本发明涉及铝板生产的控制冷却及控制轧制领域，涉及一种铝合金板材耦合制备工艺方法。厚板轧制最大的问题就是压缩比小，轧制时变形难以渗透到心部，导致心部和表面晶粒度差别较大，本发明通过对铝板利用道次间冷却的方式，将轧制与冷却耦合控制，实现良好的差温轧制效果，促进了表面晶粒的细化，增强了变形渗透性，提高心部质量，改善了轧件侧向双鼓形等板型缺陷，提高了成材率。
1.一种铝合金板材耦合制备工艺方法，其特征在于，该耦合制备工艺方法为“道次间冷却-大压下轧制”方法，包括如下步骤：步骤一，采用电阻炉进行加热，加热到450-480℃，保温1-4h，然后在此温度下进行轧制；
步骤二，轧制变形在二辊可逆轧机上进行，轧制参数：轧制速度0.3-1.5m/s，将板坯按照差温轧制规程轧制到目标厚度：将板坯快速转移到轧机输送辊上，打开冷却装置，让板坯随输送辊通过冷却装置，对其上下表面进行喷水冷却，冷却时间为5-8s，通过测温仪器对其表面进行测温，使表面温度冷却到250-270℃，然后立即进行轧制，每道次压下率为15-25％，轧后表面温度在300℃-320℃；在另一侧的冷却装置下进行第二道次的轧前冷却，冷却时间为2-4s，使其表面温度降至
230-250℃，继续轧制，第二道次后板坯表面温度为300-320℃，继续对其上下表面进行冷却，冷却时间为1-3s，使表面温度降至240-260℃，立即进行第三道次的轧制，板坯厚度由初始厚度100-120mm轧到59～68mm，后续的轧制不再进行道次间冷却。
2.根据权利要求1所述的一种铝合金板材耦合制备工艺方法，其特征在于，步骤二中第一道次轧前冷却时间为6～8s，冷却温度为250～260℃。
3.根据权利要求1或2所述的一种铝合金板材耦合制备工艺方法，其特征在于，步骤二中第二道次轧前冷却时间为3～4s，冷却温度为230～240℃。
4.根据权利要求1或2所述的一种铝合金板材耦合制备工艺方法，其特征在于，步骤二中第三道次轧前冷却温度为240～250℃。
5.根据权利要求3所述的一种铝合金板材耦合制备工艺方法，其特征在于，步骤二中第三道次轧前冷却温度为240～250℃。
6.根据权利要求1或2或5所述的一种铝合金板材耦合制备工艺方法，其特征在于，进行实际铝合金板材“道次间冷却-大压下轧制”耦合制备工艺过程之前，首先基于计算软件，制定轧制工艺规程，进行“道次间冷却-大压下轧制”模拟，再通过改变道次间冷却时间，得到不同冷却时间下的坯件温度场、应力应变场及变形渗透性的对比结果，根据结果制定最佳的“道次间冷却-大压下轧制”耦合制备工艺方法，具体为：
1)在传热计算中，只计算工件的温度，不考虑轧辊的温度变化，用模拟软件模拟钢板轧制过程，建立模型的四分之一作为分析计算，采用Shape Rolling模块，轧制类型选用拉格朗日增量轧制类型，进行四面体网格；
2)模具只包括主辊，并将轧辊看作刚性体，根据轧辊直径及模型尺寸设计轧辊，定义轧辊的对称面及轧辊速度；设置坯料温度及坯料模型尺寸，定义坯料的对称面及热交换面；
3)模拟过程中增设一个推块，推块的速度远小于轧制速度，在推块与坯料分离后，推块即停止运动；推块与坯料之间不发生热交换；设置坯料与轧辊的摩擦系数及热传导系数；设置模拟控制包括步数、时间步长；检查并生成数据库文件；
4)模拟前处理：设置网格重划准则和激活目标体积；在进行道次间冷却时，只保留热交换模式，选中模型的上表面，进行换热边界条件的设置，冷却完成后，要删除换热边界条件，并添加于环境换热的边界条件，重新勾选变形模式，进行模拟求解；
5)通过改变道次间冷却时间，得到不同冷却时间下的坯件温度场、应力应变场及变形渗透性的对比结果，根据结果制定最佳的“道次间冷却-大压下轧制”耦合制备工艺方法。
7.根据权利要求3所述的一种铝合金板材耦合制备工艺方法，其特征在于，进行实际铝合金板材“道次间冷却-大压下轧制”耦合制备工艺过程之前，首先基于计算软件，制定轧制工艺规程，进行“道次间冷却-大压下轧制”模拟，再通过改变道次间冷却时间，得到不同冷却时间下的坯件温度场、应力应变场及变形渗透性的对比结果，根据结果制定最佳的“道次间冷却-大压下轧制”耦合制备工艺方法，具体为：
1)在传热计算中，只计算工件的温度，不考虑轧辊的温度变化，用模拟软件模拟钢板轧制过程，建立模型的四分之一作为分析计算，采用Shape Rolling模块，轧制类型选用拉格朗日增量轧制类型，进行四面体网格；
2)模具只包括主辊，并将轧辊看作刚性体，根据轧辊直径及模型尺寸设计轧辊，定义轧辊的对称面及轧辊速度；设置坯料温度及坯料模型尺寸，定义坯料的对称面及热交换面；
3)模拟过程中增设一个推块，推块的速度远小于轧制速度，在推块与坯料分离后，推块即停止运动；推块与坯料之间不发生热交换；设置坯料与轧辊的摩擦系数及热传导系数；设置模拟控制包括步数、时间步长；检查并生成数据库文件；
4)模拟前处理：设置网格重划准则和激活目标体积；在进行道次间冷却时，只保留热交换模式，选中模型的上表面，进行换热边界条件的设置，冷却完成后，要删除换热边界条件，并添加于环境换热的边界条件，重新勾选变形模式，进行模拟求解；
5)通过改变道次间冷却时间，得到不同冷却时间下的坯件温度场、应力应变场及变形渗透性的对比结果，根据结果制定最佳的“道次间冷却-大压下轧制”耦合制备工艺方法。
8.根据权利要求4所述的一种铝合金板材耦合制备工艺方法，其特征在于，进行实际铝合金板材“道次间冷却-大压下轧制”耦合制备工艺过程之前，首先基于计算软件，制定轧制工艺规程，进行“道次间冷却-大压下轧制”模拟，再通过改变道次间冷却时间，得到不同冷却时间下的坯件温度场、应力应变场及变形渗透性的对比结果，根据结果制定最佳的“道次间冷却-大压下轧制”耦合制备工艺方法，具体为：
1)在传热计算中，只计算工件的温度，不考虑轧辊的温度变化，用模拟软件模拟钢板轧制过程，建立模型的四分之一作为分析计算，采用Shape Rolling模块，轧制类型选用拉格朗日增量轧制类型，进行四面体网格；
2)模具只包括主辊，并将轧辊看作刚性体，根据轧辊直径及模型尺寸设计轧辊，定义轧辊的对称面及轧辊速度；设置坯料温度及坯料模型尺寸，定义坯料的对称面及热交换面；
3)模拟过程中增设一个推块，推块的速度远小于轧制速度，在推块与坯料分离后，推块即停止运动；推块与坯料之间不发生热交换；设置坯料与轧辊的摩擦系数及热传导系数；设置模拟控制包括步数、时间步长；检查并生成数据库文件；
4)模拟前处理：设置网格重划准则和激活目标体积；在进行道次间冷却时，只保留热交换模式，选中模型的上表面，进行换热边界条件的设置，冷却完成后，要删除换热边界条件，并添加于环境换热的边界条件，重新勾选变形模式，进行模拟求解；
5)通过改变道次间冷却时间，得到不同冷却时间下的坯件温度场、应力应变场及变形渗透性的对比结果，根据结果制定最佳的“道次间冷却-大压下轧制”耦合制备工艺方法。
一种铝合金板材耦合制备工艺方法
技术领域
[0001] 本发明涉及铝板生轧制生产领域，具体涉及一种应用道次间冷却工艺来控制轧制的方法。
背景技术
[0002] 本方案是针对5182铝合金常规轧制时厚规格板坯偏析严重、中心组织粗大，导致表层以下质量与表面质量不一致，强度硬度达不到使用要求。常规厚板轧制时压缩比小，导致变形渗透性差，芯部缺陷难以消除，侧向双鼓形缺陷、边部折叠等问题严重，成材率较低，轧件温度不可控制，组织性能均匀性差。近年来，“温控-形变”耦合控制的研究尤为突出，逐渐成为提高产品质量性能的重要方法。针对铝合金的厚规格轧制，同样可以应用控制轧制与控制冷却耦合技术。道次间冷却工艺是指在轧制前进行冷却，冷却来不及深入到板坯内部，在板坯厚度方向上形成上下表层低温，中心层仍维持高温的温度分布状态。这样在轧制时，上下表面温度低于芯部，变形抗力大，不易变形，而芯部温度高，容易变形。这就会促使变形深入到板坯芯部，有利于消除芯部缺陷，提高芯部质量，同时减少或消除由于变形无法深入引起的双鼓形缺陷，甚至边部折叠，提高成材率。同时水冷却技术可以满足设备布置灵活、冷却强度大、冷却速率控制范围广、冷却性能要良好、精确的温度控制等要求。由于进行道次间冷却轧制时，表面快冷，温度来不及深入到板坯内部，上下表面低温属于低温控轧，而板坯中心仍维持原来的较高温度轧制，这样就会形成表面细晶化的铝板。
发明内容
[0003] 为了克服技术领域的问题，本发明的目的在于提供一种应用“道次间冷却+大压下轧制”工艺耦合制备铝合金的控制轧制方法，主要是通过计算模拟软件，制定轧制工艺规程，进行“道次间冷却+大压下轧制”轧制模拟，通过改变道次间冷却时间，得到不同冷却时间下的坯件温度场、应力应变场及变形渗透性的对比结果，根据结果制定最佳的“道次间冷却-大压下轧制”耦合制备工艺方法。解决常规厚板轧制情况下中心组织粗大、心表质量不一致、强度硬度低的问题，从而满足产品的性能要求。
[0004] 具体技术方案为：
[0005] 一种铝合金板材“道次间冷却-大压下轧制”耦合制备工艺方法，包括如下步骤：
[0006] 步骤一，采用电阻炉进行加热，加热到450-480℃，保温1-4h，然后在此温度下进行轧制；
[0007] 步骤二，轧制变形在二辊可逆轧机上进行，轧制参数：轧制速度0.3-1.5m/s，将板坯按照差温轧制规程轧制到目标厚度：
[0008] 将板坯快速转移到轧机传送辊上(由于铝的热传导率大，为保持厚度方向的温度梯度，因此不能在冷却后进入轧机前长时间停留)，打开冷却装置，让板坯随传送辊通过冷却装置，对其上下表面进行喷水冷却，冷却时间为5-8s，通过测温仪器对其表面进行测温，使表面温度冷却到250-270℃，然后进行轧制，每道次压下率为15-25％，轧后表面温度在300℃-320℃；在另一侧的冷却装置下进行第二道次的轧前冷却，冷却时间为2-4s，使其表面温度降至230-250℃，继续轧制，第二道次后板坯表面温度为300-320℃，继续对其上下表面进行冷却，冷却时间为1-3s，使表面温度降至240-260℃，进行第三道次的轧制，板坯厚度由初始厚度轧到59～68mm，随着厚度的减小，对板坯上下表面进行喷水冷却时，冷却很容易深入到板坯内部，使得从表面到心部的温度变化不明显，进而导致道次间冷却方法对心表组织、强度硬度以及变形渗透性的影响较小，故而后续的轧制不再进行道次间冷却。
[0009] 进一步地，上述步骤二中第一道次轧前冷却时间为6～8s，冷却温度为250～260℃。
[0010] 进一步地，上述步骤二中第二道次轧前冷却时间为3～4s，冷却温度为230～240℃。
[0011] 进一步地，上述步骤二中第三道次轧前冷却时间为1-3s，冷却温度为240～250℃。
[0012] 另外，进行实际铝合金板材“道次间冷却-大压下轧制”耦合制备工艺过程之前，首先基于计算软件，制定轧制工艺规程，进行“道次间冷却+大压下”轧制模拟，再通过改变道次间冷却时间，得到不同冷却时间下的坯件温度场、应力应变场及变形渗透性的对比结果，根据结果制定最佳的“道次间冷却-大压下轧制”耦合制备工艺方法，具体为：
[0013] 1)在传热计算中，只计算工件的温度，不考虑轧辊的温度变化。用模拟软件模拟钢板轧制过程，为了简化计算，建立模型的四分之一作为分析计算。采用Shape Rolling模块，轧制类型选用拉格朗日增量轧制类型，进行四面体网格；
[0014] 2)模具只包括主辊，并将轧辊看作刚性体，根据轧辊直径及模型尺寸设计轧辊，定义轧辊的对称面及轧辊速度；设置坯料温度为及坯料模型尺寸，定义坯料的对称面及热交换面；
[0015] 3)模拟过程中增设一个推块，为了使坯料能够顺利进入轧辊，且推块的速度远小于轧制速度，在推块与坯料分离后，推块即停止运动；推块与坯料之间不发生热交换；设置坯料与轧辊的摩擦系数及热传导系数；设置模拟控制包括步数、时间步长；检查并生成数据库文件；
[0016] 4)模拟前处理：设置网格重划准则和激活目标体积；在进行道次间冷却时，只保留热交换模式，选中模型的上表面，进行换热边界条件的设置，冷却完成后，要删除换热边界条件，并添加于环境换热的边界条件，重新勾选变形模式，进行模拟求解；
[0017] 5)通过改变道次间冷却时间，得到不同冷却时间下的坯件温度场、应力应变场及变形渗透性的对比结果，根据结果制定最佳的“道次间冷却-大压下轧制”耦合制备工艺方法。
[0018] “道次间冷却+大压下轧制”轧制模拟方法主要基于钢板在受热轧制过程中所需中的热传导理论，应用DEFORM-3D软件，制定轧制工艺规程，进行“道次间冷却+大压下轧制”轧制模拟，通过改变道次间冷却时间，得到不同冷却时间下的坯件温度场、应力应变场及变形渗透性的对比结果，根据结果制定最佳的“道次间冷却-大压下轧制”耦合制备工艺方法。
[0019] 钢板在受热轧制过程中所需中的热传导方程：
[0020]
[0021] 其中，ρ为材料密度，kg/m3；C为比热容，J/(kg·K)；T为温度，K；t为时间，s；k为传热系数，KW/(m2K)；Q为内热源，J/(m3s)。
[0022] 金属轧制除塑性变形外，还受旋转轧辊的摩擦作用，这些均是引起温升的因素，塑性变形引起的热量变化表示为：
[0023]
[0024] 其中，ξ为变形热转化效率，通常设为0.9； 为流动应力，Mpa；为应变速率，S-1。
[0025] 轧板与轧辊之间的边界条件包括表面之间的摩擦生热以及两物体温差导致的接触传热，表示为：
[0026]
[0027] 其中 为金属流动速度，mm/s； 为摩擦力，N；η为物体吸收摩擦热效率(通常设为0.9)；H为润滑热转化效率；Δt为两物体之间的温差，K；dS1为轧板与轧辊的接触微元面积。
[0028] 在室温下轧制，轧板会因为辐射散热以及同空气的对流散热造成热量损失，表示为；
[0029]
[0030] 其中，hc为对流换热系数；Tr为室温，K；σ为玻尔兹曼辐射常熟；ε为表面放射率；dS2为轧板与空气的接触微元面积。
[0031] 本发明的有益效果为，通过模拟软件进行精准轧制控制，根据轧制的厚度变化，控制冷却的进程，促使变形深入到板坯芯部，有利于消除芯部缺陷，提高芯部质量，同时减少或消除由于变形无法深入引起的双鼓形缺陷，甚至边部折叠，提高成材率。同时水冷却技术可以满足设备布置灵活、冷却强度大、冷却速率控制范围广、冷却性能要良好、精确的温度控制等要求。由于进行道次间冷却轧制时，表面快冷，温度来不及深入到板坯内部，上下表面低温属于低温控轧，而板坯中心仍维持原来的较高温度轧制，这样就会形成表面细晶化的铝板。解决常规厚板轧制情况下中心组织粗大、心表质量不一致、强度硬度低的问题，从而满足产品的性能要求。
附图说明
[0032] 图1为本专利所提供的道次间冷却和大压下轧制的工艺布置图。
[0033] 图2为DEFORM-3D模拟的建模模型。
[0034] 图3为道次间冷却轧制工艺1前三道次的厚向温度曲线；(a)第一道次，(b)第二道次(c)第三道次。
[0035] 图4为常规和道次间冷却轧制工艺1的第一道次后的变形渗透性对比；(a)常规，(b)道次间冷却轧制工艺1。
[0036] 图5为常规轧制工艺的最终产品。
[0037] 图6为道次间冷却轧制工艺1的最终产品。
[0038] 图7为道次间冷却轧制工艺2的最终产品。
[0039] 图8为常规轧制工艺下经退火处理后其表层、四分之一及芯部的微观组织；(a)表层，(b)四分之一，(c)芯部。
[0040] 图9为道次间冷却轧制工艺1经退火处理后其表层、四分之一及芯部的微观组织；(a)表层，(b)四分之一，(c)芯部。
[0041] 图10为道次间冷却轧制工艺2经退火处理后其表层、四分之一及芯部的微观组织。(a)表层，(b)四分之一，(c)芯部。
[0042] 图中：101上喷水系统；102板坯；103轧辊；104下喷水系统。具体实施方案
[0043] 在传热计算中，只计算工件的温度，不考虑轧辊的温度变化。用DEFORM-3D模拟软件中模拟钢板轧制过程，为了简化计算，建立模型的四分之一作为分析计算，如图2所示。采用Shape Rolling模块，轧制类型选用Lagrangian(incremental)rolling(拉格朗日增量轧制类型)，进行四面体网格。
[0044] 模具只包括主辊，并将轧辊看作刚性体，轧辊温度设为20℃，根据轧辊直径及模型尺寸设计轧辊，定义轧辊的对称面及轧辊速度。设置坯料温度为450℃，模型尺寸：长宽厚80mm×80mm×60mm,定义坯料的对称面及热交换面。
[0045] 模拟过程中要增设一个推块，为了使坯料能够顺利进入轧辊，且推块的速度要远小于轧制速度，在推块与坯料分离后，推块即停止运动。推块与坯料之间不发生热交换。设置坯料与轧辊的摩擦系数及热传导系数。设置模拟控制：包括步数、时间步长。检查并生成数据库文件。
[0046] 模拟前处理：设置网格重划准则和激活目标体积。在进行道次间冷却时，要首先勾掉变形模式，只保留热交换，选中模型的上表面，进行换热边界条件的设置，冷却完成后，要删除换热边界条件，并添加于环境换热的边界条件，重新勾选变形模式，进行模拟求解。
[0047] 通过改变道次间冷却时间，得到不同冷却时间下的坯件温度场、应力应变场及变形渗透性的对比结果如图3、4所示，根据结果制定最佳的“道次间冷却-大压下轧制”耦合制备工艺方法。
[0048] 根据模拟计算结果，在实验中进行铝合金的轧制实验，首先在RX-30-10的箱式电阻炉中进行加热，加热温度为450℃，保温2.5h，在此温度下进行轧制。
[0049] 轧制变形在轧机上进行，轧制参数：轧制速度0.52m/s,将120mm厚的板坯轧制到5mm.，道次间冷却轧制规程：120→94→76→59→41→27→15→8.5→5(mm)，道次间冷却轧制的前三道次进行喷水冷却。
[0050] 该实施方案所使用的铝合金为5182铝合金，其尺寸是：厚度120mm，宽度200mm，所用轧机的参数：轧辊直径Φ450mm，轧制速度0.52m/s。加热温度450℃，保温2.5小时，常规轧制规程：120→86→59→41→27→15→8.5→5(mm)，道次间冷却轧制规程1：120→94→76→59→41→27→15→8.5→5(mm)，道次间冷却轧制规程2：120→100→82→68→56→48→38→
30→23→16→9→5(mm)前三道次对板坯上下表面进行喷水冷却，冷至表层温度为230-260℃。
[0051] 实例一
[0052] 采用经450℃加热、保温2.5h的5182铝合金为轧制材料(板厚120mm),其常规轧制规程为120→86→59→41→27→15→8.5→5(mm)，将450℃加热、保温2.5h的板坯快速转移到轧机位置，尽量缩短转移时间，减少转移过程中的热量流失，在二辊可逆轧机上进行常规轧制。取部分成品经370℃/2h退火处理，其表层、1/4处及芯部的组织如图8所示。
[0053] 实例二
[0054] 采用经450℃加热、保温2.5h的5182铝合金为轧制材料(板厚120mm)，轧制规程为120→94→76→59→41→27→15→8.5→5(mm)，将120mm板坯快速转移到轧机传送辊上(由于铝的热传导率大，为保持厚度方向的温度梯度，因此不能在冷却后进入轧机前长时间停留)，打开冷却装置，让板坯随辊通过冷却装置，对其上下表面进行喷水冷却，冷却时间为
6s,通过测温仪器对其表面进行测温，使表面温度冷却到260℃左右，然后进行轧制，轧后表面温度在310℃-320℃，在另一侧的冷却装置下进行第二道次的轧前冷却，冷却时间为3s,使其表面温度降至240℃左右，继续轧制，第二道次后板坯表面温度为310℃左右，继续对其上下表面进行冷却，冷却时间为1秒，使表面温度降至250℃左右，进行第三道次的轧制，板坯厚度由120mm轧到59mm，随着厚度的减小，对板坯上下表面进行喷水冷却时，冷却很容易深入到板坯内部，使得从表面到芯部的温度变化不明显，进而导致道次间冷却方法对心表组织、强度硬度以及变形渗透性的影响较小。取部分成品经370℃/2h退火处理，其表层、1/4处及芯部的组织如图9所示。
[0055] 实例三
[0056] 采用经450℃加热、保温2.5h的5182铝合金为轧制材料(板厚120mm)，轧制规程为120→100→82→68→56→48→38→30→23→16→9→5(mm)，将120mm板坯快速转移到轧机传送辊上(由于铝的热传导率大，为保持厚度方向的温度梯度，因此不能在冷却后进入轧机前长时间停留)，打开冷却装置，让板坯随辊通过冷却装置，对其上下表面进行喷水冷却，冷却时间为6s,通过测温仪器对其表面进行测温，使表面温度冷却到260℃左右，然后进行轧制，轧后表面温度在300℃左右，在另一侧的冷却装置下进行第二道次的轧前冷却，冷却时间为3s,使其表面温度降至240℃左右，继续轧制，第二道次后板坯表面温度为320℃左右，继续对其上下表面进行冷却，冷却时间为1秒，使表面温度降至250℃左右，进行第三道次的轧制，板坯厚度由120mm轧到68mm，随着厚度的减小，对板坯上下表面进行喷水冷却时，冷却很容易深入到板坯内部，使得从表面到芯部的温度变化不明显，进而导致道次间冷却方法对心表组织、强度硬度以及变形渗透性的影响较小。取部分成品经370℃/2h退火处理，其表层、1/4处及芯部的组织如图10所示。
