内科大轧钢工艺学讲义08孔型设计基础

本章导读：现阶段绝大部分型钢生产的变形都是依靠孔型来完成的，因此孔型设计对于型钢生产有重大意义。本章对孔型设计的基本知识以及延伸孔型系统进行了介绍，并对如何进行延伸孔型设计做了简要说明。通过本章的学习，可以掌握孔型设计的基本内容和孔型设计的基本要求，以及孔型设计的基本流程。理解各种常见延伸孔型的变形特点，掌握各种延伸孔型的用法，并能进行合理的孔型设计。孔型设计的核心是宽展计算，因此本章对于如何计算宽展做了专门的介绍。型钢品种规格繁多，其中绝大部分都是用轧辊法在孔型中轧制进行生产的。将钢锭或钢坯在连续变化的轧辊孔型中进行轧制，以获得所需的断面形状、尺寸和性能的产品而进行的设计和计算工作称之为孔型设计。孔型设计是型钢生产的工具设计。完整的孔型设计包括以下三个方面的内容：统、总轧制道次和各道次的变形量，以及各道次的孔型形状和尺寸。轧辊上的配置方式，以保证轧件能正常轧制，操作方便，成品质量好和轧机产量高。卫装置。导卫或诱导装置应保证轧件能按照所要求的状态进、出孔型，或者使轧件在孔型以外发生一定的变形，或者对轧件起矫正或翻转作用等。8.1.1.2孔型设计的要求孔型设计是型钢生产中一项极其重要的工作，直接影响着成品质量、轧机生产能力、产所轧产品首先要保证断面形状正确和断面尺寸精度在允许偏差范围之内。还应使表面光洁，金属内部残余应力小，产品微观组织和力学性能良好。轧机的生产率决定于轧机的小时产量和作业率。影响轧机小时产量的主因是轧制道次数及其在各机架上的分配。在一般情况下，轧制道次数愈少愈好。在电机和设备允许条件下，辅件的共用性是影响轧机作业率的主要因素。为了降低生产成本，必须降低各种消耗。金属消耗在成本中起主要作用，因此提高成材率是降低成本的关键。因此，孔型设计应保证轧制过程进行顺利，便于调整，减少切损和降低废品率；在用户无特殊要求的情况下，尽可能按负偏差进行轧制。此外，合理的孔型设计也应减少轧辊和电能的消耗。于调整；轧辊辅件坚固耐用，装卸容易。使设计的孔型符合该车间的工艺与设备条件，使孔型具有实际的可用性。为了满足孔型设计的内容，满足孔型设计的要求，孔型设计需要遵循一定的科学程序。8.1.2.1了解生产基本情况产品的技术条件包括产品的断面形状、尺寸及其允许偏差；产品表面质量；微观组织和性能的要求；对某些产品还应了解用户的使用情况及其特殊要求。坯料条件包括已有钢锭或钢坯的形状和尺寸，或按孔型设计要求重新选定坯料的规格。包括轧机的布置、机架数、辊径、辊身长度、轧制速度、电机能力、加热炉、移钢和翻钢设备、工作辊道和延伸辊道、延伸台、剪机或锯机的性能以及车间平面布置情况等。8.1.2.2选择合理的孔型系统对于新产品，设计孔型之前应了解类似产品的轧制情况及其存在的问题，作为考虑新产品孔型设计的依据之一。对于老产品，应了解在其他轧机上轧制该产品的情况及其存在问题。在品种多、产量要求不高的轧机上，应该采用共用性大的孔型系统，这样可以减少换辊次数及轧辊的储备量。但在品种比较单一，即专业化较高的轧机上，应该尽量采用专用的孔型系统，这样可以排除其他产品的干扰，提高产量。孔型系统选择之后，接下来就要确定轧制该产品时所采用的总轧制道次数及按道次分配变形量。轧制型钢时，由于断面形状比较复杂，而且压下量是不均匀的，所以变形量通常用延伸系数来表示。当坯料和成品的横断面面积为已知时。总延伸系数为：(8-2)由此可以确定出总轧制道次数：轧制道次数应取整数，具体应取奇数还是偶数则取决于轧机的布置。平均延伸系数可根据经验或同类轧机用类比法选取。在实际设计时也可以根据轧机的具体条件，首先选择最合理的轧制道次，然后求出生产该产品的平均延伸系数：(8-4)然后将这一平均延伸系数与同类型轧机生产该产品所使用的平均延伸系数相比较，若接近或小于上述数字，则说明生产是可能的，若大于这些数字很多时，则需要增加道次。若增加道次也不能解决，则说明原料断面过大，需要首先轧成较小的断面，然后经过再加热才能轧出成品。钢坯的横断面面积(8-5)8.1.2.4各道次变形量的分配分配各道次的变形量应注意以下几个问题：在未被加工前，其塑性较差，因此要求前几道次的变形量要小些。度高，轧件表面常附着氧化铁皮，摩擦系数较低。所以，选择这些道次的变形量时要进行咬入验算。对道次变形量也有限制作用。一般情况下，应保证轧辊工作直径不小于辊颈直径。在新建轧机上，一般电机能力是足够的，仅在老旧轧机上，电机能力可能会制约道次变形量。型的磨损直接影响到成品尺寸精度和表面粗糙度。同时，孔型的磨损也会增加换辊时间，影响轧机产量。成品尺寸精度和表面粗糙度主要取决于最后几道次，所以成品道次和成品前道次的变形量应取小些。上述因素影响道次变形量的因素很复杂，经常是各种因素综合起作用。金属的塑性、轧辊强度与电机能力不成为限制因索，氧化铁皮使摩擦系数降低，因此咬入条件成为限制变形量的主要因素；随着氧化铁皮的剥落，咬入条件得到改善，而此时轧件温度降低不多，故变形系数可不断增加，并达到最大值；随着轧制过程的继续进行，轧件的断面面积逐渐减小，轧件温度降低，变形抗力增加，轧辊强度和电机能力成为限制变形量的主要因素，因此变形系数降低；在最后几道中，为了减少孔型磨损，保证成品断面的形状和尺寸的精确度，应采用较小的变形系数。曲线的变化范围很大，是考虑其他意外因素的影响。在生产中为了合理地分配变形系数，必须对具体生产条件做具体地分析。如在连轧机上轧制时，由于轧制速度高，轧件温度变化小，所以各道的延伸系统可以取成相等或近似相等。各道次的延伸系数确定之后，要用其连乘积进行校核，保证其连乘积等于总延伸系数，否则需调整各道次的延伸系数使其连乘积等于总延伸系数。a-延伸孔型；b-预轧孔型；c-或成品前孔型；d-成品孔型根据各道次的延伸系数确定各道次轧件的横断面面积，然后按照轧件的断面面积及其变形关系确定轧件的断面形状和尺寸。根据轧件的断面形状和尺寸确定孔型的形状和尺寸，并构成孔型。应指出，有时孔型设计是根据经验数据直接确定孔型尺寸及其构成，这时可不事先确定轧件尺寸。8.1.2.7绘制配辊图把设计出的孔型按一定规则配置在轧辊上，并绘制配辊图。8.1.2.8进行必要的校核对咬入条件和电机负荷进行校核，在必要时，也要对轧辊强度进行校核。8.1.2.9轧辊辅件设计根据孔型图和配辊图设计导卫、围盘、检测样板等辅件并构图。为了保证所设计的孔型具有良好的技术经济指标和显著的经济效益，在进行孔型设计时要遵循以下基本原则：和不均匀变形尽量放在前面道次，以降低能耗和轧辊磨损。利于现场操作。换辊工作时间。化轧机的操作和调整。由两个或两个以上的轧槽在通过轧辊轴线的平面上所构成的断面轮廓称为孔型。所谓轧槽就是在一个轧辊上用来轧制轧件的工作部分，也就是轧辊与轧件相接触的部分。型材就是在带有所谓轧槽的环形凹槽或凸缘的轧辊上轧制出来的。孔型的分类主要有以下三种方式：孔型的形状、用途及其在轧辊上的切削方式。8.1.3.1按形状分类以及蝶式孔型等。8.1.3.2按用途分类根据孔型在变形过程中的作用分为：的孔型有箱形孔、菱形孔、方形孔、椭圆孔、六角孔等。品相似的雏形。品做准备的。并使轧件具有成品所要求的断面形状和尺寸。为了轧出所需的各种型钢，必须设计出相应的孔型。虽然孔型的种类很多，外形也各有差异，但它们都是由几个基本部分组成的，如辊缝、圆角、侧壁斜度等。下面来讨论孔型各部分的作用。8.1.4.1辊缝在轧制过程中，除轧件产生塑性变形外，工作机架各部分因受轧件变形抗力的作用将产称为轧辊的弹跳。轧辊弹跳值的大小与轧制压力和轧机的结构有关。在轧制压力相同时，开口式牌坊比闭口式牌坊的轧辊弹跳大得多。轧辊弹跳增加了孔型的高度，所以如果在设计孔型时不考虑轧辊弹跳，就不可能轧出合格的产品。为了获得精确的断面形状和尺寸，孔型设计时必须在轧辊之间留有辊缝，使两个轧槽的深度与辊缝之和等于孔型的总高度。这样在轧制前使轧辊之间的距离比设计的辊缝小一轧辊弹跳值。在轧制时由于轧辊弹跳使孔型达到要求的高度。因此，辊缝值应大于轧辊弹跳。如果辊缝值正好等于轧辊弹跳值，在轧件进入孔型前，轧辊将互相接触，这将引起附加的能量消耗与轧辊的磨损。除此之外，调整辊缝还有如下作用：共用性和节约轧辊的角度出发是很有价值的。许重车次数，延长了轧辊的使用寿命。的问题。虽然增大辊缝值有一系列的优点。但辊缝值过大会使轧槽变浅，起不了限制金属流动的作用，使轧出的轧件形状不正确。那么如何确定轧辊辊缝的大小呢？轧辊的弹跳值与金属作用在轧辊上的压力成正比，而允许轧制压力的大小又与轧辊的强度和轧辊直径有关，所以在实际生产中经常根据轧辊直径来估计辊缝值。例如，在大中型轧型和毛轧孔型的辊缝值比成品孔型大，这是因为最初道次辊缝大对成品质量影响不大的缘故，且辊缝大，调整范围大，增加轧辊重车次数。8.1.4.2孔型侧壁斜度孔型的侧壁斜度是指孔型的侧壁对轧辊轴线垂直线的倾斜程度。孔型的侧壁在任何时候下式表示：有时孔型的侧壁斜度也用角度表示。侧壁斜度的作用主要体现在以下几个方面：口部分由喇叭口形成，因而轧件进孔型和脱槽都很容易。当孔型无侧壁斜度时，如喂钢稍有不正，轧件碰到辊环就被顶回。不能实现咬入；即使轧件进入孔型，由于宽展，孔型侧壁对轧件造成很大的夹持作用，使轧件不易脱槽，易造成缠辊事故。形状和尺寸都在发生变化，如继续使用磨损严重的孔型，则会在成品上出现许多缺陷，影响产品的质量，所以轧辊需要进行重车。假如孔型侧壁无斜度时，重车也无法恢复孔型原来的(当不大大时)(8-7)在实际生产中，在不影响质量的情况下应尽量采用大的侧壁斜度。型的侧壁斜度越大，允许的变形量也越大。由于孔型侧壁斜度大，甚至可以减少轧制道次，并有利于轧机调整，这不仅可以节约轧辊，而且可以减少电能消耗。可以轧出尺寸不同的轧件。这一点对于初轧机、开坯机以及型钢轧机的毛轧孔型尤为重要。8.1.4.3孔型的圆角可以防止轧件角部的急剧冷却；可使槽底的应力集中减少，增加轧辊强度；通过改变内圆角平径，可以改变孔型的实际而积和尺寸，从而改变轧件在孔型中的变形量和孔型的充满程度，有时还对轧件的局部加工起一定的作用。当轧件进入孔型不正时，外圆角能防止轧件的一侧受辊环切割，即刮铁丝的现象；当轧防止轧件继续轧制时形成折叠。对于异型孔型，增大外圆角半径也可使轧辊的局部应力集中减少，从而增加轧辊的强度。应当指出，轧制某些简单断面型钢时，其成品孔型的外圆角半径可取小些，甚至可为零。8.1.4.4锁口当采用闭口孔型以及轧制某些异型型钢时，为了控制轧件的断面形状，要使用锁口。孔必须大些，借以防止轧制较厚或较高的轧件时金属流入辊缝。用锁口的孔型，其相邻孔型的锁口一般是上下交替出现的。在孔型系统及各孔型尺寸确定之后，还要合理地将孔型分配和布置到各机架的轧辊上去。配辊应做到合理，以便使轧制操作方便，保证产品的质量和产量，并使轧辊得到有效的利用。为了合理配置孔型，一般应遵守如下原则：间均衡。同。如成品孔和成品前孔对成品的表面质量与尺寸精确度有很大影响，所以成品孔和成品前孔在轧辊长度允许的范围内应多配几个，这样当孔型磨损到影响成品质量时，可以只换孔型，而不需换辊。辊环强度取决于轧辊材质、轧槽深度和辊环根部的圆角半径大小；钢轧辊的辊环宽度应大于或等于轧槽深度之半；铸铁辊的辊环宽度应大于或等于轧槽深度。确定辊环宽度时除考虑其强度外，还应考虑导板的厚度或导板箱的尺寸以及调整螺丝的长度和操作所需的位置大小。边辊环的宽度一般取如下数值：初轧机50~100mm轨梁与大型轧机100~150mm三辊开坯机60~150mm中小型轧机50~100mm8.1.5.2轧机尺寸与轧辊直径轧辊的车削系数可用下式表示：(8-10)想的是新辊的联接轴倾角与轧辊使用到最后一次时联接轴的倾角相等。(8-11)由于孔型的形状各异，所以孔型各点的圆周速度也是不同的，但轧件只能以某一平均速直径。当轧件充满孔型时，对箱型孔型：(8-12)对于其他任意孔型，轧辊平均工作直径为：(8-13)8.1.5.3轧辊的“压力”在轧制过程中我们希望轧件能平直地从孔型中出来。但实际生产中由于受各种不可控因是平直的，这给生产操作带来困难，影响轧机产量和质量，严重的还会造成人身和设备事故。因此为了使轧件出孔后有一个固定的方向，在型钢生产中常采用不同辊径的轧辊。若上需在下辊上安装卫板，这样轧件出孔时，前端沿卫板滑动，之后获得平直方向。轧制型钢时辊径差使轧机产生冲击作用，会导致相应的传动件如接轴、梅花套筒及齿轮等承受不同的扭矩而产生不均匀的磨损，严重时会因此而扭断。8.1.5.4轧辊中线和轧制线为轧辊中线。已知：(8-14) 有上述关系得(8-15)所以8.1.5.5孔型的中性线上、下轧辊作用于轧件上的力对孔型中某一水平直线的力矩相等，这一水平直线称为孔型的中性线。确定孔型中性线是为了配置孔型，即把它与轧辊中线相重合时，则上、下两辊对简单的对称孔型，孔型的中性线就是孔型的水平对称轴线。对非对称孔型，孔型中性工作直径确定孔型中性线的方法。校核，检查各部分尺寸是否正确。为了获得某种型钢，通常在成品孔和成品前孔之前有一定数量的延伸孔型或开坯孔型，延伸孔型系统就是这些延伸孔型的组合。各种轧机的轧制条件不同，所以选用的孔型系统也不完全相同。为了便于孔型设计时合理地选择孔型系统，下面分别介绍各种孔型系统的优缺点、变形特点以及使用范围。等断面面积的其他孔型相比，箱形孔型在轧辊上的切槽浅，轧辊强度较高，可以采用较大的中只能受两个方向的压缩，故轧件侧表面不易平直，甚至出现皱纹。由箱形孔型系统的优缺点可知，它适用于初轧机、大中型轧机的开坯机及小型或线材轧机的粗轧机架。采用箱形孔型轧制大型和中型断面时轧制稳定，轧制小断面型钢时稳定性较差。箱形孔型轧制断面的大小取决于轧机的大小。轧辊直径愈小，所能轧的断面规格也愈小。例如，在80mm；在400mm和300mm的轧辊上不应小于56mm和45mm。条件和对产品的质量要求而定。轧制条件中小型开坯机轧制钢锭或钢坯型钢轧机轧制钢坯前1~4道轧锭扁箱形孔型方箱型孔型扁箱型孔型方箱型孔型宽展系数0~0.10.15~0.308.2.2菱-方孔型系统紧贴在孔型侧壁上，所以当轧件表面有氧化铁皮时，将被轧入轧件表面，影响轧件表面质量；利用经验计算方法计算菱形和方形轧件的尺寸时，宽展系数的选取范围如下：：；。8.2.3菱-菱孔型系统个菱形孔内，往返轧制一次就可以获得各砷尺寸的中间方坯。另外，当轧制系统中有时要在易破坏既定的连轧常数，从而使轧机调整困难。制40mm×40mm~75mm×75mm以下的轧件。椭圆件在方孔型中的宽展系数方轧件边长/mm6~99~1420~30椭圆-方孔型系统的平均延伸系数延伸系数延伸系数2.424方轧件边长/mm6~99~1420~30边长差/mm5~106~12椭圆孔型。所以，六角一方孔型系统除具有椭圆一方孔型系统的优点外，还有以下特点：但六角孔型充满不良时，则易失去稳定性。混合孔型系统，克服了小断面轧件在箱形孔型中轧制不稳定和大断面轧件在椭圆孔型中轧制有严重不均匀变形的缺点。方轧件在六角孔型中的宽展系数βl六角轧件在方孔型中的宽展系数βf常用0.4~0.7平均延伸系数μc方轧件在六角孔型中的延伸系数μc方轧件在六角孔型中的延伸系数μf缺陷如裂纹、折叠等较少。型系统被广泛地用于小型和线材连轧机上。8.2.6.3变形系数轧件在立椭圆孔型中的宽展系数轧件在平椭圆孔型中的宽展系数况下，可由延伸孔型轧出成品圆钢，从而可减少轧棍的数量和换辊次数。能高些，但减少了精整和次品率，经济上仍然是合理的。为了提高轧机的产量和成品质量，在生产条件允许的范围内，一般是尽量采用较大断面的原料口因此，从原料轧成成品往往需要较多的轧制道次。由于轧机类型、坏料尺寸和成品规格不同，在型钢轧机上很少采用单一的延伸孔型系统，而是采用几种延伸孔型系统组成混合孔型系统。下面介绍几种常见的混合孔型系统。一般用于三辊开坯机和中小型轧机的开坯机架上。其中箱形孔型的作用是去除钢锭或钢坯表面的氧化铁皮，有利于提高成品的表面质量。除此之外，箱形孔型刻槽浅，有利于提高轧辊强度和增大道次压下量。箱形孔型的组数取决于所轧断面的大小，当轧件断面较小时，在箱形孔型中轧制是不稳定的。这种孔型系统主要用于中小型轧机的开坯机架上。采用箱形的作用同上所述。当轧件在箱形孔型中轧到一定断面尺寸之后，采用六角方孔型系统轧制除了具有较好轧制稳定性外，还有较大的延伸能力，这对减少轧制道次有利。型系统用于连轧机时，使轧机调整困难。面上的氧化铁皮，提高轧件表面质量。所以这种混合孔型系统主要用于轧制塑性较低的合金钢。随着连轧机的广泛使用，这种混合孔型系统被广泛用于小型和线材连轧机。随着高速线材轧机和连续式小型轧机在我国的迅速发展，这些孔型系统得到了广泛的应用。值得注意的是，孔型系统的选择一定要考虑轧机的布置形式和原料的大小，切不可机械地搬用。前面我们介绍了不同的孔型系统，可以发现尽管孔型系统的组成很复杂，但是总的说来，各种复杂的孔型系统主要由以下几类孔型构成：箱形孔型、菱形孔型、方形孔型、椭圆孔型、六角孔型、圆孔型。这一节我们就介绍如何设计这些孔型。在我们进行孔型设计之前，我们的已知轧件的断面尺寸，因此对于构成延伸孔型的基本尺寸，是基于轧件断面尺寸而来的，因此需要提前获得轧件的断面尺寸，这一点需要设计者注意。8.2.9.1箱型孔型的构成箱形孔型分立箱形孔型、方箱形孔型和矩形箱形孔型三种，其构成原则相同。箱形孔型孔型时状态稳定，避免轧件左右倾倒，同时也给轧件翻钢后在下一个孔型中轧制时多留一些棒材轧机箱型孔一般不采用凸度。和两侧壁同时接触，或与接近孔型槽底的两侧壁先接触，以保证轧件在孔型中轧制稳定。8.2.9.2菱形孔型的构成后，其它尺寸按下式进行计算。轧机孔型胶木瓦滚动和液体摩擦轴承钢坯连轧机毛坯精轧前和精轧大型轧机毛坯精轧前和精轧毛坯精轧前和精轧小型和线材轧机毛坯精轧前和精轧8.2.9.3方形孔型的构成方轧件的边长确定之后，其他尺寸按下式确定：8.2.9.4椭圆孔型的构成(1)平椭圆(2)立椭圆8.2.9.5六角孔型的构成8.2.9.6圆孔型的构成切点对应的扩张角为：这种采用切线扩张的构成方法多用于高速线材轧机的圆孔型设计，也可以用于其它轧机的圆孔型设计。由于延伸孔型系统一般均为间隔出现等轴断面孔型，因此孔型设计时可以利用这一特点，首先设计出各等轴断面的尺寸，然后再根据相邻两个等轴断面轧件的断面形状和尺寸设计中间扁轧件的断面形状和尺寸，之后根据已确定的轧件断面形状和尺寸构成孔型。这样可以简化设计，减少反复。因此，延伸孔型可分两步进行设计。将延伸孔型系统分成若干组，然后按组分配延伸系数。已知则(8-21)(8-22)(8-23)等轴断面轧件的面积和尺寸。如果等轴断面轧件为方形或者圆形时，在已知其面积的情况下，是不难求出其边长或直径的。两个等轴断面轧件之间的中间扁轧件可能是矩形、菱形、椭圆形或六角形等。中间轧件行说明。中间矩形轧件的尺寸应同时保证在本孔型和下一孔型中正确充满，即：由上述公式可知，确定中间扁轧件的尺寸时需要首先计算孔型中的宽展量，而计算宽展量又需要先设定中间轧件的某一尺寸。所以，确定中间扁轧件尺寸的过程是一个迭代过程，在计算宽展量时要用到宽展公式。孔型设计时由于采用不同的宽展公式就形成了不同的孔型设计方法。目前为止，延伸孔型的设计方法很多，无论哪种设计方法都涉及到关于宽展的计算，下面介绍几种宽展的计算方法。计算孔型中的宽展量可以采用理论公式或经验公式。本节介绍的经验系数方法就是利用值得注意的是尽管采用宽展系数方法设计孔型是很简单的，其关键是正确选择宽展系数，但是这对没有经验的孔型设计人员是很困难的。为了使没有经验的孔型设计人员能比较止确地选择