超寬幅散熱器用鋁箔鑄軋生產工藝探討

吳世杰，張 果，劉雪梅，王帥國，左崇飛

（洛陽龍鼎鋁業有限公司，洛陽 471300）

0 前言

隨著經濟的發展，空調的普及率逐年提高，散熱器用鋁箔成為了鋁箔類產品中需求最高的種類。鋁箔作為空調散熱器用材料，其優異的導熱性能和加工性目前還無可替代。鑄軋工藝在生產坯料時將鑄造與軋制結合，減少了工藝流程，同時具有節能降耗、廢料少等諸多優勢，目前逐漸成為生產箔材坯料最重要的生產方式。由于空調散熱器用鋁箔的成品厚度一般在80～100 μm 之間，在這種尺度上，鑄軋坯料中的夾渣、氣道等微觀缺陷一般不會影響到成品道次的軋制，而且空調箔的規格較為單一，適合大規模的生產，那么如何控制成本，提高效率就成為了鋁箔企業在市場競爭中的立足之本。

某公司?1 020 mm×2 000 mm 的鑄軋機生產的寬幅鑄軋卷寬為1 672 mm，軋輥輥面寬度為2 000 mm，輥面利用率較低，為83.6%。963 mm為常規的窄幅散熱器用鋁箔，如果在?820 mm×1 700 mm的鑄軋機上進行單線生產效率太低。而如果將兩批窄幅鑄軋坯料在一臺寬幅鑄軋機上生產，鑄軋卷經過冷軋、剖條，可滿足窄幅訂單的需要，即可大幅提高生產效率。但是1 970 mm 的寬幅坯料已經超出了常規寬幅鑄軋機的設備能力，在生產中會面對諸多難題，如：（1）鑄軋坯料版型控制難度大，容易造成成品板型異常，影響涂層涂覆效果；（2）寬幅鑄軋卷工藝裂邊較大，為5 mm。在冷軋的生產過程中，在張力與壓力的雙重作用下，裂邊不斷擴展，原有較大的裂邊在冷軋壓延下達到一定程度會導致斷帶，或在切邊道次不能全部切掉，影響后續加工，增加工藝切邊量，導致產品的成品率降低，生產成本增加。

本文通過改進鑄嘴結構，優化鑄軋工藝參數，大幅提高了生產效率。增大生產物料寬度可提高軋輥輥面利用率，可超過98.5%。控制裂邊可減小工藝切邊量。重新制定鑄軋卷坯料板型標準來保證成品板型，有利于冷軋調整道次加工率減少一個道次，由傳統工藝的8 道次減為7 個道次。最終實現了1 970 mm 超寬幅3102 鋁合金鑄軋坯料的穩定生產。

1 試驗

本次試驗通過合理設計鑄嘴結構來改善裂邊，調整鑄軋輥的輥徑及相關工藝參數來獲得較好的板型。

1.1 試驗設備

試驗設備為?1 020 mm×2 000 mm水平式鑄軋機。

1.2 鑄嘴設計

圖1（a）為過去1 600 mm 的寬幅坯料常用的15°左右的鑄嘴耳子結構，相較于直線型的耳子，更符合流體的運動曲線，可以有效減少與帶坯接觸時的摩擦力。

圖1 鑄嘴耳子結構

曾虎等[3]曾在?1 200 mm×2 300 mm 的大輥徑鑄軋機上，使用類似圖1（a）的小弧度耳子代替直線型耳子改善了2 000 mm 寬的8011 鑄軋坯料的裂邊情況。但在本次實驗中圖1（a）中的耳子對于裂邊的改善效果并不明顯，原因在于本次實驗所用的軋輥在邊部沒有水槽通過，這使得邊部冷卻效果較差，邊部凝固殼體更薄，所能承受的剪切應力要小于冷卻正常的帶坯。圖1（b）中為本次實驗改造的45°左右的大弧度鑄嘴耳子，這樣設計的目的在于使鋁液從鑄嘴中流出后可以在凝固殼形成前釋放一部分的界面張力，同等耳子材料表面的摩擦因數相同，那么張力的減少，使凝固殼與耳子接觸時的摩擦力有所減少，從而改善邊部的裂邊情況。

由于在線寬度達到1 970～1 975 mm，兩側的耳子最窄處只有10～15 mm，立板過程中對放流的手法有更高要求。為了確保不翻鋁，液位控制既要滿足邊部偏析的要求，也要保證液位不能太高，減小鑄造區的靜壓力，保證耳子不被損壞。

1.3 鑄軋輥規格和工藝參數

本實驗目的是為了探究能生產出可供兩批窄幅訂單使用的寬幅鑄軋坯料的工藝方案。成品坯料維持負凸度或相對較小的凸度，便可從板型上降低后續加工的難度。設計以下的工藝參數便是為了獲得預想的板型。

（1）軋輥規格的選擇。軋輥的凸度是板型控制的基礎。本實驗選擇了較大的軋輥凸度，以期獲得負凸度的板型。同時軋輥輥徑要盡可能大，在寬幅坯料的生產中帶坯對軋輥的反作用力更大，使用較大輥徑的軋輥可以減少張力引起的變形。

（2）鑄軋區長度的選擇。圖2 為鑄軋區的示意圖。采用較小的鑄軋區，就減小了變形區。減少變形量，會使厚度減薄。在同等條件下，板型接近于原始輥型，就可避免結晶不平衡、變形量過大造成的板型缺陷放大問題。常規寬幅鑄軋區長度一般在55～65 cm之間。

圖2 鑄軋區示意圖

1.4 實驗方案

通過以上的理論分析，分別設計了兩個實驗以驗證工藝設計的正確性。表1 和表2 示出了具體的實驗方案。

表1 實驗1具體方案

表2 實驗2具體方案

實驗1 中的2 個方案僅在耳子設計上有所不同，其他工藝參數基本保持一致，以驗證鑄嘴耳子結構對鑄軋坯料裂邊的影響。不同批次的生產難以保證軋輥規格的統一，但根據以往的生產經驗，鑄軋輥輥徑的小幅度變化對鑄軋帶坯裂邊的產生沒有直接的影響，本實驗忽略不計。

實驗2則是為了對比分析軋輥的規格以及鑄軋區長度對板型的影響，進行3 組實驗。3 組實驗均采用大弧度鑄嘴耳子結構。方案3 為小輥徑的軋輥，選擇最小的鑄軋區與方案4對比分析軋輥規格對板型的影響。方案5選擇了大輥徑的軋輥，同時選擇了更大的鑄軋區，與方案4對比分析鑄軋區長度對板型的影響。

2 實驗結果

2.1 鑄嘴改造實驗

圖3為鑄嘴改造前后的鑄軋坯料的裂邊情況對比。由圖3（a）所示，正如之前所分析的原理，即使小弧度的耳子降低了部分的摩擦力，但鑄軋坯料的裂邊仍然較大，且較為密集。這種程度的裂邊在后續軋制過程中極易擴展，增加切邊的廢料。

圖3 鑄嘴改造前后的鑄軋坯料的裂邊情況

由圖3（b）看，改進鑄嘴后的坯料邊部的裂邊尺寸明顯減小，且數量大幅減少。

2.2 實驗坯料的板型情況

圖4 為實驗2 中實驗坯料的板形情況。方案3中的小輥徑軋輥在軋制過程中更易發生彎曲變形，仍使得板形凸度較大；方案5即使選用了比方案4還大的軋輥輥徑，但是較長的鑄軋區還是使得坯料的凸度偏向正值；方案4的板形則明顯優于其他兩類，相鄰兩點差≤0.02 mm，兩邊差≤0.03 mm。在生產過程中存在的問題是軋輥邊部沒有水槽通過，冷卻能力差，使得周期樣板最邊部的3～5 cm厚度明顯高于其他位置，但通過后工序的軋制切邊精整可逐漸將此類缺陷消除。

圖4 實驗坯料的板形情況

3 分析與討論

3.1 裂邊產生的成因

（1）合金元素。表3為3102鋁合金的成分。

表3 3102合金化學成分標準（質量分數/%）

主要的合金元素為Mn、Fe、Si、Ti。Mn 元素在合金中的主要存在形式有兩種，一是固溶在鋁基體中，提高合金的強度；另一種則是形成共晶體Al6Mn，可以提高合金的強度，細化晶粒，同時還能溶解一部分的Fe 元素。Fe 元素在鋁基體中的溶解度很小，主要以各種形態的Fe 相存在，對Al 的基體有明顯的割裂作用，使鋁合金的脆性提高，但是對鋁合金流動性的提高有益處。Si元素的主要作用則是改善合金的流動性同時對塑性的提高也有一定幫助。Ti元素則是作為難熔質點起細化鑄造組織的晶粒的作用。

本試驗所用的3102 鋁合金中，Fe、Mn、Si 的含量并不高，主要改善合金流動性和強度，Fe 的含量大于Si 含量會生成Al3Fe3Si 中間化合物，雖然仍屬于硬脆相，但有較好的變形能力[1]。上述合金元素的作用使得鋁合金呈現出較高的脆性。因此為了減少開裂的傾向，必須控制相對高的Ti含量。

（2）應力影響。在帶坯的邊部，不同于內部的是金屬同時受到來自軋輥在軋制方向的拉應力和鑄嘴耳子的摩擦力，這也是裂邊最先產生在邊部的原因。當摩擦力和拉應力超過了凝固殼體的剪切強度，便會產生開裂。在寬幅坯料的生產中，一是邊部冷卻能力差，凝固金屬殼體薄，所能承受的剪切力較小，二是前箱液位高，鋁液在鑄嘴出口處的界面張力大，與耳子接觸產生的摩擦力更大。因此傳統的小弧度邊部耳子對寬幅坯料邊部裂邊的改善效果一般。

鑄軋帶材在進一步的冷軋過程中，其邊部不斷受到拉、壓應力的作用，裂邊不斷擴展，特別是原有較大的裂邊在冷軋制中擴展迅速，達到一定程度會導致斷帶，使生產中斷。另外，對于過大的裂邊，在切邊道次不能全部切掉，影響后繼續加工和用戶使用[2-3]。

3.2 影響板型的因素

（1）軋輥影響。鑄軋輥與帶坯的接觸，對板形有很大影響。一是軋輥在軋制過程中受到帶坯的作用力會發生彎曲變形，對于不同的合金要合理選擇凸度以保證變形在預期范圍內。二是鋁液的熱量主要通過軋輥傳遞，因而軋輥表面的溫度均勻性對于橫向厚差的影響極大。在本次實驗的寬幅坯料生產中由于軋輥的邊部沒有水槽，導致軋輥表面溫度并不均勻，使板形的控制難度增大。

（2）鑄嘴的影響。鋁液從鑄嘴流出，鋁液在橫向上的流量多少決定橫向的板厚有多少。那么控制整個鑄嘴的開口度均勻、同時保證材質的均勻才能讓流出的鋁液量在橫向保持均勻。超寬幅坯料的生產需要的鑄嘴寬度也更寬，也使得流量均勻性的控制難度更高。

（3）鑄軋工藝參數的影響。在生產過程中鑄軋區長度、鑄軋速度、冷卻水溫度、冷卻水壓等諸多因素都會對板形產生或多或少的影響。在本次實驗中，主要調整的參數為鑄軋區長度。

通過分析寬幅鑄軋坯料生成過程中的裂邊和板型的缺陷，認為在生產過程中能夠改善以上缺陷有效且可行的方式主要是優化鑄嘴的設計來改善裂邊，調整輥和工藝參數來改善板形。經過設計的不斷優化，最終實現了在?2 000 mm×1 020 mm鑄軋機上實現了1 970 mm 寬幅鑄軋坯料的穩定生產。以下優化方案改善了上述生產過程中的缺陷。

①優化鑄嘴耳子結構，降低帶坯邊部與耳子的摩擦力，減少因應力過大引起的裂邊。

②選擇較大的軋輥凸度和較小的鑄軋區長度，減少了帶坯的變形量，板形更接近于輥型。

通過以上改進措施使生產效率得到提高。對于鑄軋工序，1 970 mm 的寬幅坯料相較于常規的1 672 mm的坯料，其生產效率提高了15%，充分釋放了寬幅軋機的產能；對于冷軋工序，一臺寬幅開坯機可以同時對兩批窄幅坯料開坯，釋放了開坯機的生產能力，同時通過冷軋生產的調整實現由原本8個道次的生產減少為7個道次，縮短了生產周期。

4 結論

（1）鑄嘴耳子倒角由30°增大為45°，可有效地降低鑄軋區帶材與耳子的摩擦力，有助于鑄軋板裂邊的改善。

（2）對于2 000 mm 鑄軋線生產超寬1 970 mm 坯料時，軋輥輥徑為1 010 mm，磨削凸度為0.28/0.28 mm，鑄軋區56～60 mm，鑄軋速度880～920 mm/min，做出的版型最優，相鄰兩點差≤0.02 mm，兩邊差≤0.03 mm，滿足后續的生產。

（3）本次在2 000 mm 鑄軋機上超寬幅散熱器坯料的生產中所采取優化方案中主要針對鑄嘴結構，軋輥規格和鑄軋區長度進行調整，這為其他合金種類在鑄軋生產中遇到類似的裂邊、板型缺陷等問題提供了一種新思路。