8011鋁合金寬幅鑄軋坯料裂邊控制方法探討

曾 虎，蔡朝陽，董能過，拓如印

（洛陽萬基鋁鈦合金新材料有限公司，洛陽471800）

0 前言

因鑄軋生產工藝的特殊性，在生產過程中，鑄軋帶材兩端面總會存在較大的內應力及工藝裂邊[1]。特別是8011合金產品，因其含硅量高，金屬的脆性大，帶材在向前的拉應力和耳子的向后摩擦應力的雙重作用下，邊部極易形成裂邊擴展。在使用φ1 200 mm×2 300 mm大輥徑超寬幅的鑄軋輥進行生產時，因鑄軋區較大，金屬加工率大，金屬與耳子的摩擦作用力也大，對金屬的撕裂作用也更強。另外，鑄軋有較強的冷卻強度，鋁液在鑄軋區沿傳熱最快的軋輥徑向發生定向凝固，越靠近軋輥兩邊部板坯的凝固越明顯，裂邊也更容易擴展，最終造成工藝裂邊超標[2]。一般技術規范均允許工藝裂邊的存在，但有范圍要求：對于8011合金產品，工藝裂邊一般要求在0～8 mm范圍內。當鑄軋板坯裂邊擴展過大時，在冷軋中的擴展更為迅速，達到一定程度會導致斷帶，使生產中斷，并且為軋機起火埋下隱患。另外，對于過大的裂邊，在切邊道次不能全部切掉，不僅影響后續加工和用戶使用，而且造成最終產品寬度不符合客戶要求，只能改切成其他規格產品，對生產效率、生產安全和生產成本均影響較大[3]。

1 裂邊擴展的因素分析

在鑄軋8011合金產品生產過程中，對裂邊造成影響的因素較多。最終產品的用途不同，相應的工藝參數控制也不同，如果單純為消除裂邊而改變工藝參數，就有可能對產品質量和生產效率造成影響。因此，最佳的控制裂邊擴展的方法是在保證工藝參數不變的情況下采取有效措施進行控制。常規控制方法涉及到的工藝參數有：鑄軋溫度、軋制速度、冷卻強度、鑄軋區長度、化學成分、軋輥凸度、預應力等。這些參數的調整對產品質量的穩定和生產效率會造成影響，因此盡量不調整。在對裂邊問題控制之前，對寬幅8011鋁合金鑄軋坯料裂邊進行了統計，結果見表1。

表1 8011合金寬幅鑄軋坯料裂邊統計表

統計數據表明，大部分寬幅8011合金產品的裂邊超標對生產效率和成本影響較大，因此極有必要弄清裂邊產生的原因。概括起來，工藝參數之外造成裂邊擴展的因素主要有以下幾種。

1.1 鑄嘴內分流布局不合理

鑄嘴內部鋁液的分布是靠分流塊和進液通道控制的。根據嘴腔內部分流塊的布局不同，鑄嘴結構可分為一級分配、二級分配和三級分配3種。鑄嘴的分配級別決定著鋁熔體的分配效果，對鑄嘴內合金的流場和溫度場的均勻性起著決定性的作用[4]。不論采取何種分配，如果嘴腔內邊部分布的鋁液流量過小、溫降就會過大，導致邊部金屬的流動性和塑性較差，使金屬凝固殼內部的變形力與剪切力不平衡，金屬與邊部耳子的摩擦撕裂作用增大，容易引起板坯邊部的裂邊擴展，形成大裂邊。

1.2 耳子倒角不合理

與耳子接觸的邊部金屬由于同時受到來自耳子施加于其端面的向后摩擦力以及施加于兩側面的向前拉應力的影響，在這兩種方向相反的應力作用下，使裂紋優先在邊部產生[5]。如果耳子的倒角不合理，就會使施加于耳子的摩擦應力和拉應力變大，邊部金屬就容易被撕裂嚴重，從而使邊部的裂邊擴展，造成大裂邊產生。

1.3 耳子的材質

如前所分析，耳子在生產過程中同時受到邊部金屬摩擦應力和拉應力的影響。軟耳子主要用Al-Si質纖維制作，密度0.38 g/cm3，折斷模數18.2 MPa（860℃），因其易調整嘴輥間隙、不粘鋁、保溫好而被鑄軋廠家廣泛采用。但如果耳子過軟，在上述兩種應力作用下，容易破損、掉塊，導致耳子倒角曲線被破壞，這不僅會引起大裂邊產生，而且還會造成板寬增加，導致金屬加工率變大，進一步加劇邊部金屬的裂邊擴展。試驗表明，采用較硬的流線型結構的耳子有利于減小于板坯側部的后摩擦力，顯著減少坯料裂邊的產生[6]。

2 改進措施

通過以上分析可知，要想將工藝裂邊控制在合理范圍內或完全消除，若僅從工藝參數角度入手，雖可取得一定效果但成效不顯著且不利于生產效率及成本優化。因此，在不改變其他工藝參數的前提下，應從以下方面入手：（1）優化鑄嘴內部鋁液的分流；（2）優化耳子倒角；（3）提高耳子硬度；（4）在生產過程中對耳子進行在線調整。具體改進措施如下。

2.1 鑄嘴內部鋁液的分流

2.1.1 鑄嘴制作優化

在制作寬度≥2 000 mm鑄嘴時，因其規格較寬，鋁液從鑄嘴進液口分流到兩邊部的行程較長，溫降較快，會導致因邊部金屬的流動性和塑性較差從而產生大裂邊。因此，控制裂邊需要增加邊部鋁液的供給，減少邊部鋁液的流程，以達到增加邊部鋁液的流量和提高邊部金屬的溫度，從而提高金屬的流動性和塑性，使金屬凝固殼內部的變形力與剪切力平衡，減小邊部金屬與邊部耳子的摩擦撕裂作用。

根據生產實踐，采用以下的鑄嘴制作方法可以取得良好效果：對稱設置兩個鑄嘴進液口，分流塊的布局從中心分流塊開始，依次對稱分布；分流塊之間的間隙從9 mm、16 mm、27 mm、42 mm、61 mm向邊部分布，邊部剩余空間使用邊部擋塊填充；邊部擋塊與鋁液接觸面按流線型曲面制作，避免產生流線死角，并且分流塊在軋制方向上分層排列，以中心分流塊為第一層，依次對稱向上部分層布局，上移的距離均為10 mm。鑄嘴制作的內部分流布局如圖1所示。

圖1 鑄嘴制作內部分流圖

2.1.2 澆注道制作

一般鑄軋生產中制作的鑄嘴為一個進液口，與其匹配的澆注道是單通道。當生產2 000 mm以上超寬幅鑄軋產品時，制作的鑄嘴寬度也會超過2 000 mm。對于一個進液口的鑄嘴而言，鋁液在其內部流程較長，溫降快，易導致因邊部金屬的流動性和塑性較差而產生大裂邊。為此我們設置兩個進液口，以減少溫降，如圖1所示。

為滿足鑄嘴的雙進液口對鋁液的需求，將澆注道設計為一個進液口，兩個出液口，出液口和鑄嘴的兩個進液口對應，此設計可以減少鋁液在鑄嘴內部的行程，減少溫度散失，提高金屬的流動性和塑性，達到控制邊部裂邊擴展的作用。澆注道如圖2所示。

圖2 澆注道示意圖

2.2 耳子預處理

對耳尖處倒角的常規處理是修45°直線倒角，這種做法會導致耳子與邊部金屬摩擦力大。邊部金屬在受到耳子的摩擦應力和向前的拉應力雙重作用下，容易使工藝裂邊被進一步拉深。對此，我們把耳子與金屬的接觸面修整成雙弧流線形：在金屬從鑄嘴出口的液體變為固體的過程中，使耳子修整出的流線形曲面能始終保持與金屬的摩擦力均勻，進而達到控制裂邊的目的。修整后兩個耳尖內側間距為鑄嘴寬度+50 mm。具體耳子的預處理如圖3所示。

圖3 耳子預處理圖

2.3 耳子材質選擇

裂邊控制前使用的是軟耳子，耐磨性較差，在生產過程中容易磨損、掉塊，導致耳子的倒角曲線被破壞。為此，我們選用了密度為0.57 g/cm3、折斷模數為48.8 MPa（860℃）的硬質耳子。這種硬耳子具有強度高、耐磨性好、不易變形等特點。使用硬質耳子可以增加耳子與金屬接觸面的耐磨度，減少因摩擦造成的耳子破損、掉塊，避免耳子倒角弧面曲線被破壞和耳尖間距變寬，使金屬的加工率保持不變，從而達到控制裂邊的作用。

2.4 耳子的在線調整

根據生產實踐，當生產中出現裂邊超標時，有效的在線調整方法是：推或者頂耳子的后端面，使其往軋制方向平穩進給，從而使金屬在軋制過程中的寬展變小。寬展變小后，板坯變窄，鑄軋輥對金屬的加工率就會減小。加工率減小，對耳子的作用力就相應減小，從而控制被拉的裂紋深度，減少裂邊的擴展。推進距離以耳子前端的上下弧面不與鑄軋上下軋輥輥面接觸為準，耳子最大進給距離不超過10 mm。

3 改進成效

實施改進措施后，在不調整鑄軋工藝參數的前提下，采集了同一鑄軋機上同合金不同規格寬幅鑄軋批量產品的裂邊數據。數據表明，工藝裂邊尺寸均在6 mm以內，部分產品達到3 mm以內，控制效果顯著。具體統計數據見表2。

表2 改進后的裂邊統計

4 結束語

通過對鑄軋生產8011合金寬幅產品時產生的工藝裂邊超標問題進行分析，認為工藝參數之外造成裂邊擴展的主要原因有鑄嘴內分流布局不合理、耳子倒角不合理、耳子材質選擇不合適，等等。通過采用以下優化措施，可有效控制裂邊。

（1）優化鑄嘴及配套的澆注道制作。

（2）把耳子與金屬的接觸面修整成雙弧流線形。

（3）采用硬質耳子。

（4）生產中往軋制方向平穩推進耳子到合適位置。

通過這些綜合措施的應用，不僅將8011合金寬幅產品的裂邊控制在規定范圍內，甚至基本消除了裂邊，而且有效保障了生產效率、生產安全和生產成本，為同行業的裂邊控制提供了一種新思路。