激光毛化技术.doc

激光毛化技术在冶金行业的应用一、 技术介绍基本描述1 工艺概述为了改善冷轧薄钢板的板型、深冲性、延伸率和涂镀性能，在冷轧薄板生产工艺中，要求对冷轧工作辊的辊面进行毛化处理，然后轧制出满足用户特殊（加工）工艺要求的冷轧毛化钢板。目前用以满足轧辊毛化处理的技术有：喷丸毛化（）技术、电火花毛化（）技术、激光毛化技术等。这些技术按粗糙度形貌类型来分，可分为无规则分布和可设定式分布的两种类型。喷丸毛化（）和电火花毛化（）属于无规则分布的粗糙度形貌类型，激光毛化则属于可设定式分布的粗糙度形貌类型。本设备采用可设定式分布的CO2激光毛化轧辊技术，为轧辊毛化的最新技术。CO2激光毛化冷轧辊的工艺是：轧辊在毛化加工之前，需经磨床磨削加工，去除肉眼可见的全部缺陷，使轧辊表面粗糙度值Ra0.2-0.7m范围内，且表面的粗糙度要均匀；然后将轧辊吊至本设备上安装后，由计算机控制的脉冲激光束经聚焦后打击到轧辊表面，形成许多小坑；每个小坑中间下凹，低于轧辊表面约11m，环绕凹坑边缘的凸起部份高于轧辊表面约6m，最高凸起可达0.2mm。这些小坑的几何分布是沿着辊身周向一条升角恒定的螺旋线而密集分布的。小坑周向间距可控，其范围是0.2-0.3mm。螺旋线的线距可控，其范围也是0.2-0.3mm。由此在轧辊表面形成可预控的粗糙度值（Ra）和密度值（S），其均匀性极好。小坑的形貌亦可预控调整，从而形成各种不同的表面织构。满足不同用户的各种工艺要求。本设备可广泛用于以下工艺过程1.1 用于平整机的工作辊。使钢板（带钢）表面最终形成满足用户对粗糙度值、密度值以及其他特殊表面构造和形貌的要求。有利于钢板（带钢）在再成形过程中的延伸冲压效果，减少冲压件表面划伤，保证冲压件均匀变形，减少模具受力及损耗。可根据用户的需要，生产出各种汽车用板、家电用板、轻工用板、防伪板、造币板、异面织构板、特制花纹板、激光乌泽板（Laser Matte Steel）等。1.2 用于带钢在各种涂层或涂层工艺之前的表面毛化处理，以增加涂（镀）层物结合牢固度，减少涂（镀）层消耗，有效地提高涂（镀）层表面光洁度及反光鲜映度（DOI值）。可根据用户的需要，生产出光亮板，激光镜面板（Laser Mirror Steel）等。1.3 用于冷轧机的工作辊。有利于带钢咬入、纠偏、边浪控制，稳定轧制及板型控制。1.4 用于冷连轧机组最后机架的工作辊，或单机架轧机热处理前的板面毛化处理。有利于防止钢卷在热处理工艺中发生粘连。2 技术特性2.1 CO2激光毛化技术的技术特点CO2激光毛化技术是九十年代开发的最新技术，解决了原有的激光毛化技术不适合于大型生产线对毛化效率、毛化粗糙度调节要求的矛盾，因此，CO2激光毛化技术主要具有更大的表面粗糙度调节范围和更高的生产效率，CO2激光毛化一根轧辊的净作业时间为25-45分钟，其表面粗糙度可调。其它的技术特点分述如下2.1.1 改善深冲性能的技术特点激光毛化钢板表面的小凹坑互不连通，有利于用冲压成形时储油和捕捉金属碎屑，防止冲压划伤，保证冲压零件表面光整，同时减少冲压用油量。与电火花等加工技术相比，深冲性能更为优良。 激光毛化形貌图 电火花毛化形貌图2.1.2 提高涂镀性能和鲜映度的特点激光毛化的轧辊表面保留有较大的平坦光亮部份（最大可达60），使轧制出的钢板的板面平坦度高，提高了带钢表面的光洁度和涂漆后的鲜映度。为用户增加了产品的竞争能力。2.1.3 板型的可开发技术特点激光毛化钢板表面粗糙度均匀、排列规则、形貌可以预控、重复性好、粗糙度调节范围大。可以根据用户需要做特殊设计，开发新品种，如印花板面等。与电火花等技术相比，表面没有很多无序的针状尖峰，粗糙度更为均匀。2.1.4 强化轧辊的表面强度，提高轧辊使用寿命的技术特点激光毛化的轧辊，其轧辊表面均匀分布了密集的高强度的硬化质点，它可减 激光毛化显微结构示意图 激光毛化坑阵列横截面示意图少轧辊消耗，减少换辊量、提高轧机生产效率。比其他方式毛化的轧辊使用寿命提高100。仅此一项，每年可为钢铁厂在轧辊消耗上节约人民币上千万元。2.1.5 无变形的技术特点保证轧辊磨削辊型不变，有利于轧机板形控制。2.1.6 低成本的技术特点激光毛化作业消耗少，运行费用低，作业介质安全。2.1.7 环保的技术特点作业时无粉尘，废油等工业废料和噪声的排出。有利于环境保护，节省三废处理投资。2.1.8 配置简洁特点满足相同规模的轧材生产能力所需配备的设备少，电力装机容量小，成套设备所需电力为104KW。2.1.9 CO2毛化设备机理图1. 工作时，斩光盘(1)逆时针旋转、轧辊(2)顺时针旋转、激光束(3)通过聚焦镜(4)经2次反射对O点的轧辊表面进行预热及强化(其离焦量设计是0的功率密度刚刚低于轧辊熔点)。2. 当反射齿移开时：激光通过聚焦镜、透孔(5)聚焦到轧辊的表面0点(在0点内)进行融化，其功率密度在100KW/mm2以上，并在侧吹气(6)的作用下形成凸凹有序、硬度极高的毛化形貌。3 .毛化过程：预热强化熔化侧吹气体形成凹坑凸台冷却造型。2.2 总体设计结构及特点2.2.1 总体结构激光毛化设备的总体结构由高功率轴快流CO2激光器、偏振系统、红光准直指示、外光路系统、激光毛化装置、毛化机床、数控系统、总控制台和冷却系统等几大部分组成。2.2.2 特点2.2.2.1 关键和主要零部件选用进口件，确保轧辊激光毛化的加工精度、速度、均匀性、多功能性和生产运行的可靠性、安全性。主要技术指标达到当前的国际先进水平。2.2.2.2 拥有自主的知识产权，能生产出自己独特的冷轧新钢板。2.3 毛化成套设备的主要技术特征2.3.1 采用进口高功率轴快流CO2激光器，其特点是功率大，最大功率达2500瓦，且能连续可调，光束质量好（基模为主），聚焦后的光点尺寸小，约0.15mm，能加工出形貌好，尺寸小的毛化点。工作气体循环流动，并能不断补充新鲜气体，使激光器能长时间连续运行，满足生产线工作要求。2.3.2 新型斩光技术（专利保护，拥有自己的知识产权），其特征在于：2.3.2.1 斩光频率高（5K40KHz可调），达到国际先进水平。2.3.2.2 充分利用激光能量，提高轧辊使用寿命，齿形为多面反光体。能利用的激光能量大于95。有预热、毛化、热处理的三种功能，使毛化点形貌稳定、粗糙度高，并提高了硬度，属国际领先水平。2.3.2.3 齿面不易被烧损，在生产过程中，齿形不变形，延长了使用寿命，提高了加工工艺稳定性，属国际领先水平。2.3.3 毛化数控机床重型轧辊的高速旋转和激光束的纵向、横向平移由机床来完成。此方案占地面积小，轧辊吊装方便，有精密的定位精度、重复定位精度和主轴转速稳定度，能确保激光毛化的加工精度和质量。2.3.4 进口六轴三联动数控系统，及其在此基础上的软件扩展，可协调控制机床、检测仪、斩光盘、安全装置、激光器，保证了毛化点形貌的重复性、分布均匀性、设备和操作人员的安全性。2.3.5 新型导光、准直系统采用进口元器件。使激光束长光程移动时，聚焦光斑保持稳定。2.3.6 激光毛化装置结构紧凑、性能优良。采用进口器件和特殊冷却装置，控制聚焦系统热畸变效应，使工艺稳定、操作方便。2.3.7 毛化形貌的工艺控制水平（即毛化工艺软件）达到国际先进水平。对不同形貌要求的钢板可调节各种加工工艺参数，如激光功率、毛化频率、毛化点密度、侧吹气种类、侧吹气角度及流量等，毛化出相应的形貌轧辊。尤其是用CO2作辅助气体的侧吹技术，其毛化点表面无氧化，形貌可控性好，使用寿命长，属国际领先水平。2.3.8 激光毛化工艺软件核心技术的开发研究激光与材料快速作用中的热物理过程的理论和实验研究取得了国际领先水平，具体表现在：2.3.8.1 在国内外首次发表了轧辊表面毛化过程的三维理论模型，研究了激光功率密度、移动速度、重力方向、气流及金属蒸汽压力对激光毛化过程的影响。2.3.8.2 理论计算与实验结果相吻合，对大型轧辊激光毛化的工艺参数选用和形貌的控制有实际的指导意义。2.3.8.3 实验用与用户相结合，对家电用板、汽车板，轻工用板、造币板、阴罩板等已取得了适用的工艺参数。二、 激光毛化技术与其它毛化技术的对比 一、 激光毛化与电火花毛化的区别二、l 电火花毛化是在油池中通过20余组电极对同在油池里的轧辊放电形成电蚀坑和尖状毛刺（峰值数）。激光毛化是由高能量的脉冲激光，在聚焦后的负离焦状态下，照射到轧辊表面实施预热和强化，在聚焦的正聚焦点入射到轧辊表面形成微小溶池，同时由侧吹装置对微小熔池施与设定的压力、流量方向的辅助气体，使熔池中的熔融物按指定要求尽量堆积到熔池边l 电火花毛化形成的尖状峰值其重复性、耐磨性明显低于激光毛化形成的凸台峰值质量。电火花毛化的轧辊轧制一卷30吨的钢板后，值将下降20左右；而用激光毛化的轧辊仅下降5以内l 轧辊的粗糙度值反映到薄板上的粗糙度值在很大程度上取决于轧辊毛化表面凸起部分的高度、硬度。而激光毛化的凸台质量明显高于电火花毛化的“凸台”质量。l 粗糙度值与坑形和分布密度紧密相关，而激光毛化坑形、密度可控，这也是电火花毛化可望不可及的。二、评价毛化工艺的指标l 激光毛化形成的凸台、凹坑同时被激光强化（寿命长），毛化形貌、密度可控、有序。电火花毛化形成的是尖状毛刺和电蚀坑，毛化形貌、密度不可控。l 二、 激光毛化与电火花毛化的比较优势三、l 占地面积小，地基制作简单且造价低；l 结构简单、设备运行稳定、可靠；l 毛化点有序、可控；l 加工效率高，运行成本低，维护费用低；l 毛化轧辊复印率高，轧辊轧制量提高1倍以上；l 节能、环保，无污染。详细比较见下表：CO2激光毛化与电火毛化技术比较序号项目电火花毛化激光毛化1深冲性毛化点的排列无序，毛化坑相通，深冲性较差毛化点的排列有序，毛化坑互不相通，深冲性明显优于电火花板2光亮度由于板的平坦度差，板面涂漆后的鲜映度差由于板的平坦度高，板面涂漆后的鲜映度优于电火花板3可调性毛化点的排列、形貌不可调毛化点的排列、形貌可调，产品开发面广4轧辊硬度无提高可提高轧辊表面硬度，延长轧辊使用寿命5转换率毛化点易磨损、堵塞毛化点为凸台，转换效率高不宜堵塞6加工效率45分钟左右30-40分钟左右7环保有污染环保型生产CO2激光毛化技术与YAG激光毛化技术比较：序号技术参数CO2激光毛化YAG激光毛化1发生介质CO2 气体固体YAG棒2激光波长10.6um1.06um3功率23KW0.2KW4模式准基模多模5脉冲形成斩波技术声光调制6毛化硬度HV800约HV6007粗糙度0.35um0.33um8加工速度45平方米 /小时11.2平方米/小时9设备总价RMB850万元RMB200万元结论：YAG激光毛化技术只适合于窄带钢轧辊和直径小于 300mm的 轧辊。*注：日本曾试图用4台YAG激光毛化设备对一支轧辊进行毛化，但由于同步性和一致性技术未能解决，至今未投入正式生产。三、应用情况该设备已在昆明钢铁集团总公司冷轧厂、济南钢铁股份有限公司冷轧厂生产线上使用，获得明显的经济效益。以济钢生产能力为例计算：济钢单机架平整机年轧制量为44万吨，双机架可逆冷轧机年轧制量为84万吨。轧机和平整机的工作辊参数如下表，表中所涉及的技术参数均为初步的。毛化的生产能力按年毛化为平整机工作辊1200根，冷轧机工作辊2500根计算。冷轧机工作辊参数：直径400450mm辊身长度1950mm辊全长4225mm辊形CVCplus表面粗糙度Ra23mRa轧辊材质合金锻钢辊身硬度9398 ShoreC辊颈硬度5767 ShoreC轧辊重量3410kg/单辊（不带轴承座等）4780kg/单辊（带轴承座等）平整机工作辊参数：直径500560mm辊身长度1780mm辊全长3800mm辊形圆柱表面粗糙度Ra2.53.5mRa轧辊材质锻钢辊身硬度9395 ShoreC辊颈硬度Min 50 ShoreC轧辊重量4800kg/单辊（不带轴承座等）6800kg/单辊（带轴承座等）生产能力计算对于济钢薄板冷轧工程，其中冷轧机组工作辊需毛化次数为：2500根/年，平整机组工作辊需毛化次数为：1200根/年。 以一年365天计算(36524=8760小时)，设备正常检修时间59小时设备检修时间为：设备时间外光路一次/二月，4小时/次，主要为清洗镜片、检查外光路；更换镜片一次/半年，约2小时/次。（合计一年时间为：1680分钟）激光器一次/季，4小时/次，主要检查绝缘油、润滑油、真空泵、过滤器镜片、支承架螺栓等。（合计一年时间为：960分钟）电 气一次/三月，1小时/一次，清洗电柜、操作台的控制器件灰尘（合计一年时间为：240分钟）机 械顶尖探伤，一次/半月，10分钟/次清理油箱过滤器和调整夹紧装置，一次/月，15分钟/次；检测机床，一次/年，4小时/次。（床头主轴、尾座主轴、及导轨精度）（合计一年时间为：660分钟）总计时间为：3540分钟=59小时机电设备故障维修时间为72小时。年净作业时间8760-59-72=8620小时，一年按两班工作制计算则毛化时间年工作时间为8620/24*16=5746小时。冷轧机工作辊冷轧机工作辊按：毛化粗糙度Ra 2.75m长度450mm x1950mm x4225mm密度：2.5 x 3/mm2计算则：装辊时间：4分钟 测量时间：30秒（含轧辊对中、找正时间） 毛化时间：33分钟30秒 卸辊时间：2分钟 合计时间：40分钟因一年需毛化辊数为2500根，则需时间为250040=100000分钟=1667小时。平整机工作辊平整机工作辊按：毛化粗糙度Ra 3m，长度560mm x1780mm x3800mm,密度：2.5 x 3/mm2计算则：装辊时间：4分钟 测量时间：30秒（含轧辊对中、找平时间） 毛化时间：31分钟30秒 卸辊时间：2分钟 合计时间：38分钟因一年需毛化辊数为1200根，则需时间为120040=45600分钟=800