(金属轧制工艺学)3轧制过程中的前滑和后滑

轧制理论与工艺Rolling Theory and Technology,轧制过程中的前滑和后滑Forward slip and back slip of rolling process,陈泽军Tel-Mail： 重庆大学 材料科学与工程学院材料加工工程系,2018/2/16,2,主要内容 (Main Content),1 轧制时的前滑和后滑2 前滑的计算3 中性角的确定4 影响前滑的因素5 前滑、后滑与纵横变形的关系6 连续轧制中的前滑及有关工艺参数的确定 总结,2018/2/16,3,1 轧制时的前滑和后滑,前滑：在轧制过程中，轧件出口速度大于轧辊在该处的线速度，这种现象称为前滑。后滑：轧件进入轧辊的速度小于轧辊在该处线速度的水平分量的现象称为后滑。,2018/2/16,4,1 轧制时的前滑和后滑,轧件在满足咬入条件并逐渐充填辊缝的过程中，由于轧辊对轧件作用力的合力作用点内移、作用角(-)减小而产生剩余摩擦力，此剩余摩擦力和轧制方向一致。,2018/2/16,5,1 轧制时的前滑和后滑,在剩余摩擦力的作用下，轧件前端的变形金属获得加速，使金属质点流动速度加快，当在变形区内金属前端速度增加到大于该点轧辊辊面的水平速度时，就开始形成前滑，并形成前滑区和后滑区。,2018/2/16,6,1 轧制时的前滑和后滑,在后滑区，金属相对辊面向入口方向滑动，故其摩擦力的方向不变，仍为将轧件拉入辊缝的主动力。在前滑区，由于金属相对于辊面向出口方向滑动，摩擦力的方向与轧制方向相反，与剩余摩擦力的方向相反，因而前滑区的摩擦力成为轧件进入辊缝的阻力，并将抵消一部份后滑区摩擦力的作用。,2018/2/16,7,1 轧制时的前滑和后滑,前滑：在轧制过程中，轧件出口速度大于轧辊在该处的线速度，这种现象称为前滑。后滑：轧件进入轧辊的速度小于轧辊在该处线速度的水平分量的现象称为后滑。,2018/2/16,8,1 轧制时的前滑和后滑,在中性面处，轧件与轧辊无相对滑动。轧件与轧辊水平速度相等。利用秒流量相等,2018/2/16,9,1 轧制时的前滑和后滑, 延伸系数,2018/2/16,10,1 轧制时的前滑和后滑,2018/2/16,11,1 轧制时的前滑和后滑,前滑值：用出口断面上轧件速度与轧辊圆周速度之差和轧辊圆周速度的比值的百分数表示，即：后滑值：用入口断面处轧辊圆周速度的水平分量与轧件入口速度之差和轧辊圆周速度水平分量比值的百分数表示，即:,2018/2/16,12,刻痕法测量前滑值,2018/2/16,13,刻痕法测量前滑值,碳钢的温度膨胀系数,若热轧时，测出轧件的冷尺寸值为 ，则用下式换算成热尺寸：,2018/2/16,14,前滑和后滑,2018/2/16,15,前滑和后滑,由上面公式可知：当延伸系数和轧辊周速v 已知时，轧件进出辊的实际速度 vH 和 vh 决定于前滑值 Sh，知道前滑值可求出后滑值 SH 。当和接触角一定时，前滑值增加，后滑值就必然减少。既然轧件进出辊实际速度之间或前滑值与后滑值之间存在上述的明确关系，所以下面可以只讨论前滑问题。,2018/2/16,16,研究前滑的意义,(1)前后滑现象是纵变形研究的基本内容。(2)使用带拉力轧制及连轧时必须考虑前滑值。(3)在计算设备的实际工作时间时，应考虑到前滑数值。(4)研究外摩擦时必须计算前滑。,2018/2/16,17,2 前滑的计算方法,一、芬克（Fink） 前滑公式：按秒流量体积不变条件，变形区出口断面金属的秒流量应等于中性面处的秒流量。因为：,2018/2/16,18,2 前滑的计算方法,芬克（Fink） 前滑公式：,2018/2/16,19,2 前滑的计算方法,由图可知：（1）前滑与中性角呈抛物线关系；（2）前滑与辊径呈线性关系；（3）前滑与轧件厚度呈双曲线关系。,2018/2/16,20,2 前滑的计算方法,二、艾克隆德（S.Ekelund）前滑公式：当角很小时，取：则Fink公式可以简化为：,2018/2/16,21,2 前滑的计算方法,三、德雷斯登（Dresden）前滑公式：当 时，艾克隆德（S.Ekelund）前滑公式中的1可以忽略不计，则该公式变为：这就是德雷斯登（Dresden）前滑公式。,2018/2/16,22,2 前滑的计算方法,若 时，则 ，呈抛物线。若 时，则 ，为直线。若 时，则 ，呈双曲线。Dresden公式反映的函数关系与前面的芬克（Fink） 前滑公式是一致的。,2018/2/16,23,2 前滑的计算方法,以上公式都是在不考虑宽展情况下得到的。若宽展不能忽略，则实际的前滑值将小于公式算得的结果。在一般情况下，前滑Sh的数值平均波动在210之间，但在某些特殊情况下，其值也有可能超出这个范围。,2018/2/16,24,例题,已知轧前断面尺寸HB=100400mm，轧后厚度h=70mm，轧辊材质为铸铁，工作辊直径为Dk=650mm，轧制温度为1100C，忽略宽展，计算前滑值。,2018/2/16,25,例题,解答：(1) 求咬入角,2018/2/16,26,例题,(2) 求摩擦系数及摩擦角(3) 求中性角 则：,2018/2/16,27,例题,(4) 计算前滑值,2018/2/16,28,3 中性角的确定,根据轧件受力平衡条件确定中性面的位置及中性角的大小 此公式为抛物线方程：此函数有极大值：,2018/2/16,29,中性角 ,当 = ，即在极限咬入下，中性角 最大。其值为 /4。当 时， 随着 的增加， 减小。,2018/2/16,30,中性角 ,当 时，趋于极限值/2，这表明由于剩余摩擦力很大，前滑区有很大发展，最大值可能接近变形区的一半。当咬入角增加时，则剩余摩擦力减小，前滑区占变形区的比例减小，极限咬入时只占变形区的1/4，如果再增加咬入角(在咬入后带钢压下)，剩余摩擦力将更小，当2时，剩余摩擦力为零，此时=0。前滑区为零即变形区全部为后滑区，此时轧件向入口方向打滑，轧制过程实际上已不能继续进行下去。,2018/2/16,31,/与剩余摩擦力的关系,剩余摩擦力Rx稳定轧制阶段为：,2018/2/16,32,/与剩余摩擦力的关系,前滑区在变形区内所占比例的大小，即/值，与剩余摩擦力的大小关系？当不大时，可以认为 ， 。,2018/2/16,33,/与剩余摩擦力的关系,又设轧制时咬入角与摩擦角之间的关系为：,假设摩擦力和单位压力都相同,2018/2/16,34,/与剩余摩擦力的关系,2018/2/16,35,/与剩余摩擦力的关系,上式中 ，为轧制时作用在辊面与轧件接触面之间的摩擦力。当轧制条件一定时，摩擦力应为定值，即： 为定值。因此，可以用 值来 表征该轧制条件下剩余摩擦力的大小。,2018/2/16,36,/ 与剩余摩擦力的关系,前滑区的摩擦力是轧件进入变形区的阻力，轧辊是通过后滑区摩擦力的作用将轧件拉入辊缝，故后滑区的摩擦力具有主动作用力的性质。所以前滑区和后滑区是两个相互矛盾着的方面。然而前滑区对稳定轧制过程又是不可缺少的。当由于某种因素的变化，使阻碍轧件前进的水平阻力增大（如后张力增大），或使拉入轧件进入辊缝的水平作用力减小（如摩擦系数减小），前滑区将会部份地转化为后滑区，使拉入轧件前进的摩擦力的水平分量增大，使轧制过程得以在新的平衡状态下继续进行下去。,2018/2/16,37,4 影响前滑的因素,前滑是轧制条件的复杂函数：D轧辊直径； 轧制道次相对压下量；h 轧后轧件厚度；f 接触面摩擦系数；B轧件轧前板宽；q变形区前后的外力。,2018/2/16,38,影响前滑的因素,凡是研究纵横变形的规律，都应遵循最小阻力定律和体积不变条件（秒流量相等）的原则。影响前滑的主要因素包括：(1) 轧辊直径对前滑的影响(2) 摩擦系数对前滑的影响(3) 压下率对前滑的影响 (4) 轧件厚度对前滑的影响(5) 轧件宽度对前滑的影响(6) 张力对前滑的影响,2018/2/16,39,轧辊直径对前滑的影响,辊径增大，轧制速度增大，摩擦系数减小，使剩余摩擦力减小；同时，辊径增大，宽展增大，延伸系数减小。两个因素共同使前滑增加速度减慢。,2018/2/16,40,摩擦系数对前滑的影响,实验证明，摩擦系数越大，在其它条件相同时，前滑值越大。这是因为摩擦系数增大，剩余摩擦力增加，而变形区长度不变，所以轧件前端流动速度越来越快，即前滑加大。,2018/2/16,41,摩擦系数对前滑的影响,2018/2/16,42,摩擦系数对前滑的影响,很多实验都证明，凡是影响摩擦系数的因素，如轧辊材质、轧件化学成分、轧制温度、轧制速度等，都能影响前滑的大小。右图表示轧制温度对前滑的影响。,2018/2/16,43,压下率对前滑的影响,不论以任何方式改变相对压下量，前滑均随相对压下量增加而增加，而且以压下量为常数时，前滑增加更为显著。,相对压下量对前滑的影响(1#钢, t=1000, D=400mm）,2018/2/16,44,轧件厚度对前滑的影响,当轧后厚度减小时，前滑增大。而当压下量h=常数时，前滑值增加的速度比轧前厚度H=常数时要快。,2018/2/16,45,轧件厚度对前滑的影响,因为在轧前厚度H、轧后厚度h、压下量h三个参数中，不论是以轧前厚度为常数H或以压下量h为常数，轧后厚度h减小都意味着相对压下量增加，因而轧件轧后厚度对前滑的影响，实质上可归结为相对压下量对前滑的影响。,2018/2/16,46,轧件宽度对前滑的影响,当宽度小于一定值时，随宽度增加前滑值也增加；而宽度超过此值后，宽度再增加，则前滑不再增加。,2018/2/16,47,张力对前滑的影响,实验证明，前张力增加时，使前滑增加、后滑减小；后张力增加时，使后滑增加、前滑减小。,2018/2/16,48,张力对前滑的影响,实验证明，前张力增加时，使前滑增加、后滑减小；后张力增加时，使后滑增加、前滑减小。这是因为前张力增加时，使金属向前流动的阻力减小，前滑区增大；而后张力增加，使中性角减小（即前滑区减小），故前滑值减小。,2018/2/16,49,张力对前滑的影响,实验结果，也完全证实了上述分析的正确性。其实验条件是在辊径D200mm的轧机上，采用不同的h值，用h=0.44mm轧制铝轧件，分别有张力和不带张力两组实验结果。可见有张力时，使前滑值明显地增加。,2018/2/16,50,5 前滑、后滑与纵横变形的关系,金属质点在变形区内的纵向流动，即前滑与后滑，构成了轧件的延伸变形。代入后滑公式,2018/2/16,51,前滑、后滑与纵横变形的关系,当延伸系数和轧辊圆周速度v已知时，轧件进出辊的实际速度vH和vh决定于前滑值Sh。已知前滑值就可以求出后滑值。当和咬入角一定时，前滑值增加，后滑值必然减少。,2018/2/16,52,前滑区的延伸系数,设 为前滑区的延伸系数，则由体积不变条件可得：由前滑定义可得：前滑值与前滑区延伸系数成线性关系，因而，可以把前滑理解成前滑区的纵变形。,2018/2/16,53,前滑、后滑和延伸三者的关系,例如：轧制时在接触面加入润滑剂，使摩擦系数减小，由摩擦系数对宽展的影响可知，此时宽展应减小，在压下量不变时，相应的延伸变形应增加。但此时前滑、后滑是否都同时增加呢？从另一方面来看，由于摩擦系数减小，剩余摩擦力减小，中性角减小，即前滑区在整个变形区中所占比例将减小，因此前滑值亦将减小。此时，延伸变形的增大是依靠后滑值的增大而增大的。前滑、后滑和延伸三者之间彼此有机联系。因此，必须把三者看作一个整体进行研究，否则将在分析问题时得出错误的结论。,2018/2/16,54,考虑宽展情况下的前滑值,芬克（Fink） 前滑公式是在假定宽展为零的条件下导出的。而在很多轧制条件下，宽展均较大，不能忽视。前滑和后滑构成延伸变形，前滑是前滑区延伸变形的结果，后滑是后滑区延伸变形的结果。,2018/2/16,55,考虑宽展情况下的前滑值,根据体积不变条件，可得：可以看出，随着宽展的增加，轧件的延伸系数减小，因而有宽展时，实际的前滑值也将比由芬克公式计算出来的要小。,2018/2/16,56,考虑宽展情况下的前滑值,在其他条件不变时，宽展越大，前滑值越小，因而可以假设：,2018/2/16,57,考虑宽展情况下的前滑值,假设宽展沿变形区长度均匀分布，即变形区内轧件两侧边为直线：,2018/2/16,58,考虑宽展情况下的前滑值,按照分比定理可得：,后滑区内发生的宽展量；,2018/2/16,59,考虑宽展情况下的前滑值,上式是假设宽展沿变形区长度均匀分布得到的，而实际宽展主要发生在后滑区的非拉应力区，前滑宽展很小。因而该公式是近似的。,2018/2/16,60,孔型中的前滑,孔型中的前滑值计算要比平辊轧制复杂得多。因为孔型中轧制时，孔型周边各点的轧辊圆周线速度不同，而由轧件整体性和外端作用，轧件横断面上各点又必须以同一速度出辊。因而轧件各部分的前滑值不同。工作辊直径越大的地方，前滑越小；工作辊越小的地方，前滑越大。对于异型孔型，如果某些部分工作辊径很大，可能出现的 现象，即出现负前滑。这说明在工作直径较大的部分，近似可能全部为后滑。,2018/2/16,61,孔型中的前滑,由于沿轧件宽度上各点的前滑值不同，且工作辊径不等，由德雷斯登（Dresden）公式可得：可见，中性面沿轧件宽度也不同，中性面是一个曲线。,2018/2/16,62,孔型中的前滑,方轧件进入椭圆孔型的情况。由于轧件进入变形区时与轧辊不同时接触，变形区的水平投影是如图中ABCDE的形状，可见此时变形区长度l，咬入角也是变化的，前滑区为DEFGH内的区域，中性面为FGH。,2018/2/16,63,例题,已知轧前断面尺寸HB=100400mm，轧后厚度h=70mm，轧辊材质为铸铁，工作辊直径为Dk=650mm，轧制温度为1100C，考虑宽展，计算前滑值。,2018/2/16,64,例题,解答：(1) 求咬入角(2)计算摩擦系数,2018/2/16,65,例题,(3) 计算压下量，压下率和变形区长度(4)求中性角,2018/2/16,66,例题,(5)计算不考虑宽展时的前滑值：,2018/2/16,67,例题,(6)利用艾克隆德公式计算：,2018/2/16,68,例题,(7)计算中性面宽度：(8)计算考虑宽展时的前滑值：,2018/2/16,69,例题,在轧辊直径D=400mm的轧机上，将H=10mm的带钢一道次轧成7mm，此时用辊面刻痕法测得前滑值为7.5%，计算轧制条件的摩擦系数。,2018/2/16,70,例题,解 ：（1）由德雷斯登（Dresden）公式可得：（2）计算咬入角：,2018/2/16,71,例题,（3）由巴浦洛夫三特征角公式计算摩擦角,2018/2/16,72,6 连轧中的前滑及有关工艺参数的确定,连轧关系和连轧常数连续轧制时，随着轧件断面的压缩轧制，其轧制速度递增，保持正常轧制的条件是在轧制线上每一机架的秒流量必须保持相等。连续轧制时，各机架与轧件满足下面关系式：,2018/2/16,73,连续轧制时各机架与轧件的关系,2018/2/16,74,秒流量相等,简化：,各机架工作辊直径；,各机架的轧辊转速；,2018/2/16,75,连轧常数,为简化，以C1，C2，Cn代表各机架轧件的秒流量，即：,连轧常数 C,2018/2/16,76,前滑系数和前滑值,轧辊的线速度与轧件离开轧辊的速度，由于前滑的存在，实际上是有差异的。即：轧件离开轧辊的速度大于轧辊的线速度。,2018/2/16,77,考虑前滑后的连轧常数,考虑前滑存在，则轧件在各机架间的秒流量为：,连轧常数 C,2018/2/16,78,堆拉系数和堆拉率,在生产实际中，连轧过程中要保持秒流量相等，使连轧常数恒定是相当困难的。为了使轧制过程能顺利进行，常有意识地采用堆钢或拉钢的操作技术。线材生产中，一般在机组与机组之间采用堆钢轧制，而在机组内的机架之间采用拉钢轧制。,2018/2/16,79,拉钢轧制利弊,优点：不会出现因堆钢而产生的事故。缺点：轧件头、中、尾尺寸不均匀。特别是精轧机组内机架间拉钢不适当时，将使轧件头尾尺寸超差。超差长度与最末几个机架间的距离有关。在实际中，一般采用微张力轧制（微量拉钢）。,2018/2/16,80,堆拉系数,堆拉系数是堆钢或拉钢的一种表示方法。 当K1时，表示拉钢轧制； 对于线材连续生产，粗轧与中轧