CN117425532A - 用于轧制金属制品的装置及方法 - Google Patents

Abstract

用于轧制金属制品(P)的装置(10)，金属制品(P)初始为初始厚度(Si)的线材的形式，用于生产具有最终厚度(Sf)的金属线。所述轧制装置(10)包括沿所述金属制品(P)的加工轴线(X)对齐设置的多个轧制单元(11)。本发明还涉及用于轧制所述金属制品(P)的对应方法。

Description

用于轧制金属制品的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种用于轧制线材以获得金属线的装置及对应的方法，该装置及对应的方法例如可用于航空、医疗、汽车、建筑、工业、农业和畜牧业领域，用于小型金属部件、围栏等。

本发明主要(尽管不是专门)应用于金属材料的后处理工艺(实质上来自热轧工艺)，以获得根据具体的预期使用的抗性和可加工性的特定机械性能。

背景技术

众所周知，从连铸下游的热轧工艺中获得的长制品(诸如线材)，通常在后续供应链中被用作起始制品，以获得具有期望尺寸特征和机械性能的最终制品。

例如，已知轧制装置或拉制装置使用线材作为入口处的金属制品，线材缠绕成线圈并设置在合适的进料卷筒上，以获得具有不同期望尺寸和截面的最终产品。

特别是轧制装置，这些装置包括多个轧制单元，每个轧制单元都设有至少一对轧辊或环。

这些辊相互地设置以限定通道，在使用中，正在加工的金属制品通过该通道。

一个加工单元与下一个加工单元之间的通道逐渐减小，直到其达到金属制品最终的厚度/尺寸，在工艺结束时，金属制品将具有金属线的形状。目前，这些从先前的热轧步骤中获得的线材的后处理主要是冷进行的，由于材料的状态以及过多的通过次数会增加最终产品的加工硬化，因此整体和每次通过的截面减少均有限。

此外，在冷轧制期间，金属制品必须不断用污染环境的粉状润滑剂进行润滑。为了部分降低这种环境污染，使用昂贵的抽吸、净化和处理设施，然而，这不仅会影响整体设施的成本，而且不能完全解决问题。

因此，在工艺结束时，有必要将获得的产品放置在合适的退火炉中以减少其脆性。该步骤增加了生产时间，并且并不总能允许获得具有期望机械性能的产品。

此外，由于工艺类型的原因，目前很难甚至无法轧制由以下材料制成的线材：高碳或钴含量的钢、钛及其合金、基于加工硬化镍的超合金、基于加工硬化钴的超合金，以及同样是从粉末烧结中获得的其它材料，以获得相应的金属线。事实上，产品在加工过程中可能会出现裂纹或易碎破损现象。

热加工的装置同样是已知的，诸如US2004/016478A1中描述的装置。

因此，有必要对用于轧制线材的装置及方法进行完善，能够克服现有技术的至少一个缺点。

特别地，本发明的一个目的是提供一种轧制装置，其从由以下材料制成的线材开始：高碳或钴含量的钢、钛及其合金、基于加工硬化镍或基于加工硬化钴的超合金、以及从粉末烧结中获得的其它材料，线材的公称直径包括在约3mm与约8mm之间，该轧制装置能够制造公称直径包括在约0.5mm与约1.5mm之间的金属线，消除了材料的加工硬化问题。

本发明的另一个目的是提供这样一种装置，在生产线的末端不需要存在退火炉。

另一个目的是完善一种用于轧制线材的方法，该方法即使在通常具有加工硬化问题的材料上也能显著减小厚度。

另一个目的是提供一种用于轧制线材的装置及对应的方法，以生产要求低能量供应的金属线，该方法不会将污染物释放到环境中，因此是环境上可持续的。

申请人已经设计、测试和实施了本发明，以克服现有技术的缺点，并获得这些和其它目的和优点。

发明内容

本发明在独立权利要求中阐述并描述其特征。从属权利要求描述了本发明的其它特征或主要发明构思的变型。

根据上述目的，一种用于轧制金属制品的装置，金属制品的最初形式为初始厚度包括在3mm与8mm之间的线材，装置用于生产最终厚度包括在0.5mm与1.5mm之间的金属线，该装置包括沿上述金属制品的加工轴线对齐设置的多个轧制单元。

根据一个方面，该装置包括设置在轧制单元中的第一个轧制单元上游的主加热炉，以及沿加工轴线与轧制单元交替的多个副加热单元，该主加热炉被配置为在主频率下以主功率运行，该多个副加热单元被配置为在副频率下以副功率运行，以便使金属制品加热/恢复到合适的加工温度。主功率大于副功率，并且主频率大于或等于副频率。

根据一些实施例，提供一种用于轧制金属制品的方法，该方法可从形式为初始厚度包括在约3mm与约8mm之间的线材获得金属制品。

该方法还通过沿金属制品的加工轴线对齐设置的多个轧制单元，连续和顺序地进给金属制品，逐渐减小金属制品的厚度，直到其为最终厚度包括在约0.5mm与约1.5mm之间的金属丝形式。

根据一个方面，在金属制品进给通过轧制单元中的第一个轧制单元之前，使金属制品通过主加热炉，该主加热炉在主频率下以主功率运行，将金属制品从环境温度加热到合适的加工温度。

此外，当金属制品在一个轧制单元与下一个轧制单元之间进给时，使金属制品通过副加热单元，该副加热单元在副频率下以副功率运行，使金属制品保持在最佳加工温度。主功率大于副功率，主频率大于或等于副频率。

附图说明

本发明的这些方面和其它方面、特征以及优点将从以下对一些实施例的描述中显而易见，这些实施例是参照附图作为非限制性示例给出的，其中：

图1是根据本文描述的一些实施例的轧制装置的示意侧视图；

图2是图1的俯视图；

图3是设置在正交平面上的两对轧辊的示意正视图；

图4示出了与冷却回路相联的轧制装置的轧制单元的透视图。

为了便于理解，在可能的情况下，使用相同的附图标记来识别附图中同一的共同元件。可以理解的是，一个实施例的元件和特征能够方便地组合或并入到其它实施例中，而无需进一步说明。

具体实施方式

现在将详细介绍本发明的可能实施例，其中一个或多个示例以非限制性说明的方式显示在附图中。这里使用的短语和术语也用于提供非限制性示例的目的。

根据本发明，一种轧制装置10被配置为轧制线材形式的金属制品P，以便获得具有较小厚度和一定机械特征的金属线。

此处以及下文的描述和权利要求中，术语金属制品P是指被加工的产品，其最初为线材的形式，并且在利用轧制装置10实施的工艺结束时为金属线的形式。

金属制品P由选自包括以下材料的组中的材料制成：钛及其合金、烧结钴基材料及其合金、富含高百分比铬的不锈钢、富钛不锈钢、高碳含量或低碳含量钢、镍基合金、钨。

金属制品P可以利用磁性或非磁性材料制成。

举例来说，所考虑的材料可以是由烧结粉末(C-Cr-Mo-W-Co-V)、钛及钛合金、钛Gr21超合金(Mo-Nb-Mo-Al)、硬化镍基超合金(Co-Cr-Mo-Nb)、硬化钴基超合金(Ni-Cr-W)以及其它获得的材料。

线材形式的金属制品P的初始厚度Si包括在约3mm与约8mm之间，金属线形式的金属制品P的最终厚度Sf包括在约0.5mm与约1.5mm之间。应当注意的是，金属制品的初始厚度尺寸和最终厚度尺寸不应被视为限制本发明的适用性。

根据一些实施例，金属制品P可以具有圆形、椭圆形、正方形、矩形、六边形、八边形、半圆形截面，或类似或同类的形状。

在金属制品P具有圆形截面的情况下，厚度Si、Sf基本上相当于圆形截面的直径。

根据一些实施例，轧制装置10包括多个轧制单元11，每个轧制单元设置有具有至少一对轧辊13的轧制设备12。

轧制单元11沿金属制品P的加工轴线X对齐设置。在图1至图2所示的实施例中，有四个轧制单元11。然而，不排除具有更多或更少数量的轧制单元11的装置的配置。轧制单元11的数量在任何情况下都比传统冷轧设施少，金属制品P在入口和出口之间的总压缩比相同。

因为轧制装置10非常紧凑，直列长度小于4m，并且轧制导致金属制品P的厚度变化总体上减少了99％以上，所以具有四个轧制单元11的配置是有利的。

应当注意的是，轧制设备10在任何情况下一般都可以根据构成金属制品P的材料类型进行配置，通过使轧制单元的减少发送变化，来改变执行整个轧制的通过数。

在本文描述的实施例中，每个轧制设备12包括四对轧辊13，其在两个平面上交替设置，每个平面相对于另一个平面是横向的。

特别地，第一对和第三对轧辊13位于垂直平面上，而第二和第四对轧辊13位于水平面上，基本上与垂直平面正交。

多对轧辊13以垂直-水平交替的方式顺序设置。

在可能的实施例中，多对轧辊13所在的平面可以设置成除90°以外的相互倾斜的角度。

多对轧辊13在它们之间限定通道14(图3)，该通道14沿加工轴线X的间隙减小，在通道14中，通过轧辊13的滑动来推动/拉动金属制品P。

通道14基本上是水平的。

特别地，每个轧制设备12允许获得确定的压缩节距(reduction pitch)R。

压缩节距R由金属制品P在轧制设备12入口处的横截面积与金属制品P在轧制设备12出口处的截面积之间的比来限定。

压缩节距R还由金属制品P在轧制设备12入口处的速度与金属制品P在轧制设备12出口处的速度之间的比来限定。

每个轧制设备12的特征在于，压缩节距R的百分比优选地包括在58％与75％之间，更具体地，在约60％与约68％之间。考虑机器入口和出口之间的整体压缩在任何情况下甚至可以达到约99％。

根据一些实施例，第一轧制设备12的压缩节距R大于后续轧制设备的压缩节距R。

在可能的实施例中，除第一个轧制设备以外的轧制设备12的压缩节距R实际上彼此相等。

根据一些实施例，每个轧制设备12包括单个驱动构件15，该驱动构件15以已知的方式连接到成对的轧辊13，以使它们旋转。每对轧辊13都以不同的速度旋转，以使轧制流动，这是由于金属制品P因截面被压缩而伸长的结果。

每个驱动构件15为电子方式进行管理，以便以这样的方式驱动轧辊13，以确定轧辊13与进给的金属制品P之间的受控滑动分量。举例来说，每个驱动构件15可以包括直流电机和传动装置，该传动装置连接到电机和轧辊13键控的轴上。

参照图4，轧制装置10包括冷却系统20，以冷却轧制单元11的机械部件。机械部件可以包括至少轧辊13的支撑块和可能由热金属制品P通过轧制单元11而导致其受到过热的任何其它部件。

冷却系统20为闭合回路，因此制冷剂流体与金属制品P之间没有直接接触。

冷却系统20包括输送管路20a和回流管路20b以及热交换器20c。在输送管路20a和回流管路20b内，可以流动有已知类型的制冷剂流体。

有利的是，冷却系统20的存在允许在不中断工艺的情况下进行加工，而在现有技术中，某些机械部件的过热等因素会导致这些中断。

轧制装置10包括设置在第一轧制单元11上游的主加热炉16以及沿加工轴线X与轧制单元11交替的多个副加热单元17，被加工的金属制品P通过该副加热单元17，以便被加热或恢复到合适的加工温度Tw。

主加热炉16和副加热单元17的存在允许获得更大的压缩节距R，因为当组成金属制品P的材料处于加工温度Tw时，它需要较少的能量来变形。

此外，通过加热金属制品P，不需要会污染加工环境的粉状润滑剂。

主加热炉16被配置为第一次将金属制品P从环境温度Ta加热到加工温度Tw。

根据一些实施例，主加热炉16和副加热单元17为感应型。

主加热炉16和副加热单元17优选在非常高的频率和低功率下运行，并且是温度可调的，使得它们能够用于许多材料和应用。然而，不排除主加热炉16和/或副加热单元17也可以在低频下运行。

所说的非常高的频率是指约400-500kHz的范围。这些频率适用于非磁性材料，诸如钛、硬化镍、不锈钢、硬化钴等。

所说的低频是指约6-10kHz的范围。这些频率适用于磁性材料，诸如低含碳量和高含碳量的钢。

根据一些实施例，主加热炉16的运行频率，或主频率F1，以及副加热单元17的运行频率，或副频率F2，可以是固定的或可调的。

频率F1、F2的调整可以基于组成金属制品P的材料的类型，例如磁性或非磁性。

主加热炉16的功率或主功率P1大于单个副加热单元17的功率或副功率P2。例如，主加热炉16的功率大约是单个副加热单元17的功率的5-8倍。

例如，在感应技术的情况下，主加热炉16可以具有约75kW的主功率P1，单个副加热单元17的副功率P2约10kW。

根据另一个示例，主加热炉16可以具有约50kW的主功率P1，单个副加热单元17可以具有约10kW的副功率P2。关于加工频率，主加热炉16可以在约400-500kHz的主频率F1下进行加工，单个副加热单元17可以在约400kHz的副频率下进行加工。

根据可能的实施例，与主加热炉16和副加热单元17的入口和/或出口相对应，加热装置10包括被配置为检测金属制品P的温度的温度检测设备。

轧制装置10还包括中央单元，该中央单元接收来自温度检测设备的温度数据，并管理主加热炉16和副加热单元17的功率和/或频率，以便保持轧制产品P的温度恒定，无论其厚度如何变化。实际上，金属制品P厚度的减小对应于为了保持其温度恒定而施加的热负荷的不同分布。

有利地，轧制是在几乎保持恒定的温度下进行的。

在热塑性变形中，施加在金属上的温度和应力状态会导致在此工艺期间快速再结晶(动态再结晶)，以防止金属硬化状态的建立。再结晶利用一系列没有应力和变形的新晶粒取代了变形晶粒的晶体结构。

基于要轧制的材料、要进行的处理和要获得的性能，选择的加工温度Tw包括在约700℃-800℃上至约1200℃之间。

根据一些实施例，轧辊13由导热系数低的特殊材料制成，以尽可能减少金属制品P在加工过程中释放的热量。

所说的低导热系数是指包括在约1W·m^-1·K^-1与约2W·m^-1·K^-1的范围之间。

例如，轧辊13可以用烧结材料制成，例如，具有低导热系数的烧结陶瓷合金。

根据优选实施例，轧辊13由钇稳定氧化锆制成，其导热系数为约2W·m^-1·K^-1，整体或通过基质和涂覆以化合物形式存在。

在主加热炉17的上游，装置10包括一个或多个卷筒18，线材形式的金属制品P在卷筒18上缠绕成线圈。卷筒可以基于要生产的线圈的重量和/或轧制工艺出口处的温度而为不同的类型。

绕组设备19位于最后一个轧制单元11的下游，被配置为接收产生的金属线并将其缠绕成线圈。

根据可能的实施例，金属制品P的轧制可以发生在具有惰性气体的受控情境中，惰性气体例如氩气或氮气。

本文描述的一些实施例还涉及一种用于轧制金属制品P的方法。

提供该方法，用于对线材形式、初始厚度Si包括在约3mm与约8mm之间的金属制品P进行加工。

提供该方法，还用于通过沿金属制品P的加工轴线X对齐设置的多个轧制单元11连续地进给金属制品P，减小金属制品P的厚度，直到其为最终厚度Sf包括在约0.5mm与约1.5mm之间的金属线的形式。

根据上述方法的一个方面，在金属制品P进给通过第一轧制单元11之前，使金属制品P通过主加热炉16，其将金属制品P从环境温度Ta加热到合适的加工温度Tw。此外，当在一个轧制单元11和下一个轧制单元之间进给金属制品P时，使金属制品P通过副加热单元16，其使金属制品P返回到加工温度Tw。

根据一些实施例，金属制品P最初为线材的形式，并且缠绕在设置在相应卷筒18上的一个或多个线圈上。

以线材形式进入的金属制品P被展开、拉直并引导(例如通过合适的拉制轧辊)进入到主加热炉16中。

金属制品P以连续的方式通过轧制单元11，在每个轧制单元中，金属制品P的厚度以包括在58％与75％之间，更具体地说，包括在约60％与约68％之间的压缩节距R百分比减小。

根据一种可能的实施例，金属制品P在主加热炉16和副加热单元17内通过的路径是笔直的，并且确定滑动值的拉力控制通过电子系统控制，使得能够增加轧制单元11之间的停留时间，同时保持进给速度不变。例如，可以提供金属制品遵循锯齿形路径。

根据可能的实施例，轧制装置10还包括用于卸载轧制产品P的线圈的自动装置。将线圈从轧制装置10中取出，在静止空气中冷却，以完成冶金转变(去应力)。取出的线圈进行冷却的同时，装置继续加工下一个金属制品P。

显然，在不脱离权利要求所限定的本发明的领域和范围的情况下，可以对前面所述的用于轧制线材的装置和方法进行部件或步骤的修改和/或添加。

在下面的权利要求书中，括号内引用的唯一目的是便于阅读，不得将其视为是对具体权利要求中要求的保护领域的限制性因素。

Claims (16)

1.一种用于轧制金属制品(P)的装置(10)，所述金属制品(P)初始为初始厚度(Si)包括在3mm至8mm之间的线材的形式，用于生产最终厚度(Sf)包括在0.5mm至1.5mm之间的金属线，所述轧制装置(10)包括沿所述金属制品(P)的加工轴线(X)对齐设置的多个轧制单元，其特征在于：包括设置在所述多个轧制单元(11)中的第一个轧制单元(11)上游的主加热炉(16)和沿所述加工轴线(X)与所述轧制单元(11)交替的多个副加热单元(17)，所述主加热炉(16)被配置为在主频率F1下以主功率P1运行，所述副加热单元(17)被配置为在副频率F2下以副功率P2运行，以便将所述金属制品(P)加热/恢复到合适的加工温度(Tw)，以在对应的轧制单元(11)中进行轧制，并且其中，所述主功率P1大于所述副功率P2，且所述主频率F1大于或等于所述副频率F2。

2.根据权利要求1所述的轧制装置(10)，其特征在于，所述轧制单元(11)中的每个轧制单元(11)包括轧制设备(12)，所述轧制设备(12)具有至少一对轧辊(13)，在所述轧辊(13)之间限定沿加工轴线(X)的间隙减小的通道(14)，所述通道(14)的初始横向尺寸包括在约3mm与约8mm之间，其最终横向尺寸包括在约0.5mm与约1.5mm之间。

3.根据权利要求1或2所述的轧制装置(10)，其特征在于，所述主加热炉(16)的最大功率大约为单个副加热单元(17)最大功率的5-8倍。

4.根据权利要求2所述的轧制装置(10)，其特征在于，所述主加热炉(16)和所述副加热单元(17)的功率和频率是可调的，其中，频率和/或功率基于组成所述金属制品(P)的材料的类型，和/或基于被加工的金属制品(P)的当前厚度进行调整。

5.根据前述权利要求中任一项所述的轧制装置(10)，其特征在于，所述主功率P1等于50kW，所述主频率F1等于400-500kHz，所述副功率P2等于10kW，所述副频率F2等于400kHz。

6.根据权利要求2所述的轧制装置(10)，其特征在于，每个轧制设备(12)以百分比压缩节距(R)包括在58％与75％之间进行表征，优选地，以百分比压缩节距(R)包括在60％与68％之间进行表征。

7.根据权利要求2所述的轧制装置(10)，其特征在于，所述轧辊(13)制作成完全或至少外部涂覆有低导热系数的特殊材料，所述导热系数包括在1W·m^-1·K^-1与2W·m^-1·K^-1之间，以便尽可能减少所述金属制品(P)在加工过程中释放的热量。

8.根据权利要求5所述的轧制装置(10)，其特征在于，所述轧辊(13)制作成完全或至少外部涂覆有基于钇稳定氧化锆的烧结陶瓷材料。

9.根据权利要求2所述的轧制装置(10)，其特征在于，包括被配置为冷却至少所述轧辊(13)的闭合回路冷却系统(20)。

10.一种用于轧制金属制品(P)的方法，包括：

使金属制品(P)为初始厚度(Si)包括在3mm与8mm之间的线材的形式，

通过沿所述金属制品(P)的加工轴线(X)对齐设置的多个轧制单元(11)连续地进给金属制品(P)，减小所述金属制品(P)的厚度，直到所述金属制品(P)为最终厚度(Sf)包括在0.5mm与1.5mm之间的金属丝的形式，

其特征在于，在所述金属制品(P)进给通过所述多个轧制单元(11)中的第一个轧制单元(11)之前，使所述金属制品(P)通过主加热炉(16)，所述主加热炉(16)在主频率F1下以主功率P1运行，将所述金属制品(P)从环境温度(Ta)加热到合适的加工温度(Tw)，并且其中，当金属制品(P)在一个轧制单元(11)与下一个轧制单元(11)之间进给时，使所述金属制品(P)通过副加热单元(17)，所述副加热单元(17)在副频率F2下以副功率P2运行，使所述金属制品(P)恢复到所述合适的加工温度(Tw)，

并且其中，所述主功率P1大于所述副功率P2，且所述主频率F1大于或等于所述副频率F2。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述金属制品(P)以连续的方式通过所述轧制单元(11)，在每个轧制单元(11)内，所述金属制品(P)的厚度以包括在58％与75％之间的百分比压缩节距(R)减小，优选地，以包括在60％与68％之间的百分比压缩节距(R)减小。

12.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，所述金属制品(P)的轧制发生在几乎恒定的温度下，并且大约等于组成所述金属制品(P)的材料的再结晶温度。

13.根据权利要求10至12中任一项所述的方法，其特征在于，所述金属制品(P)由选自包括以下材料的组中的材料制成：钛及其合金、烧结钴基材料及其合金、富含高百分比铬的不锈钢、富钛不锈钢、高碳含量或低碳含量的钢。

14.根据权利要求10至13中任一项所述的方法，其特征在于，调整所述主加热炉(16)和所述副加热单元(17)的功率和/或频率，其中，基于组成所述金属制品(P)的材料的类型，和/或基于被加工的所述金属制品(P)的当前厚度调整所述频率和/或功率。

15.根据权利要求5至7中任一项所述的方法，其特征在于，所述轧制金属制品(P)不进行中间退火或最终退火。

16.根据权利要求5至7中任一项所述的方法，其特征在于，在整个轧制工艺过程中，通过确定轧辊(13)与金属制品(P)之间的滑动分量的值，以电子方式控制金属制品(P)的拉力，使得在保持所述金属制品(P)的进给速度不变的情况下，增加所述轧制单元(11)之间的停留时间。