的損傷。

3 結束語

本文運用TRIZ理論對高端鋁合金板帶材表面黑線的改善方法進行了研究分析。分別采用資源分析、物理矛盾分析方法和技術矛盾分析方法等解決了鋁合金板帶材熱軋過程環境異物顆粒、乳液潤滑效果不足和高溫反復卷曲造成鋁材表面損傷的問題，改善了鋁材表面黑線的產生要素，能大大降低了高表面質量鋁合金板帶材表面黑線不良率，為生產高表面質量鋁合金板帶材提供了技術支撐。

參考文獻：

[1]李傳福，張麗萍.淺談鋁合金材料在未來汽車輕量化中的應用與發展[J].裝備制造技術，2015（4）：143-145.

[2]潘雪艷，曹盛強，卓 偉，等.淺談1+1雙卷取5052熱軋卷表面黑條分布[J].鋁加工，2016（3）：18-21.

[3]趙 敏，史曉凌，段海波.TRIZ入門及實踐[M].北京：科學出版社，2009.

[4]創新方法研究會.創新方法教程[M].北京：高等教育出版社，2012.

[5]曹盛強，王華春，彭自業，等.一種減少鋁卷表面黑條生產方法：CN 106311744 A[P].2017.