第1章 概述
1.1 铝箔简介
1.1.1 铝箔的定义
铝箔是铝及铝合金板带卷经轧制后所得到的一种厚度非常薄的铝卷材、 带材或片材。在中国一般将厚度小于0.2
mm的铝及铝合金板带材称为铝箔。在其他国家, 对于铝箔的划定标准各不相同, 表1-1列出了几个国家对于铝箔厚度的划定标准。
表1-1 各国铝箔起始厚度的划定标准
1.1.2 世界铝箔生产的发展概况
金属箔片最原始的生产方法是古代人们采用的锤锻法, 即把上百张的金属薄板片垛起来, 用人工锤锻。此方法曾经制造出金、 银、 铅、
锡等金属箔片。
人们最早发现铝, 是在1825年, 沃特斯采用化学方法处理氧化铝时, 第一次获得了少量的铝。
自从1888年, 贝尔研究出从铝矾土矿生产氧化铝的化学方法后, 铝的产量大幅度上升, 铝价大幅度下降,
铝工业有了迅速发展的可能。
采用多层锤击法生产小块铝箔最早出现在19世纪末期, 当时生产的铝箔尺寸小, 厚薄不均。
1903年法国人高特希A.Gautschi在二辊轧机上, 采用平张迭轧法轧出了厚度0.05 mm的铝箔。
1910年瑞士人奈欧R.V.Neher在德国舒密茨August.Schmitz机器厂的帮助下,
采用装有卷取设备的二重?机生产出了成卷铝箔, 使生产效率大大提高。轧机最大设计速度91 mmin, 铝箔厚度最薄为0.009 mm,
宽度为559 mm。与以往的生产方法相比, 采用这种方法生产出的铝箔的表面品质和厚度的均匀性有了很大提高,
从而为铝箔工业化奠定了良好的基础。
1933年英国罗伯特公司制造出世界上第一台Φ181 mm457 mm×838 mm四重铝箔轧机, 最大设计轧制速度305
mmin, 生产效率得到迅速的提高。所生产出的铝箔产品的表面品质、 厚度均匀性均大大地优于二重轧机。直到现在,
铝箔产品仍然主要是由四重轧机生产的。
到20世纪60年代, 随着人们生产水平的不断提高及对铝箔产品需求量的增大, 铝箔工业得到了快速的发展。铝箔生产向高速、 大卷、
宽幅的方向发展。铝箔精轧机的设计最大速度就已经达到了1524 mmin, 最大宽度达到了1956 mm。
进入80年代后, 铝箔轧机已经开始采用了以板形自动控制系统AFC与厚度自动控制系统AGC为核心的计算机自动控制新技术,
使铝箔的产量、 品质和生产效率又提高到了一个新的水平。
进入21世纪, 以中国为代表的世界铝箔工业的发展速度更为迅猛如表1-2所示。至2006年, 全球铝箔的产能已经达到4033
kta, 铝箔的最大宽度达到了2000 mm以上, 最大?轧制速度已经超过2000 mmin。
表1-2 世界铝箔生产能力前10名的国家或地区数据截至2006年
1.1.3 我国铝箔工业的发展概况
我国的铝箔生产厂最早是上海华铝钢精厂, 它是1932年由瑞士铝业公司、 加拿大铝业公司和英国铝业公司在上海合资创建,
生产工艺为铁模铸造、 热轧、 冷轧、 铝箔轧制, 铝箔轧机是二重不可逆轧机, 粗轧机为Φ350 mm×800 mm, 中轧机为Φ230
mm×600 mm, 精轧机为Φ230 mm×550 mm, 卷重约50 kg, 最小铝箔厚度0.008 mm。解放前,
该厂的铝箔产品大部分厚度为0.008 mm, 衬纸质量为21 gm2的?平张裱纸卷烟箔以及少量的糖果包装裱纸箔等, 年产量约为780
ta。
1960年以后, 我国陆续设计和制造了一些中小型铝箔生产成套设备, 采用了液压压上、 正负弯辊、 直流或交流调速电机控制张力,
在线涡流测厚仪测厚。
1979年东北轻合金加工厂从德国阿享巴赫引进Φ230 mm500 mm×1200 mm万能铝箔轧机,
是我国改革开放后最早引进的铝箔轧机。
1981年华北铝业有限公司由日本神户制钢引进装有厚度AGC控制的Φ260 mm700 mm×1600 mm四重不可逆式现代铝箔轧机,
可轧最小铝箔厚度0.006 mm, 最高轧制速度1200 mmin。
1990年?后国内许多厂家相继引进了多条现代化的铝箔生产线, 如渤海铝业有限公司引进了英国戴维公司制造的Φ360 mm1000
mm×2200 mm和Φ280 mm1000 mm×2200 mm铝箔轧机, 最高轧制速度2000 mmin, 卷重可达16 t;
厦顺铝箔有限公司引进了法国克莱西姆公司制造的Φ260 mm720 mm×1700 mm铝箔轧机, 最高轧制速度1500 mmin,
它们都带有厚度和板形自动控制系统及高水平自动控制系统。
进入21世纪后, 中国的铝箔工业得到了更快速的发展, 新引进和投产的铝箔生产线多达几十条如表1-3所示, 其中, 宽度在2000
mm以上的铝箔轧机达27台如表1-4所示?这在世界铝箔加工史上史无前例。至2007年, 我国铝箔生产能力约1200 kta,
铝箔生产企业130余家, 全年产量达1070 kt, 2008年铝箔生产能力超过1650 kta,
产量雄居全球第一如图1-1所示。2007年我国铝箔进口60 kt, 出口330 kt,
已经成为世界最大铝箔产品出口国。
表1-3 2002—2007年国内已建和在建铝箔轧机状况
表1-4 国内辊面宽度等于或大于2000mm铝箔轧机
图1-1 2000—2007年中国铝箔年产量
在产量达到世界第一的同时, 中国现有的铝箔轧机, 普遍具有自动化程度高、 生产速?快, 生产效率高、
产品品质稳定等特点。其中厦顺铝箔有限公司为目前世界最大的双零箔专业生产企业, 年生产0.007 mm以下的的高品质铝箔70
kt。其他铝箔生产企业, 如华北铝业有限公司、 南山轻合金有限公司、 渤海铝业有限公司、 江苏大亚精益铝箔厂、
云南新美铝铝箔有限公司等, 也都各具特色, 在国内铝箔行业中占有一席之地。近两年, 以江苏中基材料有限公司、
上海神火铝箔有限公司为代表的新建铝箔厂陆续建成投产。这些新建铝箔厂的共同特点是设备全套引进, 装机水平一流。随着这些厂的正式投产,
使得中国铝箔生产的能力, 尤其是双零箔的生产能力进一步提升。
这里值得一提的是山东南山集团引进的4台铝箔轧机, 现可生产宽度为1850 mm、 厚度0.006 mm的铝箔, 带卷质量可达12 t,
轧制系统装备了水平过滤器, 以获得纯净轧制油。该生产线完全自动化并采用了阿申巴赫公司研发的Optiroll?i2系统,
可以精细地控制带材的厚度和平整度于最小误差范围内。另外还有一个大型的AIRPURE系统, 用于净化设备产生的废气。除此之外,
神火上海铝箔有限公司于2005年从奥钢联工程技术公司引进了3台新铝箔轧机,
也均装备有在线厚度和板形自动控制系统。为获得最大生产效能, 还装备有一个综合数据?集和评估系统。该轧机带卷设计宽度为1920 mm,
卷重12.5 t。粗轧机和中轧机轧速均为2000 mmin, 精轧速度1200 mmin。此外,
体现当今世界最具代表性的铝箔轧制技术的还有先进的板形自动控制系统、 轧辊偏心补偿、 不等厚轧制、 动力板形辊和激光测速仪等,
这些系统为以后生产优质高产铝箔奠定了基础。
1.1.4 铝箔的分类
随着铝箔工业的不断发展, 铝箔产品的种类也不断增加。铝箔的分类, 根据产品的形状、 厚度、 交货状态、 化学成分及用途,
有很多种不同的分法。
1. 按形状分类
铝箔按形状分可分为卷状铝箔和片状铝?。铝箔产品的供货方式绝大多数为卷状, 铝箔卷按不同的厚度、 宽度、 直径要求有多种规格,
只有极少数手工业包装用户使用片状铝箔。
2. 按厚度分娄
铝箔按厚度分一般分为双张箔和单张箔。不同生产厂有不同的习惯分法, 一般厂家将小于或等于0.012 mm厚度的铝箔称双张箔,
大于0.012 mm厚度的铝箔称单张箔。
3. 按状态分类
铝箔按状态分主要为全硬状态箔、 软状态箔、 半硬状态箔、 四分之一硬箔和四分之三硬箔。
1全硬状态箔, 又称全硬箔, 指轧制完全退火材料并经75%以上冷轧变形后未经退火处理的铝箔。由于?经退火处理,
铝箔表面有残油。应用领域有加工铝箔器皿、 装饰箔、 药用箔等。
2软状态箔, 指轧制后经充分退火而变软的铝箔。由于经充分退火, 铝箔的抗拉强度降低, 伸长率增加, 材质柔软,
表面无残油。应用领域有食品, 香烟等复合包装材料、 电器工业、 软包装等。
3半硬箔, 指铝箔的抗拉强度介于全硬箔和软状态箔之间的铝箔。应用领域有空调箔、 食品容器、 各种冲压成型的箔材、
瓶盖料等。
4四分之三硬箔, 即34硬箔, 指铝箔的抗拉强度介于全硬箔和半硬箔之间的铝箔。应用领域有空调箔、 食品容器、
铝塑管用箔等?
5四分之一硬箔, 即14硬箔, 指铝箔的抗拉强度介于软状态箔和半硬箔之间的铝箔。应用领域有空调箔等。
4. 按表面状态分类
铝箔按表面状态分可分为单面光箔和双面光箔。铝箔轧制分单张轧制和双合轧制。单张轧制时铝箔上下面都和轧辊接触, 两面都具有明亮的金属光泽,
这种箔称双面光箔。双合轧制时每张箔只有一面和轧辊接触, 和轧辊接触的一面与和铝箔相互接触的一面表面光亮度不同, 和轧辊接触的面光亮,
铝箔之间相互接触的面发暗, 这种铝箔称单面光箔。
双面光铝箔的最小厚度主要取决于工作辊直径的大小, 一般不小于0.01 mm, 单面光铝箔的厚度一般不大于0.03 mm。
5. 按用途分类
铝箔按用途分主要分为包装用箔、 日用品箔、 电气设备用箔和建筑用箔。
1.1.5 铝箔的性质
1. 薄而轻
采用轧制方法批量加工生产的铝箔, 目前的最小厚度已经达到0.004 mm, 含99.996%铝箔密度为2.712 gcm3,
约为铁和铜的三分之一。用很小的质量就可以获得非常大的面积, 是铝箔很好的一个特性。
2. 比强度大
铝合金具有较大的抗拉强度, 铝合金的密度只有钢的三分之一, 但比强度却远远高于钢, 因此, 在航空工业中, 常用铝合金箔做飞机旋翼、
机翼等所用的蜂窝结构材料等。
3. 较好的光泽
铝箔具有优良的银白色光泽, 并且不容易随着时间和环境的变化而发生改变。铝箔经过衬纸、 压花、 着色、 印刷等加工工序后,
可以得到金色、 红色以及其他各种不同颜色的制品, 表面美观大方。因此, 铝箔产品被广泛地应用于各种包装、 装饰等领域中。
4. 高热导率和电导率
纯度为99.996%的纯铝热导率为235.2 Wm?K, 电导率为64.94% IACS, 铝箔的导电、 导热性能仅次于银、
金和铜, 约相当于铜的60%。随着铝中杂质元素的增加, 其导电、
导热性能有所降低。铝的等体积导率为57%~64.94%IACS。由于铝箔的厚度很薄, 当铝箔缠绕使用时,
铝箔的等体积电导率为60%~80%IACS。GB 3616—1999标定的1145、
1235合金不同厚度铝箔的电流电阻参考数值见表1-5。由于铝箔在这方面的良好特性, 与密度小的优点相结合,
使得铝箔被广泛地应用于电器、 日用品、 空调器散热片等。
表1-5 不同厚度1145、 1235合金铝箔宽度10 mm的电阻
5. 高防潮性
铝箔与其他包装材料相比, 其防潮性较好。例如, 厚度为0.02 mm以上的铝箔, 由于材料表面针孔极少,
其透湿度几乎可以看作为零。而厚度在0.02 mm以下的铝箔, 随着材料表面针孔数量的增加, 其透湿度也会增加, 如果它与纸、
塑料薄膜等复合在一起, 其透湿度就会大大降低, 与其他包装材料相比, 其防潮方面具有十分明显的优势。因此,
铝箔被广泛地应用于各类包装领域。
6. 无毒、 无味
经过高温长时间退火的软状态铝箔, 使附在铝箔表面的油污能够彻底除掉, 同时还可以杀死表面的各种微生物。因此, 软状态铝箔无毒、 无味,
保香性好。在冷冻食品、 干燥食品及药用包装上应用十分普遍。
7. 良好的遮旋光性、 隔热性
铝箔对热辐射能的发射率特别小, 因此具有良好的隔热性能。?箔热辐射能的发射率与厚度关系不大,
主要取决于其表面的平整度。其发射率一般为5%~20%。因此铝箔对辐射能的吸收非常小,
能使80%~95%的辐射热反射回去。铝箔是良好的隔热保温材料。
铝箔对光的反射能力特别强, 其对光的反射率与铝箔的纯度、 平整度、 表面粗糙度、
热射线波长等因素有关。随着铝箔纯度的增加与热射线波长的增大, 铝箔对光的反射率也增大; 随着平整度的降低与表面粗糙度的增大,
铝箔对光的反射率降低。
在可见光波长0.38~0.76 μm范围内, 反射率可达70%~80%。在红外线波长0.76~50 μm范围内,
反射率可达75%~100%。
8. 良好的抗腐蚀性能
铝在空气中会迅速与氧结合, 形成一层坚硬牢固的三氧化二铝Al2O3薄膜, 这层薄膜使得内部的铝不再与氧产生化学反应。因此,
铝具有很高的抗腐蚀性能。对于油脂和有机溶剂来说, 铝是很稳定的, 但在常温下, 会被碱性物质腐蚀。平时在生产和使用过程中,
要避免铝箔产品直接与水接触, 特别是退火状态的铝箔产品, 否则, 就容易产生腐蚀。
1.1.6 铝箔的用途
由于铝箔具有良好的综合性能, 成本与其他材料相比较低, 因此, 铝制品被广泛地应用。无论是包装、 电器产品、 日用品、 航空工业、
医药行业、 ?筑工业等各个方面, 铝箔的优点都得到了充分的发挥。
铝箔的用途详见表1-6。
表1-6 铝箔用途一览表
1.2 铝及铝合金牌号及状态
铝及铝合金的牌号及状态以往都是采用国内统一的表示方法, 即汉语拼音加顺序号, 自1996年起, 这种表示方法已经停止使用,
目前采用的是国际四位数字体系的表示方法。
1.2.1 铝及铝合金牌号
合金牌号采用的是四位数字体系表示方法, 其中: 第一位代表合金的系列, 如第一位数字为1, 则代表为纯铝系列; 第一位数字为2~8,
则代表以某合金元素为主的不同系列的铝合金。
具体的合金组别按下列主要合金元素划分:
工业纯铝wAl≥99.00% 1×××
Al-Cu系
2×××
Al-Mn系
3×××
Al-Si系
4×××
Al-Mg系
5×××
Al-Mg-Si系 6×××
Al-Zn系
7×××
其他元素
8×××
备用组
9×××
1×××组表示纯铝, 其最后两数字表示最低铝百分含量中小数点后面的两位。牌号的第2位数字表示合金元素或杂质极限含量的控制情况,
如果第2位为0, 则表示其杂质极限含量无特殊控制, 如果是1~9,
则表示对一项或一项以上的单个杂质或合金元素极限含量有特殊控制。
2×××~8×××牌号中的最后两位数字没有特殊意义, 仅用来识别同一组中的不同合金, 其第2位表示改型情况。如果第2位为0,
则表示为原始合金, 如果是1~9, 则表示是改型合金。
1.2.2 铝及铝合金的状态及代号
1. 基本原则
1基础状态代号用一个英文大写字母表示。
2细分状态代号采用基础状态代号后跟一位或多位阿拉伯数字表示。
2. 基础状态代号
基础状态代号、 名称及说明与应用见表1-7。
表1-7 基础状态代号
3. 细分状态代号
1H的细分状态
在字母H后面添加两位阿拉伯数字H××, 或三位阿拉伯数字H×?×表示细分状态。
1H××状态。
H后面的第一位数字表示该状态的基本处理程序, 如:
H1——未经附加热处理, 只经加工硬化即所需强度的状态。
H2——加工硬化及不完全退火的状态, 适用于加工硬化程度超过成品规定要求后, 经不完全退火,
使强度降低到规定指标的产品。H2与H1具有相同的最小极限抗拉强度值, 但伸长率H2比H1稍高。
H3——加工硬化及稳定处理的状态。适用于加工硬化后经低温热处理或由于加工过程中的受热作用致使其力学性能达到稳定的产品。H3状态仅适用于在室温条件下逐渐时效软化的合金。
H4——加工硬化及涂漆处理的状态。适用于加工硬化后, 经涂漆处理导致不完全退火的产品。
H后面的第二位数字表示产品的加工硬化程度, 数字8表示硬状态, 对于O退火和H×8之间的状态,
应在H×代号后分别添加从1到7的数字来表示,
在H×后添加数字9表示比H×8加工硬化程度更大的硬化状态。各种H××细分状态代号及对应的加工硬化程度见表1-8。
表1-8 H××细分状态代号与加工硬化程度
2H×××状态。
H111——适用于最终退火后又进行了适量的加工硬化, 但加工硬化程度又不及H11状态的产品。
H112?—适用于热加工或成型的产品。
H116——适用于镁含量不小于4%的5×××合金制成的产品。这些产品具有严格的力学性能及抗剥落腐蚀性能要求。
对于铝箔产品而言, 由于合金品种的限制及铝箔的用途, 主要的状态是0状态、 H1状态及H2状态, 其他状态很少用到。
2T的细分状态
在字母T后面添加一位或多位阿拉伯数字表示T细分状态。
1T×状态。
在T后面添加0~10的阿拉伯数字, 表示的细分状态, 称作T×状态, 见表1-9。T后面的数字表示对产品的基本处理程序。
表1-9 T×细分状态代号说明与应用
2T××状态及T×××状态略。
3原标准状态代号与新标准状态代号对照见表1-10。
表1-10 原状态代号与新状态代号对照表
第2章 铝及铝合金轧制基本原理
2.1 轧制过程的基本概念
铝箔产品目前最主要的生产方法, 是轧制方法。因此, 在系统地介绍铝箔生产之前, 有必要对轧制这种加工方法的基本概念、
基本原理进行简单的介绍, 以便更好地理解和掌握铝箔生产的原理和特点。
2.1.1 轧制的定义
轧制, 是金属压力加工中最常用、 最普遍的加工方法之一。轧制过程是轧辊与轧件相互作用时, 轧件被轧辊拉进旋转的轧辊之间,
受到压缩发生塑性变形的过程。通过轧制, 使金属具有了一定的尺寸和形状, 这种加工方法, 被广泛地应用于多种金属的板、 带、
箔材的生产。
2.1.2 轧制过程的基本概念
在轧制过程中, 有许多基本概念, 在了解轧制过程前, 对这些基本概念必须要有一个基本的了解。
1. 变形指数
变形指数, 也称为加工率, 在轧制过程中, 在工程上常用如下变形指数表示其变形量程度
加工率分道次加工率与总加工率两种。
道次加工率是指某一个轧制道次轧制前后厚度变化计算的值。
总加工率有两种计算方法: 一种是计算两次退火间的总加工率, 一般说来, 它反映了金属的加工性能;
另一种是计算退火后的产品在逐道次轧制后, 各道次总的加工率。
一般工业上将轧后长度与轧前长度之比称为延伸系数, 用λ表示。
根据体积不变法则, 且忽略宽展, 延伸系数也可以写成如下形式
2. 变形区及变形区长度
变形区, 即处于轧辊之间产生塑性变形的金属所处的区间。而在轧制理论中, 变形区一般为轧件的入口端与出口端之间的区间,
如图2-1中的ABA′B′区域在变形区中, 接触弧AB的水平投影叫做变形区长度l, 根据数学方法,
可以很容易的得出变形区长度的计算公式
式2-3给出了对称轧制过程中变形区长度l的计算公式。当α≤20°时,
其误差不大于1%。接触角α与变形区长度l的关系为l=Rsinα。
图2-1 金属轧制时变形区
3. 接触角
接触弧AB的长度所对应的圆心角α称为接触角。其计算公式如下
4. 咬入角
咬入角是轧辊作用于轧件之合力N与辊心连线所夹的角γ。在轧辊开始咬入轧件的咬角等于正常轧制时的接触角, 此时,
接触角等于零。随着轧件的咬入, 咬入角逐渐减小, 接触角逐渐增大, 当轧制过程建立后, 咬入角等于接触角的一半,
见图2-2。
图2-2 金属轧制咬入角、 前滑区及后滑区
5. 前滑和后滑
1前滑
在轧制过程中, 轧件的出口速度高于该处轧辊圆周速度的现象称为前滑。前滑值用轧辊出口断面上轧件与轧辊速度的相对差值来表示,
见式2-5。实际上, 轧制时的前滑值一般为2%~10%。
2后滑
与前滑相对应, 后滑是指轧件后入口速度小于入口断面上轧辊水平速度的现象。同样,
后滑值用入口断面上的轧辊水平分速度与轧件入口速度差的相对值来表示。
如图2-2所示, 在轧制过程中, 由于金属的流动, 在变形区中形成了后滑区与前滑区。
6. 中性角
前滑区和后滑区, 两者的分界面称为中性面。而所谓的中性角, 就是指前滑区接触弧所对应的圆心角。通常用γ来表示。
2.2 铝箔轧制过程的影响因素
轧制过程中, 金属的变形受许多因素的影响。这些因素在实际的轧制生产过程中, 经常表现为不同的形式, 而且经常发生各种各样的变化。因此,
这些因素对轧制过程的影响十分复杂, 在分析问题的过程中, 必须想办法将这些影响条件归纳成单一的因素, 逐个进行分析。只有这样,
才能将各种影响因素的实质研究清楚。
轧制过程的影响因素, 共分为两类: 一类是轧制的金属本身的各类因素, 包括金属的化学成分、 组织结构、 力学性能等; 另一类,
则是外在因素, 如外摩擦、 工艺润滑油、 轧辊的尺寸及形状、 轧制力、 张力、 外端等。
第一类金属本身的影响因素, 主要取决于轧制用金属材料本身, 涉及合金成分、 材料的内部组织结构等,
其影响的机理涉及金属塑性加工原理及金属学等方面的许多内容, 影响因素繁多而复杂, 这部分内容, 本书不做详细阐述。
下面, 对外在因素对轧制过程?影响进行简单的介绍。
2.2.1 铝箔轧制过程中摩擦条件的影响
影响摩擦条件的因素很多, 包括轧制材料、 工作辊、 支承辊的表面状态、 工艺润滑油的黏度及配比等。
轧制过程中的摩擦系数, 对轧制过程的变形抗力有很大的影响, 随着摩擦系数的增大,
材料的变形抗力增大。其关系如图2-3所示。
图2-3 摩擦对单位压力的影响
由图2-3可见, 随着摩擦系数的增大, 单位压力增加, 使得轧制过程的轧制压力增大。这是因为摩擦系数增大后, 使摩擦力增大,
在变形区内所形成的三向压应力状态增强, 金属流动的阻力增大。所以, 使得金属的变形抗力增大。
2.2.2 铝箔轧制过程中轧辊尺寸的影响
轧辊的尺寸包括轧辊的辊径及长度, 其中辊径对轧制过程影响较大。
在压下量相同的情况下, 轧辊辊径的变化, 相当于咬入角的变化。根据压力加工原理, 轧辊辊径的减小, 使咬入角增加, 同时,
还使滑移路程缩短而减少了摩擦阻力的影响, 从而降低了实际变形的抗力, 有利于金属的纵向流动。由此说明, 在一定的轧制条件下,
辊径的减小有利于金属的变形。
另外, 轧辊的直径对变形抗力也有显著的影响, 这是由于随着直径的增加, 接触表面增大, 使摩擦阻力增加, 而造成难变形区增加,
引起金属变形困难而压力升高。它充分反映了尺寸因素的影响。
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