1、轧制原理与工艺,北京科技大学材料学院 周成,1 轧制过程的基本概念,轧制是轧件在旋转的轧辊作用下产生塑性变形的过程。轧制的目的是生产具有合格形状尺寸和组织性能的产品。,第一部分 轧制原理,1.1 简单轧制过程及其变形区,简单轧制过程轧制过程在上下两直径相同的圆柱形刚性轧辊间进行，轧辊皆为传动辊、转速相同且转向相反；轧件为各向同性的均匀连续体，只承受来自轧辊的作用力并且满足屈服条件，轧件为矩形断面，轧制前的横截面在变形过程中仍为平面。,轧制过程的简单描述,在轧制过程中，轧辊对轧件的作用力要同时产生两个效果：将轧件拖入辊缝同时使之产生塑性变形。在满足屈服条件的前提下，轧制过程能否开始取决于轧辊是否
2、能将轧件拖入辊缝。 在轧制过程中，轧件高度减小。轧件在高度方向减少的体积，要转移到轧件的宽度和长度方向，这一变形过程不仅决定了轧制后的轧件尺寸，而且也影响到轧件进出轧辊的速度。 为使轧制过程顺利进行，主电机要具有足够的功率，以通过轧辊提供轧件塑性变形所需的变形力，而所需变形力的大小与轧件本身的性质和应力状态有关。在实际轧制过程中，这一变形力又对轧辊产生反作用而影响轧制过程。,1.2 轧制变形区及其主要参数,轧制变形区轧件在轧辊作用下发生塑性变形的区域称为轧制变形区，在简单轧制条件下，即轧件在进出轧辊处的断面与辊面所围成的区域。 轧制变形区的主要参数有咬入角和变形区长度。,咬入角 ,轧件开始进入
3、轧辊时，轧件与轧辊的最先接触点和轧辊中心的连线与两轧辊中心连线所构成的圆心角，称为咬入角。稳定轧制时，咬入角即为轧件与轧辊相接触的圆弧所对应的圆心角。,变形区长度 l,轧件与轧辊之接触弧的水平投影长度，称为变形区长度。,1.3 体积不变条件,对于消除了铸态组织的已变形金属，塑性加工时金属的密度变化很小或者不变。冷加工时，由于加工硬化和微裂纹的产生，金属密度略有减小，但是各种金属和合金冷加工时密度通常只减小0.10.2%，当进行中间退火和最终退火时，由于产生再结晶，密度将增加到接近加工前的数值。热加工过程中，加工硬化和再结晶同时或依次产生，变形金属的密度及体积在加工过程中可以认为是不变的。因此，
4、无论冷加工还是热加工，变形金属的密度和体积的改变都是很小的，可以忽略这些变化而认为塑性变形前后金属的体积是保持不变的，这就是体积不变条件。,1.4 轧件变形程度,绝对变形量相对变形量 工程应变 真应变 变形系数通常将相对压下量（工程应变）称为压下率，记为。,轧件在高度、宽度和长度三个方向的变形分别称为：压下、宽展和延伸。,1.5 轧制变形速度,变形速度是应变对时间的变化率，也称应变速度。轧制变形速度指的是轧件高度方向的变形速度。变形区中高度为hx的任意断面上的变形速度为：平均变形速度,1.6 咬入条件,稳定轧制条件,稳定轧制时，/2,咬入过程中，,改善咬入条件的途径,满足咬入条件，是顺利实现轧
5、制过程的基本保证，而改善咬入条件，是增加压下量、提高生产率的有力措施。,发挥稳定轧制阶段咬入潜力 （1）小头进钢（2）带钢压下（3）强迫喂钢 提高角 （1）改变轧件或轧辊的表面状态 （2）合理调节轧制速度,2 轧制过程中金属变形的基本规律,2.1 最小阻力定律如果变形体各质点有向各个方向移动的可能，则变形体的每个质点将朝阻力最小的方向移动。,2.2 变形区水平投影形状与变形的关系,变形区长度l01时， 宽展量b、延伸量l与变形区宽度b0的关系,2.3 工具形状对变形的影响,由于轧辊呈圆柱状，会造成金属在宽度和长度方向的流动阻力不同，金属横向流动的阻力是平行于辊面且与流动方向相反的摩擦力，而纵向
6、流动阻力是摩擦力的水平分量与正压力水平分量的代数和，根据最小阻力定律，就会影响宽展与延伸之比。 工具形状有利于延伸。,2.4 轧制时的不均匀变形,引起变形及应力不均匀分布的原因主要有：接触面上的外摩擦、变形区的几何因素、沿宽度上压缩程度的不均匀、变形物体的外端、变形体内温度的不均匀分布以及变形金属性质的不均匀等等。这些因素的单独作用或者共同影响，可使不均匀变形表现得很明显。,圆柱体镦粗时摩擦力对变形及应力分布的影响,高件镦粗时不同应力状态分区示意图,外端对变形的影响,3 轧制过程中的宽展,轧件在宽度方向线尺寸的变化，即绝对宽展称为宽展。,3.1 宽展的分类,（1）自由宽展在轧制过程中，被压下的
7、金属体积向横向移动时，金属流动除受接触摩擦的阻碍外，不受其它任何的阻碍和限制（如孔型侧壁，立辊等），结果明确表现出轧件宽度尺寸的增加，这种情况称为自由宽展。,（2）限制宽展轧制过程中，金属质点横向移动时，除受接触摩擦的阻碍外，还承受孔型侧壁的限制作用，此时产生的宽展称为限制宽展。,（3）强制宽展 在轧制过程中，金属质点横向移动时，除受接触摩擦的阻碍外，还受其它因素的推动，此时产生的宽展称为强制宽展。由于出现有利于金属质点横向流动的条件，所以强制宽展大于自由宽展。,(b),3. 2 宽展的分布及宽展组成,决定宽展沿轧件高度分布不均匀的主要因素是比值 。,轧后轧件侧边形状 a双鼓形；b单鼓形；c平
8、直形,宽展一般由以下几个部分组成：滑动宽展b1、翻平宽展b2和鼓形宽展b3 。滑动宽展是变形金属在与轧辊的接触面上，由于产生相对滑动使轧件宽展增加的量；翻平宽展是由于接触摩擦阻力的作用，使轧件侧面的金属在变形过程中翻转到接触表面上，使轧件的宽度增加量；鼓形宽展是轧件侧面变成鼓形而造成的展宽量，与翻平宽展有密切联系。,宽展沿轧件横断面分布,计算宽展时，轧件轧后宽度应采用平均宽度，平均宽度可采用与轧后轧件横断面等面积同厚度矩形的宽度，也可采用下式计算。,根据侧面凸出程度的不同系数a可取1/22/3。,3. 3 影响宽展的因素,(1) 压下量压下是形成宽展与延伸的原因，压下量愈大，宽展愈大。 (2)
9、 轧制道次在总压下量一定的前提下，轧制道次越多，宽展越小。 (3) 轧辊直径在其它条件不变时，宽展随轧辊直径D的增加而增加。 (4) 摩擦系数在其它条件相同时，随着摩擦系数的增加，宽展增加。凡是影响摩擦系数的因素，都将通过摩擦系数引起宽展的变化。 (5) 轧件宽度随着轧件宽度的增加，宽展先增加，后来趋于不变。,3. 4 平辊轧制时的宽展计算公式,（1）.热兹公式（2）E. 齐别尔公式（3）C.古布金公式,3. 5 侧压后平轧时的宽展,板带轧制中，采用侧压（立辊轧制）调整轧件宽度。侧压后轧件横断面呈双鼓形，要再经过一道水平轧制消除双鼓形，然后进入后续轧制道次。 侧压后平轧时轧件的宽展可以认为由两
10、部分组成，一部分是鼓形的回展bb，另一部分是除鼓形回展以外的轧件宽展bs 。,侧压后平轧宽展的组成,侧压调宽后再经过平辊轧制，轧件宽度由于上述宽展而有所回升，侧压调宽的有效减宽量为侧压效率为,侧压后平轧宽展的组成,3. 6 孔型轧制时宽展的计算,常用平均高度法来确定孔型轧制时的宽展：将孔型内轧制条件简化成平板轧制，即用同面积，同宽度的矩形代替曲线边的轧件，计算出轧制前后轧件的平均高度、平均压下量和轧辊工作直径后，代入任意自由宽展公式计算，并认为此宽展就是孔型中的宽展。,轧制前轧件的平均高度：,轧制后轧件的平均高度：,平均压下量：,轧辊工作直径：,4 轧制过程中的前滑和后滑,4. 1 前滑值与后
11、滑值从变形区入口到中性面，轧件落后于轧辊，称这种现象称为后滑；从中性面到变形区出口，轧件超前于轧辊，称这种现象称为前滑。前滑现象用前滑值来表征，前滑值是变形区出口断面处轧件与轧辊速度的相对速度差，后滑现象用后滑值来表征，后滑值是变形区入口断面处轧件的速度与轧辊在该处水平速度的相对差值，,前滑值与后滑值的关系,当延伸系数和轧辊圆周速度v已知时，知道前滑值就可以计算轧件进出变形区的实际速度vH 和vh以及后滑值； 当和咬入角一定时，前滑值增加，后滑值就必然减少。,4. 2 前滑值的计算,按秒流量体积不变条件，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。,平辊轧制时中性角的确定,对于简单轧
12、制过程，假定接触面全滑动并遵守库仑摩擦定律，单位压力和单位摩擦力沿接触弧均匀分布，并忽略宽展，则稳定轧制时，带前后张力时，后滑区和前滑区单位压力分布公式中确定的单位压力在中性面处相等，根据这一条件也可以确定中性角。,孔型轧制时的前滑,在孔型轧制过程中，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。可采用平均高度法：把孔型和来料化为矩形断面，然后按平辊轧矩形断面轧件的方法，来确定轧辊的平均线速度 和平均前滑值 。并按下式确定轧件平均出辊速度：,4. 3 影响前滑的主要因素,（1）轧辊直径 D前滑值随辊径增加而增加。 （2）摩擦系数 f
13、摩擦系数越大，前滑值越大。 （3）压下率 r （）前滑值随着压下率的增加而增加。 （4）轧件厚度 h1随着轧件轧后厚度的减小，前滑值增加。 （5）轧件宽度 b0轧件宽度b0小于一定值（40毫米）时，前滑值随宽度的增加而增加，而轧件宽度大于一定值时，前滑值趋于不变。 （6）张力 随着前张力的增加，前滑值增加；反之，后张力增加则前滑值减小。,5 轧制过程中的摩擦,摩擦的概念金属塑性成形时，在金属和成形工具（如轧件和轧辊）的接触面之间产生阻碍金属流动或滑动的界面阻力，这种界面阻力称为接触摩擦（外摩擦）。摩擦在金属塑性成形过程中的作用极为重要，它不仅影响加工载荷，咬入能力，而且直接影响工件变形形状、尺
14、寸精度、表面质量和工具磨损，同时也间接影响工件内部的组织、性能分布。因此，长期以来，摩擦一直是塑性加工领域中的重要课题之一。,金属塑性成形时摩擦的特点,金属塑性成形时的摩擦与机械传动时的摩擦有很大差别； 首先，它是在高压力下产生的摩擦。塑性成形时，金属所受的单位压力，热变形时有100150MPa，冷变形时可达5002500MPa。而受重载荷的轴承，工作时的单位压力仅为2040MPa。接触面上承受的单位压力愈高，润滑就愈困难。 其次，塑性成形时，常常由于金属的变形而不断产生新的接触表面以及工具在加工过程中也不断受到磨损，因此，摩擦情况是不断变化的。接触面上金属各点的位移情况也不同，有滑动的，有粘
15、着的。 另外，很多塑性成形是在高温下进行的。例如，钢的热轧和热锻变形温度一般在8001200 范围，在这样高的温度下进行塑性变形，金属的组织和性能不断发生变化，表面状态也在变化，如原生氧化层的脱落和新氧化层的形成以及工具表面的粘结等，这些实际现象改变了摩擦条件，也给润滑带来很大影响。,金属成形时摩擦的影响,（1）改变金属所处的应力状态，使变形力增加， 能耗增多。 （2）引起工件变形不均匀。 （3）金属的粘结。 （4）轧辊磨损。,接触摩擦理论,（1）干摩擦 在轧辊与轧件两洁净的表面之间，不存在其他物质。 （2）边界摩擦 在接触表面内，存在一层厚度为百分之一微米数量级的薄油膜。 （3）液体摩擦 在
16、轧件与轧辊之间存在较厚的润滑层(油膜)，接触表面不再直接接触。 在实际中最常遇到的是混合摩擦，即半干摩擦和半液体摩擦。半干摩擦是干摩擦与边界摩擦的混合，部分区域存在粘性介质薄膜，这是在润滑表面之间，润滑剂很少的情况下出现的。半液体摩擦可理解为液体摩擦与干摩擦或者与边界摩擦的混合。在这种情况下，接触物体之间有一个润滑层，但没有把接触表面之间完全分隔开来。在进行滑动时，在个别点上由于表面凹凸不平处相啮合，即出现了边界摩擦区或干摩擦区。在具有工艺润滑的冷轧变形区中，常出现这种润滑。,干摩擦理论（库仑Coulomb定律）,接触表面上的切应力与正应力成正比，即单位摩擦为式中，p接触面上的单位正压力；f摩
17、擦系数。 在多数情况下，认为它可以反映混合摩擦力与正压力之间的规律。,常摩擦理论（西贝尔Siebel理论）,接触面上的切应力与正应力无关，是一个常数式中，m摩擦因子，0m1；k剪切屈服极限。 常摩擦理论通常用于塑性加工中的粘着状态条件。如在轧制中沿接触弧上金属与工具间无滑动，此时称为粘着。在有粘着的情况下，当沿接触表面产生切向滑动时，必须切断粘结面，一般都把产生粘着的条件定为单位摩擦力等于剪切屈服极限。式中，k剪切屈服极限；K平面变形抗力。,液体摩擦理论(Nadai理论),认为摩擦阻力来自于液体润滑层的内摩擦，切应力与润滑剂粘度及相对速度成正比。式中，润滑剂的动力粘度；h润滑层厚度；v 接触表
18、面间的相对滑动速度。 这一理论是针对良好润滑条件下的高速轧制（v140 m/s）的。,热轧摩擦系数,热轧咬入时的摩擦系数,热轧稳态轧制时的摩擦系数,冷轧摩擦系数,冷轧咬入时的摩擦系数,冷轧稳态轧制时的摩擦系数,6 轧制与冷却过程的传热,传热现象固体的传热包括两种：一种是固体内部传热，主要是热传导过程；而固体和周围介质的热交换（外部传热）过程，主要是辐射、对流和传导。,辐射换热,辐射是由于物体本身温度导致产生的电磁波。 辐射换热过程伴随着能量的转换，热能辐射能热能。任何物体不论其温度高低，都在不断地向外辐射能量，同时又不断地吸收外界投射来的辐射能。根据得到的热量和失去热量的多少来决定是被加热还是
19、被冷却。 dt 时间内物体因辐射散热而引起的温降为,式中，实际物体的黑度， 绝对黑体的辐射系数，F散热面积 ，物体的密度， c物体的质量热容，V物体的体积，T、 T0物体与环境的绝对温度（K）,对流换热,对流换热是物体表面热交换的另一种形式。此种热交换的强度不但和物体传热特性有关，而且更主要是决定于介质流体的物理性质和运动特性。在此种热交换过程中，一般常伴着流体集态的改变（产生气泡、气膜）。 dt 时间内由于对流换热引起的物体温降为,式中，对流传热系数，t、t0物体与介质温度（ ）,热传导,热传导由两种类型：一是接触热传导，即两件物体相接触时，当存在温度差时将产生的热量传导；二是固体物体内部当
20、表面和中心温度有差别时将发生的热传导。接触热传导主要发生在轧制过程中轧件与轧辊接触时发生，此时的接触热传导往往受表面氧化铁皮层热阻的影响，因此现象比较复杂。,式中，导温系数。,轧制过程的传热,热带轧制过程中，轧件温度降低和升高的主要因素通常可以区分如下： 1）热辐射引起的温降。 2）热对流引起的温降。 3）水冷引起的温降。 4）向工作辊和辊道热传导引起的温降。 5）机械功（塑性变形和摩擦）引起的温升。,机械功引起温升,在热轧条件下，假设界面处无滑动，因而克服摩擦的机械功部分可被忽略，机械功的大部分均由轧件在变形阶段所吸收。机械功引起的温升为：,式中，p平均单位压力， m转换效率，h0、h1轧前
21、、轧后轧件厚度。,7 轧制力的计算,理想单向压缩时的变形力此时，接触表面无摩擦，在外力P作用下，变形体处于均匀的单向应力状态。接触面积为F，则变形体内应力为,7 轧制力的计算,理想单向压缩时的变形力发生塑性变形时， ，此时的变形力为接触面上单位面积的变形力（单位压力）为此时，单位压力均匀分布，平均单位压力即为单位压力。,变形抗力一定的变形温度、变形速度和变形程度 下，理想单向压缩时、单位面积的变形力。记为s。,接触表面有摩擦单向压缩时的变形力接触表面存在摩擦时，变形体的应力状态发生变化，导致单位压力增加并不再为常数，由于应力状态偏离理想单向应力状态、导致平均单位压力增加的倍数称为应力状态系数。
22、此时的平均单位压力为：变形力为,理想平面应变压缩时的变形力理想平面应变压缩时，第三方向的变形为零，且接触表面无摩擦。此时的应力状态系数为1.15。此时的单位压力均匀分布，称之为平面变形抗力K，即变形力为,平面变形抗力理想平面应变压缩时、单位面积的变形力。记为K，K1.15 s 。,接触表面有摩擦平面应变压缩时的变形力接触表面存在摩擦时的平面应变压缩，变形体的应力状态发生变化，导致单位压力增加且不再为常数，由于应力状态偏离理想平面应变状态时的应力状态，导致平均单位压力增加的倍数称为应力状态系数。此时的平均单位压力为变形力为,轧制力,轧制力是轧制过程中使轧件产生塑性变形所需的变形力，即轧制过程中轧
23、辊给轧件的作用力。当轧件不受张力作用、或承受相等的前后张力作用时，根据轧件在水平方向的受力平衡条件，轧制力将垂直指向轧件。当轧件受不相等的前后张力作用时，轧制力将向较小张力的方向倾斜，以保持轧件在水平方向的受力平衡，但是这种倾斜很小，因此工程上可以认为：无论哪种情况，轧制力都是垂直指向轧件的。 轧制时轧件将给轧辊以反作用力，其大小等于轧制力。它通过轧辊轴承传递给压下螺丝，因此轧制力可以通过安装在轧机压下螺丝下的力传感器测量。,轧制力的计算,变形区后滑区内任意微分体上受力情况,轧制力计算公式,8 金属的变形抗力与 轧制时的应力状态系数,大量实验结果表明，变形抗力与变形温度、变性速度和变形程度之间
24、存在以下关系：,美坂公式,志田公式,冷变形抗力,应变速度对冷轧变形抗力的影响比对热轧变形抗力的影响小，所以计算冷轧轧制力时，为简单计有时也采用应变速度 左右的静态变形抗力，由此引起的误差可以通过修正摩擦系数被吸收。,轧制时的应力状态系数,Sims公式（热轧）,齐藤公式（轧制钢坯及厚板）,简化的Bland-Ford公式（冷轧）,连轧机组采用小张力轧制，此时，应再乘以一张力影响系数，,式中， qh 、 qH前后张应力；a加权系数；K平面变形抗力。,多道次轧制时的变形抗力,热轧的道次间隔时间，在厚板轧制和热轧带钢的粗轧道次，是510秒，在热轧带钢的精轧道次是1秒以下。如此短的时间内的组织变化可以分为
25、三个区域来考虑。a) 变形后再结晶立刻结束，奥氏体晶粒长大的区域；b) 再结晶结束，但晶粒长大被抑制的温度区域；c) 道次间再结晶未进展，即未再结晶奥氏体区。通常的热轧是在a) b)的温度域完成轧制，所以只考虑再结晶奥氏体晶粒对细晶化的影响，而在控制轧制，要有效实施上述所有的组织控制，实现细化晶粒的目的。控制轧制中，添加Ni、V、Ti等微量元素，在组织控制上的主要作用是抑制奥氏体的再结晶，将未再结晶奥氏体区域扩大至高温区。,多道次轧制时的变形抗力,多道次热轧时，变形金属在道次间的静态恢复过程影响其下道次轧制时的组织和变形抗力。各道次的组织和变形抗力不仅取决于化学成分和该道次的变形条件，还与前道
26、次的变形条件和道次间隔时间有关。,根据实验研究结果，可以认为各道次变形的应力应变曲线是一致的，则可以引入残余应变的概念处理多道次变形时的变形抗力。以两道次变形为例，当道次间静态恢复过程来不及完成时，第一次变形的加工硬化效果来不及消除，导致第二次变形的变形抗力增加，这种现象可以认为是第二次变形时先进行了一定程度的预应变，它取决于道次间静态恢复的程度，称之为第一次变形的残余应变 ，在应力应变曲线中，与第二次变形时变形抗力相对应的应变为 ，称之为实质应变。,因此，由于多道次变形时应力应变曲线的一致性，在上述热轧变形抗力公式中，以各道次实质应变代替该道次应变，即可计算各道次的变形抗力。各道次实质应变为
27、式中，si第i道次实质应变，i第i道次名义应变，i第i道次之前遗留下来的残余应变。,引入残余应变率，,则实质应变为，,而残余应变率可由下式确定，,式中，t间隔时间，C1、C2与组织成分有关的常数，Q有效激活能。,9 轧制力矩,轧制时电动机输出的传动力矩,轧制力矩轧制时轧件在轧辊的压力的作用下产生塑性变形，与此同时金属也给轧辊以大小相等的反作用力。金属对轧辊的作用力P相对轧辊中心之矩，即轧制力矩。,按能耗曲线确定轧制力矩,摩擦力矩,空载力矩,动力矩,电机负荷图,主电机的功率计算,电机校核,第二部分 轧制工艺,钢铁生产流程,9 轧材生产各基本工序及其对产品质量的影响,（1）原料的选择及准备采用连铸
28、坯是发展方向；原料表面存在的各种缺陷（结疤、裂纹、夹渣、折叠等），在轧前要加以清理；对碳素钢，一般常用风铲和火焰清理；对合金钢，一般常用砂轮清理或剥皮（机床刨削）。,（2）原料的加热一般要将钢加热到单相奥氏体温度范围，要有较高的温度和足够的时间，以均匀化组织及溶解碳化物，从而得到塑性高、变形抗力低、价格性能好的金属组织。加热缺陷 过热加热温度偏高、时间偏长，使得奥氏体晶粒过分长大，晶粒之间的结合力减弱，钢的机械性能变坏。可以用热处理的方法消除之。 过烧加热温度过高、时间过长，不仅金属晶粒粗大，还使得偏析夹杂富集的晶界发生氧化或熔化，轧制时发生碎裂或崩裂。无法补救，只能报废。,（3）钢的轧制 轧
29、钢工序的两大任务：精确成型、改善组织性能。影响精确成形的因素：轧辊孔型设计（包括辊型设计及压下规程），轧机调整，变形温度、速度规程，轧辊磨损。影响组织性能的因素：变形温度、变形速度、变形程度。,（4）钢材的轧后冷却与精整根据产品技术要求和钢种特性，热轧以后采用不同的冷却制度。冷却方式有水冷、空冷、堆冷、缓冷等。钢材冷却时不仅要求冷却速度，也要求冷却均匀，否则容易引起钢材扭曲和组织性能不均。钢材在冷却后要进行必要的精整，如切断、矫直等，以保证正确的形状与尺寸。,（5）钢材的质量检查表面质量检验、化学分析、机械和物理性能检验、工艺试验、低倍组织及显微组织检验等。,带钢热连轧,1 板带材生产概述,从
30、生产的角度看，板带钢生产方法简单，便于调整、改换规格； 从产品应用角度看，钢板可冲、可弯、可切割、可焊接，使用灵活。 板带钢在建筑、桥梁、机车车辆、汽车、压力容器、锅炉、电器等方面得到广泛应用。 板带比（板带钢产量/轧材总产量）：日本52.7%，美国61.4%，中国32.3%（1997年）34.5%（2000年）,板带钢的种类,按厚度规格分：中厚板（ 4 mm）特厚板： 60 mm ；厚 板：2060 mm;中 板：420 mm。薄板（0.24 mm）箔材（极薄带钢）（ 0.2 mm）,板带钢的种类,按用途分：汽车钢板、造船钢板、锅炉钢板、桥梁钢板、电工钢板、深冲钢板、航空结构钢板、屋面钢板及
31、特殊用途钢板等。 按钢种分：普通碳素钢板、优质碳素钢板、低合金结构钢板、碳素工具钢板、合金工具钢板、不锈钢板、耐热及耐酸钢板、高温合金钢板等。,板带钢产品的技术要求,化学成分 外形尺寸（厚度、宽度、长度） 板形（平直） 表面质量（无气泡、结疤、拉裂、刮伤、折叠、裂缝、夹杂、压入氧化铁皮） 性能（力学性能（强度、塑性、硬度、韧性）、工艺性能（冷弯、焊接、深冲等）、物理性能（磁性）、化学性能（耐腐蚀）,板带材轧机特点,板带材的宽度大（比如与钢轨相比），轧制力大。 采用小直径轧辊可以减小轧制力，但小直径轧辊抗弯曲能力弱，为此在其背面设置大直径的支撑辊，即采用四辊乃至多辊轧机。 板带材轧机以轧辊辊身长
32、度命名。,2 中厚板生产,中厚板（卷）是机械制造、桥梁建设、造船、原子反应堆和石油化工容器及管道制造等领域的重要原料，在国民经济中占有重要地位。 中厚板轧机最重要的标志是辊身长度，它可体现一个国家造船与油气输送管线制造能力。世界上最大厚板轧机为 5500 mm，我国为5000 mm，皆为四辊轧机。,中厚板厂平面布置,中厚板厂采用单机架或双机架布置。,中厚板生产工艺（1）,坯料扁锭、连铸坯。为保证组织性能，采用连铸坯应具有一定的压缩比（坯料厚度/成品厚度），一般用途钢板宜取68以上，重要用途者取810以上。 加热连续式加热炉是主要炉型；均热炉用于大型钢锭的加热；室状加热炉用于特大或的小板坯、高合
33、金钢板坯等的加热。连续式加热炉有推钢式和步进式两种形式，后者更先进。,中厚板生产工艺（2）,除鳞除去炉生（氧化）铁皮和次生铁皮，以免压入钢板表面产生缺陷。通过高压水除鳞箱，轧机前后的高压水喷头实现。其水压对普碳钢为1216 MPa，对合金钢则为1720 MPa。,中厚板生产工艺（3）,粗轧粗轧阶段的主要任务是将板坯或扁锭展宽到所需要的宽度并进行大压缩延伸。轧制方法：全纵轧法、全横轧法、横轧纵轧法、角轧纵轧法。,平面形状控制,平面形状控制技术使钢板的平面形状矩形化，减少切损。（1）MAS轧制法首先在板坯长度方向轧制14道，将板坯轧制成正确厚度（称成形阶段），然后将板坯展宽到所需宽度（称展宽轧制）
34、。,（2）立辊法利用立辊对侧边进行轧制，使产品的平面形状接近矩形。,（3）不等厚展宽法基本思路与MAS法相同。在展宽轧制后，使轧辊倾斜将侧边轧薄，再轧另一道将另一侧边也轧薄，使展宽轧制后得到不等厚的断面，然后再转90进入精轧阶段，得到平面形状接近矩形的产品。 （4）咬入回轧法将板坯两端咬入返回轧制几道，轧到坯料厚度的65，两端在厚度方向形成凸形，然后对厚度方向未轧制部分进行轧制，使端部沿厚度方向矩形化。,中厚板生产工艺（4）,精轧精轧阶段的主要任务是延伸和质量控制。精轧机装备液压弯辊装置、以控制板形；采用厚度自动控制系统、以提高厚度精度。 精整是中厚板厂产品质量最终处理和控制环节。包括矫直、冷
35、却、划线、剪切、检查、缺陷清理、包装入库等，有些产品还需要热处理和酸洗。,3 热轧薄板生产,热轧薄板主要采用三种形式生产：带钢热连轧机、炉卷轧机、行星轧机。 热连轧带钢是热轧薄板的主要生产方式。,热连轧带钢厂平面布置,根据粗轧机组的坯不同，热连轧带钢厂可以分为全连续式、半连续式和3/4连续式。,热连轧带钢生产工艺（1）,坯料采用连铸坯（200360 mm）；采用全纵轧法以加大板坯长度和重量；由立辊轧机控制钢板宽度。 加热采用步进式连续加热炉；采用热送热装以降低热能消耗。,热连轧带钢生产工艺（2）,除鳞 粗轧粗轧机组前一般设置大立辊轧机，用以调整板坯宽度及破除氧化铁皮；各架粗轧机也都采用万能式、
36、即轧机前面带小立辊，以控制板卷宽度，同时起板坯对中作用。在粗轧机组最后一架轧机后面，设置测厚仪、测宽仪测温仪，为精轧机组进行前馈控制和粗轧机组、加热炉进行反馈控制提供依据。,热连轧带钢生产工艺（2）,精轧由粗轧机组轧成的带钢坯（中间坯），经过一百多米长的中间辊道输送到精轧机组进行精轧，精轧机组由68架轧机组成，形成连轧。带坯进入精轧机之前，测温、测厚，用飞剪切去头部（除去温度过低的头部以免损伤辊面，并防止“舌头”“鱼尾”卡在机架间的导卫装置或辊道缝隙中）和尾部（防止后端的“鱼尾”或“舌头”给卷曲及精整工序带来困难）。带坯经切头后，进行除鳞，在飞剪与第一架精轧机之间设有高压水除鳞箱、在精轧机前几
37、架之前设置高压水喷嘴。除鳞后进入精轧机轧制。为了稳妥安全防止事故，精轧机穿带速度不能太高，采取低速穿带然后与卷曲机同步升速进行高速轧制，轧制带钢尾部时减速。在精轧机各机架之间设置活套支撑器，以缓冲金属流量变化、防止成叠进钢造成事故，并在一定范围内保持恒定的小张力，维持轧制过程的稳定。轧机采用液压弯辊装置以控制板形。各架轧机设测压仪，精轧机后设测温仪、测厚仪和测宽仪，构成自动厚度控制系统和自动宽度控制系统。,热连轧带钢生产工艺（2）,轧后冷却及卷曲在末架轧机和卷曲机之间设置层流冷却系统，将带钢温度迅速由终轧温度（800900）冷却至卷曲温度（600650）。冷却后的带钢经地下卷曲机卷成板卷，卷曲
38、机设置23台、交替工作。卷曲后的板卷经过卸卷小车、翻卷机和运输链运往仓库，作为冷轧原料，或作为热轧成品，继续进行精整加工。精整加工线有纵切机组、横切机组、平整机组、热处理炉等设备。,4 板带材轧制中的厚度控制,板带轧制过程既是轧件产生塑性变形的过程，又是轧机产生弹性变形（弹跳）的过程。,轧件的塑性曲线对于一定的来料厚度，轧制力与轧件出口厚度的关系。,轧机的弹性曲线轧制力与轧机弹性变形的关系。,轧制时的弹塑性曲线（P-h图）将塑性曲线与弹性曲线画在同一个图上。,板带厚度控制,反馈控制,轧制力ABC 或厚度计AGC,前馈控制,5 冷轧薄板生产,冷轧薄板生产特点薄板厚度小于一定值(如1mm)，由于保
39、温和均温的困难,，很难实现热轧；随着宽厚比增大,在无张力的热轧条件下,很难保证良好的板形。采用冷轧方法可以较好地解决这些问题。它不存在温降和温度不均的问题，可以生产很薄、尺寸公差很严和长度很大的板卷；表面光洁度可以很高，还可以根据要求赋予各种特殊表面。冷轧板带材不仅表面和尺寸精度高，而且可以获得很好的组织和性能。通过冷轧变形和热处理的恰当配合，可以比较容易地满足用户对各种性能和综合性能的要求，还特别有利于生产某些需要特殊结晶织构和性能的重要产品，例如硅钢板、深冲板等。,冷轧薄板生产工艺特点,加工温度低，产生加工硬化由于加工硬化，轧制过程中变形抗力增大，轧制力提高，同时金属塑性降低，易产生脆裂。
40、经一定的冷轧总变形量之后，往往需要软化热处理，以恢复塑性、降低变形抗力，利于继续轧制。成品冷轧薄板在出厂前一般也需要进行一定的热处理，以使金属软化、全面提高冷轧产品的综合性能，或获得所需要的特殊组织和性能。,冷轧薄板生产工艺特点,冷轧中要采用工艺冷却和润滑 工艺冷却冷轧薄板变形功的8488转变为热能，高速、大压下轧制时变形发热增加，若金属变形抗力较大，如不锈钢、硅钢等，则发热更剧烈。轧件温升会导致轧辊温升，辊面温度过高会引起工作辊淬火层硬度下降，并有可能促使淬火层内发生组织分解，使辊面出现附加的组织应力。辊温的反常升高以及辊温分布规律的反常或突变均可导致正常辊型条件的破坏，直接有害于板形与轧制
41、精度。同时，辊温过高也会使冷轧工艺润滑失效（油膜破坏），使冷轧不能顺利进行。所以必须采用强有力的人工冷却。,工艺冷却水的比热比油大一倍，热传导率为油的3.75倍，挥发潜热大10倍以上，具有优越的吸热性能，故大多数轧机皆采用水或以水为主要成分的冷却剂。只有某些特殊轧机（如20辊轧机）由于工艺润滑与轧辊轴衬润滑公用一种润滑剂，才采取全部油冷。,工艺润滑主要作用是减小应力状态系数，降低轧制力。有效的工艺润滑也直接对冷轧过程的发热以及轧辊温升起到良好影响，在轧制某些轧制产品时，还可以防止金属粘辊。采用天然油脂（动植物油脂）润滑效果优于矿物油，因为分子构造与特性上的差别。,工艺润滑主要作用是减小应力状态
42、系数，降低轧制力。有效的工艺润滑也直接对冷轧过程的发热以及轧辊温升起到良好影响，在轧制某些轧制产品时，还可以防止金属粘辊。采用天然油脂（动植物油脂）润滑效果优于矿物油，因为分子构造与特性上的差别。矿物油化学性质比较稳定，不象动植物油容易酸败，来源丰富、成本低，但纯矿物油形成的油膜比较脆弱，难以耐受冷轧中较高的单位压力。,工艺润滑钢板表面只需带上很薄的一层油膜即可，例如0.51.0 kg/t，但对大规模冷轧生产，油耗仍然可观。通过乳化剂的作用把少量油剂与大量水混合起来，制成乳化的冷润液（简称乳化液），可以较好解决油的循环使用问题，此时，水是作为冷却剂与载油剂而起作用的。矿物油中加入适量的天然油脂
43、与抗压剂（又称极压剂），可以提高油膜强度，加强润滑效果；此外，也可在以矿物油为基的冷轧润滑剂中加入其它添加剂，以改善综合性能；与天然油脂一样，以矿物油为基的冷轧工艺润滑油也可以调制乳化液，并循环使用。典型的五机架冷轧有三套冷润系统，对厚度在0.4 mm以上的产品而言，第一套为水系统，第二套为乳化液系统，第三套为清净剂系统。来自酸洗线的原料表面已涂上一层油，足够供连轧机第一架润滑之用，故第一架喷以普通冷却水即可；中间各架采用乳化液系统；末架可喷清洗剂以清除残留润滑油。,冷轧薄板生产工艺特点,冷轧中要采用张力轧制 张力的作用：1）防止带材在轧制过程中跑偏；张力轧制时，若轧件出现不均匀延伸，沿轧件宽
44、度方向上的张力分布将会发生相应的变化，延伸较大的一侧张力减小，而延伸较小的一侧张力增大，结果起到自动纠偏的作用。2）使所轧带材保持平直和良好的板形；轧件的不均匀延伸将会改变沿带材宽度方向上的张力分布，而改变后的张力分布反过来又促进延伸的均匀化，有利于保证板形良好。3）降低轧制力，便于轧制更薄产品；4）适当调整主电机负荷。,冷轧薄板的主要品种,具有代表性的冷轧薄板产品：金属镀层板（包括镀锡板与镀锌板等）、深冲板（汽车板为其典型）、电工用硅钢板与不锈钢等。 镀锡板是镀层钢板中厚度最小的品种，过去曾一度流行的热浸镀锡板已为较先进的电镀锡板所取代；镀锌板适于处理成卷带钢，铁锌合金过渡层很薄，故加工性能
45、很好。 深冲钢板的典型代表是汽车板，厚度多为0.50.6 mm。,冷轧薄板的工艺流程,冷轧薄板的平面布置,冷轧工艺,原料板卷的酸洗与除鳞盐酸洗速率约为硫酸洗的两倍，而且酸洗后的板带钢表面银亮洁净。,冷轧工艺,冷轧通用五机架式产品规格范围较广，厚为0.253.5 mm，辊身长为17002135 mm。末架轧速约为2527 mm/s。,冷轧工艺,精整主要包括表面清洗、退火、平整以及剪切等工序。,6 板带材轧制制度的确定,板带材轧制制度主要包括压下制度、速度制度、温度制度、张力制度及辊型制度等，其中主要是压下制度（它必然涉及到速度制度、温度制度和张力制度）和辊型制度。,制定轧制制度的原则和要求,在设
46、备能力允许条件下尽量提高产量限制压下量和速度提高的主要因素：（1）咬入条件（2）轧辊及接轴叉头等的强度条件（3）电机能力的限制,在保证操作稳便的条件下提高质量（1）保证操作稳便的钢板轧制定心条件为了使轧件能自动定心，防止跑偏以保证操作稳定，在制定压下规程和辊型制度时，要使轧制时辊缝的实际形状呈凸形，而轧出的板带断面中部要比边部略厚一些，即所谓“中厚法”,（2）提高板形及尺寸精度质量必须遵守“板凸度”一定的原则。,压下规程或轧制规程设计,压下规程的中心内容就是要确定由一定的板坯轧成所要求的板带成品的变形制度，即要确定所需要采用的轧制方法、轧制道次及每道次压下量的大小，在操作上就是要确定各道次压下
47、螺丝的升降位置（即辊缝的开度）。与此相关联，还要涉及到各道次的轧制速度、轧制温度及前后张力制度的确定以及原料尺寸的合理选择。,生产中通常采用原则性与灵活性相结合的方法来处理压下规程问题。 （1）根据原料、产品和设备条件，采用理论或经验的方法制定出一个原则指导性的初步压下规程，或者只从保证设备安全出发，通过计算规定出最大压下率的限制范围； （2）在实际操作中，以此规程或范围为基础，根据当时的实际情况具体灵活掌握。,板带生产制定压下规程的方法和步骤 （1）在咬入能力允许的条件下，按经验分配各道次压下量，这包括直接分配各道次绝对压下量或压下率、确定各道次压下量分配率及各道次能耗负荷分配比等各种方法；
48、 （2）制定速度制度，计算轧制时间并确定逐道次轧制温度； （3）计算轧制力、轧制力矩及总传动力矩； （4）校验轧辊等部件的强度和电动机功率； （5）按前述制订轧制规程的原则和要求进行必要的修正和改进。,中厚板轧机压下规程设计,热连轧板带钢轧制规程设定,冷轧板带钢轧制规程制定,轧制新技术,钢铁工业正在经历激烈的竞争,发达国家与发展中国家之间的竞争； 短流程钢厂与大型联合企业之间的竞争； 钢材与非钢产品之间的竞争； 不同种类钢材之间的竞争； 同类钢材的质量、精度和成本的竞争。从根本上看，钢铁产品的市场竞争，是立足于新一代生产力基础上的竞争，而新一代生产力的获得取决于在正确判断市场前提下新一轮的投资决策。包括对新工艺、新设备、新流程进行研究、开发的投资。,先进轧制技术,一 热轧板带技术传统热轧机组以其品种规格全、质量高的优势，仍占据汽车、家电、涂镀层、优质焊管等质量要求高的薄板市场。新技术包括：,一 热轧板带技术,1 连铸坯的直接热装（DHCR）和直接轧制（HDR）实现了两个工序间的连续化，具有节能、省投资、缩短交货期等一系列优点，效果显著。2 在线调宽采用重型立辊、定宽压力机实现大侧压，单道次调宽量分别可达150 mm和350 mm。3 宽度自动控制（AWC）宽度精度可达5mm以下。,
