激光毛化关键技术.doc

激光毛化技术在冶金行业应用
一、 技术简介●基本描述
1 工艺概述
为了改进冷轧薄钢板板型、深冲性、延伸率和涂镀性能，在冷轧薄板生产工艺中，规定对冷轧工作辊辊面进行毛化解决，然后轧制出满足顾客特殊（加工）工艺规定冷轧毛化钢板。当前用以满足轧辊毛化解决技术有：喷丸毛化（ＳＢ）技术、电火花毛化（ＥＤＴ）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两种类型。喷丸毛化（ＳＢ）和电火花毛化（ＥＤＴ）属于无规则分布粗糙度形貌类型，激光毛化则属于可设定式分布粗糙度形貌类型。
本设备采用可设定式分布CO2激光毛化轧辊技术，为轧辊毛化最新技术。
CO2激光毛化冷轧辊工艺是：轧辊在毛化加工之前，需经磨床磨削加工，去除肉眼可见所有缺陷，使轧辊表面粗糙度值Ra＝0.2-0.7μm范畴内，且表面粗糙度要均匀；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11μm，环绕凹坑边沿凸起部份高于轧辊表面约6μm，最高凸起可达0.2mm。这些小坑几何分布是沿着辊身周向一条升角恒定螺旋线而密集分布。小坑周向间距可控，其范畴是0.2-0.3mm。螺旋线线距可控，其范畴也是0.2-0.3mm。由此在轧辊表面形成可预控粗糙度值（Ra）和密度值（S），其均匀性极好。小坑形貌亦可预控调节，从而形成各种不同表面织构。满足不同顾客各种工艺规定。
本设备可广泛用于如下工艺过程
1.1 用于平整机工作辊。使钢板（带钢）表面最后形成满足顾客对粗糙度值、密度值以及其她特殊表面构造和形貌规定。有助于钢板（带钢）在再成形过程中延伸冲压效果，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。可依照顾客需要，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表面毛化解决，以增长涂（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）。可依照顾客需要，生产出光亮板，激光镜面板（Laser Mirror Steel）等。
1.3 用于冷轧机工作辊。有助于带钢咬入、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工作辊，或单机架轧机热解决前板面毛化解决。有助于防止钢卷在热解决工艺中发生粘连。
2 技术特性
2.1 CO2激光毛化技术技术特点
CO2激光毛化技术是九十年代开发最新技术，解决了原有激光毛化技术不适合于大型生产线对毛化效率、毛化粗糙度调节规定矛盾，因而，CO2激光毛化技术重要具备更大表面粗糙度调节范畴和更高生产效率，CO2激光毛化一根轧辊净作业时间为25-45分钟，其表面粗糙度可调。其他技术特点分述如下
2.1.1 改进深冲性能技术特点
激光毛化钢板表面小凹坑互不连通，有助于用冲压成形时储油和捕获金属碎屑，防止冲压划伤，保证冲压零件表面光整，同步减少冲压用油量。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特点
激光毛化轧辊表面保存有较大平坦光亮部份（最大可达60％），使轧制出钢板板面平坦度高，提高了带钢表面光洁度和涂漆后鲜映度。为顾客增长了产品竞争能力。
2.1.3 板型可开发技术特点
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、粗糙度调节范畴大。可以依照顾客需要做特殊设计，开发新品种，如印花板面等。与电火花等技术相比，表面没有诸多无序针状尖峰，粗糙度更为均匀。
2.1.4 强化轧辊表面强度，提高轧辊使用寿命技术特点
激光毛化轧辊，其轧辊表面均匀分布了密集高强度硬化质点，它可减
激光毛化显微构造示意图 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。比其她方式毛化轧辊使用寿命提高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 无变形技术特点
保证轧辊磨削辊型不变，有助于轧机板形控制。
2.1.6 低成本技术特点
激光毛化作业消耗少，运营费用低，作业介质安全。
2.1.7 环保技术特点
作业时无粉尘，废油等工业废料和噪声排出。有助于环保，节约三废解决投资。
2.1.8 配备简洁特点
满足相似规模轧材生产能力所需配备设备少，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’点轧辊表面进行预热及强化(其离焦量设计是0’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)作用下形成凸凹有序、硬度极高毛化形貌。
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 总体设计构造及特点
2.2.1 总体构造
激光毛化设备总体构造由高功率轴快流CO2激光器、偏振系统、红光准直批示、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某些构成。
2.2.2 特点
2.2.2.1 核心和重要零部件选用进口件，保证轧辊激光毛化加工精度、速度、均匀性、多功能性和生产运营可靠性、安全性。重要技术指标达到当前国际先进水平。
2.2.2.2 拥有自主知识产权，能生产出自己独特冷轧新钢板。
2.3 毛化成套设备重要技术特性
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，且能持续可调，光束质量好（基模为主），聚焦后光点尺寸小，约φ0.15mm，能加工出形貌好，尺寸小毛化点。工作气体循环流动，并能不断补充新鲜气体，使激光器能长时间持续运营，满足生产线工作规定。
2.3.2 新型斩光技术（专利保护，拥有自己知识产权），其特性在于：
2.3.2.1 斩光频率高（5K－40KHz可调），达到国际先进水平。
2.3.2.2 充分运用激光能量，提高轧辊使用寿命，齿形为多面反光体。能运用激光能量不不大于95％。有预热、毛化、热解决三种功能，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
重型轧辊高速旋转和激光束纵向、横向平移由机床来完毕。此方案占地面积小，轧辊吊装以便，有精密定位精度、重复定位精度和主轴转速稳定度，能保证激光毛化加工精度和质量。
2.3.4 进口六轴三联动数控系统，及其在此基本上软件扩展，可协调控制机床、检测仪、斩光盘、安全装置、激光器，保证了毛化点形貌重复性、分布均匀性、设备和操作人员安全性。
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 激光毛化装置构造紧凑、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、操作以便。
2.3.7 毛化形貌工艺控制水平（即毛化工艺软件）达到国际先进水平。对不同形貌规定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，毛化出相应形貌轧辊。特别是用CO2作辅助气体侧吹技术，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开发研究《激光与材料迅速作用中热物理过程理论和实验研究》获得了国际领先水平，详细体当前：
2.3.8.1 在国内外初次刊登了轧辊表面毛化过程三维理论模型，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影响。
2.3.8.2 理论计算与实验成果相吻合，对大型轧辊激光毛化工艺参数选用和形貌控制有实际指引意义。
2.3.8.3 实验用与顾客相结合，对家电用板、汽车板，轻工用板、造币板、阴罩板等已获得了合用工艺参数。
二、 激光毛化技术与其他毛化技术对比

一、 激光毛化与电火花毛化区别
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脉冲激光，在聚焦后负离焦状态下，照射到轧辊表面实行预热和强化，在聚焦正聚焦点入射到轧辊表面形成微小溶池，同步由侧吹装置对微小熔池施与设定压力、流量方向辅助气体，使熔池中熔融物按指定规定尽量堆积到熔池边

l 电火花毛化形成尖状峰值其重复性、耐磨性明显低于激光毛化形成凸台峰值质量。电火花毛化轧辊轧制一卷30吨钢板后，值将下降20％左右；而用激光毛化轧辊仅下降5％以内

l 轧辊粗糙度值反映到薄板上粗糙度值在很大限度上取决于轧辊毛化表面凸起某些高度、硬度。而激光毛化凸台质量明显高于电火花毛化“凸台”质量。
l 粗糙度值与坑形和分布密度紧密有关，而激光毛化坑形、密度可控，这也是电火花毛化可望不可及。

二、评价毛化工艺指标
l 激光毛化形成凸台、凹坑同步被激光强化（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比较优势
三、
l 占地面积小，地基制作简朴且造价低；
l 构造简朴、设备运营稳定、可靠；
l 毛化点有序、可控；
l 加工效率高，运营成本低，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
毛化点排列无序，毛化坑相通，深冲性较差
毛化点排列有序，毛化坑互不相通，深冲性明显优于电火花板
2
光亮度
由于板平坦度差，板面涂漆后鲜映度差
由于板平坦度高，板面涂漆后鲜映度优于电火花板
3
可调性
毛化点排列、形貌不可调
毛化点排列、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，转换效率高不适当堵塞
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
10.6um
1.06um
3
功率
2—3KW
0.2KW
4
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
HV>800
约HV600
7
粗糙度
0.3～5um
0.3～3um
8
加工速度
4～5平方米 /小时
1～1.2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不大于 300mm 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、应用状况

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。轧机和平整机工作辊参数如下表，表中所涉及技术参数均为初步。毛化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
φ400~450mm
辊身长度
1950mm
辊全长
4225mm
辊形
CVCplus
表面粗糙度Ra
2~3µmRa
轧辊材质
合金锻钢
辊身硬度
93~98 ShoreC
辊颈硬度
57~67 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
φ500~560mm
辊身长度
1780mm
辊全长
3800mm
辊形
圆柱
表面粗糙度Ra
2.5~3.5µmRa
轧辊材质
锻钢
辊身硬度
93~95 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(365×24=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，重要为清洗镜片、检查外光路；更换镜片一次/半年，约2小时/次。（共计一年时间为：1680分钟）
激光器
一次/季，4小时/次，重要检查绝缘油、润滑油、真空泵、过滤器镜片、支承架螺栓等。（共计一年时间为：960分钟）
电 气
一次/三月，1小时/一次，清洗电柜、操作台控制器件灰尘（共计一年时间为：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节夹紧装置，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）（共计一年时间为：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 2.75μm
长度φ450mm 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
共计时间：40分钟
因一年需毛化辊数为2500根，则需时间为2500×40=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 3μm，
长度φ560mm 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
共计时间：38分钟
因一年需毛化辊数为1200根，则需时间为1200×40=45600分钟=800小时。
综上所诉，要满足买方生产需要，冷轧机辊及平整机辊年毛化时间一年至少需要时间为1667+800=2467小时
则机床负荷率为：Q=2467/5746≈43%
这表白该设备在满足正常加工同步尚有足够时间进行设备检修，以及满足因生产非均匀性所导致轧机超正常生产能力轧制生产需要，完全符合设备经济运营。

四、 经济效益分析
电火花毛化与激光毛化在经济上比较：
序号
项目
电火花毛化
激光毛化
1
设备价格
1800万元人民币左右
800万元人民币左右
2
占地面积
500平方米左右（上下两层）
100平方米左右
3
地基规定
上下两层弹性地基
基建费用高
普通数控机床地基
基建费用低
4
运营费用
绝缘油300元/天
电极5000元/天
电耗250KVA/小时
共计280万元/年
激光气体230元/天
光学元件58元/天
电耗104KVA/小时
共计58万元/年
5
过钢量
300吨/辊
700吨/辊
减少轧辊消耗量，每年经济效益可达1千万元左右
6
板分类
二类板
一类板
7
维修
维修费用高
维修费用低，服务及时
1999年武钢生产激光毛化冷轧薄板（镜面钢板），年增长效益1.03亿元（武钢财务处提供数据），成为武钢名副其实新经济增长点，详细如下：
---新增产值：激光毛化汽车板20万吨，防伪板12万吨，装饰板8万吨，共40万吨。按平均价格4000元/吨计算，新增产值16亿元。
---新增利税：1.03亿元。
由此可见，钢铁行业高功率轧辊激光毛化技术转移将给钢铁公司带来明显经济效益。
武钢激光轧辊毛化设备外观图：

昆钢激光轧辊毛化设备外观图：