CN203108932U - 金属电致塑性异步轧制*** - Google Patents
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Abstract
一种金属电致塑性异步轧制***，包括：具有传导辊、导向辊、上轧辊以及下轧辊的轧机；所述上轧辊、下轧辊和导向辊均与所述轧机的支撑体绝缘；及，脉冲电源，该脉冲电源输出的高能脉冲电流通过所述上轧辊和下轧辊、或通过所述下轧辊和所述导向辊输入到运动的金属轧材的加工段，且所述金属轧材的加工段通过异步转动的所述上、下轧辊实现电致塑性轧制和异步轧制。本***通过金属电致塑性效应、搓轧效应的联合作用，可以大幅降低轧制变形抗力，能够实现在较低加工温度下对金属材料的无退火或少退火轧制，达到节约能源，提升生产效率的目的，可避免金属表面的氧化和轧件粘辊等问题。
Description
技术领域
本实用新型属于金属材料轧制技术领域，具体是一种金属电致塑性异步轧制***，该***能同时完成金属轧件的电致塑性轧制和异步轧制处理，实现了对金属轧件在较低的轧制力和较低的轧制温度下的无退火或少退火轧制。
背景技术
金属板、带材是诸多工业领域的重要原材料之一，其质量将直接影响到航空、汽车、电子、通讯等相关行业的生产工序、生产成本以及最终产品质量。由于在生产效率、产品质量稳定性等方面的诸多优点，轧制被工业界广为采用，是目前最主要的金属板、带材生产方式。
随着相关行业的迅猛发展及市场消费结构的变化，新的消费领域对金属板、带材的质量要求（包括板形、厚度精度、表面质量、材料性能等）日益提高，这使得原有的轧制设备与工艺难以满足新产品的要求。例如，对于镁合金等难变形金属，其常规加工方法为热轧或“冷轧+退火”。前者存在尺寸较难控制、强度指标低、性能波动范围大、晶粒长大、表面质量差等诸多问题。后者涉及反复的回炉退火，极大的提高了能耗，降低了生产效率。除此之外，冷轧过程中较高的轧制力容易导致轧机弹跳和轧辊弹性弯曲，前者使得轧件纵向厚度精度下降，后者使得轧件板形不良，当轧件发生塑性变形所需的平均单位压力超过轧辊发生弹性压扁所需的单位压力时，轧件就达到该条件下的最小可轧厚度，无法再继续轧薄。
对于以上问题，国内外科技工作者各自给出了一些解决方法，其主旨均在于减小轧机的弹性变形。最先出现的解决方法是通过在工作辊上增加支承辊来提高轧机刚度，以达到减小轧机弹性变形的目的。然而，轧件越薄，轧制力越大，所需的轧辊数目也相应增加，轧制设备复杂程度和生产成本随之大幅提高。在上世纪40年代，国外科学家提出了采用异步轧制工艺来生产板、带材，其特点在于两轧辊的线速度存在差异，除了传统同步轧制中的前滑区、后滑区之外，轧件上还存在搓轧区。在搓轧区当中，轧件除了受到同步轧制的三向压应力之外还受到附加的剪切应力的作用，这种新的应力状态与传统同步轧制相比，静水压力大幅降低，有效的减少了材料变形所需的外力（实验表明，若采用相同的压下量，异步轧制与同步轧制相比，大约可以将轧制力降低10%），从而减少了轧机的弹性变形。
近几年来，清华大学唐国翌教授提出了电致塑性轧制技术。该技术是将金属的电致塑性效应运用到金属板、带材生产中，其实例是：通过对变形过程中的金属施加脉冲电流，利用脉冲电流的热效应与非热效应的耦合作用，达到降低变形抗力，提高金属塑性变形能力的目的。同时，在脉冲电流的作用下，空位扩散等过程得以大幅加速，从而显著提高了金属的回复、再结晶等软化过程的速率，减弱了加工硬化，免去或减少了中间退火环节，使得生产效率得以大幅提高，另外，它较低的变形温度避免了金属在加工过程中的氧化，其产品的表面质量优于热轧产品的表面质量，一定程度上省去或减少了酸洗等步骤，缩短了加工流程。
鉴于异步轧制和电致塑性轧制都能使材料的变形抗力降低，且各自基于不同的物理本质（前者是改变应力状态，后者是以输入能量的方式帮助位错克服能垒）。因此，如果能够创造一种新工艺及设备将二者的优势相结合，就能够更进一步降低轧制力，实现对金属轧件在较低的轧制力和轧制温度下的无退火或少退火轧制。
发明内容
为了解决现有技术中轧制力降低有限、轧机利用不充分以及轧制工艺流程长等问题，本实用新型提供一种金属电致塑性异步轧制***，该***将金属电致塑性效应和搓轧效应联合作用于金属轧件，使轧制变形抗力大幅降低，轧制过程中轧机的弹性变形减少，工艺流程缩短，生产效率提高。
本实用新型提供的金属电致塑性异步轧制***，包括：
一轧机，该轧机包含放卷器，收卷器，两组传导辊，设置于该两组传导辊之间的一对异步转动的上、下轧辊，以及两对导向辊；所述上轧辊、下轧辊和所述两对导向辊均与所述轧机的支撑体绝缘；
一脉冲电源，所述脉冲电源输出的高能脉冲电流通过所述上轧辊和下轧辊、或通过所述下轧辊和所述两对导向辊之一输入到运动的金属轧材的加工段，且所述金属轧材的加工段通过异步转动的所述上、下轧辊实现电致塑性轧制和异步轧制。
进一步包括一淬火装置，该淬火装置具有冷却液槽、泵和通过导管连接于该泵的两个喷头，该两个喷头附设于所述轧辊的两侧，能分别或者同时对所述轧辊两侧金属材料进行在线淬火处理。
进一步包括置于所述轧辊的压下装置中、实时采集和记录压力的轧制力数据采集装置，以及附于所述轧辊两侧、采集和记录所述金属材料入轧辊和出轧辊的温度数据采集装置。
其中，所述传导辊、上轧辊、下轧辊分别附设与所述轧机热隔离的加热装置，加热温度范围为50-350℃。
所述传导辊包括若干滚轴，该滚轴处于隔热石棉和耐火材料所围成的空腔中，该滚轴内设加热装置，可对滚轴实现在50-350℃范围内加热。所述滚轴表面经特殊处理，滚轴表面配置有耐磨、耐热的绝缘陶瓷涂层。
所述导向辊为一对导电轮。
所述上、下轧辊的异速比为1:1-2:1，所述上、下轧辊的直径相同，转速不同；或所述上、下轧辊直径不同，转速相同。
所述脉冲电源输出单向陡尖波，其功率为10-40KW，电压幅值为10-300V，脉冲频率为1-3000Hz，脉冲宽度为20-5000μs。
所述脉冲电源的正、负输出端分别连接所述上、下轧辊；或所述脉冲电源的正、负输出端分别连接靠近所述放卷器的一对导向辊和所述下轧辊。
本实用新型与传统轧制***相比，存在以下优势：
1、通过金属电致塑性效应和搓轧效应的联合作用，可以大幅降低轧制变形抗力，减少轧制过程中轧机的弹性变形，提高金属材料的厚度精度与板形的控制精度。
2、与冷轧***相比，本实用新型在加工过程中对轧件施加高能脉冲电流，该脉冲电流引起热效应和非热效应，提高原子扩散能力，帮助位错克服能垒，打开缠结，摆脱钉扎，促进其攀移和交滑移、利于回复和再结晶等软化过程的进行，使变形储能得以释放，缺陷密度得以降低，大幅提升金属塑性，从而可以增加金属板、带材的单道次压下率，减少轧制过程中的中间退火次数，实现在较低加工温度下对金属材料的无退火或少退火轧制，达到节约能源，提升生产效率的目的。
3、与热轧***相比，本实用新型***能够在更低的温度下实现金属材料的连续轧制，有效减轻了晶粒长大问题，避免了金属表面的氧化和轧件粘辊等问题。
4、与同步轧制***相比，本实用新型***采用的两轧辊可以具有不同的线速度，在相同压下率的情况下，由于剪切变形的作用，能够实现更高的有效变形量，利于提高再结晶形核率，利于实现晶粒细化。
附图说明
图1是本实用新型金属电致塑性异步轧制***示意图；
图2是图1所示轧机压下装置示意图；
图3是图1所示导向辊示意图；
图4是图1所示传导辊示意图；
图5是本实用新型电流回路实施方式1的示意图；
图6.是本实用新型电流回路实施方式1的示意图。
具体实施方式
以下结合实施例附图做进一步说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1所示金属电致塑性异步轧制***，主要包括轧机及脉冲电源9等。轧机为计算机控制的异步轧机。轧机包含放卷器1，收卷器8，两组传导辊3、6，设置于该两组传导辊之间的一对异步转动的上、下轧辊4、5，两对导向辊2、7，轧制力数据采集装置11，温度数据采集装置（图中未示出），电流施加方式选择开关10，控制计算机12，压下装置13以及淬火装置14等。
传导辊3和6、上轧辊4、下轧辊5均附有与轧机热隔离的加热装置。传导辊3和6处于隔热材料所构成的空腔之中，其加热温度在50-350℃范围内可调。
放卷器1和收卷器8分别设置在轧机的支撑体两端，以开卷、收卷预轧制的金属材料。两对导向辊2和7均为一对导电轮，该导电轮优选使用金属导电轮。上轧辊4、下轧辊5和所述两对导向辊均与所述轧机的支撑体绝缘。两组传导辊3和6设置在所述两对导向辊之间，每组传导辊分别包括用于支撑轧制的金属材料的若干滚轴。上轧辊4、下轧辊5设置在所述两组传导辊之间，用以轧制金属材料。
轧制力数据采集装置11和温度数据采集装置14均与计算机12连接，分别设置在压下装置13和上轧辊4、下轧辊5的两端，用于实时采集加工段的轧制力数据和温度数据。
脉冲电源9的负输出端连接下轧辊5，脉冲电源9的正输出端连接电流施加方式选择开关10的动触头，电流施加方式选择开关10的三个定触头分别连接两对导向辊2、7和上轧辊4。电流施加方式选择开关10设置在脉冲电源9与金属材料形成的电流回路中，能够选择将脉冲电流输入金属材料的加工段的路径。
淬火装置14具有冷却液槽、泵和通过导管连接于该泵的两个喷头，该两个喷头附设于所述轧辊的两侧，能分别或者同时对所述轧辊两侧金属材料进行在线淬火处理。
本***在使用时，先设置上、下轧辊4、5和传导辊3、6的温度，然后开启轧机。预轧制的金属材料（或金属轧材）由放卷器1和收卷器8支撑并张紧，该***能够调节张力，保证该金属材料运动过程中的稳定性，旋转的轧辊与该金属材料之间的摩擦力带动该金属材料以一定的速度向收卷器8方向运动。该金属材料在轧辊处发生塑性变形，实现减薄，金属材料的运动速度随轧辊转速变化，轧辊转速由变频器和马达（图中未示出）控制，在0-636r/min范围内连续可调。压下装置13中的轧制力数据采集装置11，可对轧制过程中的轧制力进行实时测量与记录。轧辊两侧均附有淬火装置14，可分别或同时对入辊测和出辊侧的金属材料进行在线淬火。
该金属材料从左向右连续运动时，脉冲电源9如图1通过下轧辊、电流施加方式选择开关10以及导向辊2将脉冲电流施加在该金属材料的加工段上，该金属材料经过上、下轧辊4和5异步轧制后，随即通过传导辊6和导向辊7，在收卷器8处进行收卷。上、下轧辊4和5对该金属材料的加工段异步轧制时，同时伴随有脉冲电流导致的电致塑性效应实现了该加工段的电致塑性轧制。
通过更换不同直径的上、下轧辊（或者采用两套独立的变速器分别控制相同直径的上、下轧辊）可获得1:1-2:1之间的任意异速比。同样可选择上、下轧辊的直径可相同，转速不同。
脉冲电源9的功率为10-40KW，输出电压幅值为10-300V，脉冲宽度为20-5000μs，脉冲频率为1-3000Hz，施加在金属材料的加工段时脉冲峰值电流密度为10-1000A/mm2，脉冲波形为单向陡尖波。其电参数可通过设置电流传感器与示波器进行采集、记录和显示。
图2所示手动压下装置，在使用时，旋转转轮131带动齿轮132旋转，通过齿轮133和螺杆134将水平转动转化为竖直方向上的运动，螺杆134作用在轧制力数据采集装置11上，并通过轴承135作用到轧辊轴承块41上，轴承块41与机架之间相对滑动。轴承块41与轴承块51之间采用弹簧连接，避免轴承块41在自身重力作用下沿机架向下滑动。
如图3所示，两对导向辊2和7均采用导电金属材料制成，直径约为100mm，宽度约为轧辊宽度的导电轮构成，其辊缝间距通过压下螺丝21手动调节，其原理与前述轧辊压下调节原理类似。通过压下螺丝21、垫片22、轴承23给导向辊24施加向下的作用力，使其沿机架内壁滑动以达到调节合适的辊缝的目的。为保证接触良好以减少接触电阻，金属材料表面应该清洁，同时导向辊应与开卷金属材料形成一定的包角，且对金属材料有一定压紧力。
如图4所示，传导辊3包括若干滚轴33，该滚轴33处于隔热石棉31和耐火材料32所围成的空腔中，该滚轴33内设加热装置，可对滚轴33实现在50-350℃范围内加热。所述滚轴33表面配置有耐磨、耐热的绝缘涂层，如绝缘陶瓷涂层等。
参照图5，所示为电流回路实施方式1的示意图，导向辊2包括上导向辊24和下导向辊26，脉冲电源9的正极通过电刷或铜环（图中未画出）与下导向辊26相连，电源9的负极与下轧辊5相连，电流从脉冲电源9的正极流向下导向辊26，由下导向辊26流向金属材料，经金属材料流向下轧辊5，再由下轧辊5流回脉冲电源9的负极。此时应该保证在没有放置轧件的情况下导向辊、传导辊，轧辊间相互绝缘良好且与地绝缘，在本实施方式中，轧辊、传导辊和导向辊与相应的轴承，以及轴承与轧机机架间均进行绝缘处理，从而确保轧制过程中电流仅从轧件上通过。在轧辊与轧机变速器相连接处进行绝缘处理，避免高能脉冲电流影响轧机正常工作。
参照图6，所示为电流回路实施方式2的示意图，该实施方式与图5所示实施方式不同之处在于：脉冲电源9的正负极分别与上下轧辊4和5相连，电流由脉冲电源9的正极流向下轧辊5，下轧辊5经金属材料将电流输送到上轧辊4，最终电流流回脉冲电源9负极，完成回路。此时上、下轧辊4和5之间绝缘，电流仅从金属材料上通过。
本***优选进行加工的金属材料包括金属及其合金，例如铜、镁合金等带材，金属材料的宽度范围是10-800mm，厚度范围是0.1-4mm。
Claims (10)
1.一种金属电致塑性异步轧制***，包括：一轧机，该轧机包含放卷器，收卷器，两组传导辊，设置于该两组传导辊之间的一对异步转动的上、下轧辊，以及两对导向辊；
其特征在于：所述上轧辊、下轧辊和所述两对导向辊均与所述轧机的支撑体绝缘；
该***进一步包括一脉冲电源，所述脉冲电源输出的高能脉冲电流通过所述上轧辊和下轧辊、或通过所述下轧辊和所述两对导向辊之一输入到运动的金属轧材的加工段，且所述金属轧材的加工段通过异步转动的所述上、下轧辊实现电致塑性轧制和异步轧制。
2.根据权利要求1所述的***，其特征在于还包括一淬火装置，该淬火装置具有冷却液槽、泵和通过导管连接于该泵的两个喷头，该两个喷头附设于所述轧辊的两侧，能分别或者同时对所述轧辊两侧金属材料进行在线淬火处理。
3.根据权利要求1或2所述的***，其特征在于：所述传导辊、上轧辊、下轧辊分别附设与所述轧机热隔离的加热装置，加热温度范围为50-350℃。
4.根据权利要求1或2所述的***，其特征在于：所述传导辊包括若干滚轴，该滚轴处于隔热石棉和耐火材料所围成的空腔中，该滚轴内设加热装置，滚轴加热温度为50-350℃。
5. 根据权利要求4所述的***，其特征在于：所述滚轴表面配置有耐磨、耐热的绝缘陶瓷涂层。
6.根据权利要求1所述的***，其特征在于：所述导向辊为一对导电轮。
7.根据权利要求1所述的***，其特征在于：所述脉冲电源输出单向陡尖波，其功率为10-40KW，电压幅值为10-300V，脉冲频率为1-3000Hz，脉冲宽度为20-5000μs。
8.根据权利要求1所述的***，其特征在于：所述上、下轧辊的异速比为1:1-2:1，所述上、下轧辊的直径相同，转速不同；或所述上、下轧辊直径不同，转速相同。
9.根据权利要求1所述的***，其特征在于：所述脉冲电源的正、负输出端分别连接所述上、下轧辊；或所述脉冲电源的正、负输出端分别连接靠近所述放卷器的一对导向辊和所述下轧辊。
10.根据权利要求1所述的***，其特征在于还包括：置于所述轧辊的压下装置中、实时采集和记录压力的轧制力数据采集装置，以及附于所述轧辊两侧、采集和记录所述金属材料入轧辊和出轧辊的温度数据采集装置。
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