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       鎂合金板帶材目前成為國內外科研機構和生產企業(yè)研制、開發(fā)和工業(yè)化生產的熱點。鎂板熱軋機主要用于鎂合金鑄錠的開坯軋制和中厚板產品的成品軋制，因而其機組配置和裝機水平對產品的質量起到非常重要的作用。通過對目前國內外鎂板熱軋機應用現(xiàn)狀、機組組成、工藝特點和設備參數(shù)的介紹和分析，針對鎂板熱軋工藝需求重點對專業(yè)化的熱軋機設計選型和機組配置進行了分析和建議。

鎂板熱軋機的作用主要是針對生產工藝需求進行鎂合金鑄錠熱軋開坯和中厚板成品軋制，進而生產出合格的中間板坯和最終成品板材。熱軋機的工藝設計理念、機組部件配置、控制精度等裝機水平直接決定著鎂板產品的力學性能、尺寸公差和表面質量。
鎂板的熱軋工藝及控制是常規(guī)結構金屬材料中難度最大的，生產工藝和熱軋機等設備的設計計算無法采用軋鋼、軋銅、軋鋁的常規(guī)計算公式（金屬晶體類別不同）。因而，通過對鎂板熱軋工藝的分析進而有針對性的設計熱軋機就顯得尤為重要。
1鎂板熱軋技術難點
導致鎂板生產難度大的因素很多，但最主要還是鎂的滑移系少，室溫塑性變形能力差，只有溫度升高到220℃以上時，鎂板才能獲得較好的變形能力。鎂板軋制過程中易產生裂紋、產品存在各向異性、生產效率低、成品率低等。鎂板熱軋技術難點如下：
（1）鎂的晶體結構為密排六方，力學性能呈現(xiàn)出顯著的各向異性，常溫下僅有三個滑移面（基面、棱錐面、棱柱面）和一個滑移方向，生產過程中變形抗力高，因而鎂板軋制變形難度大；
（2）鎂在常溫或潮濕狀態(tài)下容易和空氣和水蒸汽發(fā)生化學反應，尤其是溫度超過400℃時與氧氣的反應劇烈，其氧化膜變?yōu)槎嗫谞?、較厚且向基體內部快速生長；
（3）鎂板的軋制溫度要求嚴格而且溫度范圍窄、金屬溫降快，應變抗力大、加工硬化顯著。另外，如果軋制時的道次壓下率過大或軋制速度過高，不僅熱軋坯料咬入困難，而且還容易出現(xiàn)軋制開裂、產品表面質量差、坯料與軋輥出現(xiàn)粘結等現(xiàn)象。
由于以上問題的存在，就要求鎂板的熱軋工藝技術和軋制設備必須針對其加工特性進行專門的開發(fā)與設計。
2國內鎂板熱軋機配置特點
國內鎂板生產企業(yè)規(guī)模都不大、布局分散、企業(yè)綜合實力不強，一些國有大型企業(yè)對于鎂板的生產也以輔助性加工為主。在生產工藝設備方面，大多使用鋼鐵、鋁、銅或鈦板的軋制設備，或者是一些“二人轉”軋機，甚至是六十年代設計制造并瀕臨報廢的設備，而專業(yè)化的鎂板生產設備較少。熱軋生產過程中的矯直、剪切等精整工序多為離線進行。
在2000年以前，國內只有中鋁洛銅鋁鎂板帶分廠一家生產企業(yè)進行鎂板的軋制，其熱軋生產線的產能約300t/a，但由于當時市場需求量不高，因而其實際年產量僅為幾十噸，產品主要用于軍工行業(yè)。
截止到目前，除了中鋁洛銅鋁鎂板帶分廠外，國內利用鋼、鈦、銅鋁等加工設備輔助性進行熱軋鎂板的企業(yè)近10家，生產線總產能超過1.5萬t/a，實際熱軋產量為500~700t/a。
國內生產企業(yè)熱軋鎂板所使用的軋機情況及配置特點如下：
（1）中鋁洛銅：1600mm二重熱軋機，老式軋機。1600mm二重熱軋機主要由主機架、立輥軋機、機架輥道、中間輥道、回轉輥道、導尺、運輸輥道、二重換輥裝置等部件組成，來料鑄錠最大厚度200mm，熱軋成品板材最小厚度6mm，工作輥直徑Φ750mm，最大軋制力12000kN，最高軋制速度180m/min；
（2）寶雞鈦業(yè)：3300mm二輥熱軋機，主要進行鈦板熱軋，輔助性生產鎂板，最大軋制力44000kN（其板材熱軋過程中的最大實際軋制力約10000kN）；
（3）西部材料：2800mm四輥熱軋機，主要進行鈦、鋼板熱軋，輔助性生產鎂板。2800mm四輥熱軋機主要由主機架、立輥、運輸輥道、導尺、十一輥熱矯直機、液壓剪、在線補熱爐等部件組成，來料最大厚度380mm，熱軋成品板材最小厚度4mm，最大軋制力50000kN；
（4）營口銀河：1725mm四輥熱軋機，原設計用于鋼板軋制，設計改造后專業(yè)用于鎂板的熱軋及工業(yè)化生產。1725mm四輥熱軋機主要由主機架、運輸輥道、在線中頻爐及補熱爐、旋轉臺、對中導尺、液壓剪等部件組成，來料鑄錠最大厚度350mm，熱軋成品板材最小厚度5mm，工作輥直徑Φ800mm，支撐輥直徑Φ1500mm，最大軋制力30000kN，最高軋制速度120m/min；
（5）重慶奧博：1500mm四輥熱軋機，主要進行鋁板熱軋，輔助性生產鎂板；
（6）中色科技：1600mm四輥熱軋機，原設計為銅、鋁、鎂、鈦產業(yè)化加工設備，設計改造后專業(yè)用于鎂板的熱軋。1600mm四輥熱軋機主要由主機架、運輸輥道、機架輥道、在線補熱爐、轉料輥道、對中導尺、在線熱矯直機、液壓重剪、成品定尺剪、下料及堆垛裝置等部件組成，來料鑄錠最大厚度320mm，成品板材最小厚度4mm，工作輥直徑Φ550mm，支撐輥直徑Φ900mm，最大軋制力20000kN，最高軋制速度180m/min；
（7）其它：目前，洛陽鎂鑫公司、山西聞喜銀光公司等鎂板生產企業(yè)也正在實施幅寬為1500~1700mm的熱軋機組。
3國外鎂板熱軋機情況
國外采用熱軋機進行鑄錠軋制開坯生產的鎂板產品主要是中厚板（厚度在4~6mm以上），產品主要應用在航空航天和軍事裝備領域（如美國和俄羅斯以熱軋開坯法生產的鎂合金板材均用于軍工生產）。相比于國內鎂板在航空航天、軍事裝備領域主要應用在導彈和火箭的儀表艙壁板、肋板和隔板、導彈和飛機的尾翼、戰(zhàn)斗機副油箱及襯板等簡單的、非受力或次承力的結構件上，國外在大型、復雜、承力等結構件上也開始使用了鎂板。
國外最早進行鎂板熱溫軋制的國家是前蘇聯(lián)，在1930年采用鋁板軋機進行鎂板軋制，而且其并非鑄錠開坯軋制，而是對擠壓后的坯料加熱后進行中軋，最薄產品厚度為1mm。
國外生產企業(yè)熱軋鎂板所使用的軋機情況如下（典型鎂板熱軋機見圖1）：
（1）1946年，英國伊利科創(chuàng)鎂鋁公司在帶有立輥的2100mm二輥可逆鋼板熱軋機上進行AZ31鑄錠的開坯熱軋，鑄錠最大厚度為356mm，熱軋成品最小厚度為6mm，產品最大寬度1829mm，產品最大長度6090mm，最高軋制速度379m/min；
（2）1950年，美國道屋化學公司在Madison建立了世界上第一臺按鎂合金要求設計的2133mm四輥可逆熱軋機，工作輥和支承輥的直徑分別為Φ686mm、Φ1346mm；
（3）1950年，前蘇聯(lián)輕合金研究院采用2800mm四輥熱軋機進行鎂板熱軋試驗和生產，鑄錠最大厚度為250mm，熱軋成品最小厚度為6mm，產品最大寬度2500mm；
（4）美國Brooks and Perkins公司底特律鎂板軋制廠有一條“1+3”式的熱連軋生產線，以往主要用于鎂板的熱軋，后來以熱軋鋁板為主；
（5）2002年，德國第二大鋼鐵公司即薩爾茨吉特公司組建了薩爾茨吉特鎂板技術公司，2003年該公司現(xiàn)代化的熱軋機投產，可生產的鎂板最大寬度為1860mm；
（6）法塔亨特公司2010年設計制造了一套類似于鋼鐵行業(yè)使用的爐卷熱軋機中試生產線，該公司和橡樹嶺國家實驗室、英國伊利可創(chuàng)鎂業(yè)公司進行合作對鎂板帶進行熱溫軋卷式法生產，并實現(xiàn)了來料厚度12.7mm以下、寬度250mm以下的料卷的試驗性軋制。目前，該公司正在商業(yè)化推廣可實現(xiàn)板帶材最大寬度2000mm、最大卷徑為Φ2000mm的工業(yè)化生產鎂板帶熱軋生產線。圖2所示為法塔亨特公司開發(fā)的鎂板熱軋機。
4熱軋流程
厚度為6~100mm熱軋鎂板的生產工藝全流程為：配料—熔煉—鑄造—均勻化—鋸切—銑面—合格鑄錠—加熱—熱軋—（補熱）—（二次熱軋）—熱矯直—（熱處理）—酸洗/砂光/修磨—成品鋸切—涂油—包裝。
國內某鎂板企業(yè)生產厚度為6mm的板材時，采用的鑄錠規(guī)格為180×850×1050mm，經過11個道次的軋制后（其中換向軋制3個道次），一次熱軋板坯厚度為10.5mm，然后再進行酸洗和加熱后進行二次熱軋，經過3個道次的二次熱軋后最終成品厚度為6mm。
鎂合金鑄錠的加熱參數(shù)需根據(jù)相應合金的高溫塑性圖進行確定，一般合金如AZ31B的加熱溫度在450~490℃。部分特殊合金如ZK61M由于含鋅量高，合金的高溫抗拉強度低、塑性差，同時由于該合金的軋制熱效應大，高溫軋制時的變形熱可使錠坯的溫度超過合金的塑性溫度范圍，進而降低合金的熱塑性，因而根據(jù)其塑性圖確定的加熱溫度為410℃。同時，必須注意，高微合金化的鎂合金不適合熱軋，主要是因為二相粒子多會進一步加劇其熱軋開裂性，如含Al量超過5%的鎂合金AZ91D等就不適合進行熱軋生產。
5熱軋機設計選型及分析
（1）軋制力：軋制力需根據(jù)熱軋道次編排、相應鎂合金牌號熱軋溫度下的屈服強度（如AZ31B鎂板坯在370℃下的屈服強度僅為15MPa，遠小于其常溫下約300MPa的屈服強度值）等參數(shù)進行計算確定，計算后還需在試驗軋機或工業(yè)化軋制設備上進行驗證并反饋以修正相關系數(shù)。在沒有特殊要求的情況下，可按最大道次壓下率30%、最大咬入角18°、單次軋程最大總壓下78%等數(shù)據(jù)進行設備軋制力預估計算，單位寬度軋制力不小于10kN/mm（和鑄錠寬度有一定的關系，例如采用寬幅2000mm軋機軋制坯料寬度800mm就不適合），另外對應的單位寬度主電機功率不小于1.25kW/mm以及單位寬度軋機剛性不小于1.6；
（2）軋制轉矩：軋制轉矩需根據(jù)鑄錠規(guī)格、開坯道次軋制壓下量、最大道次壓下量、咬入角、工作輥直徑、主電機功率等進行計算確定。如無特殊要求，一般鎂板熱軋機根據(jù)其輥面幅寬預估計算值可按0.8 kN·m/mm進行考慮；
（3）軋制速度：鎂板熱軋頭兩個道次考慮到順利咬入和變形熱的影響，一般軋制速度控制在30m/min以下，隨著板坯溫度的降低和生產節(jié)奏的提高以及道次壓下率減小但需要保證終軋溫度的要求，軋制速度應盡量提高，可控制在60~90m/min。在軋機設計時，考慮到采用低速大扭矩傳動主系統(tǒng)和單獨傳動設計可保證設備具有動態(tài)調速，有效控制板型和翹曲，熱軋機設計最大速度為120m/min即可滿足生產工藝要求；
（4）軋輥預熱：鎂合金板坯的熱容小，對溫度敏感，對鎂合金塑性圖進行分析可知，終軋溫度低于250℃時，鎂合金具有較高的變形抗力和較低的塑性。實踐證明，生產過程中如果軋輥不進行預熱，其軋制性能差，容易產生表面裂紋，即使軋輥表面溫度達到了要求，軋制過程中軋輥還要吸收大量的熱，會降低軋制性能。因此，鎂板熱軋機設計時必須有針對性的進行軋輥預熱系統(tǒng)的設計。優(yōu)選設計為對軋輥進行感應式加熱，其次為利用燃氣進行燃燒預熱，但在加熱均勻性、溫度精確控制、加熱效率等方面前者優(yōu)勢明顯。應用在銅、鋁板帶熱軋機的乳液預熱系統(tǒng)不適合鎂板軋制過程中使用，僅可在軋制間隙進行。軋輥預熱溫度根據(jù)軋制規(guī)程與合金品種的不同一般控制在100~200℃；
（5）工藝潤滑系統(tǒng)：鎂板在熱軋過程中如遇急冷將嚴重降低鎂合金的軋制特性以及發(fā)生火災，因此，鎂合金熱軋時通常不采用工藝潤滑介質。但為了提高鎂板的表面質量并減少軋制過程中軋輥與鎂板的粘結，采用約100℃的30%~50%聚乙二醇水溶液對熱軋機上下輥進行噴射效果較好。因而，熱軋機應設計有聚乙二醇水溶液工藝潤滑系統(tǒng)；
（6）立輥軋機：鎂板熱軋機應配置有近距離布置的立輥軋機或機架內的機前和機后軋邊輥裝置（軋制力在1000kN以上），在對錠坯進行邊部微量軋制進行寬度尺寸控制的同時，可有效改善鎂板的熱軋變形性能、減少邊部開裂和需深沖制品的各向異性。同時，近距離的立輥或機架內軋邊輥在配合軋機軋制的過程中對鎂板形成后張力，可有效提高因無張力軋制存在的長規(guī)格板材板型不良的現(xiàn)狀；
（7）旋轉平臺：由于鎂板力學性能要求有縱向和橫向的差異范圍，而目前只能通過換向軋制來滿足其要求。同時，換向軋制也能夠有效改善鎂合板坯的熱軋變形性能、減少邊部開裂和需深沖制品的各向異性。旋轉平臺應在軋機機前和機后各設置1套，長度應根據(jù)軋機的幅寬進行確定。旋轉平臺可設計為旋轉輥道、可升降旋轉支架等型式；
（8）補熱爐：由于鎂板軋制過程中部分合金和規(guī)格產品需要進行補熱，因而鎂板熱軋機必須設計有在線補熱爐。補熱爐的型式應為熱風循環(huán)爐，其長度根據(jù)軋制工藝編制所需進行設計。需要說明的是，由于鎂合金在線動態(tài)再結晶和應變誘導再結晶過程較為緩慢，因而在補熱過程中應滿足其一定時長的靜態(tài)再結晶和待溫軋制過程，因而采用在線感應式、中頻式、分段式快速加熱爐較難滿足生產要求，而采用傳統(tǒng)的輥道式全封閉加熱爐較為合適（需設計有惰性氣體保護）。另外，如果熱軋生產線產能較低，例如幅寬1500mm的產品年產能在幾千噸的級別，補熱爐可設計為在線固定式；而如果產能較大，考慮到補熱過程時間長，為了不影響熱軋機的交叉生產，應將補熱爐設計為可移出式；
（9）矯直機：由于鎂板尤其是中厚板的矯直需要在一定溫度下進行，因而在熱軋機上在線設置矯直機比離線設置更能滿足生產工藝需求（利用軋后余熱）。考慮到目前鎂板的實際應用情況以及熱軋機可軋制產品的厚度范圍，單套設備矯直鎂板的范圍可選擇5~15mm（超過15mm厚度的可簡單輥平），更厚的產品采用壓平機（可設計為熱軋機在線）或蠕變爐（離線）進行生產。該厚度范圍所需熱矯直機的輥系一般為十一輥；
（10）剪切機：軋制過程中由于鎂板可能存在翹頭、鱷魚嘴等缺陷，以及為了滿足成品軋制后剪切頭尾、板材中斷的需求，應設置液壓剪。如果要求產品在線剪切精度較高，應設置定尺剪裝置；
（11）快速換輥裝置：由于鎂板板產品一般為訂單生產，合金品種和產品規(guī)格更換頻繁，因而熱軋機設計時需要配置快速換輥裝置，以減少人工換輥對換輥速度、換輥質量的影響；
（12）測量和控制系統(tǒng)：在線配置板型控制系統(tǒng)、測厚儀、液壓AGC系統(tǒng)等，以保證板型、精度和均勻性，進而提高產品質量和成品精度；
（13）自動喂料裝置：采用自動喂料系統(tǒng)，以縮短軋制時間，提高生產節(jié)奏，減少鎂板坯高溫狀態(tài)下的氧化，提高產品質量和成品率；
（14）下料裝置：熱軋機尾部設計下料真空吸盤、堆垛機等輔助設施，可以使生產連續(xù)性強，生產效率高，同時降低人工勞動強度；
（15）消防系統(tǒng)：由于熱軋過程中鎂板碎屑容易引起燃燒，因而熱軋機尤其是出爐輥道處、輥縫處應設計有自動惰性氣體滅火噴頭及其控制系統(tǒng)（如氬氣瓶組）。
6結語
本文通過對目前國內外鎂板熱軋機應用現(xiàn)狀、機組組成、工藝特點和設備參數(shù)的介紹尤其是對熱軋工藝技術的具體分析，對專業(yè)化的鎂板熱軋機設計選型和機組配置進行了分析和建議，對鎂板熱軋生產和軋機的設計具有一定的參考意義。