教育资料轧制理论

,轧制理论（ZRM、SPM）,冷轧技术科2006-09-28,主要内容轧制理论SendmizirMillSPM,以平辊轧制矩形件为例，轧辊直径为D，辊身长度为B，轧制前的轧件高度为h0，轧制后的轧件高度为h1，轧制前的轧件宽度为b0，轧制后的轧件宽度为b1，轧件的入口速度为V0，轧件的出口速度为Vl，如图1所示。,变形区：发生塑性变形的区域绝对压下量：h=h0h1绝对宽展量：b=b1b0相对压下量：h=h/h0相对宽展量：b=b/b0绝对延伸量：l=l1l0压下系数：=h0/h1宽展系数：=b1/b0延伸系数：=l1/l0,图1轧辊轧制轧件示意图,1.轧制基本术语,第一部分轧制理论,图2轧制变形区示意图,接触角或咬入角：,接触弧或咬入弧：接触角所对应的弧,接触弧水平投影：,压下量、轧辊直径、咬入角的关系：,延伸系数与断面面积关系：,轧制n道次，各道次轧前轧件的横断面积为：,所以：,即总延伸系数为各道次延伸系数的乘积。,2.简单的几何计算关系（如图2所示）,3.轧制过程的建立,3.1.轧件的咬入,轧辊把轧件拉入旋转方向相反的两个轧辊辊缝之中叫轧件的咬入。轧辊能够顺利地将轧件咬入是轧制的必要条件。,图3轧辊对轧件的作用力和摩擦力,轧件与轧辊接触时，轧辊对轧件的作用力和摩擦力如图所示。N和T分解成的水平分力为：,不能咬入,临界状态,可以咬入,设摩擦角为，则摩擦系数:,可以推出：,3.2.轧制过程建立,图4轧件进入变形区的受力图,图5稳定轧制时轧件受力图,轧件被咬入之后，在金属逐渐充填变形区的过程中，径向力的合力作用点相应地向轧件出口平面方向移动，而使合力作用方向逐渐向出口倾斜。因此而使得Tx逐步增加，Nx相应减少。这样一来,摩擦力的水平分力就有了剩余，其值为TxNx。由于剩余摩擦力的出现，而使得轧件一旦被咬入，就能更顺利地使轧件充满变形区，进行轧制的条件要比开始咬入时宽余的多。,在轧制充满变形区后，稳定轧制时，保持轧件顺利轧制的条件为：,故有：,即能够顺利轧制的条件是：,可见轧件充满变形区后所需要的摩擦条件最低。,4.1.宽展的定义,轧件在轧制时，高度方向被压缩。被压缩的金属除在长度方向延伸外，还有一部分沿轧件的横向流动，使轧件的宽度发生变化。这种使横向尺寸加大的变形，称为宽展。,4.2.宽展的分类,自由宽展（如轧件在平辊上轧制）限制宽展（可以使轧件侧边受到一定程度的加工）强迫宽展（使较窄的坯料轧出较宽尺才的材）,4.3.宽展的简单计算（近似计算）,C.古布金公式:,.巴赫契诺夫公式:,4.宽展,4.4.影响宽展的因素,压下量：压下量越大，相应的宽展也越大。摩擦系数：轧制时摩擦系数增加，宽展量也相应增加。轧辊直径：随着轧辊直径增加，变形区长度增加，宽展值相应加大。轧件宽度：随着轧件宽度增加，变形区金属在横向上流动阻力增加，导致宽展量减小。轧辊材质与表面状态：通过摩擦系数的大小影响宽展量。轧制速度与轧制温度：轧制速度超过2m/s时，轧制速度越高，摩擦系数越低。轧制温度越高，摩擦系数越低。使摩擦系数降低的因素都使宽展减小。轧件化学成分：不同的钢种化学成分不同，摩擦系数不同，影响到宽展。高碳钢比低碳钢宽展大，合金钢比碳素钢宽展大。轧制张力：轧制过程的张力越大，相应的宽展量越小,5.前滑和后滑,5.1.基本概念,前滑：轧件在轧制时，被压缩的金属向轧件出口方向流动，使得轧件的出口速度大于轧辊在该处的线速度，这种现象称为前滑。前沿值是用轧辊出口断面上的轧件与轧辊速度的相对差值来表示的，即,后滑：若被压缩的金属向轧件入口方向流动，就使得轧件的入口速度小于轧辊在该处的线速度，这种现象称为后滑。后滑是用轧辊入口截面轧件的速度与轧辊该点的水平分速度差的相对值表示的，即,中性面：在整个变形区中，存在一个前后滑的过渡面。轧件在该面上运动的速度与该处轧辊线速度的水平分速度相等，这个平面就叫中性面。由出口平面到中性面称前滑区，由入口平面到中性面称后滑区。,5.2前滑的计算式,如图，在中性面轧件运动的速度与轧辊水平分速度相等，即。按金属通过中性面与出口截面的秒体积相等，并忽略宽展时，可得。将代入上式，经整理得到：,图6金属通过中性面与出口截面的速度与高度,所以：,代入前滑定义式，即得芬克前滑公式：,上述求前滑的公式是在忽略轧件宽展的前提下导出的，考虑宽展，则实际前滑值将小于计算值。此外，一般不对后滑进行计算。,5.3影响前滑的因素,轧辊直径：前滑值是随辊径增加而增加。摩擦系数：摩擦系数f越大，其前滑值越大。压下率：前滑随压下率的增加而增加。轧件宽度：当轧件的宽度小于一定值时，轧件宽度增加，前滑增加。而宽度超过一定值时，宽度再增加前滑为一定值。张力：前张力增加，则金属向前流动的阻力减少，前滑区增加，前滑增加。反之，后张力增加，则后滑区增加，前滑减小。,6.轧制压力,6.1.轧制压力的定义,轧制压力是指轧制时轧辊受到轧件的反作用力。实际上轧制压力是使两个轧辊相互分离的力，其数值等于轧辊和轧件接触面上所分布的轧制压力之总和。轧制压力是轧制工艺与设备设计中的重要参数。在制定轧制规程、主电机选择或校核轧机强度时都要用到轧制压力这一参数。,6.2.轧制压力的计算,在平辊轧制钢板时，轧制压力可用下式表示：,第二部分SendzimirMill,1.SendzimirMill的主要特点,辊系构成（20辊），减小工作辊直径，提高板形控制能力，实现0凸度机架；AFC（板形自动控制）系统，实现板形的在线控制，提高精确度；AGC（厚度自动控制）系统，保证厚度公差，实现自动压下；张力的使用，改善板形，限制宽展，减小轧制力。,2.SendzimirMill的辊系,2.1完整辊系图,辊系主视图,森吉米尔（Sendzimir）二十辊轧机的辊系为上下两部分对称布置，共有八支支承辊，六支第二中间辊，四支第一中间辊，两支工作辊构成。其他辊还包括两支板形测量辊，开卷机夹送辊矫直辊，以及安装于轧机机架出入口的压紧辊、2辊擦拭器辊、3辊擦拭器辊或4辊擦拭器。,2.2.支撑辊,构成说明：心轴，滚柱轴承，偏心环和鞍座组成。压下装置：是由液压缸经齿条通过两个上部的B，C辊的旋转定位进行控制的轧制线高度：下工作辊相对于轧制线高度的位置通过下部支撑辊F，G辊进行调整与侧偏心调整：两边的A，D，E，H辊的相互结合，液压马达旋转使辊系的上下部分同时靠近凸度齿条调节：通过改变B，C辊上的轴承相对位置，改变凸度和轧机压下大小。,2.3.中间辊,第二中间辊：外侧四个辊I，K，L，N为驱动辊，实现并带动整个辊系转动。中间的上下两支辊J，M辊为惰辊，辊子研磨成凸度辊并与凸度齿条（TopCrown）共同补偿来对带钢中部板形进行有效精确控制。,第一中间辊：上部辊和下部辊相反的两端加工研磨成锥形，通过传动侧上下两个横移液压缸控制其轴向移动来调整轧辊重合部分（即有效平面量）的长度，来对带钢边部进行控制调节。当轧制速度大于100m/Min时，开始调节，使锥度与带钢边缘厚薄保持一致，以满足正确轧制要求。可调节范围为200mm。,工作辊：装有止推球面轴承用来承受轧制时工作辊的轴向力，以防止工作辊轴向窜动,2.4.工作辊,工作辊直径/轧件厚度的比例是轧制设计中一个重要的参量，主要与材质有关,工作辊直径小，轧制顺利,工作辊直径大，轧制困难,如图：轧件厚度和压下量相同的情况下,软质材：450700硬质材：250400不锈钢：12左右,3.AFC系统,板形不良的影响：成品的质量、带钢的轧制操作、板形严重不良会导致勒辊，轧卡，断带，撕裂等事故的出现（甚至可能损坏轧机）、生产的最薄规格、轧制速度和轧机的生产能力。AFC系统用途：通过安装在轧机机架侧面的板形辊上的传感器测出与其相接触的一小段带钢中的张应力，由于带钢在宽度方向上延伸的不均匀反映为横向张力分布也不均匀，所以在每个测试区域受力不同，测出的受力数据经过系统处理后显示在屏幕上的板形图，根据测得的板形图来控制调节器，以达到对带钢平整度的精确控制，获得我们所需的带钢平整度。,3.1.设备用途,3.2.板形控制系统原理,带钢板形主要决定于辊子间隙，因此我们可调节辊子间隙以此来获得我们所需的板形，而辊子间隙主要由凸度齿条和一中间轴移来控制，凸度齿条控制带钢较宽，而一中间仅仅控制带钢的边部。,Backbearing的TopCrown控制：是最主要板形控制手段。它根据板形具体分布情况，通过轧机顶部7个液压缸（Rack）控制偏心环位置从而得到控制板形所需的辊缝。IdleRoll提供Crown补偿的控制：2NDIMRIdleRoll提供因机架，辊系变形而产生凹度的凸度的补偿量。1stIMR提供动态Crown补偿控制：1STIMR磨削为Taper型是因为我们轧制的带钢边部都会突然变薄（Edgedrop）的现象。因此，在轧制过程中需要在带钢边部的某个范围内减小轧制力。把1STIMR研磨成Taper可以达到减小带钢边部轧制压力的目的。最合适的Taper要由反复的实验才能得到。另外Taper可以提供一个动态（dynamic）的凸度补偿。这主要是为了适应因轧制压力波动和变动引起的机架，辊系变形量的变化。所以1STIMR最主要的功能是对Stripedge（包括四分之一浪）的控制。1STIMR通过横移控制Stripoverlap量的大小达到控制带钢边部的目的。,3.3.Z-Mill板形控制的三种方法和其特点,3.4.各种典型板形缺陷产生原因及对策,3.AGC系统,由置于出口和入口两侧的测厚仪，测出带钢厚度，反馈到高速的计算机系统，再去控制一个“电-液压”系统来实现对带钢厚度的控制。,测厚仪简图,3.1.AGC系统作用及原理,3.2.AGC系统控制方法,前馈：把前面的测厚仪测得厚度与目标厚度相比。后馈：把后面的测厚仪测得厚度与目标厚度相比，只有1pass时使用。质量流：轧机出入口的秒流量相等的原理控制，左右测厚仪同时使用,4.张力轧制,5.1.张力轧制定义：轧件在轧辊中的轧制变形是在一定前后张力作用下实现的。,5.2.张力的作用,改变了金属在变形区中的主应力状态，显著的减少单位压力，便于轧制更薄的产品并降低能耗，相应的增加了压下量，提高轧机生产能力和寿命防止带钢在轧制中跑偏，使带钢平直可以减小残余压应力，确保轧制过程稳定改善板形,5.2.张力的选择,主要依据：平均单位张力z，即作用在带材断面上的平均张应力。影响因素：延伸不均、钢的材质、加工硬化程度、板形情况、板边情况有关。,改善板形原理,第三部分SPM,1.SPM（调质压延）的原理,经过再结晶退火的冷轧带钢需要进行平整，以获得交货状态需要的各种性能。从压下变形看，平整实质是一种小压下率的二次冷轧变形,平整过程的工艺质量控制主要就是通过延伸率来进行管理的（ZPSS一般采用延伸率0.5-1.0%，最大2%）。,2.SPM的目的,消除退火带钢的屈服平台，改善力学性能，保证产品的成形加工性；修正板形，改善平直度；根据用户的使用要求，加工光面或麻面板，并改善表面质量。,2.1.消除退火带钢的屈服平台，调整力学性能,冷轧带钢经过再结晶退火，消除了加工硬化组织，但却使力学性能和加工性能变坏。这时带钢的应力应变曲线具有明显的上屈服极限，并且在下屈服极限出现屈服平台。,图平整前后的应力应变曲线a-平整前b-平整后,铁素体不锈钢来说，平整最重要的目的是改善力学性能，消除屈服平台。铁素体不锈钢，也包括一些低碳马氏体钢随后加工时会出现“折皱”和“荷叶边”，严重损坏产品的价值，为消除这种缺陷，需要对带钢作适当的轻冷轧（平整），使其预先产生一个均匀的永久变形，从而在拉伸变形中不产生屈服平台。,图9屈服极限与平整变形率的关系a-钢板厚度0.3mmb-厚度0.7mm,2.2.修正板形，改善平直度,平整时轻微的压下变形则能在一定程度上减轻和消除其板形缺陷，得到平坦的带钢。Ni系不锈钢和高碳Cr不锈钢不存在控制延伸率的问题。修正板形是其主要目的。,2.3.改善表面的精加工状态,表面状态有光面（2B）光面板要求具有良好的光洁度，需用光洁度很高的轧辊平整；麻面（2D）而麻面板是一种无光泽板，需要用打毛处理的轧辊平整带钢上的某些表面缺陷通过平整压下也可以有所改善。,3.平整机和平整辊,3.1.平整机：有二辊可逆和四辊可逆式，使用普遍的是二辊轧机。,图10二辊可逆式平整机卷取机2-机架,图11四辊式单机架平整机组成,3.2.平整辊要求,辊子的直径：为有利于修正板形和改进表面状态，通常使用大直径的轧辊。,辊子的表面：辊子的表面有严格要求。2D等光面板平整时辊子表面须用600号砂轮修磨，保证其光洁度，同时不得残留有螺旋纹振纹等缺陷。2D等麻面板平整时，辊子表面须用专门的打毛设备打毛处理。,辊子的辊型：为保证板形必须带凸度。一般平整Ni系不锈钢时，使用凸度较小辊子；而平整Cr系不锈钢时，要用凸度较大的辊子，而且厚度愈薄使用的辊子凸度愈大。,4.平整工艺,4.3.干法平整和湿法平整,干法平整：摩擦系数大、钢板难以延伸、轧制压力较大但边部折皱小、板形易调整、容易发生异物压入、平整后较易生锈。湿法平整：洗净异物、外来物压入减少、防止辊子发热造成的异常凸度、润滑剂还有中间防锈剂的作用。注：不锈钢多采用干法平整,平整道次一般为一道次，但也有23道的（400系）；压下率主要根据钢种决定；铬系钢中的铁素体钢和低碳