（材料加工工程专业论文）工作辊边部接触条件下的异步轧制的模拟及实验研究.pdf

东北大学硕士学位论文 摘要 摘要 薄带被广泛地应用于电子和仪器仪表等工业。随着科技的发展，用户对薄带 产品的需求量逐步增加，对其质量的要求也越来越高。因此，如何改善板形及提 高尺寸精度成为钢铁企业及研究者所关心的问题。由于冷轧产品具有尺寸精确， 表面光滑等优点，薄带多采用冷轧的方法来生产。但是由于现代g l n 理论中的“最 小可轧厚度”的限制，当薄带厚度达到某一定值后，即使增加压力，轧件也不可 能再变薄。因此引入了异步轧制的新技术。在四辊轧机上，利用异步轧制的方法 成功打破了“最小可轧厚度 的限制，可将轧件进一步轧薄，并且显著降低了轧 制压力。在国内许多中小企业，四辊轧机上都还没有安装液压弯辊系统，因此， 在g l n 薄带时，工作辊的边部就会发生接触压扁，在这种情况下的轧辊的力学模 型及轧件的变形都发生了很大的改变，尤其是在异步轧制的条件下。可是目前为 止，对此问题还没有系统深入的研究，因此工作辊边部接触条件下的薄带冷轧成 为一个新的课题。 本文利用修正的影响函数建立了工作辊边部接触条件下轧辊的力学及变形 模型，计算了由于弯曲力与剪切力引起工作辊与支撑辊的变形；计算了由于工作 辊与支撑辊及轧件间的弹性压扁引起变形；描述了工作辊与支撑辊、工作辊与轧 件、上下工作辊之间的变形协调关系。本论文采用迭代算法计算轧辊的变形及板 形。根据构建计算框图，编写c 语言程序，得到模拟结果。根据模拟结果分析工 作辊边部接触对轧制压力、辊间接触压力及板形的影响；轧件宽度对轧制压力、 辊间接触压力及板形的影响；工作辊及轧辊间的横向摩擦系数对板形的影响；在 异步轧制的情况下，上下工作辊的速度比及半径比对轧制压力、辊问压力、板凸 度、搓轧区长度及工作辊边部接触长度的影响。同时，也探讨了轧件与上下工作 辊的摩擦系数的比及压下率对板凸度的影响。 本文还设计了工作辊边部接触条件下的薄带的异步轧制实验。通过整理实验 数据，分析了压下率和润滑条件对轧制压力及轧制力矩的影响；轧件宽度和轧制 速度对轧制压力及g l n 力矩的影响等。 对比模拟及实验数据，总结规律，得出各轧制参数对轧制压力及板形的影响 规律，从而为优化轧制工艺参数提供依据。 关键词：冷轧；薄带；工作辊边部接触；修正的影响函数；板形；板凸度； 异步轧制 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t a bs t r a c t t h i ns t r i pi sw i d e l yu s e di nt h ee l e c t r o n i ca n di n s t r u m e n ti n d u s t r i e s w l t ht h er a p i d d e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , t h i ns t r i ph a sb e e nf i n d i n gm o r ea n dm o r ea p p l i c a t i o n si n i n d u s t r ya n dd e m a n d i n gb e t t e ra n db e t t e rq u a l i t y a sar e s u l t , as o l u t i o no nh o w 幻i m p r o v et h es t r i p s h a p ea n df l a t n e s s ，a n dd i m e n s i o n a la c c u r a c yh a sa l w a y sb e e no fm a j o ri n t e r e s tt ot h es t e e l m a n u f a c t u r e r sa n dr e s e a r c h e r s c o l d - r o l l i n gi s u s u a l l yu s e dt o p r o d u c e t h i n s t r i pb e c a u s e c o l d r o l l e dp r o d u c t sh a v eh i g hd i m e n s i o n a la c c u r a c ya n ds m o o t hs u r f a c e a c c o r d i n gt ot h e t h e o r y o fm i n i m u mt h i c k n e s so fs t r i p ”，t h i ns t r i pc a nn o tb er o l l e dt h i n n e rw h e nt h i c k n e s si sl e s st h a na c e r t a i nv a l u e ，a l t h o u g hr o l l i n gp r e s s u r ei s i n c r e a s e d t h e r e f o r e ，a s y m m e t r i c a lr o l l i n gs k i l l i s i n t r o d u c e dt or o l lt h i i ls t r i pt h i n n e rw i t hf o u r - h i g hm i l la n dt h er o l l i n gp r e s s u r ei sd e c r e a s e d n s o m ec o l dr o l l i n gm i l l s ，w h e nt h i ns t r i pi sr o l l e da n dt h e r ei sn ow o r kr o l lb e n d i n gs y s t e ma p p l i e d ， i th a sf o u n dt h a tt h ee d g e so ft h ew o r kr o i l st o u c ha n dd e f o r m w o r kr o l le d g ec o n t a c tf o r m san e w d e f o r m a t i o nf e a t u r e ，e s p e c i a l l yf o rt h ea s y m m e t r i c a lr o l l i n go fs t r i p i nt h i sc a s e ，t h em o d e lo f d e f o r m a t i o nm e c h a n i c si ss i g n i f i c a n t l yd i f f e r e n tf r o mt h et r a d i t i o n a la n a l y s i so fs t r i pr o l l i n g h o w e v e gu pt on o wd e t a i l e dr e s u l t sh a v en o tb e e nr e p o r t e d t h e r e f o r e ，c o l d - r o l l e dt h i ns t r i pw i t h w o r kr o l le d g e sc o n t a c ti san e wt o p i c i nt h i ss t u d y , am o d i f i e di n f l u e n c ef u n c t i o nm e t h o dh a sb e e nd e v e l o p e dt os e t u pt h em o d e lo f d e f o r m a t i o nm e c h a n i c sa n ds i m u l a t et h i ss p e c i a lr o l l i n gp r o c e s s t h ep r o f i l eo ft h ed e f o r m e dw o r k r o l la n db a c k u pr o l la r eo b t a i n e db yc a l c u l a t i n gt h er o l ld e f l e c t i o n sd u et ot h eb e n d i n ga n ds h e a r f o r c e l o c a ld e f o r m a t i o n sd u et ot h ef l a t t e n i n gi nt h ec o n t a c tr e g i o nb e t w e e nt h ew o r kr o l la n d b a c k u pr o l l , b e t w e e nt h ew o r kr o l la n ds t r i p ，a n db e t w e e nt h eu p p e ra n dl o w e rw o r kr o l l sa r ea d d e d t ot h er o l ld e f l e c t i o n s i ti sa l s od e s c r i b e dt h a tt h ec o m p a t i b i l i t yf o rc o n t a c to fw o r kr o l la n db a c k u p r o l l ，w o r kr o l la n ds t r i p ，u p p e ra n dl o w e rw o r kr o l l s t h ei t e r a t i v em e t h o dw a su s e dt oc a l c u l a t et h e r o l ld e f o r m a t i o na n ds t r i ps h a p e t h ecp l u sp r o g r a mi sc o m p o s e da c c o r d i n gt ot h ef l o wc h a r tf o r c a l c u l a t i o no fr o l ld e f o r m a t i o n s i m u l a t i o nr e s u l t sa r eo b t a i n e db a s e do nt h ec a l c u l a t i o nc o n d i t i o n s t h ee f f e c to fw o r kr o l le d g ec o n t a c ta n ds 埘pw i d t ho ns p e c i f i cf o r c e ss u c ha sr o l l i n gf o r c e ， i n t e r m e d i a t ef o r c ea n de d g ec o n t a c tf o r c e ，l e n g t ho fe d g ec o n t a c ts h a p ea n dp r o f i l eo ft h et h i ns t r i p i sd i s c u s s e d t h ee f f e c to ft r a n s v e r s ef r i c t i o nv a r i a t i o no nt h es h a p ea n dp r o f i l eo fs t r i pi sa l s o c o n s i d e r e d u n d e rt h ec o n d i t i o no fa s y m m e t r i c a lr o l l i n g , t h ec a l c u l a t e dr o l l i n gf o r c e ，c r o w no ft h e r o l l e dt r i p ，t h el e n g t ho fc r o s ss h e a rr e g i o na n dt h ee d g ec o n t a c tl e n g t ha r ec o m p a r e df o rd i f f e r e n t s p e e dr a t i oa n dr a d i ir a t i oo fu p p e ra n dd o w nw o r kr o l l t h ee f f e c t so fr e d u c t i o na n df r i c t i o no n c r o w no f t h er o l l e ds t r i pa r ea l s od i s c u s s e d i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t a ne x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o ni sc a r r i e do u tt oo b t a i nt h ee x p e r i m e n t a ld a t a t h ee f f e c t so f r e d u c t i o n ，r o l l i n gs p e e d ，s t r i pw i d t ha n dl u b r i c a t i o no nt h er o l l i n gf o r c ea n dt o r q u ea r es t u d i e d d u r i n ga s y m m e t r i c a lr o l l i n go f t h i ns t 邱w i t hw o r kr o l le d g ec o n t a c t w i t hac o m p a r i s o no f e x p e r i m e n t a la n ds i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h ee f f e c to f r o l l i n gp a r a m e t e r so n r o l l i n gf o r c ea n ds 悄ps h a p ei so b h g n e d ，w m c hi sv e r yu s e f u lt 0o p t i m i z et h er o i l i n gp a r a m e t e r sf o r t h i sr o l l i n gp r o c e s s k e y w o r d s ：c o l dr o l l i n g ；t h i ns t r i p ；w o r kr o l le d g ec o n t a c t ；m o d i f i e di n f l u e n c ef u n c t i o nm e t h o d ； s h a p ea n dp r o f i l e ；c r o w no f s t r i p ；a s y m m e t r i c a lr o i l i n g 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，不包含其他人己经发表 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。 学位论文作者签名：桶剁楠 日期：；o ob , 2 2 0 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： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文引言 引言 轧制是钢铁工业中重要的工艺过程，也是金属压力加工中最主要的方法。轧 制过程具有生产率高、品种多、质量好、生产过程易连续化和自动化等优点。因 此，有8 5 9 0 以上的钢材是用轧制方法生产的。轧制过程又可分为热轧和冷轧过 程。由于冷轧产品具有尺寸精确，表面光滑等优点，因此冷轧经常用来轧制薄带。 随着现代化技术的迅速发展，薄带已经被广泛的应用于工业中。因此，冷轧 薄带的生产技术成为钢铁企业和研究人员越来越关心的问题。但是，随着实际工 业生产中所需的薄带的厚度减薄，由于现代轧制理论中的最小可轧厚度的限制， 一般的轧机已经不能生产出更薄的板带。因此，引入了多辊冷轧机，如十二辊轧 机，二十辊轧机以及三十六辊轧机。但是由于多辊轧机结构系统复杂，轧辊之间 的配合精度也高，一些研究者利用异步轧制技术，使用普通的四辊轧机来实现极 薄带材的生产。同时，为了改善薄板的板形和板带的尺寸精度，在轧机上安装了 轧辊横移及弯辊装置等系统。 但是，在国内许多中小钢铁企业的老式轧机上，并没有安装弯辊系统；而且， 即使轧辊安装了弯辊系统，有时弯辊系统也会出现问题。在这种条件下，当使用 四辊轧机生产极薄带材时，在带材的宽度范围之外，工作辊的边部会发生接触变 形，从而形成新的轧制变形特征。同时，轧辊的弹性变形也影响了板带的板形及 表面粗糙度和平直度。 本课题要研究的问题是，在工作辊边缘接触时的异步轧制条件下：建立新的 变形力学模型；用c 语言编写程序，计算在工作辊边缘接触时的轧辊的变形及受力， 并利用模拟结果分析各参数对轧制力及板形的影响；利用h i l l e1 0 0 的实验轧机，设 计实验，并利用测得的实验结果分析各参数对轧制力及板形的影响；对比模拟及 实验结果，优化轧制工艺参数。 东北大学硕士学位论文第一章文献综述 1 1 轧钢生产 1 1 1 轧钢生产概述 第一章文献综述 众所周知，钢铁的用途十分广阔，在国民经济中所起的作用极为重要。可以 说，钢铁生产的水平是衡量一个国家工业、农业、国防和科学技术四个现代化水 平的重要标志。在钢的生产总量中，除少部分采用铸造及锻造等方法直接制成器 件以外，其余约占9 0 以上的钢都须经过轧制成材。一些钢材虽非直接由轧钢车 间生产，但亦须由轧钢车间提供坯料。因此，在现代钢铁联合企业里，作为钢材 生产最后一个环节的轧钢生产，在国民经济中占据极其重要的地位。 在世界范围内，钢铁的需求量很大。而钢铁材料制品的生产方式，最主要的 是轧制。因为轧制法生产效率高，产品种类多，生产成本低，适合于大规模生产。 随着生产的发展，科学技术的进步，轧制技术也在不断发展和进步。总的看来， 其发展的主要趋向和特点有以下几个方面【l 一。 ( 1 ) 生产过程缩短、紧凑。炼钢与轧钢的衔接形成连铸连轧。与传统的铸锭、 开坯、轧材相比，生产周期短、工序少、能耗及其他消耗小。生产过程的综合形 成了紧凑式短流程生产车间。 ( 2 ) 新技术越来越多地应用于轧钢生产。计算机控制、液压技术、板形控制、 控轧控冷等技术使轧制过程向最佳化，轧制产品向最优化发展。 ( 3 ) 塑性加工基础理论的发展使轧制过程模型化。建立各种生产条件下的轧 制数学模型、综合力学模型，利用计算机控制生产过程，使工艺技术向工程科学 迈进。 ( 4 ) 利用最优化技术确定最佳参数和工艺制度，优化生产过程。以便优质、 高产、低消耗、低成本地生产各种钢材。 ( 5 ) 新技术和新工艺的应用，使轧制产品的质量、性能提高，满足了使用上 越来越高的要求。 现代的轧制产品，对实物质量要求越来越高，市场竞争也十分激烈。因此高 质量、高产量、低成本地生产各类钢材，以及开发新的产品以满足国民经济各个 部门的需求，成为钢铁企业追求的目标。 东北大学硕士学位论文第一章文献综述 1 1 2 轧钢生产系统 在钢铁联合企业，由于轧制产品的种类多，各类轧制产品的加工方法也不尽 相同，所以生产各种轧制产品的轧机必须组成各种专门生产系统。 传统轧制产品的生产方法，是由炼钢车间浇铸的钢锭，经初轧机( 或开坯机) 轧制成各种规格的钢坯，然后再通过成品轧机轧制成各种钢材。近几十年来由于 连续铸钢技术的发展，连铸坯的产量在大幅度增加。炼出来的钢水通过连铸机直 接浇铸成各种规格的连铸坯，然后再将连铸坯轧制成各种钢材。这种方法省去了 铸锭、初轧等许多工序，简化了生产工艺过程，而且有节约金属、提高成材率、 节约能耗、降低生产成本、改善劳动条件、提高劳动生产率等一系列优点，所以 各国都在大力的发展连铸。连铸坯的发展为简化轧钢生产系统提供了有利的条件 【l ，2 】 j o 轧钢生产系统是依据原料来源、产品种类和生产规模不同，将初轧机或连铸 机或各种成品轧机配套设置，形成在原料规格和生产能力上供求平衡的生产流程。 按生产规模可分为大型、中型和小型生产系统；按产品种类可分为板带钢、 型钢、合金钢和混合生产系统。 板带钢生产系统：由板坯初轧机将特大钢锭轧成板坯，然后再由钢板轧机轧 成中厚板或热带钢。也可由连铸机铸成板坯后再轧制成中厚板或热带钢。该生产 系统年产量较高。 ， 板带钢是应用最广泛的钢材，各工业先进国家多在5 0 6 0 以上，美国达6 6 以上，板带钢按制造方法可分为热轧板带和冷轧板带；按用途可分为锅炉板、桥 梁板、造船板、汽车板、镀锡板、电工钢板等：按产品厚度一般分为：1 ) 厚板： 厚4 - 5 0 0 m m 或以上，宽至5 0 0 0 m m ，长2 5 m 以上，一般成块供应；2 ) 薄板：厚 0 2 4 m m ，宽至2 8 0 0 m m ，可剪成定尺长度，也可成卷供应；3 ) 箔材：厚0 2 0 0 0 1 m m 或以下；宽2 0 6 6 0 m m ，一般成卷供应。各种钢板宽度及厚度的组合已超过5 0 0 0 种以上，宽度对厚度的比值达1 0 0 0 0 以上。异型断面钢板、变断面钢板等新型产 品正不断出现。板带钢不仅作为成品钢材使用，而且也常用作制造弯曲型钢、焊 接型钢和焊接钢管等的原料 2 1 。 1 1 3 轧钢生产工艺 将钢锭或钢坯轧制成一定形状和性能的钢材，需要经过一系列的工序，这些 工序的组合叫做轧钢生产工艺过程。 由于钢材的品种繁多，规格形状、钢种和用途各不相同，因此轧制不同产品 采用的工艺过程不同。 东北大学硕士学位论文第一章文献综述 正确地制定工艺过程，对保证产品的质量、产量和降低成本具有重要意义。 轧钢生产的工艺过程，根据使用原料的不同，生产品种的不同以及轧钢设备的不 同而不同。一般来说，轧钢生产工艺过程是由几个基本工序组成的【2 】。 i ) 坯料准备：包括按炉号将坯料堆放在原料仓库，清理表面缺陷，去除氧 化铁皮和预先热处理坯料等。 2 ) 坯料加热：坯料加热是热轧生产的重要生产工序。将坯料加热到所要求 的温度后，再进行轧制。 。 3 ) 钢的轧制：是轧钢生产工艺过程的核心工序。轧钢工序的两大任务是精 确成型和改善组织性能。 4 ) 精整：精整工序通常包括钢材的切断或卷取、轧后冷却、矫直、成品 热处理、成品表面清理、包装等工序。该工序对产品质量起着最终的保证作 用。 1 1 4 轧制生产过程 轧制过程就是轧件由摩擦力拉进旋转的轧辊之间，轧件受压缩进行塑性变形 的过程。轧制后，轧件的高度减小、宽度增加、长度延伸。如图1 1 所示，以平 辊轧制矩形件为例，轧辊直径为d ，辊身长度为厶，轧制前的轧件高度为魄，轧 制后的轧件高度为盔，轧件轧前宽度为玩，轧后宽度为6 1 ，轧件的入1 ：3 速度为， 出口速度为h 。轧件开始与轧辊接触的平面刨，称入口平面，轧件与轧辊离开 的平面b b ，称出口平面。入口平面州，出口平面b b ，轧辊与轧件的接触弧面 a b 和么b 构成轧件在轧制时的变形区。轧件在变形区内发生塑性变形。轧辊 与轧件接触部分所夹的中心角仅，称为接触角或咬入角。而接触角所对应的a b 和 么b ，又称接触弧或咬入弧。 、 根据金属在轧制时的温度，轧制过程可分为热轧和冷轧。当金属在其再结晶 温度以上轧制时，叫热轧。热轧广泛用来生产型钢、钢管、，钢板等大量钢材。金 属在其再结晶温度以下轧制时，叫冷轧。由于冷轧产品的尺寸精确，表面光滑， 冷轧在轧制中占了越来越重腰的地位，尤其是常用来轧制薄板和带钢。本研究为 利用异步轧制技术进行薄带冷轧的过程分析，重点是了解在轧辊边部接触条件下 的薄带变形力学特性。因而，有必要了解冷轧薄带生产。 东北大学硕士学位论文 第一章文献综述 1 2 冷轧薄带的生产 1 2 1 冷轧板带钢 ! i 图1 1 轧制过程 f i g 1 1r o l l i n gp r o c e s s 在热轧生产中，由于钢板的温度和温度降不均匀，从而使钢板厚度不均匀， 性能不一致，当厚度小至一定限度时，就根本不可能保持热轧所需要的温度。因 此随着钢板宽、厚比值( b h ) 增大，在无张力的热轧条件下，要保证良好的板型也 非常困难。此外，热轧在目前也还难以生产表面光洁度要求较高的板带钢产品【3 j 。 但是，采用冷轧的生产方式较好地解决了上述问题。因此，冷轧板带生产从2 0 年代起得到发展。3 0 年代美国发展迅速，到4 0 年代在世界范围内得到发展，而 6 0 、7 0 年代冷轧生产技术的发展更是达到突飞猛进的程度。 冷轧带钢是以热轧板卷为原料，在室温下进行轧制，冷轧带钢一般都是成卷 轧制。冷轧机也多为四辊轧机，其布置型式有单机架和多机架布置。 东北大学硕士学位论文 第一章文献综述 实践表明，冷轧生产具有很多优点 3 1 。首先，它不存在热轧的温降与温度不 均的弊病，因而可以生产厚度甚薄( 最小达0 0 0 1 r a m ) ，尺寸公差很严并且长度很 长( 从数百米到上万米) 的板带钢。其次，由于坯料经过酸洗且无次生氧化铁皮， 故产品的表面光洁度高，并可根据要求赋予板带钢各种特殊表面。这一优点使得 某些产品虽然从厚度来看可采用热轧方法生产，但出于对表面光洁度的要求却宁 可采用冷轧的方法生产。 冷轧板带钢的另一突出优点还表现在产品的机械性能上。通过冷轧变形与热 处理( 例如，低温再结晶退火) 的恰当配合，可以比较容易地在较宽的范围内满足 用户的要求，还特别有利于生产某些需要有特殊结晶组织的重要产品( 例如，深冲 板、硅钢板等) 。如果单纯依靠热轧，这些要求就往往不易办到。 冷轧带钢基于以上的优点，被越来越广泛的应用于建筑、化工、电子、汽车、 家电、造船以及航空航天等国民经济的各个部门。 冷轧板带产品品种主要有：碳素结构钢板、合金和低合金钢板、不锈钢板、 电工钢板及其它专用钢板等，此外还有镀锡、镀锌、复合钢板等涂层板、复合板。 冷轧板带不仅品种繁多，而且规格范围极广。 现代化技术的迅速发展以及客户需求的多样化对冷轧产品的品种和规格要 求日益增多。尤其对薄板产品的要求越来越大。 1 2 2 冷轧薄带生产的发展历史 ， 宽的冷轧薄板( 钢带) 是在热轧成卷带钢的基础上发展起来的1 4 j 。首先是美国 早在1 9 2 0 年第一次成功地轧制出宽带钢，并很快由单机不可逆轧制而跨入单机可 逆式轧制。原苏联开始冷轧生产是在3 0 年代中期，1 9 3 8 年在查波罗什工厂开始 安装从国外引进的三机架1 6 8 0 m m 冷连轧机及1 6 8 0 m m 可逆式冷轧机，生产厚度 为0 5 2 5 m m ，宽度为15 0 0 m m 的钢板。日本1 9 3 8 年在东洋钢板松下工厂安装了 第一台可逆式冷轧机，开始冷轧薄板的生产。 我国冷轧宽带钢的生产开始于1 9 6 0 年，首先建立了1 7 0 0 m m 单机可逆式冷 轧机，以后陆续投产了12 0 0 m m 单机可逆式冷轧机，m k w l 4 0 0 m m 偏八辊轧机、 1 1 5 0 m m 二十辊冷轧机和1 2 5 0 m m ，h c 单机可逆式冷轧机等。7 0 年代投产了我国 第一套1 7 0 0 m m 连续式五机架冷轧机，1 9 8 8 年建成了2 0 3 0 r n m 五机架全连续冷轧 机。在过去的几十年中，我国冷轧薄板生产能力增加了2 0 多倍，生产装备技术水 平已由只能生产低碳薄板而发展到能生产高碳钢、合金钢、高合金钢、不锈耐热 冷轧薄板、镀锌板、涂层钢板、塑料复合薄板和硅钢片等。 东北大学硕士学位论文 第一章文献综述 1 2 3 冷轧薄带发展迅速的原因 1 ) 钢材在热轧过程中的温降和温度分布不均给生产带来了难题，特别是在 轧制厚度小而长度大的薄板带产品时，冷却上的差异引起的轧件首尾温差往往使 产品尺寸超出公差范围，性能出现显著差异。当厚度小于一定限度时，轧件在轧 制过程中温降剧烈，以致根本不可能在轧制周期之内保持热轧所需的温度。 因此，从规格方面考虑，事实上存在着一个热轧厚度下限。7 0 年代初期，日、 法、意、原西德等国曾致力于用热连轧精轧机组增加8 、9 机架来生产l m m 式0 8 m m 的薄带。但实践证明，从产品质量和设备重量来说这是不可行的；现代热连轧机， 目前设计可能轧出最小厚度为1 2 m m ，但实际生产中很少生产1 5 m m 以下的热轧 板卷。而冷轧则不存在热轧温降与温度不均匀的弊病，可以得到厚度更薄、精度 更高的冷轧带钢和冷轧薄板。现代冷连轧宽带轧机和双机架二次冷轧可生产厚度 为o 1 0 0 1 7 m m 的冷轧薄板，作为镀锡原板，即使不经二次冷轧也可生产 0 2 3 5 m m 厚的冷轧薄板。现代可逆式冷轧机可生产0 1 5 3 5 m m 厚的冷轧板。多 辊冷轧机或窄带钢冷轧机则可生产最薄达o 0 0 1 m m 的产品。一般o 1 5 0 。3 8 m m 厚 的板带为一般薄板，0 0 7 0 1 5 m m 厚的为较薄薄板，0 0 2 5 0 0 5 r a m 厚的板带为极 薄薄板，这些产品用热轧方法是不可能生产的。从厚度精度上看，现代热连轧厚 度精度通常为+ 5 0 p m ，而现代冷连轧板厚精度高达+ 5 1 t m ，比热轧厚度精度高10 倍。从板形方面看，热轧板带平直度为5 0 i ( 1 i 单位= 1 0 吒相对长度差) ，而冷轧板 特别是现代化的宽带钢冷轧机轧制的带钢，其平直度能控制在5 - 2 0 1 以内。 2 ) 目前热轧工艺技术水平尚不能使钢板表面在热轧过程中不被氧化，也不 能完全避免由氧化铁皮造成的表面质量不良。因此热轧不适于生产表面光洁程度 要求较高的板带钢产品。热轧板表面粗糙度热轧状态为2 01 t m ，酸洗后为2 5 t m 。 而冷轧板表面清洁光亮，并可根据不同用途制造不同表面粗糙度的钢板。冷轧板 按表面粗糙度分为3 种：一种是无光泽的钢板，其表面租糙度为3 1 0 j m ，一般 适用于作冲压部件，并且当需涂喷刷漆时这种钢板附着性较强；第二种是光亮板， 其表面粗糙度大于0 2i j m ，这种钢板主要作为装饰镀铬用厚板等；第三种是压印 花纹钢板，采用表面具有7 0 1 2 0 p m 凸凹的平整辊平整钢板，这种钢板由于仪表 壳及家具装饰等。这样的表面质量热轧是无法满足的。 3 ) 性能好、品种多、用途广。冷轧钢板的另一突出优点是性能好、品种多、 用途广。通过一定的冷轧变形程度与冷轧后的热处理恰当的配合，可以在比较宽 的范围内满足用户的要求。如汽车用薄板几乎全部须经冲压成型，这样深冲性能 就成为薄板生产和使用的核心问题。冲压用钢的主要要求之一是具有占优势的有 利织构 1 1 1 ) ( 1 0 0 ) 。热轧薄板的塑性应变比r 仅可达到0 8 0 9 5 ，而冷轧第一代沸 东北大学硕士学位论文第一章文献综述 腾钢汽车板页为1 0 1 2 ，第二代0 8 a 1 钢尺为1 4 1 8 ，而第三代冷轧汽车板r 为 1 8 2 8 ，这是热轧无法达到的。 硅钢是机电工业的重要材料之一，主要用户是电机制造业和输变电设备制造 业。能源价格上涨、能源危机，必然要求使用低能耗材料，所以6 0 年代就开始淘 汰能耗高的热轧硅钢片，代之以冷轧硅钢片。用1 0 万t 冷轧无取向硅钢制作电机 比用1 0 万t 热轧硅钢制作电机，实狈! | 节能1 9 8 亿k w h a ，电机运转l o 年就相 当节约一个2 0 万k w 的发电厂全年的发电量。而且用冷轧硅钢片生产3 6 万k v a 变压器其总重量是2 0 4 t ，而用热轧硅钢片制造一台1 2 万k v a 变压器，其重量即 为2 0 0 t 。因此，用冷轧硅钢片代替热轧硅钢片具有重大的经济价值【4 j 。 1 2 4 冷轧薄带的规格、品种和用途 随着近代技术的进步，尖端科学和各个工业部门的飞速发展，象信息的传递， 能源的开发，电子计算机工业的兴起以及航天技术的发展都离不开种类繁多的、 高纯度、高精度的薄带和极薄带材。航天工业和汽车工业要求宽度达1 0 0 0 m m ， 厚度0 1 0 0 5 m m 的碳钢和不锈钢带材；仪表制造工业和电讯工业要求薄至 o o l m m 的各种合金钢带材；无线电电子工业日趋小型化，需要o 0 5 0 0 0 5 m m 的 各种高导磁合金以及钨、钼、钛、锆、铍之类的难熔金属及合金极薄带材。在很 多领域中，极薄带材都发挥着重大的作用。 随着科技的发展，用户对薄带产品的需求量逐步增加，对其质量的要求也越 来越高。但在薄带的实际生产过程中，由于轧制理论中的最小可轧厚度的限制， 利用普通的轧辊或轧制技术就很难进一步轧制更薄的带材。因此，为了把轧件继 续轧薄，就引入了异步轧制技术。 1 3 异步轧制 1 3 1 异步轧制的发展、 六十年代初，美国通用电气公司的机械师l e c o f f i n 发明了c b s ( c o n t a c t b e n d s t r e t c h ) 车l c r ) l 1 5 6 1 。原理是，两个大辊是主动辊，以一定的速度差同向 旋转，小辊为浮动辊，被轧带材以一定的包角绕过大辊和小辊，在变形区得到延 伸，在带材的入口和出口端施加一定的张力，以保证带材在大辊上不发生打滑， 实现稳定轧制。只要轧制过程中速比保持不变，则该轧材的总延伸系数亦恒定。 c b 。s 轧机实质上是在同一机架中同时实现异步轧制、恒延伸轧制与连轧。由于 采用包辊轧制，轧材在辊面存在一段静摩擦区，在一定张力许可范围内具有自动 补偿轧制参数变化的影响。但是，由于浮动小辊难于稳定，变形过程较难控制， 东北大学硕士学位论文第一章文献综述 带材常因操作不当而在两个变形区处被勒断，另外穿带麻烦，轧辊冷却亦不方便， 因此未得到工业应用。 后来英国金属制盒公司设计了一台与c b s 轧机原理基本相同的s 轧机，只 是s 轧机多了一个工作辊和一个支持辊，改变了轧辊的布置形式，与c b s 轧机 相比，s 轧机浮动辊位置较容易固定，但两个浮动辊速与四个延伸系数之间的关 系更为复杂，变形过程的控制更加困难。 六十年代末期，苏联的威得林教授设计了p v 轧机，使得异步s l n 技术有了 重大突破，该轧机没有浮动小辊，也不采用难以控制的单机连轧，只是保持了异 步恒延伸轧制，带材在轧辊上不产生打滑的条件下，轧件出口速度等于陕速辊圆 周速度，轧件入口速度等于慢速辊的圆周速度，在变形区中，慢速辊处于完全前 滑状态，而快速辊则为完全后滑状态，这样在变形区形成了一个摩擦力上、下辊 反向的“搓轧区”，最显著的效果是轧制压力大大降低，另一个重要特点是恒延伸 效果。p v 轧机还有一个压下不敏感区。由于，延伸系数增大，出口张力也相应 增大，p v 轧机很难满足这一要求，因此，此轧制法主要用于平整。 随后，日本、德国、美国也都进行了大量的工作。七十年代，日本石川岛播 磨公司盐崎宏行等人在p v 轧制法技术基础上，成功研制了一种新的拉直式异步 轧制法，即i p v 轧制法。该轧制法可以降低轧制压力，可以实现大延伸s l n ，并 能有效的克服来料厚差较大的不良影响，有利于产品精度升级，使轧机能较为容 易的运用到大生产中去，但是由于没有采用包辊技术，也就失去了恒延伸和自调 能力。 j 另外，日本的盐崎宏行等人做了异速比变化、润滑条件、各种异步$ l n 方法 的实验研究【7 】，并进行了工业性试生产；并且对异步轧制变形与应力状态的机理 做了一定的实验研究。 美国对异步s l n 的机型结构做了大量研究，发明了各种结构形式的异步轧 机。如：二辊s 型包辊轧机、三辊二包轧机、四辊二包轧机、四辊不包辊带有浮 动轧机、异步连轧机等；在轧辊布置上有垂直和水平型式两种。 我国在六十年代初就开始了对异步轧制技术的研究工作。汤富麟工程师【8 】从 i 9 6 2 年开始从事异步单机连轧的研究工作，设计了五辊式单机异步连轧装置，其 特点是既不采用包辊轧制，也没有恒延伸的作用，只是一种单纯的异步单机连轧， 此种轧机的结构紧密，带材经过三个变形区，g l n 后可获得很大的延伸系数。 七十年代，北京钢铁研究总院在广少i i g l 钢三厂平整机上实施s 型轧制法成功， 此后异步轧制的研究在国内大量开展起来。东北大学异步轧制的科研组在朱泉教 授的领导下，于1 9 7 9 年，用一般结构和精度的四辊轧机，成功的运用了极薄带异 步轧制技术，轧出厚度为o 0 0 2 5 0 0 0 5 m m 极薄钢带，d h 达到2 0 0 0 0 以上，突破 东北大学硕士学位论文 第一章文献综述 了最小可轧厚度界限，并提出了弹性塞原理，从理论上说明了异步g l n 极薄带时 变形特点。之后又研究成功了“高精度异步恒延伸轧制 新技术，并解决了异步 轧机振动的问题。并成功的为天津带钢厂设计了咖3 0 0 r a m 小异径轧机。 1 3 2 异步g l n 技术的基本原理 异步轧制是金属在两个不同线速度的轧辊间完成塑性变形的一种新的轧制 方法，是非对称轧制方法的一种【9 】。在异步轧制中，上下工作辊的表面速度差造 成了金属在变形区内流动的特点与同步轧制不同。同步轧制中，轧制变形区内的 金属相对轧辊有前滑区和后滑区，摩擦力指向中性面。因此，其上下接触弧的摩 擦力、轧制压力和扭矩是对称的。而异步轧制中，由于上下工作辊的速度差造成 上下辊的工作点不在同一垂直平面内，慢速辊侧中性面向入口侧移动，快速辊侧 中性面向出口侧移动。这样就形成了变形区上下摩擦阻力方向相反的区域，称为 搓轧区。由于搓轧区的存在减小或消除了同步轧制前滑区内接触弧上摩擦力对金 属流的阻碍作用，从而降低了轧制压力。 对比传统的轧制方法，异步g l n 具有很多优点【io u 】：减少3 0 4 0 的轧制力； 在达到相同的压下量的条件下，减少轧制道次，减少或省去中间退火工序，从而 降低能耗，降低生产成本；采用异步g l n 方法可突破轧机的最小可轧厚度的限制， 两辊异步轧机可望取代四辊轧机，四辊异步轧机可望取代多辊轧机；异步轧制有 利于带材尺寸精度的提高，更好的控制板形与板厚；改善轧板的表面质量；异步 轧制技术还可用于轧制高抗张强度的钢材与薄带；并且有利于减少轧辊的表面磨 损，提高轧辊使用寿命等。 异步轧制有两种基本形式：第一种是上下工作辊直径相同，但辊速不同；第 二种是辊径不同，但辊速相同，如图1 2 。 1 3 3 利用异步轧制技术生产薄带 异步轧制作为一种新的轧制技术，在冶金生产中占有位置虽然只是近十多年 的事情，但不对称轧制在早期发展的叠轧薄板生产，管材轧制，初轧生产，型材 生产，薄板的单辊传动轧制中就已经存在【1 2 4 5 j 。它给生产带来的某些直观影响( 例 如轧件的纵向弯曲) 也早已为人们所注意并加以控制和利用，但在薄带轧制中有 意识地将异步轧制作为特殊技术来加以研究和运用，还只是在五十年代末期才开 始。异步轧制的突出优点是可以大幅度降低g l n 压力，提高板带尺寸精度，尤其 对于轧制薄规格产品更有显著效果。异步g l n 可以突破常规轧制的最小可轧厚度 界限，把轧件继续轧薄。 东北大学硕士学位论文 第一章文献综述 图1 2 异步轧制 f i g 1 2a s y m m e t r i c a ls t r i pr o l l i n g 根据现代轧制理论，在具有一定工作辊直径的轧机上冷轧板带时，当板带厚 度达到某一定值后，继续增加压力，则轧件也不可能再变薄。因此，将不能继续 进行轧制的厚度称为最小可轧厚度。按s t o n e 推导的计算公式1 6 】： h m i 。：3 5 _ 8 d i u k ( 1 1 ) 其中，d 工作辊直径； “摩擦系数； k 轧制金属平面变形抗力 e 轧辊弹性模量； 由式1 1 可知，轧制板带的最小厚度，主要决定于工作辊径，润滑条件，金属 变形抗力及轧辊弹性模量。因此，为了轧制出更薄的板带，就必须把工作辊做的 更细，同时还要保证轧机具备足够的刚度。于是出现了结构比较复杂的多辊冷轧 机，如十二辊轧机，二十辊轧机以及三十六辊轧机。 为7 车- l n 高质量的极薄带材，应用具有小直径工作辊的二十辊轧机是有效的。 但是由于二十辊轧机结构系统极其复杂，它要求极高的制造精度，尤其一对工作 辊必须很精确地安装在一个垂直面内，以保证$ - l n 的稳定和轧材的精度。工作辊 的安装要受到辊系和机架等一系列零件和部件的影响。因为轧辊之间的配合精度 东北大学硕士学位论文 第一章文献综述 要求极高，也使辊径的使用范围变小。另外，由于所轧的板带极薄( 一般成品厚 度为0 0 0 5 m m 左右) ，轧机的工作辊径又极小( 一般在5 m m 左右) ，而压下率又很大， 因此使轧件的不均匀变形显得很突出。这就使得多辊冷轧机安装调整困难，操作 技术复杂。所以，多年来人们一直在探索既具有小直径工作辊轧机可以显著降低 轧制压力，把板带轧薄；又不象二十辊甚至三十六辊轧机那样结构复杂，操作困 难的新型轧机，如联合轧机，y 型轧机jc - b s 轧机，m k w 轧机，行星轧机等。这些 新型轧机比起二十辊轧机结构简单一些，但从制造、安装、调整和使用来看难度 仍较大。 因此，许多研究工作者利用广为应用的四辊轧机，采用异步轧制新工艺进行 轧制极薄带材的实验研究 1 7 , 1 8 。试验表明，异步轧制同样可以达到具有小辊径的 多辊轧机降低轧制压力，轧制极薄的实际效果。这是因为搓轧变形完全消除了薄 带轧制中外摩擦对变形的严重阻碍，使金属塑性变形的单位压力等于甚至低于金 属的平面变形抗力。同时利用异步