（材料加工工程专业论文）六辊横移式薄带轧机异步轧制实验和模拟研究.pdf

东北大学硕士学位论文摘要 六辊横移式薄带轧机异步轧制的实验和模拟研究 摘要 冷轧薄板具有很高的尺寸精度、表面质量和优良的综合性能，因此得到了很广泛的 应用。冷轧极薄带材也在电力、通讯等领域得到了广泛的应用。尽管我国的钢铁工业得 到了很大的发展，但高精度、高附加值的冷轧产品生产能力依然不足，很多高精度的冷 轧产品仍然需要进口。因此，开发一种轧薄能力强、! f l a i j 精度高、具有高效板形控制能 力的轧机是十分必要的。薄带轧机的轧薄能力和板形控制能力一直是人们致力研究的课 题之一。 异径轧制实验表明，采用异步轧制后，六辊轧机的轧薄能力明显提高，并获得了良 好的板形。本文采用实验轧机工艺设备参数，对该轧机的轧制过程进行了模拟研究。 矩阵法是对轧制过程进行高精度模拟的方法之一，获得了广泛的应用。本文利用矩 阵法对轧制过程中辊系变形和带材轧制进行了模拟。利用v c + + 语言编制了相应的计算 程序，对不同的轧制方式和工艺条件进行了模拟。 板形问题是极薄带材重要的技术指标，也是轧制过程的控制重点和难点，模拟中主 要考虑了影响板形的主要因素，分别计算了普通轧制和异步轧制时的压下量、轧制压力、 辊间压力、轧辊压扁以及轧后轧件的厚度分布等，并较系统的分析了中间辊弯辊力、中 间辊横移及异步! f l n 方法对轧制压力分布、辊间压力分布、轧辊压扁以及轧件轧后厚度 分布的影响，并得出了一系列结论。 研究结果表明：在六辊横移式轧机上应用异步轧制技术不仅能改善板形，还能大大 提高中间辊弯辊力效果，提高了板形控制能力。同时由于异步轧制可以降低轧制压力， 使轧机的轧薄能力也得到了提高。 关键词：冷轧极薄带材；六辊轧机；异步轧制；矩阵方法；板形 i i e x p e r i m e n ta n d s i m u l a t i o no n6 - h i g hm i l l a s y n c h r o n o u sr o l l i n g a bs t r a c t c o l d r o l l e ds h e e ti sw i d e s p r e a da v a i l a b i l i t yb e c a u s eo fh i g h d i m e n s i o n a la c c u r a c y , s u r f a c eq u a l i t ya n dc o m b i n a t i o np r o p e r t y c o l d r o l l e ds h e e ti sa l s oa v a i l a b i l i t yi ne l e c t r i c p o w e ra n dc o m m u n i c a t i o nf i e l d s t h ei r o na n ds t e e li n d u s t r yo fo u rc o u n t r yg a i n e dg r e a t i m p r o v e m e n t b u tt h ep r o d u c t i o nc a p a c i t y o fh i g ha c c u r a c yd e g r e e ，h i g ha d d e dv a l u e c o l d r o l l e dp r o d u c t ss t i l ld e f i c i e n t ，m a n yh i g ha c c u r a c yd e g r e ec o l d r o l l e dp r o d u c t ss t i l ln e e d i m p o r t s o ，d e v e l o p i n ga r o l lw i t hh i g hr o l l i n gt h i n n i n gc a p a c i t y , h i g hr o l l i n ga c c u r a c y , h i g h s t r i ps h a p ec o n t r o lc a p a c i t yi sv e r yn e c e s s a r y r o l l i n gt h i n n i n gc a p a c i t y a n ds t r i ps h a p e c o n t r o lc a p a b i l i t yo ft h i ns t r i pr o l li so n eo f d e d i c a t e ds u b j e c t s d i f f e r e n td i a m e t e rr o l l i n ge x p e r i m e n ti n d i c a t e d ：t h er o l l i n gt h i n n i n gc a p a c i t yo f6 - h i g h m i l li se v i d e n ti m p r o v e d ，a n do b t a i n e dg o o ds t r i ps h a p e t h i sa r t i c l eu s ee x p e r i m e n t a lr o l l p r o c e s se q u i p m e n tp a r a m e t e r , s i m u l a t e dt h er o l l i n gp r o c e d u r e m a t r i xm e t h o di so n eo ft h eh i g ha c c u r a c ym e t h o d so fs i m u l a t e dr o l l i n gp r o c e d u r e ，a n d o b t a i n e dw i d e s p r e a da v a i l a b i l i t y i n t h i s a r t i c l e ，u s i n gm a t r i x m e t h o ds i m u l a t e dr o l l e r d e f o r m a t i o na n ds h e e tr o l l i n go fr o l l i n gp r o c e s s u s i n gv c + + l a n g u a g ec o m p i l e dc o m p u t e r p r o g r a m ，s i m u l a t e dd i f f e r e n tr o l l i n gw a y a n dt e c h n o l o g i c a lc o n d i t i o n s t h ep r o b l e mo fs t r i ps h a p ei sai m p o r t a n tq u a l i f i c a t i o no ft h i ns t r i p ，i sa l s oc o n t r o l e m p h a s i so fr o l l i n gp r o c e d u r e ，c o n s i d e r e dt h e c h i e ff a c t o r so fi n f l u e n c i n gs t r i ps h a p ei n s i m u l a t i o n ，i n d i v i d u a lc a l c u l a t e dr o l l i n gp r e s s u r e ，r o l lp r e s s u r e ，a n dw o r k p i e c et h i c k n e s s d i s t r i b u t i o n ，a n ds y s t e m a t i ca n a l y z e dt h ee f f e c t so fm i d d l er o l l e rb e n d i n gm i l e rp r e s s u r ea n d a s y n c h r o n o u sr o l l i n gt or o l l i n gp r e s s u r e ，r o l lp r e s s u r e ，a n dw o r k p i e c et h i c k n e s sd i s t r i b u t i o n ， a n dc o n c l u d e das e r i e so fc o n c l u s i o n s t u d vr e s u l t si n d i c a t e d ：a s y n c h r o n o u sr o l l i n ga n dt r a v e r s i n gm i d d l er o l l e rc a nn o to n l y i m p r o v es t r i ps h a p e ，b u ta l s oi n c r e a s et h ee f f e c t i v e n e s s o fb e n d i n gr o l l e rp r e s s u r e a tt h es a m e t i m e b e c a u s ea s y n c h r o n o u sr o l l i n gc a nr e d u c er o l l i n gp r e s s u r e ，t h er o l l i n gt h i n n i n gc a p a c i t y o ft h i sr o l li m p r o v e d k e yw o r d s ：c o l d - r o l l e dt h i ns t r i p ；6 - h i g hm i l l ；a s y n c h r o n o u sr o l l i n g ；m a t r i xm e t h o d ；s t r i p s h a p e i i i 东北大学硕士学位论文声明 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 二f z ： j 恩。 学位论文作者签名： 龆勇撂 日期：2 0 0 6 年3 月 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。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：签字日期： 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论帚一早珀v 匕 板带是钢铁工业的主干产品。在板带产品中技术要求高，产量约占四分之一的品种 是冷轧薄板，这也是我国目前大量依赖进口的钢材品种，尤其是用在电子、电器、家电 等行业的极薄带，具有广阔的市场前景。预计在2 0 1 0 年以前，我国将有一支相当或超 过现有年产量的新的冷轧薄板生产能力投产，其中包括新建轧机和现有轧机的技术改 造。 对于极薄带材，国外大多使用多辊轧机进行生产，如廿辊轧机。第一台廿辊轧机 是一九三一年在波兰试制成功的，这种轧机有着独特的优点：它的刚度大、工作辊辊径 小、轧制精度高、可轧制变形抗力高的不锈钢、硅钢等难变形产品。但是它的造价昂贵、 结构复杂、安装调试困难、维护费用昂贵，这是这类轧机的最大弱点。 本次实验中所使用的是某带钢厂国产的h c 轧机，由于h c 轧机具有极强的板形控制 能力，可以消除从中浪，边浪到两肋浪等的多种不良板形，通过调节辊缝以适应各种不 同板形的来料，保证轧后板形良好，板形控制范围扩大，中间辊横移可以调整轧机的刚 性系数，使得板形不受轧制力波动的影响。但是在生产极薄规格产品时，h c 轧机的轧薄 能力不能完全满足需要。 故在实验中充分发挥h c 轧机自身的优势并与异步轧制方法相结合，来生产极薄规 格的产品，用来代替廿辊轧机等多辊轧机来生产极薄带材。通过这种机型的配嚣，开发 一种新型轧机，这样既可以提高板形质量，也拓宽了产品规格，提高产品的市场竞争力。 1 1h c 轧机的发展及其特性 1 1 1h 0 轧机的起源 为了提高冷轧薄钢带的横向尺寸精度，改善板形质量，早在6 0 年代初，美国森吉 米尔钢铁公司便研制出具有中间辊移动机构z 形轧机，即森吉米尔轧机。此类轧机有十 二辊、廿辊等形式，中间移动辊一端带有锥度，通过调整中问辊的轴向移动量来控制板 带的横向尺寸精度和板形。由于森吉米尔轧机辊系结构复杂、投资大、主要用于薄带材、 超薄带材以及硅钢、特殊钢等高精度带材的生产，因此其推广应用受到了一定的限制。 为了改善普通冷轧薄带的板形质量，减少边部减薄量，研究者们就普通四辊轧机 ( 4 h i m i l l ) 在轧制规程的修正方面做了大量的工作，主要有改变压下量、改变后张力以及 轧辊的液压弯辊。液压弯辊具有控制板形灵活、快速等特点，与其它规程变量不发生干 扰，因此比较理想。液压弯辊的基本原理是：通过向工作辊或支撑辊辊颈施加液压弯辊 力，如图1 1 所示，来瞬时改变轧辊的有效凸度，从而改变有载辊缝形状和带钢的延伸 东北大学硕士学位论文第一章绪论 广y j 一i f _ 。：。 ll 尊9 墨 消 岔 帑，一 韵 嚼 望 矧 广吖 一i 一1 - i ii 爪 ，| 、 图1 1 四辊轧机液压弯辊图 f i g 1 - 1h y d r a u l i cp r e s s u r eb e n d i n gr o l lc h a r to f4 - h i g hm i l l w 图1 - 2 双轴承座工作辊弯辊图 f i g 1 - 2b e n d i n gw o r k i n gr o l l e rc h a r to fd o u b l eb e a r i n gb l o c k 沿横向的分布。由于液压弯辊具有这些优点，因此广泛应用于板形的调整，截止到1 9 6 9 年已有4 l 套液压弯辊装置投产。它既可以安装在中厚板轧机、带钢热连轧机和单机可 逆轧机上，也可安装在带钢冷轧机上。但工作辊液压弯辊使工作辊轴承座应力和变形不 均、造成温升差异较大，降低了轴承的使用寿命。 2 0 世纪7 0 年代初，日本石川岛播磨重工业公司研制出一项改善液压弯辊控制能力 的新技术双轴承座工作辊弯辊装置( d c - - w r b ) ，如图1 2 所示，开始用于热轧，后 来推广应用到冷轧和平整。液压弯辊虽然具有较强的板形控制能力，但仍存在着一定的 问题：首先，它是通过弯曲刚度很大的轧辊来实现，最终的弯曲曲线基本上接近于二次 曲线，而实际轧辊在轧制过程中由于磨损和受热凸度变化的影响，曲线变得比较复杂， 常出现复合浪、局部浪等缺陷，单靠液压弯辊是无法解决的；其次，在板宽范围以外， 四辊轧机的工作辊和支撑辊之间有害接触区内的接触压力不仅限制了弯辊效果的发挥， 也加大了板带的边部减薄量，如图1 3 所示，为了解决这类问题，又出现了双锥度和双 阶梯支撑辊，如图1 4 所示。分析普通四辊轧机轧辊的受力及变形可以得知，普通四辊 轧机工作辊与支撑辊辊身长度基本相同，辊间接触长度总是不变，辊身长度大于带钢宽 度，在带钢宽度以外的工作辊与支撑辊之间存在一个对轧制板形有害的接触区，有害接 触区内的辊间接触应力形成一个有害弯矩，这个有害弯矩使带钢的边部减薄，板凸度增 2 o 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 大，板形不好。同时有害弯矩也抵消了一部分工作辊的弯辊力矩，限制了轧机的板形控 制能力。采用双锥度或双阶梯支撑辊减弱或消除了有害弯矩，但由于实际生产中，带钢 工作辊 薄边区 工作辊弯辊力 有害接触区 1r 1 l ，l li1 个 10 l n 、小、i l i l il 图1 3 四辊轧机轧辊变形图 f i g 1 - 3r o l ls y s t e md e f o r m i n gc h a r to ff o u r - h i g hm i l l 图1 4 双阶梯辊示意图 f i g 1 - 4r o l ls y s t e mc h a r to fd o u b l es t e pr o l l 的宽度是经常变化的，双锥度或双阶梯支撑辊与工作辊接触长度却不能改变。为了解决 这一问题，1 9 7 2 年日本日立公司研制出新式六辊轧机h c 轧机( 如图l 一5 ) 。这种轧机 在工作辊和支撑辊之间增加了一对可轴向移动的中间辊，当板带宽度变化时，可以通过 向相反方向移动中间辊，来改变中间辊和工作辊的接触长度，使其适应板宽的变化。h c 轧机一出现，其优点就充分显示出来，主要表现在板形控制能力强，板形稳定性高，削 弱了带材的边部减薄，提高成材率；减小了工作辊直径，可实现大压下量轧制；并可降 低轧制功率( 比普通四辊轧机可降低1 0 ) ；增大来料厚度；取消了中间退火工序；提高 轧机生产率。因此，h c 轧机很快得到推广应用，它不仅用于冷轧带钢生产及平整、热 轧钢带的轧制生产，也广泛用于特殊钢带和铜、铝等有色金属的轧制生产怛1 。 1 1 2h 0 轧机的发展 h c 轧机的主要特点有：( a ) 具有强大的刚度稳定性。即当轧制力增大时，引起的钢 板横向厚度差很小，因为它也可以通过调整中间辊的移动量来改变轧机的横向刚度，以 控制工作辊的凸度，此移动量以中间辊端部与带钢边部的距离表示，当这个距离大小合 适，即当中间辊的位置适当，即在所谓的n c p 点时，工作辊的挠度即可不受轧制力变化 的影响，此时的轧机的横向刚度可调至无限大；( b ) 具有很好的控制性。即在较小的弯 辊力作用下，就能使钢板的横向厚差发生显著变化。h c 轧机还设有液压弯辊装置，由于 中间辊可轴向移动，使在同一轧机上能控制的板宽范围增大了；( c ) h c 轧机由于以上的 特点因而可以显著提高带钢的平直度，可以减少板、带钢边部减薄及裂边部分的宽度， 减少切边损失；( d ) 压下量由于不受板形限制而可以适当提高，由于h c 轧机的刚度稳 东北大学硕士学位论文第一章绪论 定性和控制性都较一般四辊轧机好的多，因而能高效率的控制板形，因此h c 轧机自1 9 7 2 年以后得到了较快的发展。 h c 轧机的出现从理论上纠正了一个错误观念，即认为支撑辊的挠度决定于工作辊的 挠度，因而为了提高其弯曲刚度，便不断增大支撑辊直径。但实际上尽管支撑辊很大且 有快速弯辊装置，其板平直度仍然不理想。而且理论与实践表明：工作辊的挠曲一般大 于支撑辊的挠曲达数倍之多。其原因一方面是由于工作辊与支撑辊之间以及工作辊与被 轧板带之间的不均匀接触变形，使工作辊产生附加弯曲；另一方面则由于轧辊之间的接 触长度大于板宽，因而位于板宽之外的辊间接触段，即图卜3 中所指出的有害接触部分 使工作辊受到悬臂弯曲力而产生附加挠曲。基于这种分析和对轧机的总体弹性变形分布 的研究，创造出h c 轧机。由图1 - 5 口3 所示，由于消除了辊间的有害接触部分而使工作辊 挠曲得以大大减轻或消除，同时以使液压弯辊装置能有效的发挥控制板形的作用。这是 h c 轧机技术中心之所在，是板带轧机设计思想的一大进步h 1 。 畏 图1 5h c 轧机辊系示意图 f i g 1 - 5r o l ls y s t e mc h a r to fh cr o l l i n gm i l l h c 轧机的结构特点是中间辊的轴向窜动，因而具有优异的凸度控制能力，经过不断 的发展和完善，形成移动中间辊、工作辊及配合正负弯辊的h c m 、h c w 、h c m w 、u c 等系 列轧机，使其不仅用于冷轧，而且用于热轧；不仅用于普碳钢，而且用于不锈钢、硅钢 及有色金属等，是目前世界上应用较广且效果较好的一类轧机。 但是有实验证明，h c 轧机的辊间压力峰值非常高，而h c 轧机的抽动正是为了消除 “有害接触区”，因而辊间接触弧长度必然缩短，同时接触压力呈三角形分布，致使抽 动辊端部接触产生较大的接触压力尖峰，其数值将比常规四辊轧机增大3 0 1 0 0 ( 取 决于抽动辊端部设计的合理性) ，因而将加速支持辊的剥落和增大辊耗，或要求采用抗 剥落性能更高的支持辊材质。这也是h c 轧机的一个局限性晦1 。 4 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 异步车l $ 1 l 的发展及展望 所谓异步轧制，即两个工作辊表面线速度不等，有意造成一个适当的速度差的轧制 方法。由于两个工作辊的线速度不同，轧制时变形区金属质点的流动规律和应力分布 均有别于同步轧制。当异步轧制时，慢速辊侧的中性点向变形区入口侧移动，快速辊中 性点向变形区出口侧移动，当慢速辊中性点移至入口处，快速辊中性点移至出口处时， 使变形区上f 表面的摩擦力方向相反，形成所谓的“搓轧区”，此种状态称为“全异步 轧制”。斟为搓轧区的存在使得异步轧制降低轧制压力成为可能。当中性点受某些条件 的限制不能移到出、人口时，变形区可能出现后滑区和前滑区，这样，变形区就有可能 由后滑区和搓轧区二者组成，也可能由后滑区、搓轧区、前滑区三者组成。 ： ( ) ( b ) 图i - 6 变形区状态示意网 ( a ) 山后精区及捞轧区组成( b ) 由后滑区、搓轧区和前滑区组成 f i g1 - 6t h ec h a r to f d e f o r m i n gz o n ec o n d i t i o n 纽) s l i p p a g eo n t h ee n t r ys l i d e z o d o a n d t w i s t r o l l i n g z o n e m a k e u p f h ed e f o r m i n g z o n e ( c ) s l i p p a g eo nt h ed e l i v e r ys l i d ez o n e ，s l i p p a g eo nt h ee n t r ys l i d ez o n e ，a n dt w i s tr o l l i n g z o n em a k e u p t h ed e f o r m i n gz o n e 异步t l $ , j 是为了降低板带轧制压力，提高加工效率而发展起来的一种新的压力加工 技术。与常规轧制相比有着突出的特点： i 、轧制精度高： 2 、轧薄能力强( d h 2 0 0 0 ) ： 3 、不裂边，板形好； 4 、道次变形量大； 5 、适合生产难变形金属，如硅钢、不锈钢、工具钢及各种合金等极薄带； 6 、_ j 代替片辊轧机，用普通四辊轧机即可生产0 ，1 以下的极薄带，且厚度波动小于 6 、可代替廿辊轧机，用普通四辊轧机即可生产0 1 以下的极薄带，且厚度波动小丁 + 00 0 3 5 。 5 东北大学硕士学位论文第一章绪论 白异步轧制技术出现以来，许多学者都对异步轧制技术进行了多方面的研究。尤其 是异步轧制的轧薄能力，由于异步轧制时有搓轧区存在，使轧制压力显著降低后，异步 轧制可以获得比同步轧制更大的道次压下量或道次延伸系数，使异步轧制能进行大压下 轧制，增强异步轧制的轧薄能力。东北大学的学者曾作过大量的研究工作，并通过实验 得出d i h 的值可达2 5 0 0 0 以上。长期以来，许多学者都研究过所谓的最小可轧厚度问题， 并认为当轧件产生塑性变形所需的平均单位压力小于或等于轧辊所能提供的平均单位 压力时轧件就不能产生塑性变形了。d m 斯通还导出了最小可轧厚度公式，公式如下： 。 3 5 8 ( 【一q ) f d m i n2 了一 其中：k 一轧件的平面变形抗力； g 一平均张应力； 厂一摩擦系数； d 一轧辊直径； e 一轧辊的弹性模量。 还有学者利用西齐柯客公式与斯通公式联立也推出了最小可轧厚度公式，公式如下： h m i 。= 3 0 8 8 f o r k 其中：c 一系数，m m 2i n ，c = 8 ( 1 7 , 2 ) lz r e ，其中y ，e 分别为轧辊材料的泊松比和弹性 模量； 厂一摩擦系数； 尺一轧辊的平均半径； k 一考虑张力影响的平均变形抗力，m p a ，k = 1 1 5 0 s q ，其中吒一屈服强度， m p a ，q 一平均张应力，m p a 。 通过公式得出的d i h = 1 5 0 0 2 0 0 0 ，即当d ih 值达到1 5 0 0 - - 2 0 0 0 就已经达到所谓 的最小可轧厚度了，这显然明显低于异步轧制时的d i h 值。因此异步轧制的轧薄能力远 超过同步轧制的轧薄能力。 因此，可知异步轧制是一种生产高精度极薄带材的可行性技术。 1 2 1 异步轧制技术的发展 自四十年代初，前苏联和德国开始对异步轧制技术开展研究以来，已经有半个多世 纪，该工艺在世界范围内被广泛的研究和应用，取得了迅速的发展。利用异步轧制原理， 前苏联设计制造了p v 轧机、i p v 轧机、n c m 轧机。它标志着异步轧制这门新技术成熟并 应用于工业生产，在冶金生产中确立了它的地位。 我国在上世纪六十年代开始了该项技术的研究，并取得了一批科研成果。东北大 东北大学硕士学位论文第一章绪论 学、鞍钢等单位分别试制成功了廿辊异步轧机、异步恒延伸轧机、异步单机连轧机等订卜 9 o 二十世纪六十年代初，美国学者设计了一种c b s 轧机，其轧制原理如图1 - 7 所示， c b s 轧制是由两个具有异速比的工作辊及其一侧设置的一个游动小径轧辊构成。当薄板 坯受后张力的作用，绕经低速辊进入轧制状态，头道是低速辊与游动小径轧辊之间的轧 制，其后，板坯绕经高速辊在前张力作用下结束轧制。理想的c b s 轧制状态是板坯与 轧辊之间无滑移，在“二道次连轧”过程中，中性面可分别与进口与出口相对应，构成 以浮动辊为中心的p v 轧制条件。压下量由异速比决定，其关系式为a h = h ( 1 一m ) ， 而不是以调整辊缝为主。尽管c b s 轧法有突出的优点，但也有很大的弱点，即操作不 稳定，穿带困难，浮动辊难于控制等，没能用于生产。 - l v ， 图1 7c - b - s 轧机示意图 f i g 1 7t h ec h a r to fc - b - sr o l l i n gm i l l 英国学者设计了s 轧机，s 轧机的形式与c b s 轧机的结构、原理基本相同，如图卜8 所示。 图1 8s 轧机示意图 f i g 1 - 8t h ec h a r to f sr o l l i n gm i l l s 轧机只比c - b s 轧机多了一个支撑辊和一个浮动辊，增加了浮动辊的稳定性，使 轧机运转平稳。s 轧机在试验中也获得了降低轧制压力、压下量对辊缝不敏感和由速度 差决定延伸率等效果。因而认为s 轧机适于轧制高强度带材。s 轧机与c b s 轧机相比有 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 了一定的进步，收到了一定的效果，但仍然没有克服c b s 轧机的穿带困难、浮动辊难于 控制等弱点，故只停留在实验室阶段。然而c b s 轧机与s 轧机的原理却给轧钢工作者们 提供了启示。 二十世纪六十年代末期，前苏联学者研究成功“n b ”轧制法。在异步轧制研究上 获得重大突破，并取得专利。曾在苏联杂志上发表关于“n b ”法的论文，论述了“n b ” 法的理论与试验结果分析。“n b 轧制法如图i - 9 所示。 图i - 9 “r i b ”轧机示意图 f i g i - 9t h ec h a r to f l i b r o l l i n gm i l l “丌b ”法的基本原理： l 、两工作辊有一定的表面速差配比，带钢包在轧辊上，前后施加张力，保证带钢 与轧辊不打滑，带材的入口速度等于慢速辊速度，出口速度等于快速辊速度。根据体积 不变，秒流量相等的原则，可知速比就等于延伸率； 2 、在变形区内，中性点位置与对称轧制有显著区别，对于慢速辊来说，中性点在 入口接触点上，对于快速辊来说，中性点在出口接触点上，由此变形区沿接触弧上带材 上下接触面所受的摩擦力方向相反，出现搓轧区，使轧制压力和能耗降低。 前苏联学者还提出了“压下不敏感区”的概念，即在这个区域内，改变压下螺丝的 位置，延伸率保持不变。造成“不敏感区”的原因在于包辊轧制，这时带材与轧辊之间 产生的静摩擦力在带钢中产生张力，当压下螺丝位置改变时，虽然轧制压力改变，但由 于摩擦力自动补偿，从而使延伸保持恒定，始终等于速比。由于“压下不敏感区 的存 在可以成倍的降低轧制压力。 “nb ”法的优点： 1 、可以降低轧制压力和能耗，减少带材纵向厚度差，改善板带几何形状，提高了 产品尺寸精度； 2 、减少轧制道次，提高轧钢生产率，降低产品成本； 3 、简化了自动控制系统； r 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 4 、提高轧辊寿命； 5 、在普通轧机上提供了轧制高强度钢与合金的能力。 但“n b ”法也有不足：由于包辊轧制，轧辊冷却润滑有一定的问题，由于带材和 轧辊之间的静摩擦力尽管很大，但仍有限，故轧制较厚的带钢，大延伸时，带材与轧辊 的打滑现象不可避免，因此“n b ”法只能用于平整及轧制薄带，没有在大生产中应用。 在前苏联还有人用不等直径轧辊建立速度差来实现异步轧制，在轧制有色金属及合 金过程中收到降低轧制压力，减少轧程等效果。通过试验指出：由于采用不同直径的轧 辊，随着轧辊直径相对差，变形区形状系数和屈服极限的增加，降低轧制力能参数的效 果越明掘。 自从“nb ，法发表以后，引起了世界各国学者的广泛注意。 1 9 7 9 年西德马克思谱朗克钢铁研究院，对异步轧制的新工艺从理论和实践上作了系 统深入的研究，并在金属学会冷轧组年会上发表两篇文章。文章指出“n b ”j 4 ；l 制法由 于在变形区内两个轧辊接触弧上的摩擦力方向相反，其水平分量代数和为零，因而必须 有足够的前张力才能与压力的水平分力相平衡。同时认为没有摩擦阻力，变形区内轧件 呈拉应力状态。因而有利于变形和降低- n 压力，他们对包辊轧制的“1 1 b ”轧制法与 对称轧制做了大量的对比试验研究。 1 9 7 8 年日本石川岛播磨公司引进苏联的“nb ”异步轧制技术，在此基础上又研究 了“i p v ”异步轧制法，如图i - 1 0 所示。所谓“i p v 法，即拉直异步轧制，上下工作 辊仍给予线速度差并施加前后张力。调节张力使中性点控制在辊缝内，使速比近似等于 延伸率，这样仍可保持变形区内的有利的力学状态。 通过试验研究提出选择速比的几条原则： l 、轧制设备所能承受的能力，力矩大小； 2 、选用工艺上所能允许的张力，把中性点固定在辊缝内，使带钢入口速度近似 等于慢速辊速度，出口速度近似等于快速辊速度； 3 、控制板型最佳的轧制压力等。 迄今为止，日本还在深入研究“i p v 轧制的理论。对异步s l n 的力能参数计算， 单位压力公式推导等做了许多工作，目前试验已经获得降低轧制压力、减少轧制道次、 省去中间退火、提高产品尺寸精度及表面光洁度等效果。 国内有关异步s l n 的发展： 六十年代，汤富麟教授与鞍钢冷轧带钢厂协作，开始研究异步单机架连轧机，1 9 6 6 年研制成功一台单机架五辊异步连轧机，如图1 11 所示，投入了生产，收到了良好的 效果。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 图1 1 0 “i p v ”轧机示意图 f i g 1 - 10t h ec h a r to f “i p v r o l l i n gm i l l 图1 1l 异步单机架连轧机示意图 f i g 。1 - llt h ec h a r to fa s y n c h r o n o u ss i n g l ef r a m e w o r kt a n d e mm i l l 主要特点： 1 、在一台异步轧机上进行多道次轧制，可以大幅度降低轧制压力，与对称轧制相 比在相同变形下压力可降低4 8 ； 2 、提出了中性角的计算方法； 3 、异步轧制力矩比对称轧制力矩低； 4 、异步连轧对轧制薄规格产品有利，单机架四辊异步轧机一个轧程三道次可将 0 5 m m 厚原料一次轧成0 0 5 r a m ，总延伸率达1 0 ，在辊身长3 5 0 m m 五辊异步连轧机上一次 可将2 5 m m 厚带钢轧成0 5 m m ，这是对称 l s u 不可比拟的；异步轧制产品尺寸精度比对 称轧制高，表面光洁度高。 上海第四冷轧带钢厂从1 9 7 1 年开始研制六辊异步连轧机，到1 9 7 6 年试投产，此轧 机的特点：一次轧两道，一道为对称轧制，一道为异步轧制( 靠直流电机调节速度差) 。 试验结果表明：这种轧机的压下量大，轧普碳钢压下率可达7 0 以上，降低轧制压力和 能耗三分之一以上。 北京钢铁研究院吴隆华，张芝香工程师1 9 7 4 年与广州第三轧钢厂和北京第三轧钢 10 东北大学硕士学位论文第一章绪论 厂合作在二辊平整机上采用“丌b 法( 靠大小辊径形成速度差) 进行试验。两地试验均 得到：- 车l $ 0 压力低，压下出现“压下不敏感区”，延伸恒定且等于速比，产品尺寸精度 高，机械性能良好等效果，结果与苏联学者的试验相符。同时吴隆华工程师还对如何建 立异步轧制及轧制力能参数计算进行了研究，推导出了单位压力公式。 东北大学朱泉教授所领导的科研组从1 9 7 8 年以来在异步轧制的理论和实践上做了 大量的1 ：作，取得了可喜的成果，工作中有了重大的突破。在普通的c p 9 0 2 0 0 2 0 0 四 辊轧机上研究了取消包辊拉直带钢的异步车l n 法的变形规律和异步车l n 超薄带的工艺 及理论。1 9 7 8 年推导出比较精确的单位压力公式。1 9 8 0 年在钢铁杂志上发表了试 验成果，论述了实现异步轧制的方法并得出了几点结论： l 、异步轧制与对称轧制比较可以明显的降低轧制压力，其降低幅度取决于外摩擦 对轧制压力的影响大小，异步轧制可以消除外摩擦对轧制压力的影响； 2 、取消包辊拉直实现异步轧制的最佳条件是延伸率等于速比，慢速辊前滑值等于 延伸率减去1 ，而后者的实现需要有足够的前张力； 3 、异步车l n 必须有足够的前张力才能保证轧制稳定性，避免出现扣滑振动现象。 综上所述，异步轧制，由于两个工作辊表面线速度不同，变形区内摩擦力异向，有 降低轧制压力的显著优点，因此世界各国都积极的探讨这一轧制技术，力图寻找一个高 效的轧钢生产工艺，纵观各国学者研究异步轧制的动态，建立异步轧制方式大体有三种， 各有其特点和不足： 其一是“兀b 法，此种方法的特点是包辊异步轧制，由于包辊，张力可以自调节， 轧制压力可降低到零，延伸率在一定的范围内可以保持恒定。缺点是只能用于平整，不 能建立大延伸车l n 及轧辊润滑冷却困难，西德及北京钢铁学院所做的异步轧制基本属于 此种方法； 其_ ：_ j 是汤富麟工程师及上海第四冷轧带钢厂做的异步连轧，此种异步轧制的特点 是单机架多道次连轧，可以获得大延伸，降低轧制压力，但无恒延伸特性。缺点是穿带 困难，操作复杂； 其三是朱泉教授的科研组做的异步c l n 与日本研究的“i p v 法，特点是取消包辊， 拉直带钢在普通四辊轧机上建立异步车l n ，此种轧法工艺简单，可获得降低轧制压力， 大延伸轧制等效果，并能广泛应用于带钢大生产。 近年来出现了一种新的轧机，即异步恒延伸轧机，如图1 一1 2 所示。异步恒延伸轧 制是生产高精度薄带材的好方法，它设备简单，投资少，见效快，特别适合生产0 2 5 0 0 5 m m 厚，偏差在0 0 0 3 m m 之内的高精度带材，尤其适合c l n 难变形盒属。由于异步 恒延伸轧制具有不受轧机精度及工艺因素波动的影响、能够保持延伸系数稳定、可以在 普通四辊轧机上生产高精度带材的优异特性，因此已引起广泛注意。异步恒延伸轧机前 后的“s ”辊为主传动，前后“s ”辊的速比等于延伸。采用这种轧机保留异步轧制的降 低轧制压力的效果，提高轧制效率，同时提高牟l n 精度，减少轧制道次，中间退火次数 1 1 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 以及由此带来的附加能耗。异步恒延伸轧制还克服了“n b 法不能大延伸轧制，穿带 困难的缺点。因而易于在现存的冷轧机上推广口俨站1 。同时也存在一定的问题，通过实验 知道，当一个轧程中如果总变形量过大，带材常出现“瓦形”，因此还有待进一步改进。 图卜1 2 异步恒延伸轧机示意图 f i g 1 12t h ec h a r to fa s y n c h r o n o u sc o n s t a n te x t e n s i o nr o l l i n gm i l l 1 2 2 异步轧制技术的展望 一九九零年东北大学为天津市带钢厂设计制造了一台0 1 2 0 0 3 2 0x3 0 0 m m 的异步 轧机，可以生产0 0 6 m m 的极薄带材，目前该轧机仍运行正常。 自九九五年后，有研究人员利用异步轧制技术轧制了难变形金属一硅钢，实验 表明，通过异步轧制的硅钢，其磁性能显著提高。 所以可以看出，异步轧制技术具有一定的应用性，在未来的日子里，异步轧制技 术一定能够得到更广泛的应用。 1 3 研究目标 h c 轧机是高性能板形控制轧机的简称，它的突出特点是能够显著提高带材的平直 度，能较好的控制板形，但轧薄能力上受到最小可轧厚度的限制，也即受到轧辊直径的 限制；异步轧制技术具有极强的轧薄能力，但板形控制能力不如h c 轧机，如果能将二者 结合起来，既能提高轧机的轧薄能力，又可以很好的控制板形，则可以创造出一代新型 轧机。 为此带着这个目的，在h c 轧机上应用异步轧制进行实验，并配合了h c $ l 机的中间辊 横移特性，来研究在这种状态下的轧机的板形控制特性及轧薄能力。 1 4 主要研究内容 本文所要研究的内容主要有以下几个方面： 1 2 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 、建立六辊轧机轧辊弹性变形理论模型： 2 、应用所建立的h c 轧机弹性变形理论模型研究h c 轧机在异步轧制与中间辊横移 共同作用时的板形控制特性； 3 、推导异步轧制的轧制力计算公式； 4 、编制v c + + 计算程序，对轧制过程进行模拟分析。 1 3 。 东北大学硕士学位论文第二章轧制实验及实验数据处理 第二章轧制实验及实验数据处理 本次实验的目的就是要将六辊h c 轧机与异步轧制相结合，充分发挥h c 轧机和异步 轧制的优势，达到提高轧薄能力、提高产品板形质量、扩大产品规格范围、节约能耗、 增长效益的目的。 2 1 实验方案 2 1 1 实验装置 实验装置：轧机：六辊轧机一架； 规格：支撑辊直径2 6 0 m m ； 中间辊直径：1 4 0 m m ； 工作辊直径：1 2 5 m m ； 进行异步轧制时，其异径的工作辊为：1 3 5 m m 和1 2 5 m m ； 异步速比：1 0 8 ； 轧机的允许最大轧制压力1 6 0 吨； 主电机：型号：z d 。1 3 1 1 b ； 功率：1 6 0 k w ； 4 4 0 v ，4 0 8 a ； 转数：4 0 0 1 2 0 0 ； 转动惯量：2 0 4 k g m 2 ； 卷取机电机：型号：z d 2 4 2 3 3 0 ； 功率：7 5 k w ； 4 4 0 v , 1 9 7 a ； 工作制度：s 1 ； 转数：3 2 0 1 2 0 0 ； 所有电机均为直流电机； 允许的最大张力为：3 吨； 允许的最大轧制速度：2 5 m s 。 2 1 2 轧制工艺及测量方法 在轧制过程中通过记录仪表中的数据，记录轧制压力、张力、厚度等参数； 1 4 东北大学硕士学位论文 第二章轧制实验及实验数据处理 式； 轧制时的传动方式采用单辊传动，传动工作辊； 润滑方式也会影响板形及厚度精度。此次实验中采用无润滑及乳化液润滑两种方 中间辊横移量：8 0 m m ； 试料： q 1 9 5 钢带，2 0 2 3 0 m m ，退火状态。 轧制工艺参数如表2 1 所示： 表2 1 轧制工艺参数 t a b l e2 1p a r a m e t e r so f r o l l i n gp r o c e s s 2 2 实验数据 根据现场实验记录，实验数据如表2 。2 所示。 2 3 实验数据处理 为了测试轧制后带材的板形，将轧后带材在圆盘剪上纵切成5 5 m m 宽的4 条窄条， 从左至右的分别命名为第一条钢带、第二条钢带、第三条钢带及第四条钢带，以4 0 c m 为单位划点测量。然后对钢带在长度方向上的厚度进行测量，进而观察和计算带钢的板 形质量，不同厚度带材的测量结果如表2 3 、2 4 、2 5 所示。 。1 5 。 东北大学硕士学位论文第二章轧制实验及实验数据处理 表2 - 2 现场记录实验数据 t a b l e2 - 2e x p e r i m e n t a ld a t ao fr e c o r do ns p o t 道次123456 h ( m m ) 2 01 40 8 60 5 50 3 50 1 9 h ( m m ) 1 40 8 6 60 5 5o 3 50 1 9o 1 0 h ( m m l 0 60 5 3 4o 3 l0 2 00 1 60 0 9 主电机电流( a )1 4 7 2 4 2 1 7 71 6 31 2 61 1 0 卷取机前卷取机6 2 6 1 5 65 23 74 3 电流(