轧制理论基础VIP

第二章轧制理论基础,1轧制变形基本概念2实现轧制过程的条件3轧制过程中的横变形宽展4轧制过程中的纵变形前滑与后滑5轧制压力及力矩6连轧7斜轧,1轧制变形区的概念及轧制变形基本理论,1.1轧制过程及分类:1)轧制过程:轧件由摩擦力拉进旋转轧辊之间，受到压缩进行塑性变形的过程，通过轧制使金属具有一定尺寸、形状和性能。2)分类轧制方式按轧件运动分：有纵轧、横轧、斜轧。纵轧：金属在两个旋转方向相反的轧辊之间通过，并在其间产生塑性变形的过程。横轧:轧件变形后运动方向与轧辊轴线方向一致斜轧：轧件作螺旋运动，轧件与轧辊轴线非特角,其他分类,根据金属状态分:热轧、冷轧。根据外部介质分类:空气，真空，惰性气体轧机工作制度:可逆连轧等,2）轧制过程中基本现象和建立轧制过程的条件,在生产实践中遇到不同的轧辊组合方式，但实际上金属承受压下而产生塑性变形是在一对工作轧辊中进行的。除了一些特殊辊系结构（如行星轧机，Y型轧机）外，均在一对轧辊间轧制的简单情况。一般都以二辊作为研究轧制过程的开端。,3)简单轧制过程图示,简单轧制过程：（1）上下轧辊直径相同（2）转速相等（3）轧辊无切槽（3）均为主动(传动)辊（4）无外力或推力（5）轧辊为刚性的（6）轧件在入辊处和出辊处速度均匀（7）轧件的力学性质均匀,几何变形区ABDC,4）轧制变形的表示方法轧制时绝对变形量（压下，延伸，宽展）表示,hHhLlLBbB式中h，H轧件轧后、轧前高度；l，L轧件轧后、轧前长度；b，B轧件轧后、轧前宽度；,相对变形量的表示法,相对压下量相对宽展量相对延伸量,变形系数的表示法,轧制时表示各向变形系数的关系式,5)变形区参数,（1）咬入角：是指轧件开始轧入轧辊时，轧件和轧辊最先接触的点和轧辊中心连线与轧辊中心线所构成的圆心角。,咬入角与轧辊直径D和压下量h之间的关系,(2)接触弧长与变形区长,根据几何关系，接触弧长s为：sR接触弧之水平投影叫做变形区长度变形区长度的确定(接触弧长与轧制条件有关，可分为三种情况),不等径,1.2实现轧制过程的条件,轧制过程是否能建立，决定于轧件能否被旋转的轧辊咬入。因此，研究分析轧辊咬入轧件的条件，具有非常重要的实际意义。1.2.1咬入条件1)咬入:依靠回转的轧辊与轧件之间的摩擦力,轧辊将轧件拖入轧辊之间的现象。,2)咬入条件的确定(分析金属刚被咬入时的受力),受力分析,结论,物理概念,根据物理概念:摩擦系数可用摩擦角表示，即摩擦角的正切就是摩擦系数f。tg=f则tgtg！轧制过程中的咬入条件为摩擦角大于咬入角，=为临界条件。,咬入的几何意义,当合力R方向沿轧制方向倾斜,实现自然咬入;反之不能咬入.,1.2.2稳定轧制条件,在轧件被咬入后,轧辊给轧件压力P合力作用点与摩擦力T已不作用于开始接触点处,而是向变形区出口方向移动.,1.2.3咬入阶段与稳定轧制阶段的咬入条件比较,极限咬入条件=极限稳定咬入条件y=ykx令K=y/=kxy/y=kxy/上式说明y与差别取决于kx及y/,1.2.4改善咬入的途径,1)重要性改善咬入条件是顺利操作增加压下提高生产效率的有效措施.2)具体办法由咬入条件可知:凡是使降低及增加的因素,均有利于咬入(1)降低,实际生产中以带有楔形端咬入后利用稳定轧制阶段剩余摩擦力,实现咬入.利用外推力将轧件强制推入轧辊中,外力作用使轧件前端被压扁,相当于楔形外端降低压下量,有利于咬入.,2)提高的方法,(1)改善轧辊或轧件表面状态,以使升高初轧粗轧在轧辊刻槽焊点滚花等目的均使f升,升.精轧通过立轧高压水去除氧化皮等办法改善轧件表面状态,使f升,升.(2)合理调节轧制速度利用稳定轧制条件下的剩余摩擦力,采用低速咬入,高速轧制.,作业,已知某1150轧机钢锭尺寸880*880/635*635*1400热轧，该条件下允许咬入角28问:1)从理论讲,改钢锭如何轧制可使轧件轧一道次厚度最小,轧后厚度为多大2)求该轧制条件下的最大咬入角和接触弧长.,1.3轧制过程中横变形-宽展,1.3.1宽展及其分类1、宽展与研究宽展的意义1)宽展:在轧制过程中，当轧件受到压下后，金属除按最小阻力法则沿纵向延伸外，在横向也产生变形，称之为横变形。轧制前、后轧件沿横向尺寸的绝对差值，称为绝对宽展简称为宽展.,2)研究宽展的意义,(1)拟订轧制工艺时需要确定轧件宽展.(2)孔型轧制中,必须正确地确定宽展的大小，否则不是孔型充不满，就是过充满.由于问题本身的复杂性，到目前为止，还没有一个能适应多种情况下准确地计算宽展的理论公式。所以在生产实际中习惯于使用一些经验公式和数据，来适应各自的具体情况。,2、宽展的种类,根据金属沿横向上流动的自由程度，宽展可分为：自由宽展、限制宽展和强迫宽展.1）自由宽展：坯料在轧制过程中，被压下的金属体积可以自由展宽的量。此时，金属流动除来自轧辊的摩擦阻力外，不受任何其它的阻碍和限制。因此，自由宽展的轧制是轧制变形中的最简单的情况。在平辊上或者是沿宽度上有很大富余的扁平孔型内轧制时，就属于这种情况。,2）限制宽展,轧制中，被压下的金属与孔型两侧壁接触，孔型的侧壁限制着金属沿横向自由流动，金属被迫取得孔型侧边轮廓的形状。此时，轧件得到的宽展不是自由的，除受摩擦力外，还受到孔型的限制。此外，在斜配孔型内轧制时，宽展可能为负值。,3)强迫宽展,被压下的金属受轧辊孔型凸峰的切展而强制金属沿横向流动，使轧件的宽度增加，这种变形叫做强迫度展。在立轧孔内轧制钢轨时是强制宽展的最好例子，如下图所示。轧制宽扁钢时采用的切展孔型也是说明强制宽展的实例。确定金属在孔型内轧制时的展宽是十分复杂的，尽管做过大量的研究工作，但在限制或强迫宽展孔型内金属流动的规律还不十分清楚。,3、宽展的组成,轧辊与轧件接触摩擦变形区几何形状和尺寸的不同使沿接触表面上金属质点的流动轨迹与接触面附近的区域和远离的区域是不同的。组成：滑动宽展B1翻平宽展B2鼓形宽展B3,1）滑动宽展,滑动宽展变形金属在轧辊的接触面上，由于产生相对滑动使轧件宽度增加的量以B1表示，展宽后此部分的宽度为：B1BHB12）翻平宽展由于接触磨擦阻力，轧件侧面的金属在变形过程中翻转到接触表面，使轧件的宽度增加，增加的量以B2表示，展宽的后轧件的宽度为B2B1B2BHB1B2,3)鼓形宽展,轧件侧面变成鼓形而造成的展宽量，用B3表示，此时轧件的最大宽度为B3B2B3B1B1B2B3轧件的总展宽量为:BB1B2B3上述宽展的组成及其相互的关系，由下图清楚地表示出来。,宽展的组成及其相互的关系,4轧制过程中的纵变形前滑和后滑,轧制时存在前滑和后滑现象，这种现象使轧件的出辊速度与轧辊的圆周速度不相一致。这个速度差在轧制过程中并非始终保持不变的，它受许多因素的影响而变化。连轧机上轧制和周期断面钢材的轧制等都要求确切知道轧件进出轧辊的实际速度。那么，轧件的速度与轧辊周速之间存在什么关系呢？这就是本节要讨论的问题。,4.1轧制时的前滑与后滑,前滑与后滑概念的引出及定义1）前滑与后滑概念的引出,说明轧件的延伸是被压下金属向轧辊入口和出口两方向流动的结果,（1）后滑：轧件进入轧辊的速度H小于轧辊在该点处线速度的水平分量cos,这种现象叫做后滑。（2）前滑：轧件的出口速度大于轧辊在该处的线速度h，这种现象叫做前滑。2）前滑值的定义公式,后滑值,如果将前滑式中的分子和分母各乘以轧制时间t，则得,3）前滑值的实验测定,如果事先在轧辊表面上刻出距离为LH的两个小坑,则轧制后测量Lh,即可用实验方法计算出轧制时的前滑值。,4.2前后滑与有关工艺参数的关系,1）体积不变定律按秒流量体积相等的条件,2)参数的关系前后滑存在一定关系前后滑是延伸得组成部分当一定，Sh升则SH降。实际应用中只要研究一种现象即可,5.轧制压力及轧机主电机的力矩确定,5.1轧制压力的确定1)轧制压力：用测压仪在压下螺丝下实测的总压力，即轧件给轧辊的总压力的垂直分量。,简单轧制情况下，轧件对轧辊的合力方向才是垂直的非简单轧制合力的方向不垂直，有一个水平分量，此时轧件作用于轧辊的合力方向是偏向于出口侧。如有张力的轧制等，此时在压下螺丝下用测压仪实测的力仅为合力的垂直分量Y。,2)确定合力假设,在确定轧件对轧辊的合力，首先应考虑接触区内轧件与轧辊间的力的作用情况忽略轧件沿宽度方向上接触应力的变化假定变形区某一微分面积上作用着轧辊给轧件的单位压力px和单位接触摩擦力tx,3)公式推导,设轧件宽B1接触微分面积ds=Bdx/cos轧制压力p包括变形区接触面上所有垂直分量,压力垂直分量,后滑区摩擦分力（略）,前滑区摩擦分力（略）,-变形区内任一角度；一般通称的轧制压力或实测的轧制总压力，并非为轧制单位压力之合力，而是轧制单位压力、单位摩擦力的垂直分量之和。但式中第二项、第三项与第一项相比，其值甚小，工程上完全可以忽略。即,可知，轧制压力为微分面积上之单位压力p与该微分体积接触表面之水平投影面积乘积的总和。如取平均值形式，则,所以，为了确定轧件给轧辊的总压力，必须正确地确定平均单位压力和接触面积。,确定平均单位压力的方法,（1）理论计算法在理论分析基础之上，用计算公式确定单位压力。通常，首先确定变形区内单位压力分布形式及大小，然后再确定平均单位压力。（2）实测法在轧钢机上放置压力传感器，将力信号转换成电信号记录下来，获得实测的轧制压力资料。由实测的轧制总压力除以接触面积求出平均单位压力。（3）经验公式和图表方法根据大量的实测统计资料进行一定的数学处理，抓住一些主要影响因素，以建立起经验公式或图表。,轧制压力的工程计算,影响轧件对轧辊总压力的因素1）总压力计算公式的一般形式F轧件与轧辊的接触面积平均单位压力,可由下式决定.,因此，计算轧制力在于解决两个基本参数。计算轧件与轧辊间的接触面积计算平均单位压力,2）影响平均单位压力的因素,影响轧件力学性能的因素影响轧件应力状态特性的因素影响轧件力学性能(简单拉、压条件下的实际变形抗力）的因素有金属的本性温度变形程度和变形速度。可写成下式,式中，考虑温度，变形程度和变形速度对轧件力学性能影响的系数及普通静态机械实验条件下的金属屈服极限。,影响轧件应力状态特性的因素,有外摩擦力外端及张力等可写成下式:,考虑轧件宽度影响的应力状态系数、外摩擦影响的系数、外端影响的系数、张力影响的系数。根据以上所述轧制平均单位压力可用下列公式的一般形式表示:,表明确定轧辊的总压力，需求接触面积，应力状态系数及变形抗力。,4.4.2接触面积的确定（水平投影面积）,1）平辊上轧制矩形断面轧件时的接触面积如板带轧制及箱孔轧制，可分三类：(1)辊径相同,（2）辊径不同三辊劳特轧机，异步轧制,（3）轧辊弹性压扁面积计算l用弹性压扁接触弧长即可,5.2主电功机传动轧辊所需力矩,1)传动力矩的组成轧制过程中，在主电动机轴上传动轧辊所需力矩最多由下面四部分组成:,Mz轧制力矩，用于使轧件塑性变形所需之力矩；Mm克服轧制时发生在轧辊轴承、传动机构等的附加摩擦力矩;Mk空转力矩，即克服空转时的摩擦力矩;空转力矩是指空载转动轧机主机列所需的力矩，Md动力矩，此力矩为克服轧辊不均速运动时产生的惯性力所必需的;i轧辊与主电动机间的传动比,摩擦力在垂直方向上的分力相比很小可以忽略,力臂实际上等于单位压力图形的重心到轧辊中心连线的距离,2)静负荷图,为了校核和选择主电动机，需知轧机负荷随时间变化的关系图（静负荷图）绘制静负荷图的条件确定出轧件在整个轧制过程中在主电机轴上的静负荷值确定各道次的纯轧和间歇时间,几种常见的静负荷图,5.3主电动机的功率计算,主电动机的传动负荷图确定后，可对电动机的功率进行计算。包括两部分:负荷图计算出等效力矩不能超过电动机的额定力矩；负荷图中的最大力矩不能超过电动机的允许过载负荷和持续时间。,1)等效力矩计算及电动机的校核,轧机工作时电动机的负荷是间断式的不均匀负荷，电动机的额定力矩是指电动机在此负荷下长期工作，其温升在允许的范围内的力矩。因此必须计算出负荷图中的等效力矩，其值按下式计算:,校核电动机温升条件为:,校核电动机的过载条件为,MH电动机的额定力矩KG电动机的允许过载系数,直流电动机KG=2.0-2.5，交流同步电动机，KG=2.5-3.0Mmax轧制周期内最大的力矩电动机达到允许最大力矩，其允许持续时间在15s以内，否则电动机温升超过允许范围。,2）电动机功率的计算,对于新设计的轧机，对电动机就不是校核，而是要根据等效力矩和所要求的电动机转速来选择电动机，根据等效力矩计算电动机的功率。,6连续轧制,连续轧制在轧钢生产中所占的比重日益增大，下面就连轧工艺设计方面所必要的参数进行一定的探讨。,6.1连轧关系和连轧常数,连轧：轧机顺序排列，轧制线上每一机架的秒流量保持相等，轧件同时通过两架或两架以上轧机的轧制方式称为连轧。,连轧在轧制的变形条件、运动学条件和力学条件等都具有一系列的特点。,连轧关系,连轧关系续,轧件在各机架轧制时的秒流相等即为一个常数，这个常数称为连轧常数。以C代表连轧常数时，则C1=C2=C3.=Cn=C,前滑系数和前滑值,前滑的大小以前滑系数和前滑值来表示，其计算式如下：,6.2堆拉系数和堆拉率,：,在连续轧制时，实际上保持理论上的秒流量相等使连轧常数恒定是相当困难的，甚至是办不到。为了使轧制过程能够顺利进行，常有意识地采用堆钢或拉钢的操作技术。例如：一般对线材在连续轧机上机组与机组之间采用堆钢轧制。机组内的机架与机架之间采用拉钢轧制。拉钢轧制有利也有弊，利是不会出现因堆钢而产生的事故，弊是轧件头、中、尾尺寸不均匀，特别是精轧机组内机架间拉钢轧制不适当时，直接影响成品质量使轧材的头尾尺寸超出公差。一般头尾尺寸超出公差量与最末几个机架间的距离有关。因此，为减少头尾尺寸超出公差，除采用微拉钢(微张力轧制)外，还应当尽可能缩小机架间的距离。,1）堆拉系数:,堆钢或拉钢的一种表示方法,2）堆拉率,堆钢或拉钢的另一种表示方法,7斜轧,斜轧：金属在同向旋转且中心线相互成一定角度的轧辊缝隙间进行塑性变形，沿轧辊交角的中心线方向进入轧辊，金属任一点绕其轴线做螺旋运动。常见的生产无缝钢管的斜轧穿孔机、钢球轧机等属于斜轧机。斜轧时轧件做螺旋运动，轧件的这种螺旋运动是通过各轧辊同方向旋转和交叉布置来实现的。,7.1斜轧的运动学,轧辊切向速度：w轧辊圆周速度n