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第一节轧钢基础知识一、轧制原理1.冷轧塑性变形基本参数冷连轧的主要工艺参数为轧制力和前滑,由于冷轧过程中存在下述特殊现象而使轧制力及前滑的计算公式复杂化。(1)轧制过程中材料加工硬化现象严重,如果确定各种材料退火状态下的变形阻力以及随累计加工率而硬化的增加率将是精确确定轧制力的一个重要课题。(2)在一定的工艺润滑下如何确定轧辊与轧件在变形区接触面上的摩擦力(摩擦系数)将是精确确定轧制力和前滑的另一个重要课题。(3)冷轧过程前后张力较大,有关张力对轧制力及前滑的影响应给予足够重视。(4)冷轧时变形区单位压力极高,轧辊将产生明显的弹性压扁,轧辊压扁一方面增加了轧辊与轧件的接触面积,同时又将使接触弧加长,加剧了外摩擦对轧制力的影响,并通过改变中性角而影响到前滑。(5)轧件在出口处的弹性恢复,对于压下量不太大的道次将不容忽视,这亦将影响总的轧制力值。所有这一切现象都将使冷连轧的轧制力和前滑公式复杂化。1.1轧制变形区及其参数1.1.1基本参数变形区是轧件在轧制过程中直接与轧辊相接触而发生变形的那个区域,如图1-1所示。其基本参数为:D为轧辊直径,mm;R为轧辊半径,mm;ho为轧制前轧件之高度(或称厚度),mm;h1为轧制后轧件之高度(或称厚度),mm;hm为轧件的平均高度,hm=2h1)(ho,mm;△h为压下量(或称绝对压下量),△h=ho-h1,mm;bo为轧制前轧件的宽度,m;b1为轧制后轧件的宽度,m;△b=b1-bo为轧制前轧件之长度,m;L1为轧制后轧件之长度,m;a为咬入角(变形区所对应的轧辊中心角);cosa=1-△h/D;r为中性角;AB为咬入弧或1触弧;Lc为咬入角(接触弧)水平投影的长度,Lc=,㎜。1.1.2变形系数轧制时轧件塑性变形,使轧件尺寸在三个方向上都发生了变化,即:轧制之高度由ho减少到h1,比值h1/ho=η为轧件高度方向上的变形,η叫做压下系数。图1-1变形区基本参数轧件之宽度bo增加到b1,比值b1/bo=X为轧机宽度方向上的变形,X叫做宽度系数。冷轧带钢宽度极小,一般假设宽度系数等于1。轧件之长度由Lo增加到L1,比值L1/Lo=λ为轧件长度方向上的变形,λ叫做延伸系数。一般认为轧件在轧制前后体积不变,既体积不变定律。三个变形系数之间的关系,可根据轧制前后轧件的体积不变定律推得。即hoboLo=h1b1L1或所以η·X·λ=1对冷轧带钢亦可写成η·λ=11.1.3绝对和相对压下量轧制时一般以绝对压下量表示轧件高度方向的变形,其值为△h=ho-h1绝对压下量与轧件原始高度之比值称相对压下量(或称变形程度),用符合ε表示。ε=△h/ho一般用百分数表示,即ε=[(h0-h1)/h0]×100﹪,当无宽展时,则ε=(h0-h1)/h0=1-(h1/h0)=1-(1/λ)或λ=1/1-ε在大变形量情况下往往采用真正变形程度е表示,即-积分后得e=ln=ln1.1.4变形速度相对变形(变形程度)对时间的导数,即单位时间内的变形量称变形速度。变形速度一般用μ表示。μ=由于de=所以μx==为线压缩速度,所以变形速度也可以用下式表示μx=式中hx——变形物体的瞬时高度,mmV0——轧辊线速度,mm/s在轧制时,接触弧区间内,变形速度是变化的。轧制时变形区中离轧辊连线为x的任意断面的速度如下图所示。其平均变形图1-2um=积分后得um=1.1.5轧制时的前滑由于在变形区内被轧金属遵守体积不变定律,因此在变形区中随着厚度的变小,金属移动速度将逐步加快,如假设轧制无宽展,并且轧件均匀变形,其速度变化如上图所示。考虑到轧辊上各点的水平分速度从入口点到出口点的变化仅为cos到,而由于式中-----入口(水平)速度,m/s-----出口速度,m/s因此-要比小。由此可知,在变形区中必定有一断面,其轧件的水平速度和该点轧辊水平速度相等,此断面称为中性面,轧辊上的该点称为中心点,中性点和轧辊中心的连线与轧辊连心线间的夹角称为中性角。中性面至出口断面区域内各断面的水平速度将比轧辊在该处的水平速度要高,因此称为前滑区。中性面和入口断面区域则是轧辊水平速度比轧件水平速度高,称为后滑区。对于连轧过程来说,为了保持轧件同时在几个机架中进行轧制,必须使各机架速度协调,因此需要列出前滑计算公式。轧制时前滑定义为f=*100%式中f-----前滑v-----轧件出口速度,m/s-----轧辊线速度,m/s因此v=(1+f)vh1=所以由于因此前滑为f==式中D-----轧辊直径,mm;-----中性角。由于较小,可假设cos11-cos=2sin22()2=因此可写成f=从上面几个公式可以看到,影响前滑的因素很多,例如轧件厚度、轧件宽度、压下量、摩擦系数、张力等。所有这些因素对前滑的影响都是通过中性角的改变来体现,可以说,凡是促使角(即前滑区)增大的因素,皆使前滑增加,例如前滑随压下量、摩擦系数以及前张力增大而增大,宽展增加,使前滑下降等。1.1.6轧制时应力状态在轧制过程中,金属在轧辊间承受轧制力的作用而发生塑性变形。由于金属塑性变形时体积不变,因此变形区的金属在垂直方向受到压缩时将在轧制方向产生延伸,在横向产生宽展。而延伸和宽度受到接触面上摩擦力的限制,在变形区中金属呈三面压应力状态。在整个变形区内部,各点的应力状态分布是不均匀的。一般,当有前后张力轧制时,在变形区中部的金属呈三向压应力状态,在靠近入口和出口端,由于张力的作用,金属呈一向拉应力,两向压应力状态,如图1-3所示。图1-3变形区应力状态变形区内应力状态的形成,主要是由于接触弧上单位压力和摩擦力的影响。造成应力状态分布不均匀的现象,受许多因素影响。在一定的应力状态下,金属是否产生塑性变形,要用塑性方程式来判别。1.1.7冷轧轧制公式冷轧带钢轧制力计算和热轧带钢轧制力计算相比有以下几点:(1)轧件几何形状更接近推导理论公式时所做的假设,即宽度比厚度大的多,宽展很小,可以认为是平面变形问题。轧件厚度小,可认为平截面假设和前滑摩擦理论较符合实际,轧件内部不均匀变形可以忽略,因此从这一点看,根据变形区力的平衡推导出的微分方程式比较接近冷轧实际。σ2σ3σ1σ2σ3σ1σ2σ3(2)冷轧时一般需采用润滑剂,这是由于冷轧时轧辊和轧件接触面上摩擦力对轧制力等工艺参数的影响较大,采用不同的润滑剂及轧制条件不同时(如轧制速度、轧件和轧辊的材料及表面状态等)摩擦系数不同,这就给轧制力理论计算带来很大困难。如何正确确定摩擦系数大小,这是各理论公式不易精确的一个主要原因。但应看到在一定的设备和稳定的生产条件下,上述那些影响因素的变化不是很大,因此结合具体情况,通过现场实测统计,找出合适的计算公式(或找出理论公式中某些系数)是完全可能的。(3)冷轧带钢的一个重要条件是采用较大的前后张力,带钢越薄张力的作用越大。张力可减少轧制力,有利于冷轧的进行,且当板形不好时,通过横断面上张力分配的作用,可在一定程度上自动改善板形,因此大张力轧制亦是为了获得平直板形所必须的,总之计算冷轧带钢轧制力时,必须考虑前后张力的影响。(4)冷轧时由于带钢越薄越硬,因此接触面中单位压力较大,使轧辊在接触弧处产生压扁现象,因此加长了接触弧的实际长度,所以冷轧薄板时,轧辊的压扁现象不容忽略,在计算轧制力时必须加以考虑。(5)轧件材料的变形阻力由于有加工硬化的影响,故各道次的变形阻力往往和前面各道次的加工率有关,而且对于本道次来说,它也是沿着接触弧变化的,出口处比入口处要硬,计算时应取其平均值,一般按平均累计压下率来计算平均变形阻力。考虑上述各点,冷轧轧制压力公式,一般采取下列形式式中P-----轧制力,KN-----轧件平均宽度,m;-----考虑压扁后的变形区接触面积和接触弧长,mm;=R’=R(1+2.2*10-5)R-----轧辊半径,mm;R’-----压扁后轧辊半径,mm;-----平均单位压力,Mpa;Qp-----考虑压扁后的外摩擦应力状态系数;-----张力影响系数;K-----考虑宽度方向主应力影响系数后的变形阻力,宽展很小时,一般取K=1.15,Mpa;-----考虑加工硬化(累积)的材料变形阻力,Mpa由此可知轧制力公式由三部分组成;ⅰ接触面积-----几何因素ⅱ变形阻力K=1.15-----物理因素。ⅲ应力状态系数Qp及张力影响系数-----力学因素。其中Qp为公式的核心。Qp以及目前常用的有多种结构的公式,著名的理论公式有采利柯夫、Blang-Ford公式及STONE公式等。下面简要介绍Blang-Ford公式Blang-Ford冷轧轧制公式在西方比较流行,它在理论上较为严谨,公式全面考虑了外摩擦、张力、轧辊弹性压扁等因素,是冷轧轧制力经典理论公式之一。Blang-Ford公式的基本假设为:ⅰ轧辊弹性压扁后接触弧仍保持圆弧形,但其轧辊半径变为R‘ⅱ宽展可以忽略。ⅲ服从平截面假设。ⅳ服从干摩擦理论,且摩擦系数在变形区内为常数。ⅴ变形区内K将随加工硬化而变,但为了简化公式设K为系数经计算后证明这样处理带来的误差小于2%。ⅵ遵守塑性方程,在平截面上作用的主应力(径向单位压力p近似等于垂直主应力)。ⅶ由于很小,因此sin,cos1,1-cos经理论推导得P=B2、弹塑性曲线在轧制过程中轧件和轧辊相互作用,轧件受轧辊作用产生塑性变形(当然也伴有微小的弹性变形),而工具受轧件的作用产生弹性变形。厚H的轧件经过轧辊压下Δh∑,但由于轧辊弹性变形使轧件减少压下Δh1,同时轧件出轧辊后,由于弹性变形恢复又使轧件减少压下Δh2,结果最后轧件实际压下为:Δh=Δh∑-(Δh1+Δh2)由上式可知,当Δh∑=Δh1+Δh2时,轧件通过轧辊将不产生压下,这在轧制上叫最小可轧厚度(最小可轧厚度有不同的定义)。图1-4H△h∑/2hΔh1/2Δh2/2轧件的塑性变形和轧辊的弹性变形是一个问题的两个方面。在技术上要求轧件应尽可能产生大的塑性变形,工具应产生尽可能小的弹性变形,然而轧件塑性变形愈大,压力愈大,则工具的弹性变形愈大,因而产生的矛盾,随之出现一系列生产实践问题,诸如:轧件不能无限地轧到最薄;轧件尺寸除取决于轧缝外,尚决定于工具(以及工件)的弹性变形,而这个弹性变形又是压力等的复合函数,这给工艺调整、自动控制带来极大的困难。因此进行分析是十分必要的。首先我们从对轧制弹塑曲线的考察开始。所谓轧制弹塑曲线是轧机的弹性变形曲线与轧件的塑性变形曲线的总称。2.1轧件的塑性曲线如图1-5所示,纵坐标表示轧制力,横坐标表示轧件厚度,所构成P-H曲线,叫做塑性曲线。用这条曲线,不同轧制因素的影响都可以比较清楚的被放映出来。如图b,金属的变形抗力较大(摩擦系数较大,或张力大,或推力大,等等)的曲线较陡,在同样轧制力下,所造成的轧件的厚度要厚一些(h2h1)。图1-5轧件塑性曲线a——塑性曲线;b——各因素的影响图1-5表示轧件原始厚度的影响。轧件愈薄,则压下愈小,曲线也愈陡。当轧件原始厚度薄到一定厚度时,曲线近乎垂直。此时,无论施以多大的轧制力,也不能使轧件变薄,也就是达到“最小可轧厚度”的临界条件了。1PHaH2Ph1h2b至于其他因素的影响,都可用类似的曲线表示出来,我们就不一一举例了。2.2轧机弹性曲线在轧制力作用下,轧机各部件都要产生弹性变形,轧机弹性曲线。在最初有一弯曲阶段,过后则可近似视为直线,在这种情况下,曲线的斜率对已知轧机来说则为常数,而这个斜率则称为轧机的刚性系数k,它的物理意义是:使轧机产生单位弹性变形所需施加的负载量(t/mm),因此,对某一轧机其刚性系数可通过弹性曲线求其斜率来计算出来。曲线下部的弯曲段是由于缝隙、装配表面不平以及公差存在造成的。由于弯曲段的存在,所给直线已不相交于坐标原点,而在横坐标上相交于S0处,此时轧机变形为S0+P/k。再进一步分析,如果把轧机的轧缝也考虑进去,设原始轧缝为S,那么曲线将不由0开始,。由此曲线可直接读出在一定辊缝和一定负荷下,所轧出的轧件厚度之值,即h=S+S0+P/k图1-6轧件厚度影响上式把轧件、工具以及轧制过程联系起来,使它具有物理内容。轧机刚度系
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