第1章 绪论
1.1 课题背景
20世纪70年代以来，随着胶印技术的发明和普及，印刷技术从铜雕刻版印刷转变为更先进的金属感光板胶印印刷，广泛用于文字印刷和图像印刷。以铝板基作为支持体制成的PS版由于印刷效果比较美观、无毒害、成本低，已经成为了主流印刷方式。
PS版基即铝板基，采用的是工业纯铝，经过表面电解氧化后，在上面涂好感光性树脂层，便可作为印刷版(PS版)。一般的铝板基卷材不能直接用于版基，为了满足各种性能，要经过表面处理，通常有机械砂目和电解砂目两种。成品PS版可以广泛用于广告、报刊等的印刷当中。PS版翻译为中文是预涂感光版，是铝板基经过电解氧化形成砂目后，涂上感光树脂层而成。
印刷业对于人类社会非常重要，所以PS版基的市场需求也非常大，然而，近些年来我国的PS版基制造技术较发达国家稍有落后，例如工业发达国家的PS版基生产线速度达到20m/min,我国的生产线一般不超过6m/min。近些年，PS版基的需求量越来越大,2005年，我国PS版基的产量只能满足市场需求的一半，所以前景非常好，而且，高质量的PS版也是市场所追求的。
表1-1 我国印刷PS版产量表
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年度 |
1990 |
1993 |
1997 |
2000 |
2002 |
2005 |
2006 |
2007 |
2010 |
|
PS版产量（万㎡） 铝板基需求量（万吨） |
535 0.4 |
1100 0.9 |
1770 1.4 |
5007 4 |
8000 6.4 |
13200 10.6 |
18063 14.5 |
22000 17.7 |
35020 28 |
可以看出，近年来，我国PS版行业发展的越来越迅速，也带动了整个铝行业的发展。到目前为止，全国PS版基生产的主要厂家有：华北铝业公司、西南铝业集团、河南明泰铝业有限公司、重庆铝制品厂。也有其他一些公司也生产少部分的PS版基，如登封电力、山西关铝[1]。总体来说，国内大中型PS版生产企业50多家，小企业约几十家，拥有卷筒式生产线70多条，对PS版铝板基的需求伴随着PS版产能的扩张而增加。
图1-1 2003年人均铝材消费量
虽然铝行业发展快速，但是人均消费量远远低于发达国家。所以，PS版基生产技术乃至整个铝行业加工技术，我国目前任重而道远。
国内几家大型的铝加工厂经过多年的研究和改进，已经能提高足够数量的合格PS版基。但在质量上和进口产品有较大差距，所以我国对于质量要求较高的PS版基仍然需要进口。高质量PS版基生产能力是铝加工高水平生产能力的象征，生产出高质量PS版基可防止国外产品高价进入国内市场，导致大量外汇流出，这对于中国经济非常重要，具有十分重要的研究意义。
1.2 PS版基的质量标准和性能要求
针对目前世界上各种PS版基制造方法的借鉴和参考，PS版铝板基的质量对成品PS版的感光度、耐应力影响很大，主要体现在原合金材料的成分、板带平直度、晶粒度等。
PS版基的质量要求如下：
1.2.1 板形要求
表1-2 板形控制条件/mm
|
厚度偏差 |
宽度偏差 |
中凸度 |
两边厚差 |
纵向厚差 |
其它 |
|
±0.3 |
0~+15 |
0.01~0.05 |
≤0.03 |
0~0.10 |
YS/T90-2008标准 |
1.2.2 晶粒度
表面晶粒度上下一级，不允许出现纵向、横向条纹，表面偏析、中间偏析等缺陷
1.2.3 氢含量
要求氢含量≤0.12ml/100g.Al
1.2.4 PS版基的力学性能
用于印刷发行量较大的印品，印刷版材处于高速印刷时的受力状态复杂，在印刷
过程中受到滚筒、胶辊的压力及摩擦力等的作用，这就需要铝板基具有一定的强度，因此需要研究印刷用PS版基材的耐疲劳性能、耐烘烤性能。以1050合金为例，各力学性能参数见下表：
表1-3 中国、日本、德国样品力学性能
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试样 |
抗拉强度/Mpa |
屈服强度/Mpa |
伸长率/% |
烘烤工艺 |
|
中国 |
180 |
158 |
2.0 |
|
|
日本 |
164 |
145 |
2.0 |
未烘烤 |
|
德国 |
215 |
205 |
2.5 |
|
|
中国 |
147 |
143 |
4.0 |
280℃ |
|
日本 |
137 |
128 |
4.0 |
5min |
|
德国 |
175 |
165 |
4.0 |
1.2.5 PS版基化学成分
PS版基对于质量要求比较苛刻，除了具有一定的分辨力、耐印力、感光度，铝板带的力学性能，平直度以及表面质量都有严格的要求。而影响PS铝板基的因素有许多，铝板基当中的微量元素对性能的影响颇大。PS版用铝板基所选用的材料是含量为99.50%以上的工业纯铝，而含量在0.50%的杂质包含许多元素，主要有Fe、Si、Mg、Mn、Zn、Ti、Ni等元素。其中Fe、Cu、Si占了较大比重，Ni元素一般是电阻丝熔断的时候带入铝板基当中的。我们对于其中影响较大的杂质元素进行分析，Si这种杂质元素容易在铝板基中析出，会影响印版的外观，控制其含量在0.05%到0.35%较为合适。然后是杂质当中含量最多的Fe元素，Fe虽然是杂质，但是对于电解砂目有一定的益处，它会与其他元素形成共晶化合物，这些共晶化合物可以使再结晶晶粒微细化，从而使电解砂目层更加的均匀和细致。而Fe元素含量过高会容易在电解时产生大颗粒，影响电解效果。综合一些资料表明，Fe含量在0.05%到0.5%之间较为理想。Cu元素对于铝板基也有一定的益处，具有固溶解强化作用，利于电解，如果其含量过高则会对电化学处理时的粗大面均匀性造成不好的影响，所以Cu含量不能超过0.05%。目前，在我国常作为PS版基金属材料的有1070、1060、1050三种合金。另外1052铝合金也可以作为生产材料，这是由德国HYDRO公司首先引用的。
表1-4 合金化学成分：(质量分数)(%)
|
牌号 |
Si |
Fe |
Cu |
Mn |
Mg |
Zn |
Ti |
其他单个 |
Al |
|
1050 1060 1070 1100 1052 |
0.25 0.25 0.16 0.20 0.10 |
0.40 0.35 0.16 0.50~0.60 0.30~0.40 |
0.05 0.05 0.03 0.05~0.15 0.03 |
0.05 0.03 0.03 0.05 0.03 |
0.05 0.03 0.03 - 0.2 |
0.05 0.05 0.05 0.10 0.02 |
0.03 0.03 0.03 - 0.02 |
0.03 0.03 0.03 0.15 0.004 |
99.50 99.60 99.70 99.00 - |
对1050、1052合金取样，观察表面微量Mg元素的分布，如下图所示
图1-2 Mg元素分布
可以看出1052铝合金的Mg元素分布较为密集，含量较多。
为了提高铝板基的强度，增强韧性，采用增加了Mg含量的1052合金。Mg元素对于铝有一定的强化作用，例如每增加百分之一的Mg，铝板基的抗拉强度就会增加34Mpa。况且，镁和硅两种元素作为二镁化硅的存在又在另一程度提高了铝板的强度。Mg元素对于合金中晶粒变大有抑制功能，纯铝中含有少量的Mg元素还可以提高其再结晶温度，所以1052合金相对于其他一系铝合金晶粒更加的细小均匀，Mg元素较为密集也能提高PS版基的腐蚀性能[2]。所以1052合金作为PS版基生产的原材料是非常的好的选择。
1.3 工艺的对比和选择
目前，PS版基的制造有两种方式，即热轧法和铸轧法。国内，西南铝业采用热轧法生产的PS版基占了主要市场，而华北铝业采用铸轧法生产的PS版基只占了小部分低档市场，所以铸轧这项工艺路线具有非常大的前景。
热轧法：热轧是在再结晶温度以上对金属进行的轧制，利用高温时金属的高塑性，将金属轧制到相应的厚度，其压下量大，能耗低，但是生产出来的产品精度很难达到要求，而且性能不稳定，所以产品的质量难以控制。采用热轧法生产PS版基的工艺路线为
熔炼→铸造→铣面→均火→热轧→冷轧→中间退火→冷轧→拉弯矫→卷取
表1-5 国内外热轧PS版基性能参数对照
|
抗拉强度MPa |
延伸率% |
宽度 mm |
厚度 mm |
不平度 mm |
侧边弯mm |
表面质量 |
粗糙度μm |
|
|
行业标准值 |
≥135 |
≥1 |
1030~1032 |
0.262~0.278 |
≤1 |
≤1 |
符合标准 |
0.18~0.28 |
|
中铝西南铝业 |
181 |
4.0 |
1031 |
0.269 |
0 |
0 |
符合 |
0.238 |
|
日本住友 |
156 |
2.5 |
1031 |
0.270 |
0 |
0 |
符合 |
0.26 |
|
英国 |
163 |
3.0 |
1031 |
0.268 |
0 |
0 |
符合 |
0.248 |
相比热轧法而言，铸轧法具有许多优点。由于铸轧是铸造和轧制在同一台设备上并且同时完成的，所以相比于热轧法有几道工序是可以省去的，例如：开坯、铸锭加热。废料重新熔炼也可以减少许多，从此节省了电能[3]。然后，热轧的切头切尾这一环节在铸轧的时候是不需要的，也就提高了成品率。由于工艺路线的简化，大大减少了成本，体现在工人数、占地面积、投资等方面。所以，铸轧法是较为先进和优良的工艺选择。
表1-6 PS版基企业情况
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生产企业 |
技术路径 |
吨加工费 （元/吨） |
吨加工成本（元/吨） |
吨加工利润（元/吨） |
2006年产量（吨） |
预计2007年产量（吨） |
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西南 |
热轧 |
8500 |
5800 |
2700 |
15000 |
15000 |
|
瑞闽 |
热轧 |
8500 |
5900 |
2600 |
10000 |
10000 |
|
明泰 |
热轧 |
5800 |
4000 |
1800 |
30000 |
30000 |
|
重庆铝 |
热轧 |
5800 |
4000 |
1800 |
3000 |
3000 |
|
阳之光 |
热轧 |
5800 |
4000 |
1800 |
3000 |
3000 |
|
龙马 |
铸轧 |
自用 |
— |
— |
15000 |
15000 |
|
华北铝 |
铸轧 |
5000 |
2600 |
2400 |
11000 |
7000 |
|
栋梁 |
铸轧 |
5000 |
2600 |
2400 |
6717 |
25000 |
铸轧法也有不足的地方，相比热轧法，铸轧法生产出来的铝板基容易产生电解砂目不均匀，导致印刷质量会受到影响。然后，铸轧法是用石墨乳作为润滑剂，其粘附性较大，这样的话很容易形成大颗粒，压入铝板表面之后，会形成黑条缺陷，这样生产出来的版基直接报废。
综上所述，铸轧法制造PS铝板基有一定的难度，可以通过改进和优化工艺来达到要求。在以下方面进行改进：铸嘴的材质选用较为优质的，这样可以保证铸轧出来的坯料具有良好的强度和热稳定性。另外，在线细化晶粒使用Al-Ti-B丝，润滑以及辊面冷却效果均匀。对于铸轧坯料要求严格，表面应该均匀，没有明显条纹、裂口等。
设计的基本工艺路线如下[4]：
熔炼→铸轧→冷轧→切边→热处理→冷轧→拉弯矫→卷取
铸轧法生产PS版铝版基是目前非常先进且具有很大经济效益的一门技术，从商业的角度上来看，年产一万吨时，产值可以达到2.6亿，获得利润5000万，相对于热轧法而言，可为工厂节约1000万元以上的成本。与此同时，相对于热轧法，铸轧法也存在许多的缺点，需要在各个工艺上进行合理的改进和优化，每一道工序都需要严格把关，本课题就是对铸轧法生产PS版铝版基各个工艺的研究和安排，采取1052合金连续铸轧这一新思路，以达到生产出高质量PS版基的目标。
第2章 熔炼工艺设计和优化
表2-1 设备配置
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设备名称 |
设备说明 |
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火焰炉 |
25t矩形蓄热式熔铝炉， |
|
静置炉 |
固定式保温炉 |
|
流槽部分 |
包含两级控流，钛丝送进机构，除气箱，过滤箱 |
2.1 熔炼过程的工艺优化
2.1.1 熔炼的工艺路线
熔炼就是让金属合金化。利用加热改变金属的状态，使金属熔化成成分均匀的熔体，并使其满足内部纯洁度、熔体温度等的一种工艺过程[5]。熔体的品质对后面铝板的加工和性能产生决定性的影响。所以，熔炼对于铝材加工是一道关键的工序。熔炼的目的是为了得到化学成分均匀的合金，然后重新回收废料得到合理使用，节约了资源。熔炼的工艺流程和操作如下：
炉子准备→配料→装炉→熔化→撒覆盖剂→搅拌→
扒渣→搅拌→取样→成分调整→倒炉→清炉
2.1.2 主要工艺设计
1)严格控制温度为740℃左右，不大于750℃，在保证完成工艺操作所必需的时间前提下，应尽量缩短熔炼时间。每次总熔炼时间不得超过12h,液体金属停留时间不得超过12h。然后严格的控制废料比例，不得超过20%。对于保温炉，要保证炉内的铝业有一定的量，也可以加热，对铝液进行升温或保温。总体要求就是，铝熔体保持纯净，气孔、夹杂物等缺陷不允许出现。铝非常活泼，能与气体中的氧发生反应
Al+O2→Al2O3 Al+H2O→Al2O3+H2
2)如何保持铝熔体的质量，就是要做到正确的除杂、除气。在熔炼过程中，采用Kcl-Nacl覆盖剂，为的是防止金属直接接触热辐射以及H2被熔体吸收。熔剂的精炼作用主要是靠其吸附和溶解氧化夹杂的能力。45%NaCl+55%KCL构成的熔剂熔点只有650摄氏度，表面张力小，是常用的覆盖剂。
清炉剂选用的是Na2SiF6，减少氧化形成的杂物向熔炉壁粘附.清渣剂KNO3可以从浮渣中将铝放出来，其含量大概为铝液质量的0.2~1.0%。同时，Na2SiF6也可作为精炼剂，有去氢的作用。
以上的必要的熔剂，而铝液中杂质的去除需要更多的操作，炉内加入少量的Na3AlF6,提高对氧化物的溶解能力，使之上浮而排出。
另外，选用刚玉微孔陶瓷管过滤器(CFF)，是用氧化铝、氧化铬等制成的海绵状多空陶瓷制品板。熔体通过陶瓷管的大小不等、曲折的微细孔道，熔体中的杂质被阻滞、沉降及介质表面对杂质产生吸附和范德瓦尔斯力作用，将熔体中杂质颗粒滤除。而且陶瓷管的使用寿命较长，一般通过量可达300~600t。
3)除气用的是SNIF装置，除气机理是气体通过喷嘴的转子形成分散细小的气泡，同时随着转子搅动的熔体使气泡均匀地分散到整个熔体中去，从而达到除气、除渣的目的。除气也就是除氢，所选用的惰性气体是氩气。在添加了适当熔剂之后，需要对熔体进行检测。先进的检测技术是铝加工过程中实现自动化、控制产品品质、获得优质产品必不可少的手段。近些年来，电子技术、微机和软件业的迅速发展，使铝加工检测技术有了很大进展，出现了许多检测时间短、精度高、操作简便、便于携带的先进仪器，促进了铝加工产业的发展。通过各方面考虑，选择较为合适的检测方法，检测合金成分采用准确度高而且较为快速的荧光X射线法。用PODFA法测渣，这种方法较快，感应灵敏。最主要的测氢，要控制熔体当中的氢含量低于0.12ml/100gAl,选用先进的陶瓷管过滤器可达到此要求。采用液态ALSCAN测氢仪。
表2-2 设备选型
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配备名称 |
配备选择 |
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覆盖剂 |
KCL-Nacl |
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清炉剂 |
Na2SiF6 |
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清渣剂 |
KNO3 |
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炉内去杂 |
Na3AlF6 |
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炉外去杂 |
刚玉微孔陶瓷管过滤器 |
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除气装置 |
SNIF法，采用高纯度氩气 |
