轧钢PPT.ppt

1、1,轧钢机械,郭喜平0472-5951574 ,2,基本要求：,1. 教材 课堂纪律 2.1 迟到、早退；看无关书籍。 2.2 大声喧哗，昏昏欲睡 2.3 关手机 3. 成绩评定 平时成绩30%，其中：出勤10%；作业10%；论文10% 期未成绩70%,3,第一章 概 述,主要内容：轧钢生产及轧钢机械、轧钢机的分类、轧钢机及轧钢技术发展概况；轧钢机的辅助设备及分类。 1.1 轧钢生产及轧钢机械 一、轧钢生产 轧钢生产是将钢锭或钢坯轧制成钢材的生产环节（过程） 优点：生产率高、品种多、生产过程连续性强、易于实现机械 化自动化。从而得到广泛应用。 二、轧钢机械（轧钢设备）

2、 轧钢机械或轧钢设备主要指完成由原料到成品整个轧钢工艺过程中使用的机械设备，包括：轧钢机及一系列辅助设备组成的若干个机组。,4,轧钢机、主机列、主要设备（主设备）。 辅助设备 1.2 轧钢机的分类 1、按用途分类 2、按轧辊在机座中的布置分类 具有水平轧辊的轧机 具有垂直轧辊的轧机 具有水平辊及立辊的轧机 轧辊倾斜布置的轧机 轧辊具有其它不同布置形式的轧机 3、按轧钢机的布置形式分类 单机架、多机架顺列式、横列式、连续式、半连续式、串列往复式、布棋式等,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,1.3 轧钢机及轧钢技术发展概况,一、初轧机的发展概况： 二、热轧宽带钢轧机及生产技术

3、 热轧生产的板卷，包括:薄板、中厚板,不仅可以直接使用，还可以作为下道工序冷轧、焊管、冷弯型钢的原料。 带钢热连轧机自50年代起，在世界范围内已成为带钢生产的主要形式，具有轧制速度高、产量高、自动化程度高的特点；其主要生产流程为薄板坯（或中厚板坯）连铸连轧工艺，较典型的是德国西马克公司的CSP技术。其工艺过程及主要设备见下图：,16,采用的主要新技术和新设备：,连铸坯热轧热送和直接轧制 无头轧制 在线调宽及板坯大侧压技术 板形控制 宽度自动控制、厚度自动控制和带钢温度控制等技术 三、冷轧宽带钢轧机及生产技术 具有：全液压压下、全程厚度自动控制、板形自动控制、全连续冷连轧的特点。 冷连轧技术和设

4、备的新进展 酸洗-冷轧联合机组 板形控制技术 连续退火、全氢罩式退火和多种涂镀生产技术 带钢连铸-冷轧工艺,17,18,四、钢管轧机的发展概况 热轧钢管： 冷轧（冷拔）钢管：精密、薄壁、高强度 焊管：大口径 五、线材轧机的发展概况 线材轧机常用来生产5-15mm的 圆形断面轧材 在高速、大盘重、高质量和高精度方面有较大发展； 代表：摩根无扭高速线材精轧机组，下图：,19,1.4 轧钢辅助设备的分类及工作制度,一、分类 二、工作制度 1、连续工作制 2、短时工作制 3、启动工作制 4、阻塞工作制,20,第二章：轧制力能参数,主要内容： 轧制过程基本概念及主要参数;轧制时接触弧上的平均压力、屈服条

5、件；卡尔曼微分方程及其解;奥洛万方程及Sims解；轧制压力计算的其它方法;轧制总压力及轧制力矩的计算、电机形式及功率选择。 重点及难点： 重点-轧制过程主要参数及轧制压力计算、屈服条件。 难点-变形区的单位压力计算微分方程；轧制时接触弧上的平均压力。,21,2、1 轧制原理基本知识,D、R 轧辊直径、半径。 h0、h1 ：轧制前后轧件高。 压下量： h =h0-h1 b0、b1 ：轧制前后宽度。 宽展量b =b0-b1 L0、L1 ：轧制前后轧件长。 延伸率 =L1/L0,一、轧制过程基本参数 1、几个概念 弹、塑性变形，应力状态，体积不变定律和最 小阻力定律，简单轧制过程。 2、变形区及其参

6、数,22,咬入角，接触弧所对应的中心角。 cos =1- h /D AB弧称为接触弧或咬入弧。 l接触弧的水平投影 以上各参数定义必须牢固掌握！,23,3、轧制过程变形系数,4、绝对压下量与相对压下量 4.1 绝对压下量： h =h0-h1 4.2 相对压下量(变形程度)：= h/h0 %,24,变形区任意断面上的相对变形x x = （h0hx）/h0 4.3 平均变形程度m,25,4.4 真实变形程度 r 真实变形程度：在变形过程中，原始高度h0经过无数多个中间数值，逐渐变到h1，则由h0 h1的终了变形程度可看作是各阶段相对变形的总和，即：,26,看出：一般相对变形不能十分确切地反映工件的

7、真实变形程度；在连续变形过程中，r具可加性，而无可加性。 真实平均变形程度可表示为： 故：变形程度有四种表示方法（、m、r、rm），应用在不同场合。,27,5、轧制时的前滑与后滑,5.1 定义：轧制时轧辊的圆周速度Vr与轧制速度V不等。（VrV） 在变形区的出口： V Vr 前滑。 在变形区的入口： V Vr 后滑。 在接触区内必有一点：V=Vr，称之为中性点。相对应的角为中性角，所对应的轧件断面为中性面。 5.2 中性角计算公式：,28,式中:T1、T0分别为轧制时的前张力与后张力。,29,5.3 前滑的计算公式,5.4、应用 在连轧中必须保持各架的金属流量即秒流量相等，即： ViFi=C

8、C为常数 而 Vi=Vri (1+Si) 即：FiVri (1+Si)=C i为机座数，i=1,2,n,30,6 、 变形速度,单位时间内的变形量，即相对变形量对时间的导数称之为变形速度,轧制时,变形区中离轧辊中心线为x的任意断面上的变形速度为:,31,变形速度平均值方法计算： 由于轧制条件和变形区摩擦条件的不同，变形速度平均值的计算方法亦不同,轧件和轧辊滑动摩擦条件下（并忽略宽展） 据秒流量相等，则：,32,轧件和轧辊没有相对滑动（粘着）条件下,33,在轧制中平均变形速度um的公式 ：,以上分别表示实际轧制中冷轧与热轧的工况： 冷轧时，轧件较薄而且接触弧长较长，l/hm较大，故用第一式。而热

9、轧则与之相反，故用第二式。实际上两种公式计算的结果，一般相差10%以内。,34,7、咬入条件,建立轧制过程的首要条件是咬入。 1）开始咬入：,由X=0 (平衡条件) 2Nsin-2Tcos=0 可以导出： =tan 若使轧件能被自然咬入,必须:TxNx,因此,当 tan 能自然咬入 2）稳态轧制：,35,二、金属塑性变形条件-塑性方程式,咬入后欲保持继续咬入(稳态轧制)，必须: tan成立，由于, tantan必然成立。故一旦咬入,就会继续咬入，形成稳态轧制过程。,1、塑性条件： 塑性条件就是材料由弹性状态进入到塑性状态的条件。一般以金属在塑性变形时，外力作用引起的各向应力值与其塑性变形阻力之

10、间的关系来表示。 据米赛斯（Mises）屈服条件（形状改变比能理论）认为：欲使物体中的某一点进入塑性状态，必须使该点的弹性形状变化位能达到材料所允许的极限值，并且该极限数值和应力状态的种类无关，而为一常数。 2、塑性方程式,36,37,38,39,的最大值为1.155平面变形的情况。而在1= 2或2= 3时， =1。这就证明了值的变化范围是11.155之间。它是随中间应力的变化而变的，所以它实质上反映了中间主应力2对材料塑性变形的影响。,40,2、2 轧制时接触弧上的单位压力及其影响因素,一、变形区内金属的应力状态,41,由两条接触弧围成的区域称之为变形区。由于轧件在垂直方向产生压缩，沿横向及

11、轧制方向产生延伸，在接触区内存在阻止金属滑动的摩擦阻力，故变形区内的金属处于三向压缩状态，如上图示。 轧制总压力（轧制力）是由于金属通过轧辊时产生塑性变形所需要的作用力。确定轧制力的方法： 1、实测方法 2、经验公式计算法 3、理论计算法（解析法、有限元法等） 二、轧制时接触弧上单位压力微分方程式 1、卡尔曼(Karman,1925)单位压力微分方程式 2、奥罗万（Orowan,1946）单位压力微分方程式,42,1、卡尔曼(Karman,1925)单位压力微分方程式推导,基本假设： 平面变形假设 2=0 平断面假设 xy=0,x,y为主方向，x均布 Mises条件 1-3=k 干摩擦理论 t

12、=px,43,上式中，px是未知量，求解方程必须找出px与x,tx之关系。 由基本假设x,y均为主方向： 1=y 3=x,44,上述公式即为 卡尔曼单位压 力微分方程,45,2、奥罗万单位压力微分方程式推导,1）、基本假设条件： 接触区内的摩擦力ts粘着 平面变形 2=0 变形抗力为常数 k=c 平断面假设不存在,x、y不是主平面； xy沿y向不均匀，中心层=0； 屈服条件1-3 =k不适用，而应为： (x-y )2+4xy2=k2,46,2） 微分体内的力的平衡条件,由X=0 可导出奥罗万方程： Q+dQ-Q-2pRdsin 2Rdcos=0 dQ=2R(psincos)d （2-30） 其

13、中：正号为前滑区，负号为后滑区。 求解上式必须知道Q与p之间的关系、 、以及接触弧的形状。 对于平面变形问题，水平力Q与p的关系为： Q=h(p -k) (2-31) 在粘着的条件下： =/4,47,三、影响单位压力的因素,两类：影响轧制金属本身性能的因素，即金属塑性变形阻力。 影响应力状态条件的因素 1、影响金属塑性变形阻力的因素 金属塑性变形阻力是指单向应力状态下金属材料产生塑性 变形时所需的单位面积上的力。用或s表示。 其影响因素有： （1） 金属化学成分和组织的影响 （2） 变形温度的影响 （3） 变形速度的影响 （4） 变形程度的影响 （5） 加工历史的影响 2、变形阻力的确定 变形

14、阻力数据主要是通过实验取得的，常用的有：,48,(1) 金尼克曲线,图2-5以变形速度为横座标，以变形抗力30为纵座标，对于=30%时不同温度下的30数值。 当不同时,用左上角图中K修正。即： = K30,49,(2) 库克曲线,图2-6以ln(h0/h1)为横座标，以变形抗力为纵座标，对于不同的温度有不同的图形。,50,（3）冷态下变形阻力曲线,（4） 除采用曲线形式外，也可用公式的形式进行计算以便于计算机控制。（看书）,一般用s或0.2表示，其变形阻力曲线见图2-7,51,3、影响应力状态条件的因素 应力状态对单位压力的影响，主要表现为3（x ）、 2（ z ）的影响。 由塑性方程式：13

15、 或近似： px（ 1 ）x 即： px x 可知，2对单位压力px的影响范围：11.155，影响不大；而x（ 3 ）则直接引起 px的变化，所以凡是使水平应力x或的因素，都使单位压力px相应的或。具体有： （1）外摩擦的影响 此是综合因素的影响，包含：轧件与轧辊间的摩擦系数、轧件高度和轧辊直径等。 tx、 x px 轧件高度 tx水平分力x px h1/D tx水平分力x px 另：D接触面积亦使轧制力,52,其影响用系数 n表示，称为外摩擦影响系数。当变形区特征参数l/hm1， n随 l/hm增加而增大。 （2） 张力的影响 实验表明，前后张力都使px降低，且后张力影响更为显著。 前后张力

16、 x px，由于中性面偏向出口，故后张力影响大于前张力。 其影响用系数 n表示，称为张力影响系数。 （3） 外区影响 即变形区外金属对单位压力的影响。主要是由于轧制时变形区金属的不均匀变形引起变形区外金属的局部变形，从而改变了变形区内金属的应力状态，使单位压力加大。 当变形区特征参数l/hm1，不均匀变形较小，外区影响不明显；当变形区特征参数l/hm1，不均匀变形较大，外区影响变得明显；随l/hm的减小，不均匀变形,53,愈加严重，外区影响也就逐渐加大。 其影响用系数 n表示，称为外区影响系数。,54,2、3 轧制时接触弧上平均单位压力,一 、平均单位压力计算方法 为方便计算，一般以接触区平均

17、单位压力pm计算总轧制压力。它包含了沿接触弧径向和切向力的垂直分量的总和：,其中应力状态影响系数由三部份组成：外摩擦影响系数、外区影响系数及张力影响系数。 大多数轧制压力计算公式是计算n的公式。,55,1、采利柯夫方法,采利柯夫方法是卡尔曼单位压力微分方程式的一个解。 原微分方程式：,求解后：,进一步求解需知x和y的关系。将接触弧假设为一条直线，则直线方程为：,56,57,0、 1 轧件在入口和出口处断面的水平张应力。（拉应力为负） 1 、 0前后张力影响系数,58,当无张力时， 1 = 0 =1，则上两式变成：,如将0 、1 表达式代入，则上两式变成：,张力影响 更为明显,59,公式中各参数

18、对单位压力的影响：（P41图2-16至2-19） 1、摩擦系数 2、轧件厚度 3、压下量 4、轧辊直径 5、前后张力,简单轧制过程中轧辊的总压力可表示为：,60, 无张力轧制时：,进一步求解，需求出h值:,61,由中性面处px相等的条件，P56页两公式相等，即：,得：,62,为便于应用，以 与的关系，按不同的压下率作成曲线图，从中查得,63, 有张力轧制时轧辊的总压力可表示为：,64,二、Bland-Ford公式,卡尔曼方程中的轧制压力沿接触弧的分布Px根据不同的假设有不同的求解方法。比方说，可以将接触弧假设为一条直线（采利柯夫解）。这里介绍求解Karman方程的Bland-Ford解法。 1

19、、Bland-Ford解法的基本假设与积分 简化公式2-18，设px=k, k为变形抗力 设接触弧为抛物线： hx=h1+R2= dhx=2Rd = d=dhx/2R 当很小时，tgsin =x/R =dx=Rd 而dhx/dx= 2Rd/Rd=2R,65,Karman方程的积分-系数C如何确定?必须考虑轧制时的边界条件,将2-18变换并简化：,66,2、 Bland-Ford公式中常数C的确定,入口（x=l,y=h0/2)及出口(x=0,y=h1/2)的边界条件： 由1=px,3=x.如x =0则由屈服条件px =k（变形抗力） 在有张力的条件下： 后张力 q0=T0/F0 前张力 q1=T

20、1/F1,由px-x=k可以得出： px=k+x 入口处： x=q0 ，单位轧制压力p0=k-q0 （后滑区） 出口处： x=q1 ，单位轧制压力p1=k-q1 （前滑区） 代入式(2-22),可以解出后滑区及前滑区内的系数C值。,67,常数C的确定：,68,3、接触区的单位宽度的总压力P,2-23解出的是接触区内单位面积的压力，将其在接触弧长范围内积分则得出单位宽度的压力P1即：,由于在前滑区与后滑区内单位轧制压力的表达式不同，其中心角的分界为中性角，所以必须确定中性角的值。确定的方法是：在中性点其轧件厚：h=h1+R2，用不同的公式解出的轧制压力应该是相等的，由此可解出中性角的值，从而确定

21、积分上下限。(2-25),69,总轧制压力P的确定：,70,Bland-Ford公式的导出：,式（2-27）可表示为： P=Fpm pm -平均单位压力； pm =nk n =(1-q0/k) (，B) (B为张力影响系数) 即式（2-27）大括号内的积分，为简便起见可查表得出。见图2-9。,71,Bland-Ford公式的算图,72,4、简化公式Hill公式,Bland-Ford公式一般用于冷轧薄板轧制中的平均单位压力的计算，比较精确。如武钢1700冷轧的数模就采用Bland-Ford公式。,73,3、西姆斯(Sims 1954)公式,以下介绍奥洛万方程的西姆斯解法； 1、基本假设： 变形区

22、为粘着， tx为常数 tx =k/2 水平力: 接触弧为抛物线： 2、简化与积分，求沿接触弧压力分布p 当较小时：sin,cos1,74,Sims公式的推导：,将Q=h(p-k/4)代入上式：,75,76,77,3、Sims公式的算图及简化公式,算图：由轧件的相对压下量及轧辊半径R与出口厚的比值R/h1可以由算图查出相应的n= pm/k进而求出平均压力pm Sims公式的简化：志田茂公式_,Sims公式的适用条件：热轧薄板（平面变形、张力不计）。,78,4、M. D. Stone公式（1956）,基本假设：在冷轧薄板的条件下，考虑了工作辊的弹性压扁，将冷轧过程看作是两平行平板间的压缩，并假设轧

23、件与轧辊之间的摩擦力t=p； 1)、方程的建立与积分；,79,X方向力的平衡方程X=0,80,2）、 边界条件,当 x=l/2 时，1=px ,3=-m 由屈服条件： 1 - 3 =k = 1 =k+3 =k-m 代入(2-94)得：,如同其它轧制压力计算公式一样，必须根据轧制时的 边界条件，确定积分常数C1的值。,81,3) 、求平均单位压力pm,82,4）、Stone公式的算图算法,必须指出的是，Stone公式中的接触弧长的水平投影l是弹性压扁以后的值，它比未压扁以前的值要大。它的值可用赫奇可克公式进行计算。,83,Stone公式的算图算法,84,Stone公式的图解法,85,5、艾克隆德

24、公式（S.EKLUND）,公式形式（ Pm为平均压力）： Pm=(1+m)(k+u) -(2-103) 其中：,设t为轧制温度 =1.05-0.0005t （钢轧辊） =0.8(1.05-0.0005t)（铸铁辊） k-轧件静压缩时的变形阻力： k=(14-0.01t)(1.4+C+Mn+0.3Cr)9.8 MPa 式中：C、Mn、Cr-含对应元素的百分数% 粘度系数： =0.01(14-0.01t)C1 kg.s/mm2 C1为与轧速有关的系数。,86,变形速度u按以下公式计算：,EKLUND公式一般用于热轧型钢、钢坯的轧制压力计算。,V-轧制速度,87,二、各类轧机适用的平均单位压力计算方

25、法,各类轧机轧制条件的差别，主要反映在 h0、h、R等参数的不同比例上；研究表明，影响轧件应力状态的主要参数是l与的比值； l/ hm指标综合反映了h0、h、R对应力状态影响。 1、开坯（初）轧机 开坯轧机的特点： ，影响pm的主要因素是 。,88,2、热轧钢板轧机 热轧钢板轧机主要包括中厚板和薄板轧机。 中厚板轧机 特点： 是主要因素；但宽度较大，, 薄板轧机 特点： 外摩擦是主要因 素；不考虑宽度变化。,89,注：1）计算平均单位压力时，必须考虑轧辊的弹性压扁 2）应按考虑加工硬化后选用 计算时按平均总变形程度来选取平均变形阻力,3、冷轧带钢轧机 特点：,90,2.4、轧制总压力与轧辊传动

26、力矩,一、轧件与轧辊的接触面积F 一般形式：,4、型钢轧机 特点：（看书） 一般采用艾克隆德方法来计算,1、不考虑轧辊弹性压扁,对于矩形轧件：如上下轧辊半径R1=R2=R，则：,91,当R1R2时，取当量半径：,对于异形断面可以采用图解法，也可采用近似算法（看书） 2、考虑轧辊的弹性压扁 弹性压扁产生于单位轧制力较大的冷轧及热轧薄板。 它引起轧辊半径变大，进而引起接触弧变长。由赫奇可克公式，压扁以后的接触弧长的水平投影长:,92,93,压扁影响亦可用当量半径R的形式来计算：,l、R公式中还包含pm，计算时需与pm联解,94,考虑轧辊弹性压扁的平均单位压力的迭代算法,一般以以上公式求弹性压扁以后

27、的接触弧长水平投影或轧辊半径。由于方程右端含有未知量故方程必须迭代求解（数值解法），其计算框图如下：,95,二、轧制总压力的方向与轧辊传动力矩,1、二辊简单轧制 简单轧制指一种理想轧制工况，即两辊大小相等、等速，无轧制力以外的外力。 根据力的平衡条件，此时轧制力的合力必定是等值反向，同时位于垂直面的方向。作用于一根轧辊上的驱动力矩为Mk: Mk=Mz+Mf=P(a+1）-(2-120) 力臂a=Dsin/2 摩擦圆半径1 =d/2 d-工作辊辊颈直径,96,2、轧制力在接触弧上的作用点,总传动力矩： Mk=2Mk=2P(a+1)=P(Dsin+d)-(2-121),也就是上式中值如何确定的问题

28、。或称之为力臂系数： =x/l，一般力臂系数取 =0.5 采利柯夫认为：热轧时 =0.5 冷轧时 =0.350.45 对中厚板轧制，Sims认为：,97,3、带张力轧制时的四辊轧机驱动力矩Mk的求法,四辊轧机一般驱动工作辊，而支承辊则靠工作辊与支承辊之间的摩擦力带动。所以应对工作辊进行受力分析，以求出其驱动力矩Mk. 四辊轧机工作辊与支承辊的偏移距e，e=5-10mm，由此引起其连心线的偏角：,工作辊与支承辊之间的滚动摩擦系m=0.10.3mm，也就是工作辊沿滚动方向偏移其连心线的距离。 支承辊被动，其转动的条件为接触压力的合力R必须相切于支承辊摩擦圆。 工作辊受三个力：轧制力P，支承辊反力R

29、及水平力F,98,1）、轧制力P,99,2）、支承辊对工作辊的反力R,大小：P=pm*F（接触区的水平投影面积） 方向：取决于前后张力的大小，其与垂直方向的夹角为：,以垂直方向为0，0右偏，0左偏。,轧制力臂 a=R1sin(-) 轧制力矩：Mz=Pa,方向：与垂直方向偏角 + 由Y=0: Pcos=Rcos(+),力臂 c=KH+O1K=mcos+R1sin 由R引起的阻力矩：MR=Rc,100,返回,101,返回,102,3）、水平力F,由作用在工作辊上的三力平衡,由X=0: 水平力：F=Rsin(+)+Psin 水平力引起工作辊的摩擦力矩（作用在工作辊轴承上） r1为工作辊辊颈直径,4）

30、、总驱动力矩, 传动支承辊情况的分析,略。,103,三、四辊轧机辊系的稳定性（工作辊传动）,正向轧制与反向轧制：偏移方向与轧制方向一致为正向轧制；反之为反向轧制。 为保证轧制精度，必须使e的偏移方向不变，即使水平力F的方向朝向一个方向。 F0 正向轧制时，根据上面导出的水平力的计算公式：,104,正向轧制取负号，反向轧制取正号。e值一般取5-10mm,在设计时，必须使ee0才能保持辊系在轧制时的稳定性。,105,轧机的效率：,2.5、 轧机主电机力矩与电动机功率,一、主电机力矩 主电机力矩由四部分组成：,各部分力矩计算如下：,106,1、轧制力矩 两种方法求出： 1）通过轧制力计算，前已论述过。 2）通过轧制能量消耗来推算，下面论述： 轧制时的能耗A与轧制力矩的关系：,轧制时的能耗A可用单位能耗a的试验数据确定：,据单位能耗曲线（书P69）确定A：,107,轧制时的能耗一般以电动机负载大小测量，故能耗曲线中已包括附加摩擦消耗，但一般都除去了轧机的空转消耗。因此，用能耗方法计算所得的力矩为轧制力矩和附加摩擦力矩之和，即：,2、 附加摩擦力矩 包括两部分： 1）轧辊轴承处的附加摩擦力矩 2）各转动零件推算