轧制原理轧制过程中的前滑与后滑.ppt

1/52,4.轧制过程中的前滑与后滑,安徽工业大学材料学院 2012.9.26,2/52,主要内容：4.1轧制时的前滑和后滑 4.2前滑值的计算4.3中性角的计算4.4影响前滑的因素4.5连轧时前滑及有关工艺参数的确定方法,目的及要求：掌握前后滑的定义及相互关系；熟悉确定中性角的方法；掌握前后滑的计算公式；掌握影响前滑的因素；熟悉连轧时的前滑及工艺参数确定方法。,4.1轧制时的前滑和后滑4.1.1 前后滑前滑：轧制时轧件的出口速度大于轧辊在该处的线速度(圆周速度)。后滑：轧制时轧件的入口速度小于轧辊在该处的线速度的水平分量。,金属流动分界线,轧件延伸是被压下金属向轧辊进出口方向流动的结果。,5/52,当轧件在满足咬入条件并逐渐充填辊缝的过程中，由于轧辊对轧件作用力的合力作用点内移、作用角减小而产生剩余摩擦力，此剩余摩擦力和轧制方向一致，这时相当于后滑区的受力情况。,4.1.2 前滑的产生(力学分析),稳定轧制阶段剩余摩擦力最大：Rx=fPcos/2-Psin/2,6/52,在剩余摩擦力的作用下，轧件前端的变形金属获得加速，使金属质点流动速度加快。当在变形区内金属前端速度增大到大于该点轧辊辊面的水平速度时，就开始形成前滑，并形成前滑区和后滑区，这时摩擦力t的方向在前后滑区相反。从力学的观点来看，前滑是由剩余摩擦力产生的。,7/52,金属塑性变形时的体积是不变的，轧制时轧件高度方向受到压缩，其金属质点必须沿纵向和横向流动。金属质点向轧件出口侧流动形成前滑，向入口侧流动形成后滑，向两侧流动形成宽展。从变形的观点来说，轧件高度方向上的压缩变形是产生前滑的原因。,4.1.2 前滑的产生(变形分析),8/52,4.1.2 前滑的产生实质,前滑主要是金属在塑性变形时体积不变，高度方向受压缩金属质点纵向流动的结果。当然，剩余摩擦力对前滑是有影响的，但不是产生前滑的实质。,剩余摩擦力在轧件被轧辊咬入阶段是将轧件加速拉入变形区的作用力，在实现稳定轧制阶段是维持轧件向前运行的作用力。,9/52,带钢压下：在轧件实现咬入后的轧制过程中增加压下量，咬入角增大，剩余摩擦力减少；压下量增大，变形区长度增加，高向压下位移体积增加，金属质点向纵向流动量增加，前滑增大。,带钢压下时加大压下量轧件仍能稳定轧制，同时剩余摩擦力下降而前滑增大，这说明了剩余摩擦力不是产生前滑的实质，而是维持轧件向前运动的作用力。,10/52,从轧辊入口断面至中性面的变形区，称为后滑区；从中性面至轧辊出口断面的变形区，称为前滑区。,4.1.3 前后滑区及其特点,后滑区,前滑区,11/52,前滑区内，任一断面上金属沿断面高度的平均运动速度大于轧辊圆周速度，金属相对轧辊表面向前滑动；后滑区内，任一断面上金属沿断面高度的平均运动速度小于轧辊圆周速度的水平分量，金属相对轧辊表面向后滑动；,在前后滑区内，作用在轧件表面上的摩擦力的方向相反，都指向中性面。,4.1.4 前后滑区的金属质点流动和摩擦力特点,4.1.5 前后滑值的定义、表达式及实验式1)定义及表达式前滑值：通常将轧件出口速度与对应点轧辊的线速度之差与轧辊线速度之比值称为前滑值。即：,前滑是轧制时金属纵向延伸和摩擦力作用的结果。,后滑值：指轧件入口速度与轧辊在该点处圆周速度的水平分量之差同轧辊圆周速度水平分量之比值。,2)实验式事先在轧辊表面上刻出距离为LH的两个小坑，轧制后轧件的表面上出现距离为Lh的两个凸包。,用刻痕法计算前滑,按秒流量相等的条件,4.1.6 前后滑及延伸系数间的相互关系,16/52,一般轧制过程都必然存在前滑区和后滑区。前滑区的摩擦力是轧件进入变形区的阻力，轧辊是通过后滑区的摩擦力的作用将轧件拉入辊缝，故后滑区的摩擦力具有主动作用力的性质，所以前滑区和后滑区是两个相互矛盾着的方面；,4.1.7 前滑区存在的必要性,17/52,前滑区对稳定轧制过程又是不可缺少的。当由于某种因素的变化，使阻碍轧件前进的水平阻力增大(如后张力增大)，或使拉入轧件进入辊缝的水平作用力减小(如摩擦系数减小)，前滑区均将会部分地转化为后滑区，使拉入轧件前进的摩擦力的水平分量增大，使轧制过程得以在新的平衡状态下继续进行下去。,4.1.7 前滑区存在的必要性,18/52,1.前后滑现象是纵变形(延伸)研究的基本内容。2.使用带张力轧制及连轧时必须考虑前滑值。在确定如压下制度、轧辊的转速、旋转轧辊所需力矩和机架间张力时均须知道前滑值。在轧机调整时必须正确估计前滑值，否则可能造成两架轧机之间的堆钢，或者因Sh值估计过大而致使轧件被拉断等现象。3.在计算设备的实际工作时间时，应考虑到前滑数值。同一轧制，如果前滑值愈大，则生产率愈高。因此，要提高生产率就应该考虑前滑。4.研究外摩擦时必须计算前滑。通过测量前滑值可以测定摩擦力的大小。前滑的测定比较简单和直观，可由前滑来分析和推测金属在变形区内的流动情况。,4.1.8 研究前滑的意义：,结论：前滑和后滑是延伸的组成部分；当延伸系数和轧辊圆周速度v已知时，轧件进出辊的实际速度vH和vh决定于前滑值Sh；知道前滑值即可求出后滑值；咬入角、延伸系数一定时，前滑增加，后滑值就必然减少。讨论：延伸越大，前滑越大?实际应用中只要研究一种现象即可。本章只讨论前滑问题。,20/52,变形区内金属速度,轧制过程的速度图示,4.2 轧制过程中的变形运动学,几点假设：轧件无宽展；变形区内任一截面不同高度变形均匀，水平速度一致；变形区内单位时间秒流量相等。,4.3 前滑的计算式Fink前滑公式,忽略宽展，根据变形区各横断面秒流量体积不变条件，确定轧制过程中轧制参数与前滑值的关系式。,前滑Sh是辊径D、出口轧件厚度h及中性角的函数。,Fink前滑公式,22/52,艾克隆德(Ekelund)公式,轧制薄板时，很小，也很小，Fink公式简化为：,前滑的简化计算式Ekelund和Dresden公式,若轧件很薄，D/h1，忽略1。,德雷斯登(Dresden)公式,上述两个公式均不考虑宽展，如考虑宽展得到的前滑值将小于计算值。一般生产条件下，前滑值在2%10%之间波动。,23/52,按秒流量相等则：,又由：,(1),将(2)代入(1)得：,(3),又由：,将(3)式代入得：,将Sh用芬克公式展开：,后滑值的计算,24/52,按Fink前滑公式计算的曲线,D、=C，前滑与h呈双曲线关系；h、=C，前滑与D呈直线关系；h、D=C，前滑与呈抛物线关系。,曲线1：,曲线2：,曲线3：,25/52,为能比较简单地得到中性角的计算公式，首先作如下假设：(1)咬入弧上单位压力均匀分布，其合力作用在咬入弧中点；(2)接触面上全部为滑动区，并且接触面上各点的摩擦系数相同；(3)轧件的宽展很小，可以忽略；(4)认为轧制过程中金属在变形区内运动是均匀的，惯性力为零，金属在外力作用下处于平衡状态。,4.4 中性角的确定,26/52,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，该截面为中性面，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，用表示。,变形区内金属流动速度与轧辊水平速度,中性面处：变形区内金属速度=轧辊水平速度,4.4 中性角的计算简单理想轧制情况：接触面全滑动，遵守 库仑摩擦定律；设p、t沿接触弧均匀分布；无宽展。,x,变形区内水平力平衡条件,28/52,中性角理论公式：,式中：接触角；f摩擦系数；Q0作用在轧件上的后张力；Q1作用在轧件上的前张力；径向单位压力；轧件的平均宽度；R轧辊的半径。,当Q1=Q0或Q1=Q0=0时，或当 f=0.4和0.3时，中性 角最大只有46。f 越大，越大，前滑区越大，与呈抛物线关系。,费因别尔格公式,咬入角和中性角关系曲线,30/52,当=f 时，中性角有最大值;前滑区达到整个变形区的1/4。当=0或=2时，无前滑仅有后滑，整个接触弧都是后滑区，摩擦力的方向完全指向轧制方向。,三个特征角、之间巴甫洛夫关系式,31/52,由三特征角、之间的关系曲线可知：当=，即在极限咬入条件下，中性角有最大值，其值为0.25或0.25；当时，随增加，增加；当时，随增加，减小；当=2时，=0。,三特征角之间的关系,实际轧制时，p、t沿接触弧不均匀分布，接触面上也不一定全滑动，存在粘着区(如热轧)。,考虑弹性变形,采利柯夫公式(板带生产),Bland-Ford公式(冷带),全滑动 忽略弹性变形,全粘着-Sims公式(热带),4.5 影响前滑的因素剩余摩擦力概念：摩擦力除了克服一切咬入阻力外还有剩余，这部分剩余的摩擦力用于增加金属塑性流动的速度。剩余摩擦影响前滑，前滑是稳态轧制时的必然现象。由实现轧制过程的咬入条件知，TxPx，T0。由vh=v(1+Sh)，T，金属塑性流动速度，前滑值升高。轧制过程建成条件满足2T反映在2。当，剩余摩擦力，前滑值Sh。,1)压下率(=h/H)的影响,，Sh，高向压缩变形金属移动体积纵向延伸金属塑性流动速度Sh,压下率与前滑的关系(普碳钢轧制温度为1000，D为400mm),2)轧件厚度的影响,轧后轧件厚度h，Shh，h，金属移动体积金属塑性流动速度，Sh。,轧件轧后的厚度与前滑的关系(铅试样h=1.2mm，D=158.5mm),3)辊径D的影响,当D400mm时，前滑值Sh随D增加较快；辊径D400mm时，Sh增加较慢。(1)D，vf，剩余摩擦力(2)D，变形区长度l，纵向阻力，B延伸两个因素的共同作用，使前滑值增加较为缓慢。,D，,Sh,辊径D对前滑的影响,400mm,4)摩擦系数f 的影响摩擦系数 f，剩余摩擦力，Sh。凡是影响摩擦系数的因素(如轧辊材质、表面状态、轧制温度和轧制速度等)都影响前滑。,轧制温度、压下量对前滑的影响,前滑与咬入角、摩擦系数f关系,5)轧件宽度的影响,轧件B一定值(40mm)时，B，Sh，B一定值时，B，Sh=C。轧制时Bl，B，横向阻力，B，金属向延伸方向流动的多，Sh。,当B大于一定值(40mm)时，达到平面变形条件，轧件宽度对宽展不起作用，故B=0，延伸为定值，Sh不变。,轧件宽度对前滑的影响(铅试样h=1.2mm，D=158.3mm),6)张力的影响,Qh，金属向前滑区流动阻力减少，Sh；QH，金属向后滑区流动阻力减少，SH。,张力对前滑的影响,4.6 孔型中轧制时的前滑前滑公式的推导是在平截面假设下进行的，在进行一些实际校正后，用于板带连轧机还是可以的。然而对于型材轧制来说，则有不少问题。通常沿孔型周边各点轧辊的线速度不同，但由于金属的整体性和外端的作用轧件横断面上各点又必须以同一速度出辊，这就必然引起孔型周边各点的前滑值不同。,41/52,4.6 孔型中轧制时的前滑孔型轧制时，由于轧件变形的不均匀性和非同时性，沿着孔型宽度前滑将不均匀。在孔型截面上，轧制半径较小的地方，前滑较大，故在菱形或方孔的顶点，前滑值最大。在变形条件相同时，孔型中的前滑的平均值超过平辊轧制时的前滑，这一现象说明，摩擦的影响增加，致使中性角增加。,42/52,沿孔型周边各点轧辊线速度不同，各点的前滑值不同。采用平均高度法把孔型和来料化为矩形断面，按平辊轧制矩形断面轧件方法来确定轧辊的平均速度和平均前滑值。,此工程运算粗略估算孔型轧制时轧件出辊速度的方法很不精确，有待于进一步研究。,4.7 连轧中的前滑及有关工艺参数的确定,连轧在轧钢生产中所占的比重日益增大，在大力发展连轧生产的同时，对连轧的基本理论加以探讨。连轧时各机架顺序排列，轧件同时通过数架轧机进行轧制，各个机架通过轧件相互联系，从而使轧制的变形条件、运动学条件和力学条件等都具有一系列的特点。,44/52,4.7.1连轧关系和连轧常数,连轧时保证正常轧制的条件是轧件在轧制线上每一机架的秒流量必须保持相等。,连轧机各机架顺序排列，各机架通过轧件相互联系。,连续轧制时各机架与轧件的关系示意图,忽略前滑：,连轧关系：连轧时轧件在轧制线上每一机架的秒流量保持相等的这种关系。连轧常数：秒流量相等保持的常数。,经简化，得到：,4.7.2 前滑系数和前滑值,4.7.3 堆拉系数和堆拉率连轧生产过程中保持理论上的秒流量相等使连轧常数恒定很困难。为使连轧过程顺利进行，常采用堆钢或拉钢的生产操作技术。一般对线材连轧机机组与机组之间采用堆钢轧制，同机组内机架与机架之间采用拉钢轧制即张力轧制。堆钢轧制：不会被拉断、拉缩，容易折叠、缠辊、跑偏。拉钢轧制：不会出现因堆钢而产生事故，易造成轧件头、中、尾尺寸不均。为减少头尾尺寸超差，除采用微量拉钢(微张力轧制)外，尽可能缩小机架间距。,堆拉系数K：轧件出入口处的秒流量之比。K1，拉钢轧制，线材轧制，粗、中轧机组：K=1.021.04 精轧机组：K=1.0051.02K1，堆钢轧制。线材机组间要根据活套大小通过调节电机的转数来控制适当的堆钢系数。,考虑堆钢或拉钢后的连轧关系：,堆拉率：轧件出入口秒流量体积差的相对值。0时，拉钢轧制；0时，堆钢轧制。,此时连轧关系为：,结论：在多机架连轧生产中，在设计轧机和制定工艺制度时，要充分考虑前滑的影响，否则轧制过程将无法正常进行。连轧时，若前滑值估计不足，就会出现堆料和活套现象。如果已知其中一架机架轧件的秒流量，就可以确定其他各机架的秒流量，从而求出其他相关参数(如n值)。在连续轧制时，实际上保持理论上的秒流量相等使连轧常数恒定是相当困难的，比如D和Sh难以精确确定。从理论上讲，连轧时各机架的秒流量体积相等，连轧常数是恒定的。在考虑前滑影响后这种关系仍然存在。当考虑了堆钢和拉钢的操作条件后，实际上各机架的秒流量已不相等，连轧常数已不存在，而是在建立了一种新的平衡关系下进行生产的。,51/52,前滑是延伸的一部分，能说延伸越大前滑也越大吗?为什么?摩擦系数越大，前滑与宽展均增大是否矛盾?为什么?咬入角越大，其中性角也越大对吗?为什么?若在轧辊辊面磨光但不加润滑的条件下冷轧薄板，若偶然将一小滴油掉在板面上，问此钢板轧制时会出现什么现象?(提示：用摩擦系数对宽展和前滑的影响来说明，并注意上下板面润滑条件、摩擦系数不同)。,复习题：,52/52,1.已知轧辊的圆周线速度为3m/s，前滑值Sh=8%，试求轧制出口速度。2.用1120mm粗轧机开坯。已知坯料厚度400mm，摩擦系数为0.35，在极限咬入条件下，前滑值为多大。3.若轧辊圆周速度v=3m/s，轧件入辊速度vH=2.25m/s，延伸系数=1.5，计算该道次的前滑值?4.某热轧带钢轧钢厂在生产过程中发现每隔3秒带钢表面出现有规律的凸峰，相邻峰间距为80m，轧辊线速度为24m/s，试求前滑值。5.P272 3)。,作业题：,