（材料加工工程专业论文）冷轧带钢润滑机理及实验研究.pdf

删f 燃必1 ad i s s e r t a t i o ni n 丛堑曼互垦! 曼呈q ! 卫! i 卫g 曼n g i 坠曼皇! i 旦g t h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho n l u b r i c a t i o nr e g i m ei nc o l d s t r i pr o l l i n g b y z h o ug u i l i n g s u p e r v i s o r ： p r o f e s s o rl i ux i a n 曲u a a s s o c i a t ep r o f e s s o r z h a n gx i a o m i n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 8 l l 1 _ 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果除 加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人 为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位做作者签名：阈枉以 日 期：少哆7 二 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定： 即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、 交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年口 学位论文作者签名：同概碰 签字日期：朋7 二 导师签名： 签字日期： 厂 ， ，jk叮l 东北大学硕士学位论文摘要 冷轧带钢润滑机理及实验研究 摘要 工艺润滑是冷轧生产中的关键技术，直接影响轧后带材的板形和表面质量，目前日 益引起生产厂家的重视与关注。由于现场条件纷繁复杂，对润滑问题的解决多采用现场 试验的方法，成本很高。本文为了加深对润滑机理的认识和探索利用实验室轧制实验来 评价润滑油的途径，采用理论与实践相结合的方法，建立了冷轧润滑数学模型、编写了 模拟计算软件并进行了实验室轧制实验，初步理解了轧制变形区内轧制参数的分布变化 情况，找到了利用轧制实验来评价润滑油性能的指标。 由于对轧制稳定性和带钢表面质量的要求，在生产实际中轧辊和带钢接触界面间的 润滑状态大多处于混合润滑机制之下，接触界面间总的轧制压力由表面直接接触压力和 油膜压力共同构成。本文以混合润滑为研究重点，取得的主要研究成果如下： ( 1 ) 在学习和总结国内外冷轧润滑相关理论的基础上，建立了混合润滑数学模型。 模型考虑了表面粗糙度和表面微凸体压平对润滑状态的影响，将轧制区域分为全膜入口 区、混合入口区和变形区三个区域，在每个区根据实际轧制条件施加不同的边界条件， 并使用了“高速”和“低速”两种不同的算法，可以实现对较大速度范围内润滑问题的计 算。 ( 2 ) 在开发的混合润滑数学模型基础上，利用c + + 语言编写了模拟计算程序。采用 模块化的程序设计方法，便于程序的后续修改、开发和维护。程序内部采用变步长龙格 库塔法来求解微分方程，计算精度较高。利用模拟计算程序可以对冷轧过程中轧制区内 的油膜厚度、油膜压力、轧制压力、接触比等变量进行计算，并可以调用m a t l a b 引擎 来绘制变量变化趋势图。 ( 3 ) 通过大量冷轧实验，深入研究了油品差异、轧制条件对润滑状态的影响。实验 结果表明：润滑油对轧制过程有非常显著的影响；轧制力、主机电流、辊缝值都是评价 润滑效果的重要指标；轧制速度直接影响润滑状态。混合润滑模型的理论计算值和实验 得到的实际值非常吻合，说明本文所开发软件可以用于冷轧润滑行为的分析，对于冷轧 润滑油的选择和使用，分析实际生产中出现的润滑问题具有一定的参考价值。 关键词：冷轧润滑；乳化液；润滑机理：混合润滑 i i 岛， ，p 厂 p - l l p 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t t h e o r e t i c a la n d e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h0 n l u b r i c a t i o nr e g i m ei nc o l ds t r i pr o l l i n g a b s t r a c t t h en a t l l e s sa n ds u r f a c et o p o 铲a p h yo fs t r i pm e rr o l l i n gi sd i r e c t l yi n f l u e n c e db yr o l l i n g l u b r i c a t i o n n o wa sak e yp o i n ti i lc 0 1 d s t r i pr o l l i n gp r o d u c t i o 玛r o l l i n gl u b r i c a t i o ni s a t t r a c t i n gm o r ea 1 1 dm o r e 缸e r e s to fs t e e lp r o d u c e r s t h ep r o b l e m sc a u s e db yr o l l i n g l u t ) r i c a t i o na r ea l 、w 叮ss o l v e db y 仃y i n gd i f f e r e n to i l sf o rt h e i rc o m p l e x i t y ，s ot 1 1 i sc o s tm u c h i i lo r d e rt oi n t e n s em eu i l d e r 曲m d i n go f1 u b r i c a t i o nr e g i m e s ，m i sp a p e rc o n s t m c t e dt h e n u i n e r i c a lm o d e lf o rc 0 1 dr o l l i l l gl u b r i c a t i o n ，d e v e l o p e ds i m m a t i n gp r o g r 锄a r l dc o n d u c t e d l a br o l l i i l ge x p e r i m e m s t h r o u 曲t h e s e ，ap r e l i m i n a r ) rv i e w o ft h ev a r i a t i o no fp a r a m e t e r si n d e f o n l l a t i o nz o i l ei sg o t t e n ，戤l dt h ew a y st ov a l u et h ep e 怕n n a n c eo fo i l sa r ea l s oe x p l o r e di n t h i sp a p e r b e c a u s eo ft 1 1 en e e dt oc o n t r o l 也er o l l h l gp r o c e s ss t a b i l i t ya 1 1 ds u r f a c et o p o 鲫h y ， m i x e dl u b r i c a t i o ni sm em o s ti i n p o n a n tr e g i m ei i lp r a c t i c a lr o l l i n gp r o d u c t i i lt l l em i x e d l u b r i c a t i o nr e g i l l l e ，p a r to fm ei n t e r f a c el o a di sc 删e db y 嬲p e r i t ) rc o n t a c ta i l dp a r tb yt h e p r e s s u r i z e dl u b r i c 锄i i ls 删沁ev a l l e y s t 1 l i sp a p e rp u tt l l ee m p l 粥i so nl i l i x e dl u b r i c a t i o na 1 1 d g o ts u c hc o n c l u s i o i l s ： ( 1 ) o nt h eb 2 l s i so fl e a n l i n ga n ds u i i l i i l a i i z i i l gt h ct l l e o r i e se 砌yf o u i l d e db ye x p e r t s 躺u 1 1 dm ew o r l d ，t h i sp a p e rc o n s t n 尬t e dt 1 1 em i x e d1 u b r i c a t i o nm o d e l t h em o d e li n c l u d e st l l e c o n s i d e r 撕o no fs l i r f a c er o u g l u l e s sa 1 1 da s p 积t ) ，n a n 砌n 舀d i v i d e sn l er 0 1 l i i l gz o n ei 1 1 t 0 向1 1 f l l m “e tz o n e ，m i x e df i l m “e tz o n e 锄dw o r kz o n et l l r e ed i 仃e r e n tz o n e s he a c hz o n e ， d i 舵r e n tb o u n d a r ) rc o n d i t i o n sa r ea p p l i e d ，a n dt l l em o d e la l s ou s e s 曲s p e e d ”，l o w s p e e d ”t 、od i 日e r e i l ta l g o r i t l m l s t h em o d e lc a nb eu s e dt oaw i d es p e e dr a n g e ( 2 ) o nt h eb a s i so fn u i n e r i c a lm o d e l ，as i m u l a t i n gp r 0 莎a m 、v a sd e v e l o p e du s i n gc + + p r o g m m t h es o f h v a r ei sd e v e l o p e di 1 1am e t l l o do fs t l l l c t e dp r o 伊锄m l i n ga p p r o a c h ，s oi t s c o n v e i l i e n tt om o d i 瓢d e v e l o pa n dm a i n t a i n ar u n g e k u t t am e t h o di su s e dt 0c a l c u l a t et l l e d i 凰r e n t i a le q 嘣i o n ，w h i c hi sam e t l l o dw i t h1 1 i 曲p r e c i s i o n t h em o d e lc a np r e d i c tm e l u b r i c a j l tp r e s s u r e ，r o l l i n gp r e s s u r e ，c o m a c ta r e aa n df l l mt l l i c k n e s si i lt 1 1 ed e f b m l a t i o nz o n e t h ev a r i a t i o no fp a r a m e t e r sc a z lb ep l o 抵du s i n gm a t l a be n g i n e ( 3 ) 1 1 1 i sp 印e ri n v e s t i g a t e dt l l el u b r i c a t i o ns t a t ev a r i a t i o nc a u s e db yo i l 粕dr o l l i n g c o n d i t i o nd i 舵r e n c e sb yc o l dr o l l i n ge x p e 血l e m s t h ee x p e 血1 e n t si n d i c a t e dt 1 1 a to i lh a sa i i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t b i gi 1 1 f l u e n c et or o l l i n gp r o c e s s ，a 1 1 dr 0 1 1 i n gs p e e dd i r e c t l yi 1 1 f l u e n c em elu 晡c a t i o ns t a t e r 0 l l i n gf o r c e ，m a i nc u r r e n t ，r o l lg a pa r ea l lm ei m p o r t a n ta s p e c t s t ov a l u em eo i l s1 u b r i c a t i o n p e r f o m a n c e n l em o d e lc a l c u l a t i l l gr e 瓢1 1 t sa 铲e e sw e u 嘶t h t 1 1 ee x p e r i m e n ta c m a lv a l u e s ，s o t l l ep r o g r a md e v e l o p e di l lt h i sp 印e rc a i lb eu s e di nm ea 1 1 a l y s i so fc o l dr o l l m gl u b r i c a t i o n f o rt h es e l e c t i o na n du s eo ft h ec o l dr o l l i r 蟮o i l s ，龇1 2 l l y z i n g 也ep r o b l e m sh a p p e r 炝di nn l er e a l p r o d u c t ，m ep r o 斟a m h a sac e r t a i l le x t e n tr e f e r e n c i n gm e a i l i n g r i 一_ 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要枣i i a b s t r a c t i i i ! 。第一章绪论1 p 1 1 课题的研究背景和意义1 1 2 冷轧生产中的工艺润滑3 1 2 1 乳化液及其作用3 1 2 2 宝钢1 4 2 0 机组应用实例5 1 3 冷轧润滑机理1 0 1 3 1 冷轧中的摩擦与润滑1o 1 3 2 润滑状态的判别1 2 1 3 3 润滑机理研究的发展1 4 1 4 本文主要工作17 第二章冷轧润滑基本方程1 8 2 1 变量的处理方法18 2 2 表面特征表征1 9 2 3 油膜厚度计算2 1 2 3 1 入口区油膜厚度的计算2 1 2 3 2 变形区油膜厚度的计算2 2 2 4 油膜压力计算2 5 2 5 轧制力计算2 6 2 5 1 加工硬化和屈服准则2 6 2 5 2 摩擦因子计算2 7 2 5 3 卡尔曼微分方程3 0 2 6 带钢轧后表面粗糙度的预测3 0 2 7 小结3 0 第三章混合润滑数学模型31 3 1 引言31 3 2 入口区分析_ 3 3 3 2 1 全膜入口区3 4 3 2 2 混合入口区3 5 3 3 变形区分析3 6 3 4 低速处理方法3 7 3 5 高速处理方法3 8 3 6 小结。4 l 第四章模拟软件的开发及计算结果分析4 3 4 1 软件的安装4 3 4 2 软件使用说明和操作步骤4 4 东北大学硕士学位论文 目录 4 3 模拟计算结果及分析4 7 4 4 小结5 3 第五章实验研究及验证5 4 5 1 实验设备及准备5 4 5 1 1 冷轧实验轧机。5 4 5 1 2 实验原料5 6 5 1 3 实验准备5 7 5 2 冷轧实验方案5 7 5 3 实验结果及分析5 8 5 3 1 不同油品润滑效果的比较5 9 5 。3 2 速度对润滑状态的影响6 2 5 3 3 理论结果和实际结果的比较6 4 5 4 月、结6 6 第六章结论：6 7 参考文献6 8 致谢7 1 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的研究背景和意义 薄板、带材当其厚度小至一定限度( 例如 t h i c k f n m r e 画田暗 ( j k l o ) ( 1 ，) t h i n f t i m r e g 哪 ( 3 j k l o j ) ( c ) m 畦r q 徊- ( 一3 曷) 图1 4 润滑机制示意图 f i 哥l r e1 4s c h e m a t i co fl u b r i c a t i o nr e g i m e s 1 0 东北大学硕士学位论文第一章绪论 与界面间的摩擦状态相对应，则可以将润滑机制分为相应的类型。w i l s o n 提出了四 种基本润滑机制：厚膜润滑机制，薄膜润滑机制，混合润滑机制和边界润滑机制 7 1 。其 中厚膜润滑和薄膜润滑都属于流体润滑。如图1 4 。 在现代冷轧生产中，广泛采用了乳化液润滑系统，并且在乳化液中普遍加入了极性 添加剂，因此即使在进入辊缝的油量很少，形不成较厚的润滑层的情况下，金属与金属 之间的摩擦也是以边界润滑的形式存在。因此，通常所说的混合润滑指的是流体润滑和 边界润滑的组合形式。目前主要考虑的润滑机制主要有边界润滑、混合润滑和流体润滑 三种 2 】： 1 ) 流体润滑的表现形式是两接触表面完全被润滑油膜隔开，也即油膜厚度远大于 接触表面粗糙度，系统的摩擦力来源于润滑剂分子运动的内摩擦。 流体润滑时的摩擦力可根据牛顿流体定律计算，即： 丁：叩孕s( 1 1 ) 缈 式中：叩一润滑油粘度； 孚垂直与运动方向上的剪切速度梯度； 砂 s 一剪切面积。 在流体润滑状态下，由于两表面不发生实际接触，因此流体润滑过程不产生磨损。 流体润滑的主要优点是摩擦系数小，而且之取决于润滑剂自身的特征，其摩擦系数可低 至o o o l 0 0 0 8 。但并不意味着流体润滑过程具有无比的优越性，因而总是必须尽可能 实现。流体润滑的主要缺点有： a 降低轧辊的咬入能力； b 由于摩擦力直接决定于滑动速度，轧制过程变得不稳定，甚至会引起负前滑； c 当变形区存在很厚的隔离润滑层时，带钢表面质量变坏，粗糙度增加而且表面 显微起伏具有独特性质。 巴甫洛夫和格拉依曾详细研究过润滑剂对金属表面状态的影响。他们发现，在干轧 辊上轧制后的金属表面布满纵向划道和擦痕，这是轧辊直接作用的痕迹。而当用蓖麻油 润滑轧辊，图案立即大变，在金属表面纵向细纹消失，出现垂直轧制方向的细沟纹，此 图案是辊缝内有油的很好证明。润滑油充填轧辊和金属的“凹坑”，并防止金属被轧辊擦 伤。此外，油均匀压入金属的全部表面，随轧制进程而加深压入。因此，金属表面出现 平行于辊身( 即垂直轧制方向) 的细沟波纹。 1 1 东北大学硕士学位论文第一章绪论 有实验表明，随润滑油粘度的增大，金属表面的粗糙度增大。这是由于随润滑油粘 度的增大，进入变形区的润滑剂数量增加。润滑层厚度的变化正是轧制带钢表面显微起 伏变化的直接原因。在干轧辊上或煤油润滑的条件下轧制的试件表面发光，而用蓖麻油 或机油做润滑剂轧制的试件，表面发暗。 这些都表明，流体润滑状态对轧后表面质量有负面的影响。 2 ) 边界润滑机制主要是通过润滑剂中的表面活性物质在金属表面之间形成既易于 剪切又能减小金属表面直接接触的边界润滑膜，该边界膜不是普通润滑油膜而是定向吸 附膜，厚度通常在0 1 i j m 以下。 表面塑性变形、轧件和轧辊的表面物理化学性质以及润滑剂中的活性物质，都会对 边界润滑膜的形成造成影响。在乳化液中普遍加入了各种添加剂，如油性剂提高润滑剂 与金属表面形成吸附的能力，在金属表面形成物理吸附的油性剂分子膜；极压剂通过与 金属表面反应可以改善边界润滑状况，它在金属表面形成一层平滑的极压膜，该极压膜 具有较低的剪切强度，是不易大面积擦伤的无机膜。 边界润滑在低载、弹性变形条件下可以用库仑摩擦定律来计算。但金属塑性加工中， 由于重载加上工件的塑性变形，导致这个简单模型实际上是不准确的。 b o 、d e n 和t a b o r 考虑到表面微凸体的接触变形，首先提出吸附膜不连续的概念， 并认为此时摩擦力f 应按下式计算【8 】， ，= 4 f 口+ ( 1 一朋。) 】 ( 1 2 ) 式中：a _ 一名义接触面积；m 。- 表面接触率。 边界润滑的摩擦系数一般在o 0 5 0 1 5 之间。在流体润滑、混合润滑和边界润滑中， 边界润滑具有最高的加工表面质量。 3 ) 混合润滑又称部分流体润滑。当油膜厚度小于轧辊和轧件总粗糙度的3 倍的时候， 认为处于混合润滑机制作用下。在混合润滑状态中，载荷一部分由润滑剂油膜承担，另 一部分则由接触中的表面微凸体承担。混合润滑是在高速轧制中比较理想的一种润滑机 制，既适度减小摩擦，降低能耗，同时也可保证适量前滑，从而轧辊对带材有一个研磨 作用，提高带材表面光亮度。因此，在这里的研究以混合润滑最为普遍。 1 3 2 润滑状态的判别 润滑状态的判别常用的判别方法有以下几种【2 】： 1 ) 膜厚比 众所周知，工程表面轮廓高度分布多数接近正态分布。膜厚比允为平均油膜厚度办 1 2 东北大学硕士学位论文第一章绪论 与两接触表面总粗糙度仃的比值， 即 丸= h o 6 ：厢 式中：q 和仃：一轧辊与轧件表面粗糙度；仃一表面总粗糙度。 ( 1 3 ) ( 1 4 ) 膜厚比允主要用于区别流体润滑与混合润滑，当a 3 时即为流体润滑，在流体润 滑中有时又分： 薄膜润滑：3 l y 。2 1 y 。 1 纵向分布表面各向同性分布表面 横向分布表面 图2 2 微凸体方向示意图 f i g u r e 2 2s c h e m a t i co fa s p e r i t yd i r e c t i o n s 东北大学硕士学位论文 第二章冷轧润滑基本方程 对于高斯表面，平均油膜厚度忽( 润滑剂体积和名义接触向积的比) 和名义表囱i 司距 吃( 两个变形表面中线间距离) 有关，它们的关系为： 忍= e ( 吃+ 6 物。( 6 ) 彩 ( 2 1 0 ) 如果表面之间不发生接触，那么红和吃相等。然而，当接触发生时，魄要大于吃。 在大接触比彳的情况下，吃可能变成负数而红仍然为正数。平均油膜厚度也可以简化成 无量纲形式： 皿= j ( 3 5 + 1 2 8 z + 1 4 0 2 2 7 0 乞4 + 2 8 乞6 5 三8 ) ( 2 1 1 ) 2 5 6 、 、 。 式中： 致= 惫 z ：娶 ( 2 1 3 ) 另外，接触比彳和无量纲表面间距峨的关系为： 么= e 见( 6 ) 彩= ( 1 6 3 5 z + 3 5 2 3 2 1 乞5 + 5 乞7 ) 3 2 ( 2 1 4 ) 在推导变量风，县和彳的关系之后，实际上就可以用乜来计算q 和彳。在后面 的章节中，以以为油膜厚度微分方程中的变量，积分得到以，然后计算得到县和么。 2 3 油膜厚度计算 对润滑过程进行分析，根据带钢基体是否发生塑性变形，可以将整个轧制长度分为 入口区和变形区。那么油膜厚度的计算也要分成两种情况讨论。 2 3 1 入口区油膜厚度的计算 在入口区，由于基体不发生塑性变形，而轧辊的直径要远大于带钢厚度，所以可以 认为在入口区，轧辊和带钢近似呈恒定的夹角。为了计算方便，可以选定入口区和变形 区的分界点为原点，建立入口区的局部坐标系。这样就可以用几何的方法来推导入口区 油膜厚度。 2 1 _ 东北大学硕士学位论文第二章冷轧润滑基本方程 一 ) ( n7 ，h t 心、一 x l ： 入口区变形区 - ； 图2 3 入口区局部坐标系 f i 目l r e2 3l o c a lc o o r d i l l a t eo f i 1 1 l e tz o r l e 如图，推导入口区油膜厚度如下 使用式( 2 1 ) 无量纲化，可得 2 3 2 变形区油膜厚度的计算 也= 等 以= 等 ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 在变形区，由于发生带钢基体塑性变形和表面压平，计算过程要复杂很多【3 9 4 0 1 。 当轧辊和带钢接触时，由于轧辊的硬度要远高于带钢的硬度，而且轧辊的粗糙度一 般低于带钢粗糙度，会发生带钢表面微凸体被轧辊压平的现象。因此，油膜厚度的计算 也要考虑到带钢表面的压平。图2 4 给出了，当轧制时表面微凸体的压平过程示意图。 图2 4 带钢表面压平示意图 f i g u r e2 4s c h e m a t i co fp r o c e s so fa s p e r i t i e sn a 弛n i n g - 2 2 东北大学硕士学位论文第二章冷轧润滑基本方程 上节推导了油膜厚度和名义表面间距的关系。为了模型推导方便，使用名义表面间 距来表达油膜厚度的大小，名义表面间距吃与微凸体压平有关 盟：一堕盟：一上盟：生 ( 2 1 7 ) 出d xmud tu 、。 式中：u 一带材表面速度。 由微凸体的体积守恒， 屹彳一( 1 一么) = o ( 2 1 8 ) 式中：吃接触表面相对于平均表面的压下速度； 吃一表面凹坑相对于平均表面的上升速度。 根据带材在垂直方向的变形速度等于轧辊表面速度在垂直方向的分量，得到： 屹+ 掣：堡 ( 2 1 9 ) 屹+ j2 一 l w 式中：口一轧辊半径；叠一基体应变速率。 为了对这个公式进一步推导，定义无量纲应变速率e ： e ：旦 ( 2 2 0 ) 式中：卜一微凸体半间距。 结合方程( 2 1 7 ) ，( 2 1 8 ) 和( 2 1 9 ) ，并使用方程( 2 2 0 ) 来无量纲化，得到 等2 老禹 b 2 1 ) 揖r ( 1 一么+ 罢) 、。 式中：月一压下率；r 无量纲平均微凸体半间距；x 变形区位置坐标；y 一变 形区内带钢无量纲厚度；月+ 无量纲粗糙度， r