（机械设计及理论专业论文）电磁铸轧制备ps版基工艺及其性能研究.pdf

摘要 随着国民经济的迅速发展，我国印刷业产值每年以大于2 0 的 速度递增，印刷行业的持续发展给p s 版制造业带来了勃勃生机，然 而国内p s 版行业的发展还受其他相关行业技术的制约，铝版基问题 是其中之一。目前国产铝版基无论从数量上，还是从质量上，都还不 能完全满足国内p s 版厂的需求，而且国产的铝版基仅属于中低端产 品，对于高端铝版基还依赖进口。为解决上述问题，本文开展了在连 续铸轧的关键环节施加电磁场，实施用电磁铸轧制备p s 版基的研究 工作，主要包括以下四方面： 1 、通过电磁铸轧工业试验，分析了电磁参数对p s 版基铝带坯金 相组织的影响规律，结果表明在试验条件下，励磁电流为1 3 a ，中心 频率为11 h z 时，电磁铸轧的状态较稳定，带坯金相组织的细化效果 较好。 2 、通过对p s 版基力学性能和表面粗糙度的测试分析，研究了电 磁场对p s 版基力学性能和表面粗糙度的影响，结果表明电磁场对p s 版基的力学性能影响不大，但提高了p s 版基表面粗糙度的均匀性。 3 、通过测试p s 版基的第二相分布和腐蚀性能，探讨了电磁场对 p s 版基腐蚀性能的影响和机制，结果表明在电磁能场的作用下，p s 版基的第二相分布更均匀，腐蚀坑的均匀度明显提高。 4 、通过对p s 版基阳极氧化膜的对比分析，研究了电磁场对p s 版基阳极氧化膜组织结构的影响，结果表明加入电磁场可提高p s 版 基氧化膜组织结构的均匀度，并使p s 版基获得细小的氧化膜显微组 织。 关键词铝p s 版基，电磁场，铸轧，性能 a bs t r a c t t h ep r o d u c tv a l u eo fp r i n t i n g i n d u s t r yo fc h i n ai si n c r e a s i n g p r o g r e s s i v e l ya tt h ea n n u a lr a t eo fm o r et h a n2 0p e r c e n ta l o n gw i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to ft h en a t i o n a le c o n o m y , w h i c hi sc o n d u c i v et ot h e d e v e l o p m e n to ft h ep sp l a t em a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y h o w e v e r ，t h e d e v e l o p m e n to fp sp l a t em a n u f a c t u r i n gi n d u s t r yi sc o n s t r a i n e db yo t h e r i n d u s t r i e s ，o n eo fw h i c hi s a l u m i n u ms u b s t r a t e i n d u s t r y c u r r e n t l y ， d o m e s t i ca l u m i n u ms u b s t r a t e sm a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e s ，w h o s ep r o d u c t s a r ea tal o wg r a d eo rm e d i u mg r a d el e v e l ，c a nn o ts u p p l yt h ed e m a n do f d o m e s t i cp sp l a t em a n u f a c t u r i n ge n t e r p r i s e sf o rac e r t a i nq u a n t i t yo ra c e r t a i nq u a l i t yo fa l u m i n u m s u b s t r a t e s ，t h e r e f o r eh i g h g r a d ep r o d u c t ss t i l l d e p e n do ni m p o r t t os o l v et h e s ep r o b l e m s ，s o m er e s e a r c h e sa b o u t i n t r o d u c i n ga ne l e c t r o m a g n e t i cf i e l di n t oc o n t i n u o u sr o l l c a s t i n gz o n et o m a n u f a c t u r ea l u m i n u ms u b s t r a t e sh a v eb e e nd o n ei nt h i sp a p e r t h ep a p e r w a sm a i n l yf o c u s e do nt h ef o l l o w i n gf o u r a s p e c t s ： ( 1 ) t 1 1 el a wo ft h ei m p a c to fe l e c t r o m a g n e t i cp a r a m e t e r so nt h e m i c r o s t r u c t u r eo fa l u m i n u m s t r i p s w a sr e s e a r c h e d t h r o u g h t h e e l e c t r o m a g n e t i cr o l l - c a s t i n gi n d u s t r i a le x p e r i m e n t t h er e s u l t ss h o wt h a t e l e c t r o m a g n e t i cr o l l c a s t i n gc o u l dr e a c ht h em o s ts t a b l es t a t e ，a n dg r a i n s i z e i n t h ea l u m i n u m s t r i p w a ss m a l l e s tw h e nt h e f r e q u e n c yo f e l e c t r o m a g n e t i cf i e l dw a s1 1h z ，a n dt h ee x c i t a t i o nc u r r e n tw a s13 a ( 2 ) t h ei m p a c to fe l e c t r o m a g n e t i cf i e l do nt h es u r f a c er o u g h n e s sa n d t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fa l u m i n u ms u b s t r a t e sw a sr e s e a r c h e db yt h e t e s t so fs u r f a c er o u g h n e s sa n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o fa l u m i n u m s u b s t r a t e s 刀j er e s u l t ss h o wt h a tt h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l dh a dl i t t l e i m p a c to nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，b u tm a d et h es u r f a c er o u g h n e s s m o r ee v e n ( 3 ) t h ei m p a c to fe l e c t r o m a g n e t i c f i e l do ns e c o n d p h a s e s a n d c o r r o s i o no fa l u m i n u ms u b s t r a t e sw a sr e s e a r c h e db yt h et e s t so ft h e d i s t i l b u t i o no fs e c o n dp h a s e sa n dc o r r o s i o no fa l u m i n u ms u b s t r a t e s t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h es e c o n dp h a s e sa n de t c hp i t so fa l u m i n u ms u b s t r a t e s w e r em o r ee v e n l yd i s t r i b u t e du n d e rt h ei m p a c to fe l e c t r o m a g n e t i cf i e l d i i ( 4 ) t h ei m p a c to fe l e c t r o m a g n e t i cf i e l do no x i d e f i l mo fa l u m i n u m s u b s t r a t e sw a sr e s e a r c h e db yt e s t i n go x i d e f i l mo fa l u m i n u ms u b s t r a t e s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ei n t r o d u c t i o no fe l e c t r o m a g n e t i cf i e l dm a d et h e g r a i ns i z ei nt h eo x i d e - f i l ms m a l l e ra n dm a d et h eg r a i nm o r ee v e n l y d i s t r i b u t e d k e yw o r d sa l u m i n u ms u b s t r a t eo fp s ，e l e c t r o m a g n e t i cf i e l d ， r o l l c a s t i n g ，p r o p e r t y i i i 第一章绪论 p s 版是预涂感光版( p r e s e n s i t i z e dp l a t e s ) 的简称，是为适应平版印刷的迅 速发展而研制开发出来的印刷材料n 1 。由于p s 版具有分辨力高、网点再现饱满、 层次丰富、水墨平衡易掌握、耐印力高等特点，在印刷行业得到了迅速的普及乜1 。 从目前掌握的统计资料来看，p s 版是当前消耗量最大、最重要的平印版材，其 制造业已经成为当前印刷器材制造业的支柱产业之一曲1 。 1 1p s 版的发展 1 1 1国外p s 版的发展 p s 版于2 0 世纪3 0 年代问世，是德国卡勒( k a l l e ) 公司首先研制成功的。 进入7 0 年代，随着p s 版生产技术和印刷应用技术的进步，p s 版在世界范围得 到飞速发展。至9 0 年代，在全球以p s 版为印版的胶印在各种印刷方式中稳占第 一位，其中报纸、杂志、书籍的印刷绝大多数是采用胶印。到2 0 世纪末，p s 版 的产、销量已达到5 亿m 2 h 1 。 进入2 1 世纪，世界p s 版的市场被几家大公司所垄断。据最新资料统计，世 界几家主要的p s 版生产厂家的p s 版市场占有率如表1 1 所示。 表1 - 1 世界p s 版的市场占有率 f u j i 、a g f a 、k p g 三大公司在全球布厂及兼并企业。富士胶片( f u j i ) 公司 不但在日本本土生产p s 版，在美国、荷兰等国也建有大型的p s 版生产厂，其 生产线的车速高达8 0 m m i n 以上。爱克发( a g f a ) 公司除把p s 版的创始者卡勒 公司兼并外，还兼并了原世界最大p s 版生产厂h o e c h s t 公司及豪森( h o w s o n ) 等著名的p s 版生产厂。k p g 公司是柯达公司与日本太阳化学的子公司实行强强 联合后成立的柯达宝丽光印艺集团，该公司在美国、日本( 群马) 、巴西、德国、 印度等国都设厂生产p s 版，其在美国c o l u m b u s 和g e o r 百a 两地生产的p s 版占 美国市场的5 0 以上，其p s 版生产线车速基本都在3 0 m m i n 以上。上述公司控 制了6 0 以上的世界p s 版市场。 1 1 2 国内p s 版的发展 我国p s 版的规模化生产源自2 0 世纪8 0 年代，1 9 8 5 年，我国投产了第一条 卷筒式连续化p s 版生产线，但车速很慢，年产量只有2 0 余万i t l 2 1 。 1 9 8 9 年，乐凯集团第二胶片厂全套引进了一条年产2 0 0 万m 2 的大型卷筒式 连续化p s 版生产线，1 9 9 9 年，二胶又引进了一条3 0 m m i n 车速的现代化高速 p s 版生产线，年产量高达1 0 0 0 万m 2 ，使我国p s 版的产量和质量都有明显的提 升6 1 。 进入2 l 世纪，p s 版生产格局悄然改变，国外大公司f u j i 、a g f a 、k p g 在中 国投资了新的p s 版( 亦可生产c t p 版) 生产线，乐凯集团第二胶片厂也引进了 一条车速更高的现代化p s 版生产线，使我国p s 版的产量和质量再一次提升。 目前，我国p s 版制造业面临的机遇和挑战如下： 1 ) 印刷行业发展速度持续递增，p s 版制造业产销两旺。 我国印刷业产值以每年大于2 0 的速度递增，2 0 0 0 年，我国新闻出版行业 的总产值超过1 5 0 0 亿元，其中印刷器材销售额达到6 7 0 亿元，印刷行业的持续 发展给p s 版制造业带来了勃勃生机，1 9 9 7 - - 2 0 0 6 年我国p s 版的产量如表1 2 所示7 1 。 表1 - 21 9 9 7 2 0 0 6 年我国p s 版产量 2 ) p s 版生产制造企业向规模化生产迈进 目前，我国专业生产p s 版年产量1 0 0 万m 2 的生产企业己超过2 0 家，其中 年产量达到或超过3 0 0 万m 2 的大中型企业有7 家，在全国的p s 版年产量中， 前四位生产企业均超过8 0 0 万m 2 ，占据了全国市场的8 0 哺1 。 3 ) 生产线方式多样，生产自动化程度正逐步得到提高。 ( 1 ) 单张手工式生产装置：单张铝板在电解槽中电解粗化，再进行p s 版氧 化处理，然后通过辊式涂布装置涂布感光层，这类生产线一般是；0 h - r ：回收p s 版 再生用，主要分布在各大中型印刷厂及个体加工作坊。 ( 2 ) 单张连续生产线：版基处理与感光层涂布连为一体，西安煤航印刷材 料有限公司采用的就是单张连续生产线。 ( 3 ) 卷筒式p s 版生产线：此方法是采用整卷铝板进料，连续进行表面粗化、 阳极氧化和涂布感光法。 ( 4 ) 大型卷筒式连续p s 版生产线：此生产线主要在几个大型p s 版生产厂 家使用，1 9 9 9 年4 月，具有世界先进水平的双高( 高车速、高质量) v s 版生产线 在乐凯二胶投产，使我国初步形成p s 版的规模生产。 4 ) 高性能p s 版需求增长。 随着现代印刷业的迅速发展以及国外印刷大鄂进入中国市场，国人对印刷品 质量的要求越来越高，国内印刷企业对高性能p s 版的需求与日俱增，而国内企 业现在还只能生产中低端的p s 版。 1 2 国内p s 版的发展前景 同国外的p s 版生产相比，国内p s 版制造业呈现出许多不足之处，因此只 有正视不足，了解差距，才能促使我国p s 版制造业不断向前发展，主要从以下 方面着手母1 ： 1 ) 加强技术改造，促使生产自动化程度的提高。 目前国内p s 版相对生产自动化程度低，中小企业没有形成规模经济，国内 虽然拥有p s 生产线3 0 - 4 0 余条，但生产自动化程度高的却不多。2 0 0 6 年，排 名前四的企业p s 版的总产量占了国内生产总量的8 0 ，其余的2 0 则是由大约 3 0 多家中小企业共同完成的。从经营角度来看，大部分企业都达不到规模效应， 导致企业自身发展的利润空间很小，很容易造成设备落后、技术落后、规模萎缩 的恶性循环，因此，今后国内p s 版制造企业应该不断进行技术更新，使生产的 自动化水平上一个新台阶。 2 ) 加强新品种的开发研制工作。 目前，国内生产的p s 版大多为阳图p s 版，品种比较单一，而今后，国内 企业在引进新技术的同时必须开发拥有自主知识产权的p s 版产品、感光材料等， 以满足国内印刷企业的需要。 3 ) 改善产品的总体性能。 目前，国内所生产p s 版的9 0 以上为传统的p s 版，只相当于国外七、八 十年代的产品水平，而国外的p s 版已经在高分辨力、高感度、高耐印力三个方 面有所突破，这说明我国的p s 版缺乏与国际产品的竞争力。 从国内印刷业现状和发展趋势来看，2 0 1 0 年高性能p s 版需求量将达到3 0 0 0 万m 2 ，所以加强高性能版材的研究与扩大生产规模将是p s 版制造企业的艰巨任 务，这也确立我国印刷工业技术发展的基本方向“印前数字网络化，印刷多 色高效化，印后多样自动化，器材高质系列化”。 1 3p s 版生产工艺 p s 版的工艺流程如图1 1 所示，根据p s 版的种类可省略或增加某些工序， 下面介绍决定p s 版质量的几个重要工序。 图1 - 1p s 版的成型工艺 1 3 1除油处理 铝版在轧制过程中需要轧制油润滑和冷却，在贮存和运输前为了防止腐蚀表 面，又需涂有防锈油类加以保护，而在版基上形成砂目前，为了提高研磨效果， 防止印刷时印版上出现满版上脏，必须对铝版基进行除油处理，清除版面上的油 污n 0 1 。 除油工艺中，除油液配方多采用氢氧化钠和磷酸三钠的混合溶液，使油脂皂 化；在除油处理过程中，需合理控制除油液温度、除油时间等。 1 3 2 磨砂目处理及清洗 磨砂目处理是为了获得复杂凸凹度，增大表面积，提高感光层的附着力，增 加非图像部分的亲水性和保水性。磨砂目处理方法有四种：机械研磨法、电解腐 蚀法、上述二法兼用法及化学腐蚀法。用化学腐蚀法难以得到均匀的表面形状和 粗糙度，因此主要使用前三种方法，下面具体介绍机械研磨法和电解腐蚀法： 1 ) 机械研磨法 使用机械研磨法可对铝板卷连续处理，并可获得均匀的表面粗糙度。机械研 磨通过刷磨、喷砂和液体研磨三种方法实现，而从研磨材料的供给和研磨条件的 控制考虑，最好采用刷磨法n 。 机械研磨后砂目表面残存铝屑及磨料必须洗净，通常用碱和酸清洗。 2 ) 电解粗化法 电解粗化法的原理为：将铝p s 版基放入电解液中进行直流或交流电解时， 铝表面的一边溶解氧化膜另一边生成氧化膜，这样就使铝版基表面粗化，形成砂 目。电解粗化受很多的因素影响，而对于p s 版基，其力学性能和材料组织对表 4 面粗化的质量影响不大，但电解液的种类、浓度、电流密度和版基所含的微量添 加元素对表面粗化状态却有不同程度的影响n 副。 1 3 3 除灰 在电解过程中，铝版基表面会产生种以氢氧化铝为主要成分的灰质( 随着 电解条件的不同，呈黑色、灰色、淡褐色或白色) ，它附着在版基的表面，严重 影响电解的继续进行，因此，灰质去除是保证电解砂目连续而顺利进行的必不可 少的技术环节。 除灰的主要方法为碱除灰法，经过电解形成砂目的铝版经水洗后用5 - - 1 0 的氢氧化钠溶液轻度腐蚀除去灰质，除灰时主要控制的是溶液的浓度、温度等n 3 1 。 1 3 4 阳极氧化处理 铝版基经粗化后需进行阳极氧化处理，在版基表面覆盖一层坚硬、致密、钝 化的氧化膜，氧化膜有很高的硬度和耐磨性，硬度甚至可与优质钢相比，这层氧 化膜与感光涂层和铝版基牢固的粘结，对感光涂层的物质十分稳定。经阳极氧化 处理后，p s 版的耐印力和保存期都有较大提高。 在阳极氧化处理过程中，需控制氧化液浓度、氧化电流电压、氧化极距、氧 化温度等n 们。 1 3 5 后处理 为使经阳极氧化处理的版基表面具有所需的化学性能，必须对其进行后处 理，主要通过封孔的方法实现，封孔可在常温到1 0 0 的温度下的无机化合物或 有机化合物的水溶液中进行，封孔剂可采用硅酸钠、氟锆酸钾等n 5 1 。 1 3 6 涂布感光胶 感光胶的涂布是决定p s 版最后质量的重要环节，涂布的厚度、均匀性和清 洁度直接影响版材的分辨力、耐印力和显影3 n - r 。为了保证涂布质量，涂布前必 须正确地选择工艺条件，其中包括涂布量、涂布速度、涂布温度、感光液粘度、 烘干温度等。 1 4p s 版对铝版基质量的要求 1 4 1铝版基中微量元素对其电解腐蚀性能的影响 s i 含量一般控制在w ( s i ) = o 0 5 , - - - 0 3 5 之间，因为w ( s i ) o 3 5 时，s i 对 铝板表面粗化的均匀性不利，另外，单体游离硅容易析出，使印版非图文部分上 脏，而w ( s i ) o 0 5 时，铝版基进行电化学处理时生成的凹部粗大，对粗化面的均匀性产生不利影响， 使印刷版非图文部分的耐脏性较差，特别是对于耐脏性要求高的印刷品，最好把 铝版基中的c u 含量控制在w ( c u ) = 0 0 0 4 o 0 2 范围内。 m n 作为杂质在铝版基中起细化组织的作用，对铝板的再结晶过程有重要影 响，能阻止其再结晶，从而提高再结晶温度，并能显著细化再结晶晶粒。m n 含 量需控制在w ( m n ) = 0 4 以下，w ( m n ) 0 4 时，形成的铁锰金属化合物易粗化， 导致印版印刷性能降低。 m g 可抑制再结晶粒粗化，有利于在铝板基电解过程中抑制砂目粗化。 1 4 2 铝版基中微量元素对p s 版力学性能的影响 m n 含量增加到极限溶解度( 1 8 2 ) 的过程中，铝版基强度不断增加，其中， w ( m n ) = 0 8 时，版基伸长率达最大值( 3 3 7 ) 。 p s 版用铝版基中含一定量的m g 有提高其强度的作用，一般为w ( m g ) = 0 0 5 0 3 ，w f m g ) 0 0 5o a 时，版基不能达到所要求的强度( 1 5 0 m p a ) ，在印刷 装版时或者印刷中易产生断版现象，但如果超过o 3 ，虽然强度提高了，但在 印刷中非图文部分容易上脏，而且压延板的平整度也难以控制。 c u 和z n 都可以提高铝版基的硬度。 当然，铝版基中微量元素的控制首先是以有利于电解腐蚀性能为前提，然后 再兼顾其力学性能n 引。 1 4 3 铝版基表观质量对p s 版质量的影响 铝版基采用铝带坯一冷轧一拉弯矫一纵切等工艺生产，因金属铝较活泼，在 铝板轧制过程中会在其表面自然生成一层极薄的氧化膜( 厚度为0 0 1 胂 0 0 5 z m ) ，另外，在铝版基的加工过程中不可避免地残留轧制油和其他脏物( 如 灰尘等) ，上述缺陷直接影响版基表面上的电解砂目形态和阳极氧化膜的厚薄， 会导致在印刷中出现花版或耐印力低等问题，所以铝版基表观质量是影响p s 版 基质量的重要因素，其中，以下几方面必须得到有效控制n 引。 1 ) 铝版基表面 铝版基表面应洁净平整且无裂纹、腐蚀、穿通气孔、严重擦划伤、折伤、印 痕、起皮、松树枝状花纹、油痕、非金属压入、擦划伤、粘伤、横皮、较严重的 横纹、轻微色差、亮条等缺陷，上述缺陷将会导致铝版基在进行电解粗化和阳极 氧化时，砂目粗细不一或氧化膜的厚薄不均，甚至在氧化膜表面上出现黑条或斑 点。 2 ) 铝版基平直度 铝版基的平直度应适应p s 版电解的要求，如果版基的平直度不好或波浪大， 则电极板与铝板之间距离不一致，其电解液流量也不一致，导致铝版基表面上不 同部位的电量差异大，电解反应程度强弱不一致，形成砂目粗细不均( 砂目过细， 储水少，达不到印刷要求，过粗，储水多，易造成印版空白部分起脏) ，如果波 浪大小达到一定的程度可能会造成铝版基与电极板局部接触引起短路击穿，导致 铝版基无法使用，同时会击穿产生的附属物( 铝渣，铝屑) 会堵塞喷管，使电解液 喷射量不均，甚至使喷管破裂，造成铝版基表面粗糙度差异大而损坏设备等重大 问题。 3 ) 铝版基厚度公差 版基厚度公差会制约p s 版的相对伸长，导致印刷时变形不一致，进而引起 印刷中套印不准，妨碍套印的准确性。因此，铝版基厚度要适中、厚差应均匀， 这样才能保证p s 版有足够强度，又不至于引起过大变形。 4 ) 铝版基剪切质量 铝版基的剪切质量是指经纵切后铝卷两边的状况，即边部无毛刺、荷叶边等 缺陷，特别对于卷筒式p s 版生产线是不允许铝版基有上述缺陷的。第一，在电 解粗化、阳极氧化设备中，电极板与铝板之间的间隙很小，一般控制在3 m m 以 内，如果边部有毛刺、荷叶边等缺陷，很容易造成短路而被击穿；第二，铝版基 的毛刺、荷叶边极有可能损坏生产线上的胶辊之类的装置；第三，铝版基荷叶边 还会造成版面感光层涂覆不均匀，导致印刷版面花版。 1 5 国内外对p s 版基的研究 自1 9 4 6 年第一块p s 版正式投入市场以来，随着铝轧制技术的发展，国外对 作为p s 版基材的铝版基做了大量的研究工作，经过几十年的发展，国外铝版基 的生产和研究已经发展到了很高的水平，但由于工艺的保密，仅发现少量有关铝 版基的研究报导。 7 f i n c kr 等研究了冷轧工艺对p s 版基表观质量的影响，发现在一定的冷轧工 艺条件下，仅通过控制轧辊的表面粗糙度，就能够控制带材的表面粗糙度堙伽。 h a l la 等研究了铸轧工艺对p s 版基性能的影响，发现通过对铸轧工艺的合 理控制，可生产出性能合格的铝版基口。 v a n a l p h e n 等研究了材料的晶粒尺寸、合金成分等对p s 版基电蚀性能的影 响，发现晶粒尺寸小且微量元素含量较高的p s 版基的电蚀性能好瞳副。 而由于国内起步较晚，对p s 版基的研究工作还处在初级阶段，仅发现少量 相关的研究报导。 其中，李红英等研究了冷轧变形量及微量元素对p s 版电蚀性能的影响，发 现退火前后的冷轧变形量影响着板基位错密度及第二相，退火前冷轧变形量的提 高，能够促使沉淀相的弥散析出，而位错密度则随着最终冷轧变形量的增加而增 加；铝基p s 版中微量的m g 、m n 会富集于铝板表面，m g 、m n 含量的提高增强 了这种富集；m g 元素大量富集于铝版表面的p s 版在盐酸溶液中腐蚀速度快， 腐蚀均匀；m n 的富集对p s 版电蚀性能没有直接影响，但是随着m n 含量的提 高，铝板中对p s 版电蚀性能危害较大的f e 元素被溶解，版基中粗大的第二相减 少引。 陈昌云等研究了热处理对p s 版用铝基材电解腐蚀性能的影响，发现中间热 处理能显著改进p s 用铝基材的电化学腐蚀性能，只有同时兼顾第二相尺寸与分 布、位错密度与分布和细化晶粒，才能获得理想的电化学腐蚀性能；热处理前冷 轧变形量的提高，促进了高温快速热处理时沉淀相的弥散析出；提高了表面杂质 相分布的均匀性，增加了腐蚀坑位置，提高了腐蚀速度晗钔。 郭瑞研究了p s 版基表面麻坑产生的原因及其预防措施，发现麻坑的产生原 因是热轧时粘铝生成的氧化铝压入板带表面所造成的；热轧粘铝与乳液状况有 关，乳液质量好坏直接影响版基产品质量口明。 李春红等研究了1 0 5 2 h 1 9 p s 版铝版基的成型工艺，发现由于材料在轧制过 程中边部的变形量比中间大，位错、内应力等缺陷多，在拉伸断裂中成品边部成 脆性断裂，中部成韧性断裂；经中间退火后的试样断口的韧性断裂区要比未退火 试样大，说明试样经过退火过后的塑性比未经过退火后的好；未退火后的试样内 部的晶格畸变和位错较多，内应力较大，其抗拉强度比退火后试样高晗剐。 到目前为止，尚未发现研究电磁铸轧制备p s 版基的有关报道。 1 6p s 版基的制备工艺 在p s 版基的制备工艺中，热轧是最早发展起来的传统工艺，并经过多年大 量的工业生产试验和研究，其产品的质量已基本满足p s 版对铝版基的要求。其 中，国外热轧p s 版基属于高端产品，国内热轧版基质量比国外差，但在国内处 于领先地位。热轧工艺路线为：熔炼一铸造一铣面一均匀化退火一精整- - - a n 热一 热粗轧一热精轧一带坯一冷轧一中间退火一冷轧一p s 版基，该工艺较复杂且难 以控制，生产成本较高。 为了节约成本，普通铸轧开始应用于p s 版基的生产，工艺路线为：熔炼一 铸轧一带坯一均匀化退火一冷轧一中间退火一冷轧一p s 版基。虽然该工艺路线 降低了生产成本，提高了生产效率，目前只达到中低档质量水平，存在第二相分 布不均匀、腐蚀不均匀等问题。 基于电磁场能显著细化金相组织，使第二相析出物呈弥散均匀分布，并使带 坯获得接近理论状态的无取向组织，因此在连续铸轧中施加电磁场，实现电磁场 铸轧制备p s 版基带坯，有可能克服普通铸轧带坯制备p s 版基的缺陷，使p s 版 基的各项性能指标得到显著提升，因此用电磁铸轧制备p s 版基具有重要的理论 意义和实际应用价值。 1 7 电磁场铸轧的研究进展 早在1 9 6 5 年w c j h o n s o n 等就对电磁场作用下的金属凝固进行了试验研 究。结果发现：对正在凝固的金属施加一个交变磁场后，可以减少等轴晶区内的 晶粒尺寸，同时还可以减少柱状晶区的相对体积。此后的进一步试验发现单一的 直流磁场作用于凝固体系时，反而扩大了柱状晶区的体积。而且，即使是交变磁 场，也因其产生的体积力太小，不能有效的改善熔池的流动状态，因而宏观组织 并不能明显地细化。据此得出结论，只有同时应用电场和磁场( 直流或交流) ， 组织结构才能明显改善啪2 8 1 。 1 9 8 3 年，t a e 1 b a s s y o u n i 对此提出异议，并用试验证明，单一的交流磁 场同样能够明显细化晶粒。有趣的是，在她的试验中发现，磁感应强度过高或过 低都不能取得良好的细化效果。只有在0 0 2 7 , 、, 0 0 3 3 t 时，才能取得最佳的细化 效果。使人感到吃惊的是，这一最佳磁感应强度值几乎与合金材料无关口引。 1 9 8 9 年，葛丰德等人以a 1 c u 合金为例，研究了脉振磁场的作用，证实了 单一脉振磁场也能明显细化晶粒的作用，但刑书明认为，脉振磁场细化晶粒的效 果取决于一次电流强度、一次电流波形及频率等因素，并不仅仅取决于磁场强度 【3 0 】 o 中南大学冶金机械研究所电磁铸轧课题组早在1 9 8 7 年就开展了电磁铸轧技 术与装备的研究，并于1 9 8 8 年成功的研制出用于电磁铸轧的两套设备：一套产 生特殊组合磁场的电磁感应装置和一套适应各种磁场要求的供电与过程控制系 统。从1 9 8 9 年到1 9 9 0 年期间在试验室模拟连续铸轧工艺的主要环节进行了多次 试验，查明了铝及铝合金在电磁铸轧条件下的行为机理和基本电磁参数、基本磁 场形态，为工业试验提供理论依据。为了在多系统的工业铸轧系统中获得合理的 9 磁场形态与磁感应强度，通过对现场铸轧环境进行磁路设计和设备改造，使铸轧 区具有特殊的组合磁场。从1 9 9 0 年开始，中南大学和西北铝加工厂双方共同筹 措工业试验，设计研制了铝液供给系统和滑动小车，改进了铸轧机的有关部件， 并于1 9 9 1 年1 2 月在厂方巾6 5 0 x1 6 0 0 铸轧机上进行首次工业试验，1 9 9 2 年1 2 月进行第2 次工业试验。上述两次工业试验取得了令人满意的成绩，通过对施加 和未施加电磁场的两种铸轧板带进行金相组织观察，结果表明口： ( 1 ) 施加电磁场能显著细化晶粒，可使用铸轧板的晶粒度达到1 级水平； ( 2 ) 有助于板面晶粒的等轴化，提高等轴晶的比例： ( 3 ) 有助于马蹄形裂纹的消除。 但这两次工业试验也出现了一些问题，主要是两个方面：一方面，由于铸轧 机结构的限制，磁感应系统所产生的磁感应强度不够，搅拌不充分，带坯中存在 局部范围内晶粒细化不均匀现象；在电磁铸轧过程中，由于电磁感应力而导致的 设备振动，在某些条件下铸轧带坯出现表面氧化膜折叠问题。针对出现的问题， 厂、校双方共同对电磁感应系统进行了改造，从参数、接线方式、结构等多方面 进行调整和改进。1 9 9 3 年1 2 月，厂、校双方在巾6 5 0 x1 6 0 0 铸轧机上进行了第 3 次工业试验，该次试验在获得良好晶粒细化效果的同时，表面氧化膜折叠缺陷 明显减轻。 在上述工业试验的基础上，厂、校双方于1 9 9 4 - 1 9 9 7 年8 月间继续进行了 第4 、第5 和第6 次工业生产试验，工艺进一步完善，产品质量进一步提高，生 产的上百吨带坯，成功轧制出2 0 - - 0 5 m m 各种规格的成品板带和0 0 0 7 m m 合格 铝箔，达到用户的使用要求。 通过上述6 次工业试验，电磁铸轧带坯的质量得到了极大的提高，并成功轧 制出各种规格的成品板带。 1 8 论文研究的意义和主要内容 随着国民经济的迅速发展，我国印刷业产值每年以大于2 0 的速度递增， 然而国内p s 版行业的发展还受其他相关行业技术的制约，铝版基问题是其中之 一。目前，国内市场p s 版基供货数量不到需求的5 0 ，高精尖产品7 0 依赖进 口，而随着国人对印刷品质量的要求越来越高，国内高档p s 版基依赖进口的局 面将进一步扩大。因此，开发p s 版基带坯的加工新方法，进而开发出高档次p s 版基替代进口，是该项研究的出发点。 目前国内外尚未开展电磁铸s l n 备p s 版基工艺及其组织性能的研究，因此 本研究具有一定的开创性意义。 本文将做以下几方面的研究： 1 0 1 、通过电磁铸轧制各p s 版基带坯的工业试验，研究电磁参数对p s 版基铝 带坯金相组织的影响规律。 2 、通过对p s 版基力学性能和表面粗糙度的测试分析，研究电磁铸轧制备的 p s 版基与其他工艺方法制备p s 版基力学性能和表面粗糙度的异同。 3 、通过测试p s 版基的第二相分布及其腐蚀性能，探讨电磁铸轧制备的p s 版基与其他工艺方法制备p s 版基第二相分布和腐蚀性能的异同和机制。 4 、通过对p s 版基阳极氧化膜的对比分析，研究电磁铸轧制备的p s 版基与 其他工艺方法制备p s 版基阳极氧化膜的异同。 第二章电磁铸c l n 备p s 版基带坯的工业试验 在p s 版基成型工艺中，其冷轧工艺基本相同，因此p s 版基带坯的质量将是 影响p s 版基质量的重要因素之一。本章通过电磁铸轧制备p s 版基带坯的工业试 验，研究电磁参数对p s 版基铝带坯的金相组织的影响规律并揭示电磁场对p s 版基带坯性能的影响机理。 2 1 电磁场铸轧p s 版基带坯的制备工艺 一、电磁场铸轧的主要设备及工艺流程 本试验的设备是通过对由8 2 0x17 0 0 r a m 亨特式铸轧机进行改造而成的一种 装置，并配置一套能产生特殊交变复合磁场的电磁感应发生器及其供电系统。 1 一熔炼炉；2 啼置炉； 3 一净化装置； 5 一电磁感应发生器；6 一供料嘴；7 一铸轧机辊； 9 一剪切机；1 0 一导辊；1 1 一卷取机； 图2 - 1 铝带坯电磁铸轧工艺流程 4 一前箱； 8 一牵引机； 铝带坯电磁铸轧工艺流程，如图2 1 所示：首先，在熔炼炉内熔炼成符合要 求的铝合金熔体，其温度为7 4 0 - - 7 5 0 ，再经流口和流槽进入净化处理装置。净 化处理装置的作用是利用一定的物理、化学原理和相应的工艺措施，清除铝及铝 合金熔体中的气体、夹杂物和有害元素。随着工艺水平的提高，铝熔体的净化不 仅仅在净化处理装置进行，而且包括炉内精炼、炉外精炼及浇注系统中对熔体的 过滤过程。然后，铝熔体从净化处理装置( 静置炉) 流出，进入可以控制液面高 度的前箱内。经过前箱底侧的连通浇道，流入供料嘴。供料嘴位于两个转动的铸 1 2 轧辊水平前沿，并处在电磁感应器气隙磁场中。当铝熔体从供料嘴口涌出，即与 内部通入循环冷却水的铸轧辊相遇，表层立即凝固结晶，并形成一层硬壳。电磁 外场对供料嘴内及凝固结晶前沿的铝熔体进行电磁搅拌或电磁扰动，加剧其结构 起伏，促进均质形核。另一方面，成长中的枝晶和柱状晶在电磁感应力的作用下， 不断受到机械冲击或振荡而碎断和剥落，从而形成大量新的晶核。大量晶核的产 生促进了铸轧板坯从粗大柱状晶向细小等轴晶的转化。随着铸轧辊的转动，凝固 结晶的硬壳不断增厚。当铸轧辊的两辊面同时与凝固不断增厚的固体硬壳相遇 时，硬壳即受到轧制，成为带坯。带坯离开轧辊后，经牵引机送到剪板机，切掉 头部，然后送至卷取机，卷成所需直径的大卷，切断，卸卷，再重新开始下一卷 的生产m 1 。 二、电磁感应器基本结构及供电系统分析 1 ，2 一螺钉、垫圈；3 一上磁极靴；4 一冷却水套；5 一上磁极靴固定板；6 ，7 一螺钉、垫圈； 8 一箱体：9 ，1 0 ，1 1 一位置调节螺杆、螺母、螺杆固定板：1 2 - 支撑座；1 3 - 线圈； 1 4 一下磁极靴：1 5 ，1 6 ，1 7 一螺栓、螺母、垫圈；1 8 ，1 9 - 下磁极靴固定板；2 0 ，2 1 - 防护罩 图2 2 电磁感应器结构 电磁感应器是按照直线感应电机设计的，如图2 2 所示。根据直线感应电机 原理，两相和三相电源都能产生行波磁场，线圈绕制也有分布式绕组和集中式绕 组之分，本电磁感应器采用集中绕组和三相电源供电形式。 铁芯线圈采用分布式绕制，一方面，可以获得较平滑的行波磁场，另一方面， 磁场的利用效率也较高，但体积大，加工和装配工艺都较复杂。针对电磁铸轧的 特殊工艺要求，不仅需要一行波磁场使凝固结晶前沿内铝液产生一定的人工对 流，破坏柱状晶定向长大机制。而且，也需要一定的脉振磁场对凝固结晶前沿内 铝液进行电磁扰动，促使轧辊壁上新形成的颈缩晶体从轧辊壁上脱落和游离，从 而达到细化晶粒的目的。为了打乱普通铸轧的定向结晶并有效地破碎成长中的柱 状晶，理想的磁场应是具有一定脉冲的非正弦行波与脉振波的复合磁场。铁芯线 圈采用集中式绕制有利于获得稳定的脉振磁场分量，因此电磁感应器采用集中式 绕组线圈。 电磁铸轧的系统控制方案图如图2 3 所示，控制方案分为三相( 三个单相) 变频以及同步电路、辅助整流电源、过流过压保护、电流电压测量、照明供电等 部分。 工频三相交流电经变频装置后得到v v v f 电源，加到负载线圈。在由上铁芯、 气隙、下铁芯组成的闭合磁路中产生磁场。变频器是系统被控对象的核心，其输 出相位严格对称，各相中幅值独立可调，根据p s 版基带坯铸轧工艺的要求，其 输出频率在某一中心频率的基础上作随机变化，即f = f o + a f ( 其中f o 为中心频率， f 为随机频率) ，以便获得较理想的晶粒细化效果。 考虑到本系统的负载线圈具有大感抗、强耦合的特点，而输出电压的中心频 率、相序在一定范围内随机导换，为防止出现环流，导致逆变失败，故在该方案 中将三相负载线圈分开，而非采用交流调速系统中常见的y 型接法。同时三相变 频分别控制，便于实现输出电压幅值独立可调。这样变频装置的电力元器件数目 相应翻倍，c s i 、c s i i 型电磁铸轧机的工业现场试验已经证明了该设想的可行 性。所以，通过局部牺牲电器元件数目来实现控制方案的简化并确保方案的可靠 性是值得的。 三相同步电路为三相交直交变频电路中的整流部分提供脉冲控制的同步信 号。选取原则为当控制电压u 。o = 0 时，同步u 。由负半周到正半周的过零点位于 使输出u d = 0 的角度处。 辅助电源中，通过晶闸管整流得到所需的低压直流电，供给铝溶液产生附加 磁场。铝溶液中通电因处于近似短路状态，确保可靠性尤其重要。由于现场所需 的电流大小与不同型号的轧机有关，且不同温度下铝溶液的电阻值均有所变化， 使用可控整流电路便于调节，实现电流的稳定可靠输出。此电路比较成熟，故不 再详述。外界电源经过保护装置、相应降压变压器后给各逆变桥、整流桥、控制 电路供电。在系统的总进线端，通过电流互感器，可取得各相的电流信号，电压 信号可直接获得，并经隔离器后送操作台的仪表显示口3 删。 1 4 t 簟 譬 = 斑 薯墨_ h 一0 一e 誓 f 辅鼍 h l 图2 - 3 电磁铸轧供电系统结构框图 1 5 2 2 试验过程 首先进行普通铸轧试验，选用1 0 7 0 铝合金锭为试验材料，其成分如表2 - 1 所示。 表2 - 1 试验材料的牌号及成分 2 2 1铸轧设备及其工艺参数 试验采用由8 2 0 x1 7 0 0 m m 亨特式铸轧机，工艺流程为：合金铝熔化一成分 调整一精炼一除气一过滤一铸轧一卷取。 铸轧是决定产品质量的重要工序，立板成功后，其基本工艺参数如下： 保温炉温度：7 3 0 - - - , 7 4 0 ； 保温时间：2 h ： 前箱温度：6 8 5 3 ； 前箱液位：1 0 0 5 m m = 铸轧区长度：6 0 m m ； 铸嘴宽：1 3 5 0 m m ； 铸嘴开口度：7 m m ； 辊径：巾8 0 2 m m ； 辊缝：6 m m ； 嘴、辊间隙：0 2 m m ； w ss l n 力：6 5 5 t ； d s 轧制力：6 8 3 t ； 上辊速度