第四讲-轧制过程中的纵变形

第四章轧制过程中的纵变形—前滑和后滑主讲：王庆娟主要内容4.1金属在不同断面上的运动速度4.2前滑和后滑现象4.3轧制过程中的力学条件及中性角4.4前滑的计算及影响前滑的因素4.5连续轧制中的前滑及工艺参数的确定(1)进行轧辊速度设定前滑模型在计算机控制中的作用（2）保证进行恒定张力轧制轧辊圆周速度vRi的设定精度主要取决于前滑模型的与报精度。张力制度和速度制度有紧密的联系，如果速度的设定精度不能保证，或者速度调节系统（ASC）的精度不高，造成金属体积流量失调，就会在瞬间引起张力的波动，从而导致整个机组轧制状态的变化。前滑模型不仅是重要的在线控制模型之一，而且对精度的要求也非常严格。为了维持轧制过程的力学平衡条件，剩余摩擦必须自身平衡。这样，一部分剩余摩擦导致产生前滑，产生逆轧制方向的摩擦力，另一部分剩余摩擦与之平衡由于自然咬人的条件为：β＞α稳定轧制过程的条件为：β≥α/2在稳定轧制阶段将有接近一半的摩擦变成是多余的，这部分多余的摩擦称作剩余摩擦前滑模型的理论基础从力学的观点来看，前滑是由剩余摩擦产生的：用定向运动模具的镦粗模型来模拟轧制过程，由于高度方向上的压缩变形使金属质点产生横向流动，从而使在模具运动方向上的金属质点的合速度大于模具的运动速度。从变形与运动学的观点来看，轧件高度方向上的压缩变形是产生前滑的原因运动模具镦粗模型从变形与运动学观点来看：4.1金属在不同断面上的运动速度假设无宽展沿每一断面高度上变形均匀、速度一致基本假设参数设定hHvv：出口速度为；轧件入口速度为：hHFF：出口断面面积为；轧件入口断面面积为：；咬入角为：的线速度为：轧辊v1）基本条件2）不同断面上的速度分析由最小阻力定律金属流动分界线金属向前塑性流动引起速度增量Δvh金属向后塑性流动引起速度增量ΔvH说明轧件的延伸是被压下金属向轧辊入口和出口两方向流动的结果3）不同断面上的速度分析HHvvvcos出口处金属的流动速度为：入口处金属的流动速度为：由体积不变定理hhvvv速度增量起的金属向前塑性流动所引hv速度增量起的金属向后塑性流动所引HvhhHHvFvFHhHhvFFvHhvv4）速度分布图示轧制过程速度图示1.轧件出口速度高于轧辊线速度，而且出口速度为最大；2.轧件入口速度低于入口处轧辊水平分速度，并且入口速度为最小；3.在变形区内有一断面，该处的轧辊和轧件的水平速度相等；无相对滑动，称为中性面。对应的圆心角称为中性角。4.中性面将变形区分为前滑和后滑两个区分析结论轧件变形区存在一截面，轧件的运动速度与该截面对应轧辊线速度水平分量相等，截面为中性面，将变形区划分为两个部分，前滑区和后滑区。中性面与轧件出口面间圆弧对应的圆心角为中性角，用γ表示。前滑区轧件运动速度大于轧辊线速度水平分量,出口处达到最大,金属相对轧辊表面向前滑动。后滑区轧件运动速度小于轧辊线速度水平分量,轧件入口处有最小值。金属相对轧辊表面向后滑在前滑、后滑区内金属相对轧辊表面产生滑动的方向不同，导致摩擦力的方向不同。在前、后滑区内，轧件表面上的摩擦力的方向都指向中性面。5）不同断面上的速度关系轧制速度分布：入口速度：中性面速度：出口速度：HhvvvHvvcosvvhcosvv6）轧制运动学的意义在连续式轧机上，欲保持相邻两机架间张力不变和顺利生产，就必须保证秒流量相等，因而必须了解两邻两机架的出入口速度，并建立一定的关系。通过轧制运动学的研究，将为其提供理论根据。那么，轧件的速度与轧辊周速之间存在什么关系呢？（1）后滑：轧件进入轧辊的速度υH小于轧辊在该点处线速度υ的水平分量υcosα,这种现象叫做后滑。（2）前滑：轧件的出口速度υh大于轧辊在该处的线速度υ。这种现象叫做前滑。4.2前滑和后滑现象1）前滑与后滑的概念2）前后值的定义公式00h100vvvSh00HH100coscosvvvS后滑值前滑值3）前滑值的实验测定如果将前滑式中的分子和分母各乘以轧制时间t，则得HHhhhLLLvtvttvS)](1[01TTLLhh如果事先在轧辊表面上刻出距离为LH的两个小坑则轧制后测量Lh即可用实验方法计算出轧制时的前滑值。4）前后滑与有关工艺参数的关系按秒流量体积相等的条件参数的关系前后滑存在一定关系前后滑是延伸得组成部分当αμ一定，Sh升则SH降。实际应用中只要研究一种现象即可vvFvvFFFHhHHhhhHbhBHLlbhlBHLCOSCOSVVCOSvvvsssvssvsvHhhHHhHhh)1()1()1(11)1()1(由后滑公式得：由前滑公式得：根据轧件受力平衡条件确定中性面的位置及中性角γ的大小。如右图所示Px—轧件表面上的单位压力值。tx—轧件表面上的单位摩擦力值。不计轧件的宽展，考虑作用在轧件单位宽度上的所有作用力在水平方向上的分力根据力平衡条件，取此水平分力之和为零4.3轧制过程中的力学条件及中性角1)轧制过程中变形区轧件受力分析0sin2cos2cos2sin2cos2cos2:01000100QQpttFQQpttxxxxxxxxxXxxxxxxxxxdRbdRbdRbdRbdRbdRb张力合力：单位压力水平分力：－前滑区摩擦水平分力：后滑区摩擦水平分力单位面积02coscossin0100bQQRdRdRdpxxxxppx假如单位压力沿接触弧均匀分布，即pffpxxfbRpQQf42cos12sinsin01f2cos12sinsinf212摩擦力经积分带有前后张力时的中性角公式无张力或前后张力相等时可得α角很小时2）中性角的确定中性角是决定变形区内金属相对轧辊运动速度的一个参量。）弧度＝有180sin0221)(21(20sin0222cos1sin0tgtgf左边式子反映了三个特征角的关系。当α＝β有最大γγ＝β/43）讨论三个角的函数关系当摩擦系数f(或摩擦角β)为常数时，γ与α的关系为抛物线方程，当a=0或a=2β时，γ=0。实际上，当a=2β时，轧制过程已不能进行下去了。当a=β时，γ有最大值：44max2120221fdd三特征角之间的关系三个特征角的关系当f=0.3f=0.4中性角最大4－6度一定摩擦条件下咬入角越小，中性角越趋于咬入角的一半。4）估算摩擦系数的方法1.热轧时的摩擦系数艾克隆德公式上式中K1——轧辊材质影响系数，对于钢轧辊=1.0，铸铁轧辊=0.8；K2——轧制速度影响系数，可按实验曲线图确定；K3——轧件材质影响系数，可据实验数据选取；t——轧制温度（700～1200℃之间适用）。）（tKKKf0005.005.13212.冷轧时的摩擦系数223121.007.0vvvKf）（式中K一一润滑剂的种类与质量的影响系数，v——轧制速度，米／秒。vv关于中性角公式的说明实际轧制中PX不为常数接触面不一定全为滑动区，也存在粘着区（热轧）4.4前滑的计算及影响前滑的因素4.4.1前滑的计算方法1）两点假设变形区各横断面秒流量体积不变，变形区出口断面金属的秒流量应等于中性面处金属的秒流量，得出:(1)忽略宽展对前滑的影响hvhvhvhcos2）公式推导中性面处轧件速度及截面高为：此式即为E.芬克前滑公式，从上式可看出Dγh为影响前滑得主要因素hvhvhvhcos3）对芬克公式得讨论芬克（Fink）前滑公式hhDShcos1cos）（122hDSh爱克伦得（艾克隆德（Ekelund））前滑公式2hRSh得里斯顿（Dresden德雷斯登）前滑公式不同条件下计算结果4）前滑公式的说明(1)忽略宽展的条件下导出，存在宽展时，用公式计算的结果要乘系数0.9-0.98,宽展小取上限，宽展大取下限。(2)定义公式适用于计算各种条件下的前滑%100vvvShh实验结果4.4.2影响前滑的因素生产实践表明，影响前滑的因素很多。归纳起来主要因素有：辊径摩擦系数压下率轧件厚度和孔型形状等等。1）轧辊直径的影响前滑值公式可以看出，前滑值是随辊径增加而增加的因为在其它条件相同的条件下，辊径增加时咬入角α就要降低，而摩擦角β保持常数，所以稳定阶段的剩余摩擦力就增加，由此将导致金属塑流速度的增加，也就是前滑的增加。1）轧辊直径对前滑的影响实验如图所示。辊径D＜400毫米时，前滑值增加的较快；辊径D＞400毫米时，前滑值增加的较慢.这是由于辊径增大时，伴随着轧辊线速度的增加，摩擦系数相应降低，所以剩余摩擦力的数值有所减少；另外，当辊径增大时，ΔB增大，延伸相应地也减少。这两个因素的共同作用，使前滑值增加的较为缓慢。2）摩擦系数的影响实验证明，f越大，在压下率相同的条件下，其前滑越大。这是由于f增大，剩余摩擦力增加，因而前滑增大。利用前滑公式可知，f增加导致中性角γ增加，因此前滑也增加如图所示3)轧制温度对前滑的影响凡是影响摩擦系数的因素（如轧辊材质、轧件化学成分、轧制温度和轧制速度等）均能影响前滑的大小4）压下率的影响由实验曲线可见，前滑随压下率的增而增，其原因是由于压下率增加，延伸系数增加。当Δh＝常数时，前滑增加非常显著。咬入角不变，故前滑有显著增加。当h＝常数时或H＝常数时，压下率的增加，延伸必然增加，但这是因Δh增加，所以咬入角增大，故剩余摩擦力减小，两个因素的联合作用，使前滑虽有所增加，但没有Δh＝常数时增加的显著。5）轧件厚度的影响终轧厚度h减小，前滑增加。当Δh＝常数，增加的比H＝常数时为快。其理由与压下率对前滑的影响相同。6）轧件宽度的影响宽度小于一定值时（在此情况下为小于40毫米时），宽度增加前滑增加；大于一定值时，宽度再增加，则前滑为一定值。因为宽度小时，增加宽度其宽展减小，故延伸增加。当大于一定值时，宽度再增加，宽展为一定值，故延伸也为定值，所以前滑值不变。7）张力对前滑的影响前张力增加时，则使金属向前流动的阻力减少，增加前滑区，使前滑增加。反之，后张力增加时，则后滑区增加。如图实验结果完全证实了上述分析的正确性。在辊径D＝200毫米的轧机上，轧制铝试件，采用不同的h值，用Δh＝0.44毫米，带张力和不带张力试验的结果。有张力时，使前滑显著地增加。8）孔型轧制时的前滑特点沿孔型周边各点轧辊的线速度不同，金属的整体性和外端的作用使轧件横断面上各点又必须以同一速度出辊。引起孔型周边各点的前滑值不一样。那么孔型中轧制时如何来确定轧件的出辊速度呢？随着连轧型钢的发展迫切要解决这个问题。但是到目前为止此问题还没有很好解决。目前解决的办法为粗略估计孔型轧制时轧件的出辊速度，目前许多人是用平均高度法把孔型和来料化为矩形断面，然后确定轧辊的平均线速度和平均前滑。也有的人把异型孔型和轧件画成几个矩形断面区域，分别计算各区的轧辊线速度、前滑和轧件出辊速度，然后考虑各区占的比重来确定轧件平均出辊速度。应指出，孔型轧制时确定轧件出辊速度的这些方法是很不精确的。这方面还有待于深入研究。孔型轧制时前滑4.5连续轧制中的前滑及工艺参数的确定连续轧制在轧钢生产中所占的比重日益增大，下面就连轧工艺设计方面所必要的参数进行一定的探讨。4.5.1连轧关系和连轧常数连轧：轧机顺序排列，轧制线上每一机架的秒流量保持相等，轧件同时通过两架或两架以上轧机的轧制方式称为连轧。•连轧在轧制的变形条件、运动学条件和力学条件等都具有一系列的特点。连轧