馬玉蕊

(中色科技股份有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039)

隨著鋁及鋁合金加工材市場(chǎng)需求的與日俱增，國(guó)際國(guó)內(nèi)鋁加工材需求呈現(xiàn)旺盛局面，極大地促進(jìn)了我國(guó)鋁加工業(yè)快速穩(wěn)定地發(fā)展，為建設(shè)規(guī)?；F(xiàn)代化的鋁加工企業(yè)提供了良好契機(jī)。但是，我國(guó)鋁加工材產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)性短缺也表現(xiàn)的非常明顯，尤其是在特大規(guī)格、高強(qiáng)、高韌、耐蝕、高精鋁合金板帶材等高端軍工及民用等產(chǎn)品每年仍需要大量進(jìn)口。這類(lèi)鋁合金包括2xxx系、7xxx系以及部分高鎂5xxx系，本文統(tǒng)稱(chēng)為硬鋁合金。建設(shè)專(zhuān)業(yè)的硬鋁合金生產(chǎn)線是提升我國(guó)鋁加工水平的本質(zhì)要求。

典型2xxx系、7xxx系硬鋁合金的特點(diǎn)是可熱處理強(qiáng)化，產(chǎn)品一般要求有較好的綜合性能，包括良好的工藝性能、一定的強(qiáng)度和塑性，還要求保證一定的化學(xué)成分，保證良好的焊接性能、常溫或低溫的沖擊韌性，或一定的沖壓性能、一定的晶粒組織以及各向組織的均勻性等[1]。與軟合金相比其品種多、批量小、工序多、生產(chǎn)難度大。

可熱處理強(qiáng)化的鋁合金厚板的工藝流程為：熱軋-淬火-拉伸-時(shí)效-探傷-鋸切-檢查、包裝。硬鋁合金薄板帶材的工藝流程為：熱軋-冷軋-淬火-時(shí)效-剪切-檢查、包裝。硬鋁合金工藝的復(fù)雜決定了其生產(chǎn)設(shè)備種類(lèi)多，包括軋制設(shè)備、熱處理設(shè)備、矯直設(shè)備、探傷設(shè)備等；柔性生產(chǎn)以及多種設(shè)備之間的物流也顯得特別重要，因此研究專(zhuān)業(yè)的硬鋁合金生產(chǎn)線的工藝及物流設(shè)計(jì)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 硬鋁合金板帶生產(chǎn)線主要設(shè)備的選擇

某硬鋁合金生產(chǎn)線以滿(mǎn)足國(guó)家急需航空航天、汽車(chē)、船舶、高鐵等高端鋁材為目標(biāo)，主要產(chǎn)品定位于大規(guī)格、高強(qiáng)度、高韌性、高損傷容限的高性能航空航天中厚板、超大規(guī)格船用板材和化工板材、高性能汽車(chē)板材等。產(chǎn)品產(chǎn)量約為40萬(wàn)t，包括兩部分：中厚板和合金薄板帶材；對(duì)于中厚板而言，航空厚板的寬度≤3600mm，但產(chǎn)品寬度考慮到滿(mǎn)足最大寬度≥4150mm船用板的需要；選擇板材軋機(jī)機(jī)架寬度4500mm。

目前鋁軋制厚板可達(dá)到280mm，采用異步軋制的方式生產(chǎn)，全球僅有兩臺(tái)：愛(ài)勵(lì)科布倫茨和愛(ài)勵(lì)鼎盛鋁業(yè)各有1臺(tái)4064mm鋁熱粗軋機(jī)，據(jù)稱(chēng)采用這種技術(shù)可以用厚度500mm～600mm的鑄錠直接軋制出中心變形充分的250mm厚板。考慮到技術(shù)的成熟、可靠性采用同步軋制的方法，此生產(chǎn)線生產(chǎn)最大厚度260mm的產(chǎn)品。飛機(jī)機(jī)翼板最大長(zhǎng)度是36m，此生產(chǎn)線生產(chǎn)成品最長(zhǎng)36m的板材。

對(duì)于合金薄板帶材而言，集裝箱板、船用冷軋板帶材的寬度最寬可達(dá)到2500mm，熱軋卷坯料的寬度應(yīng)該在2700mm，因此帶材熱軋機(jī)寬度選為3150mm，配套1臺(tái)2800mm冷軋機(jī)。考慮到大部分冷軋板材寬度都在2100mm以下，故考慮選擇1臺(tái)2300mm冷軋機(jī)，2臺(tái)軋機(jī)互相配合，這樣可以覆蓋絕大部分寬度的板帶材。

1.1 熱軋機(jī)架的選擇

為了保證硬鋁合金金屬內(nèi)部組織的均一、穩(wěn)定，要采用熱軋開(kāi)坯的工藝，目前熱軋供坯法主要有以下工藝：

(1)單機(jī)架熱軋。單機(jī)架又可分為塊片式的單機(jī)架軋機(jī)和單機(jī)架單/雙卷取軋機(jī)，前者用于生產(chǎn)板材，規(guī)模在5萬(wàn)t左右，后者可以兼顧帶材和板材，規(guī)模在10萬(wàn)t左右。

(2)1+1熱軋。由1臺(tái)熱粗軋和1臺(tái)熱精軋組成，熱精軋的軋制速度可達(dá)到320m/min～350m/min，熱軋卷最小厚度2.5mm左右，規(guī)模在15萬(wàn)t～20萬(wàn)t。

(3)熱粗軋+多機(jī)架熱連軋。該生產(chǎn)線由單機(jī)架或雙機(jī)架熱粗軋之后，配置3～6機(jī)架熱精軋機(jī)，生產(chǎn)控制手段齊全，產(chǎn)品質(zhì)量?jī)?yōu)異，適應(yīng)于各類(lèi)鋁合金品種的生產(chǎn)，生產(chǎn)規(guī)模可達(dá)到30萬(wàn)t/a～60萬(wàn)t/a。這樣的鋁加工企業(yè)又分為兩種，一種是熱粗軋的輥面寬度大于熱連軋的輥面寬度，其目的就是生產(chǎn)大寬度的熱軋厚板；另外一種是熱粗軋的輥面寬度等于熱連軋的輥面寬度，其生產(chǎn)的產(chǎn)品重點(diǎn)在冷軋。熱軋板帶生產(chǎn)主要企業(yè)見(jiàn)表1。

表1 部分熱軋板帶生產(chǎn)企業(yè)熱軋機(jī)配置情況

熱軋機(jī)配置中會(huì)出現(xiàn)的典型問(wèn)題是：(1)熱軋機(jī)的生產(chǎn)效率低，市場(chǎng)上中厚板總體需求量小，如果只生產(chǎn)中厚板，產(chǎn)量小不能形成規(guī)模；(2)生產(chǎn)板帶材，如果采用1臺(tái)粗軋時(shí)粗軋成為產(chǎn)能的瓶頸。

選擇4500mm(R1)+3150mm(R2)+3350mm(FM三機(jī)架)熱連軋機(jī)組的配置，主要生產(chǎn)硬鋁合金，其不同于單機(jī)架熱軋和1+N熱軋的工藝有以下幾點(diǎn)：(1)厚板軋制和卷材軋制分別獨(dú)立生產(chǎn)；(2)大鑄錠從鑄錠加熱爐出爐，在R1上軋制數(shù)道次，重剪(R1配套)切頭尾，通過(guò)輥道至R2上軋制數(shù)道次，輕剪切頭，進(jìn)入FM軋機(jī)軋制到成品道次。即1+1鑄錠開(kāi)坯，3機(jī)架精軋卷?。?3)大鑄錠從鑄錠加熱爐出爐，R2上可逆軋制數(shù)道次，如裂邊嚴(yán)重的還要經(jīng)過(guò)立輥軋制邊部，重剪(R2配套)切頭尾，進(jìn)入R1上軋制到成品道次，輕剪(R1配套)剪切后垛板?；蜩T錠從加熱爐出爐，R1上軋制數(shù)道次，然后中斷為兩塊，分別進(jìn)入R1和R2軋制到成品道次，剪切后垛板。

從生產(chǎn)工藝可以得出這種配置的優(yōu)勢(shì)在于：(1)產(chǎn)品兼顧了板材和卷材，將板材生產(chǎn)和卷材生產(chǎn)合并為1條生產(chǎn)線，在正常生產(chǎn)條件下，厚板軋制和帶材軋制是獨(dú)立的且可以平行生產(chǎn)不互相干擾，生產(chǎn)規(guī)模大。(2)板材軋機(jī)和卷材軋機(jī)聯(lián)動(dòng)生產(chǎn)，1+1鑄錠開(kāi)坯3機(jī)架精軋卷取，減輕了粗軋機(jī)的負(fù)荷，一定程度上減少了1+1或1+N粗軋產(chǎn)能的瓶頸。(3)1+1配合生產(chǎn)，開(kāi)坯軋機(jī)的凸度和板形控制不嚴(yán)格，并且開(kāi)坯時(shí)高鎂鋁合金的裂邊比較嚴(yán)重，可在配套的立輥軋機(jī)上滾邊，而成品軋機(jī)的凸度板形控制更好，兩臺(tái)軋機(jī)協(xié)作生產(chǎn)提高了板材軋制的生產(chǎn)效率和質(zhì)量。(4)板材軋機(jī)和1+3共用推進(jìn)爐和公輔設(shè)施，節(jié)省了投資成本。

1+1+3的機(jī)型主要分工是：板材熱軋機(jī)用于生產(chǎn)中厚板，熱粗軋和三機(jī)架精軋用于生產(chǎn)≤12mm的熱軋板用坯料，以及為冷軋帶材提供熱軋卷坯料。

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)為4mm以上板材占比50.33%，其它板帶材占比49.67%；經(jīng)過(guò)計(jì)算板材軋機(jī)共需要年時(shí)3624h，1+3軋機(jī)共需年時(shí)3880h，負(fù)荷率均在60%以下，在合理的范圍之內(nèi)。

1.2 淬火爐的選擇

在鋁合金熱處理工藝中，淬火是最為嚴(yán)格的一種工序。淬火的目的是使高溫合金快速冷卻至某一較低溫度，使在固溶處理時(shí)形成的固溶體固定成室溫下溶質(zhì)和空位均呈過(guò)飽和狀態(tài)的固溶體[2]。固溶處理溫度的上限是合金的開(kāi)始熔化溫度，比如2A12合金含有少量共晶，溶質(zhì)具有最大溶解度的溫度相當(dāng)于共晶溫度，為防止過(guò)燒，固溶處理溫度必須低于共晶溫度。例如2A12固溶處理溫度為498±2℃。另外加熱速度、保溫時(shí)間、轉(zhuǎn)移時(shí)間、冷卻速度都是重要的工藝參數(shù)。

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)以寬度≤1600mm的占比約50%，最大寬度4300mm；長(zhǎng)度≤8m的占比約45%，最大長(zhǎng)度38m；選擇長(zhǎng)38m，寬4300mm和長(zhǎng)25m，寬3500mm的淬火爐的搭配，以適應(yīng)多種長(zhǎng)、寬的組合。硬鋁合金板材往往規(guī)格很多，應(yīng)根據(jù)硬鋁合金板材產(chǎn)品比例不同采用不同長(zhǎng)度、寬度或單一長(zhǎng)度、寬度的爐型。

1.3 預(yù)拉伸機(jī)的選擇

在淬火過(guò)程中，由于板材表面層和中心層存在溫度梯度，產(chǎn)生較大的內(nèi)部殘余應(yīng)力，在進(jìn)行機(jī)械加工時(shí)，會(huì)引起加工變形。鋁合金板材進(jìn)行拉伸處理的目的是通過(guò)縱向永久塑性變形，建立新的內(nèi)部應(yīng)力平衡系統(tǒng)，最大限度地消除板材淬火的殘余應(yīng)力，增加尺寸穩(wěn)定性，改善加工性能[3]。其方法是在淬火后、時(shí)效處理前的規(guī)定時(shí)間內(nèi)，對(duì)板材進(jìn)行縱向拉伸處理。拉伸機(jī)能力和產(chǎn)品的截面積相關(guān)，最大拉伸力按如下公式計(jì)算：F=Fmaxσs；式中，F(xiàn)max為板材最大截面積；σs為材料屈服強(qiáng)度，典型鋁合金板的屈服強(qiáng)度250MPa。

選擇100MN和40MN不同拉伸力拉伸機(jī)的搭配。硬鋁合金板材應(yīng)根據(jù)其極限要求選擇預(yù)拉伸機(jī)的參數(shù)。

2 硬鋁合金板帶生產(chǎn)線的物流設(shè)計(jì)

硬鋁合金板帶產(chǎn)品的規(guī)格多、批量小，對(duì)于中厚板，板材長(zhǎng)度長(zhǎng)，上料、卸料和過(guò)跨運(yùn)輸耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)；對(duì)于冷軋帶材來(lái)說(shuō)，產(chǎn)量大，在制品卷材的流轉(zhuǎn)也影響到生產(chǎn)工藝順暢和產(chǎn)品質(zhì)量。從生產(chǎn)設(shè)備的配置、主要生產(chǎn)設(shè)備的物流運(yùn)輸方式和在制品庫(kù)的方案設(shè)計(jì)幾個(gè)方面研究其物流設(shè)計(jì)。

2.1 主要生產(chǎn)設(shè)備的配置方式

熱軋、中厚板熱處理和冷軋、精整幾個(gè)工序相對(duì)獨(dú)立，依據(jù)生產(chǎn)工藝分為4個(gè)分廠：熱軋廠、中厚板廠、冷軋廠、精整廠。熱軋機(jī)、輥底爐、冷軋機(jī)、精整設(shè)備分別位于這幾個(gè)分廠中，這樣分區(qū)的好處是便于生產(chǎn)的組織和管理。

2.2 主要生產(chǎn)設(shè)備之間的物流運(yùn)輸方式

(1)熱軋機(jī)與淬火爐之間的連接。板材軋機(jī)輕剪下線板材最長(zhǎng)15m，重剪下線板材最長(zhǎng)25m，這樣的板材如果要在車(chē)間內(nèi)轉(zhuǎn)向非常困難，車(chē)間物流通過(guò)平移小車(chē)直接將熱軋后的板材運(yùn)送到淬火爐跨(圖1)。

(2)淬火爐與拉伸機(jī)之間的連接。淬火爐產(chǎn)能為7.1t/h，拉伸機(jī)產(chǎn)能為30.7t/h，生產(chǎn)的瓶頸在于淬火爐，因此可考慮兩臺(tái)淬火爐并聯(lián)。

車(chē)間內(nèi)物流是通過(guò)平移小車(chē)直接將熱軋后的板材運(yùn)送到淬火爐跨。兩臺(tái)淬火爐采用輥道連接的方式并聯(lián)后進(jìn)入拉伸機(jī)輥道，采用這種方式省去兩次車(chē)間天車(chē)吊運(yùn)和一次過(guò)跨車(chē)運(yùn)輸板材，提高了物流的效率，同時(shí)減少了板材的磕碰和擦劃傷，也保證了淬火和拉伸之間的間隔時(shí)間(圖2)。

2.3 在制品周轉(zhuǎn)庫(kù)的配置方式

為了使熱軋到冷軋以及冷軋到精整的物流最短，在熱軋廠、冷軋廠和精整廠之間設(shè)置一個(gè)在制品周轉(zhuǎn)存儲(chǔ)區(qū)，經(jīng)計(jì)算得出在制品總儲(chǔ)存量位為968卷，卷材進(jìn)出的最大頻率為68卷/h。卷材進(jìn)出頻率見(jiàn)表2。

表2 卷材進(jìn)出高架庫(kù)頻率表

如果采用智能天車(chē)，按照智能天車(chē)處理能力20卷/h，至少需要4臺(tái)智能天車(chē)。如果采用智能天車(chē)的平面庫(kù)應(yīng)該為30m寬度的2跨，占地面積為：2×30m×220m=13200m2；如果采用7層單巷道的高架倉(cāng)庫(kù)其占地面積為：18m×276m= 4968m2，面積差達(dá)到8232m2。因此本設(shè)計(jì)選用1套7層單巷道高架倉(cāng)庫(kù)。高架倉(cāng)庫(kù)的基本參數(shù)為，堆垛機(jī)運(yùn)行速度0～3.3m/s，提升速度0～0.4m/s(0.6m/s)，插桿伸縮速度0～0.6m/s(1.2m/s)。

高架倉(cāng)庫(kù)存放卷材的方式有兩種，一種是支撐套筒形式，一種是支撐外圓形式，對(duì)于軟合金而言，為了防止鞍座對(duì)卷材的擦劃傷，可優(yōu)先選用支撐套筒，硬鋁合金高架倉(cāng)庫(kù)采用支撐卷材外圓的方式。高架倉(cāng)庫(kù)連接了熱軋車(chē)間、冷軋車(chē)間和精整車(chē)間，是物流系統(tǒng)的核心區(qū)域。與熱軋車(chē)間的連接通過(guò)托盤(pán)運(yùn)輸系統(tǒng)和橫向側(cè)移小車(chē)實(shí)現(xiàn)，與冷軋車(chē)間的連接通過(guò)運(yùn)卷小車(chē)實(shí)現(xiàn)，與精整車(chē)間的連接通過(guò)運(yùn)卷小車(chē)和AGV自動(dòng)運(yùn)卷小車(chē)的組合實(shí)現(xiàn)。

兩臺(tái)冷軋機(jī)的物料通過(guò)機(jī)列線旁邊的托盤(pán)運(yùn)輸鏈相連，可以實(shí)現(xiàn)卷材在兩臺(tái)軋機(jī)之間的流動(dòng)，兩臺(tái)軋機(jī)又同時(shí)和高架倉(cāng)庫(kù)相連，有利于物料的周轉(zhuǎn)。

現(xiàn)代化的冷軋機(jī)都與高架倉(cāng)庫(kù)相連，進(jìn)出高架倉(cāng)庫(kù)的方式有托盤(pán)式的和小車(chē)式的兩種，如圖3所示，左側(cè)是小車(chē)式的，右側(cè)是托盤(pán)式的。托盤(pán)式的需要旋轉(zhuǎn)兩次，設(shè)備比較笨重；小車(chē)式的運(yùn)卷軌道在地面上，運(yùn)輸距離短且不是地溝小車(chē)式的牛腿式設(shè)計(jì)，因此保證了車(chē)間內(nèi)消防通道的簡(jiǎn)潔、暢通。

考慮到從精整側(cè)向冷軋側(cè)運(yùn)輸套筒的方便，專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了一種提籃式套筒筐(圖4)，這種套筒筐借助于堆垛機(jī)從高架庫(kù)中穿過(guò)，可以實(shí)現(xiàn)從精整各個(gè)設(shè)備向冷軋機(jī)套筒運(yùn)輸?shù)暮?jiǎn)便、快捷。這種套筒筐在生產(chǎn)中減少了套筒的運(yùn)送頻次，套筒堆積現(xiàn)象大大減少，是本項(xiàng)目物流的一個(gè)創(chuàng)新。

3 結(jié)論

(1)硬鋁合金板帶與軟合金板帶的區(qū)別之一是規(guī)模上的區(qū)別，硬鋁合金板帶熱軋機(jī)機(jī)架的選擇應(yīng)依據(jù)規(guī)模和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，當(dāng)板材和卷材的量都較大時(shí)，可選擇板材軋機(jī)+熱粗軋+熱精軋的布置方式。

(2)硬鋁合金生產(chǎn)工藝區(qū)別于軟合金的顯著特點(diǎn)是其熱處理工藝，對(duì)于中厚板而言輥底爐的選擇可考慮長(zhǎng)短搭配，拉伸機(jī)的噸位選擇要考慮最大截面并適當(dāng)留有余量。

(3)冷軋入高架庫(kù)采用地面小車(chē)的形式，保證了從冷軋到高架庫(kù)物流的快速直接，以及消防通道的暢通。采用一種提籃式套筒運(yùn)輸筐可以將精整側(cè)的套筒通過(guò)高架倉(cāng)庫(kù)直接運(yùn)送到冷軋側(cè)。

(4)硬鋁合金卷材采用支撐外圓、7層單巷道、單堆垛機(jī)的高架倉(cāng)庫(kù)，處理卷材的能力達(dá)到68卷/h，比平面庫(kù)的物流速度快，占地面積節(jié)約了8332m2。