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冷轧轧机工作辊大小对轧制性能影响的探究


冷轧轧机工作辊大小对轧制性能影响的探究
陈端端 (湖北江重机械制造有限公司


湖北宜昌 湖北宜昌

邮编:443100) 邮编:443100)

要:随着冷轧技术的不断发展,各种先进轧机的设计层出不穷,但总体朝着轧机多辊化和轧辊

小径化发展。是什么原因促使了这样的发展趋势,轧

辊辊径的减小究竟会给轧机轧制性能带来怎样 的影响?带这这样的问题,本文从理论角度对轧机轧制过程进行了简要分析,期望从中能找到想要 的答案。 关键词:冷轧轧机;工作辊辊径大小;轧制性能;研究; 引 言:冷轧带钢和薄板一般厚度为 0.1-3mm,宽度为 100-2000mm,具有表面光洁、平整、尺寸精

度和机械性能好等优点,广泛应用于汽车制造、电工电器、建筑建材、包装材料、家用电器等各个 行业。随着时代的进步,各行业对冷轧带钢和薄板的质量要求越来越高,尤其在汽车制造行业,其 对板材的质量要求已达到前所未有的高度。面对挑战,各种先进的轧机被设计制造出来。这些轧机 采用不同的轧制方式,采用不同的辊系配置。从 4 辊轧制式、6 辊轧制式、8 辊轧制式、12 辊轧制 式到 20 辊轧制式,总体的发展趋势是多辊化和轧辊小径化。出现这样的发展趋势,一定存在着必然 性。本文立足于理论研究角度对工作辊辊径大小的改变对轧制性能的影响进行分析研究,力求发现 一点规律,为相关研究人员提供参考。

一、冷轧制过程受力状况介绍 1、轧制过程简介 钢带的轧制过程,就是钢带在通过上下工作辊所限定的辊缝时,受到上下工作辊的滚压产生塑 弹性变形而使钢带变薄,从而得到一定厚度的钢带的过程。由于轧制过程对钢带产生极大的挤压力, 使钢带的晶粒被压扁、拉长,晶格歪扭畸变,晶粒破碎,造成钢带的塑性降低,硬度和强度增高,
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产生加工硬化的现象。与此同时,钢带的轧制过程产生很大的变形热,使带钢与轧辊的温度升高。 辊面温度过高会引起工作辊淬火层硬度下降,影响带钢的表面质量和轧辊寿命。辊温的升高和辊温 分布不均匀会破坏正常的辊形,直接影响带钢的板形和尺寸精度。因此,为了保证冷轧的正常生产, 对轧辊和带钢应采取有效的冷却措施,如乳化液等。 轧制过程中,由于带钢的化学成分和组织不均匀、钢带原始厚度不均;轧辊的热膨胀、轧辊的 磨损、轧辊的偏心运转等;轧机的各部分接触面间存在间隙及轧机自身弹性变形,都会造成带钢厚 度的波动。为了保证带钢纵向厚度不变,生产中采用恒辊缝控制来实现对其厚度的控制。即通过测 厚传感器反馈的厚度值控制液压设备动态调整轧制压力大小,从而保证轧制辊缝中间厚度不变的控 制方法。此方法要求轧机具有较高刚性。 当采用恒辊缝控制时,轧制压力是动态急剧变化的,这就导致工作辊在轧制过程中的弯曲程度 也是动态变化的,从而造成带钢在宽度方向上,边沿部分与中间部分的厚度不均现象。恒辊缝法, 虽然保证了中间部分厚度一致,但损失了边沿部分的精度。为此,又产生了一种控制方法:恒压力 控制。 当采用恒压力控制时,轧制压力是保持不变的,并不调整由于坯料厚度偏差所形成的带钢偏差, 此时所得到的带钢板型最好。恒压力控制一般用在平整机操作上,以改善轧件的板形。 在轧制过程中,还可以采用 HC、CVC、UPC 辊板型控制法等动态控制板形的方法来控制板形。 2、轧制过程工作辊受力分析

N0——轧制压力 N0’——带钢对工作辊的反作用力
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f 摩擦——带钢对工作辊施加的反作用静摩擦力 Fx——X 方向支座反力 Fy——Y 方向支座反力 M 驱动——驱动转矩
采用恒辊缝法控制,轧制力是动态急剧变化的,故 N0、N0’也是动态急剧变化的,属于交变 力。这也导致 Fx 不变时有:

Fy 时刻处于急剧变化,也属于交变力。而在带钢轧制线速度不变的情况下,即 V0 ——力矩平衡,r 为工作辊半径

M 驱动= f 摩擦·r

从接触形式上看,工作辊与钢带、工作辊与支承辊(或者中间辊)都属于线接触,接触处均 存在着急剧变化的交变应力,存在较大应力集中现象。 从弹性变形上看,工作辊受 N0、 0’两个交变压力作用,在其上下两接触面上产生动态的局 N 部的弹性变形。 二、轧制变形区详解 如图所示(参考文献 1) :

假设工作辊刚性无限大,则在轧制力作用下工作辊不存在弹性变形。那么,轧制变形区为图中 理论变形区表明的部分。 实际情况是,工作辊经过表面淬火,表面具有一定厚度的硬化层,硬度较高。但在轧制力作用 下,仍然会产生变形,变形量为 A,即压扁变形量。 带钢经过工作辊轧制之后,在出辊缝时,会有一定的弹性恢复形变,变形量为 B。 从图中可知,由于工作辊及钢带都存在弹性变形,使得实际变形区长度 L’大于理论变形区长 度。这种变化导致了实际压入角比理论压入角 Q 偏大的事实。对压入顺畅及防止打滑都有一定的影 响。 三、轧辊辊径的变化对轧机刚度的影响 从受力分析可知,工作辊受急剧变化的交变应力作用,在上下线接触部位上存在局部较大应力 集中现象,同时接触部位会产生局部弹性变形。
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在生产实际中的工作辊,较大辊径时一般采用表面淬火处理来生成一定厚度的硬化层,或者再 进行表面渗碳、氮等处理,来提高表面硬度。由于辊径较大,淬火深度无法达到辊心,因而使得心 部材料的硬度较低。在实际应用中,受急剧变化的交变应力作用时,由于壳硬里软,在接触线上各 个位置都会产生内应力梯度,导致各点内部弹性变形不一致,从而更容易产生内部缺陷的累计与扩 大,产生疲劳裂纹或表面局部剥落现象。再加上轧制热的作用,轧辊表面的失效速度会更快,直接 影响钢带的质量和生产进度。 从变形区的分析中,我们知道,实际变形区长度是大于理论变形区长度的。当采用较大辊径工 作辊时,由于壳硬里软,接触线上产生的弹性变形量较整体淬透时的变形量要大,从而使得实际变 形区长度变长。在压力不变的情况下,单位接触点上的压强实际是降低的,但钢带的屈服极限一定, 因而,只有提供更大的轧制力才能提高单位接触点上的压应力,才能得到理想的轧制效果。 当工作辊辊径减小时,会带来以下几点好处: 1、工作辊辊径减小利于整体淬火,使整体具有均一的硬度,在轧制力作用下,弹性变形量会减 小,从而减小轧机弹跳,提高了轧机刚性,利于厚度控制。同时,使得轧制变形区的长度也减小, 提高了单位接触点上的压强,在相对小一些的轧制力下也能得到理想的轧制效果。当采用多个轧机 同时轧制时,利于克服前道轧制产生的加工硬化,保证板厚。 2、工作辊辊径减小,有利于提高工作辊的疲劳强度,提高工作辊的使用时间,降低工作辊的消 耗。 (参考文献 2) 3、工作辊辊径减小,利于减小轧机弹跳,提高轧机刚性。轧机壁厚相同时,在相同轧制力作用 下,内腔高度小的轧机机架的弹性变形量比内腔高度大的轧机机架的弹性变形量要小,从而有利于 减小轧机弹跳,提高轧机刚性。 4、工作辊辊径减小,刚性提高,可以轧制更薄的钢带,适应加工的板材范围变大。 五、结论 工作辊辊径减小,利于节能降耗,利于钢带厚度控制,利于轧制更薄钢带。

参考文献: 参考文献
1、 《冷轧轧制力数学模型的研究》 ,作者:武京伟,蔡玉强。 《精密成形工程》2010 年 7 月第 2 卷第 4 期。 2、 《微米尺寸不锈钢的形变与疲劳行为的尺寸效应》 ,作者:张广平。 《金属学报》2005 年 4 月第 4 期第 41 卷。

作者:陈端端 2012 年 3 月 2 日

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