对现代高线生产中轧制张力与轧件变形关系的研究
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摘要：高速线材轧机的核心设备-精轧机组的工艺设定和操作调整非常重要,它是完成高速线材轧制塑性变形中最关键和最终的设备,对保证产品尺寸的精度影响很大。本文通过分析计算轧件在精轧机组的张力和变形以期为生产工艺调整提供依据。
关键词：高线生产 轧制张力 轧件变形 研究
1、目标函数与约束条件
1.1 目标函数
1.1.1 精轧机组连轧关系的计算连轧关系用拉钢系数Ki[1]表示,即:
Ki= Fi×Di×Ni(1+Si)
Fi-1×Di-1×Ni-1(1+Si-1)= Ci
Ci-1式中:Fi、Fi-1--第i、i-1机架的轧件出口断
面积;Di、Di-1--第i、i-1机架的轧辊平均工
作直径;Ni、Ni-1--第i、i-1机架的轧辊转速;Si、Si-1--第i、i-1机架的轧件前滑值;Ci、Ci-1--第i、i-1机架的连轧常数。
1.1.2 轧件宽展的计算按埃克伦德(S、Ekeluid)宽展计算公式[2]轧件轧后宽度bi可表示成:
bi= 4m2i(hi-1+hi)2× (libi-1)2+b2 へi-1+4mili(3hi-1-hi)-2mi(hi-1+hi) li
bi-1式中mi=1.6uli-1.2×Δhihi-1+hi, li=へRi×Δhi,hi-1,hi分别为轧件轧前轧后平均高度,bi-1为轧件轧前宽度,u为磨擦系数,Δhi为平均压下量,Δhi=hi-1-hi,Ri为轧辊半径。
1.2 约束条件
(1)电机能力。正常轧制条件下,电机不能过热或过负荷。
(2)轧机能力。轧机的生产能力主要受机架强度、轧辊强度及轧制速度的限制。Pi< [Pimax],Mi< [Mimax],Vimin
的和最大允许的轧制速度。
(3)充填条件。轧件变形应保证如下的充填
条件,即[ξimin]
2、 数学模型
2.1 前滑模型
由于轧制中存在张力,前滑计算复杂,为简化计算,采用考虑前滑的计算轧辊工作直径的公式[2]。当孔形为椭圆时,工作直径Dk为:
Dk=(D-1.33Z)×1.01式中Z= (h-s)/2。其中h为孔型高,s为辊缝,D为辊环直径。当孔形为圆时,工作直径Dk则为:Dk=D-1.56Z
2.2 孔型的充满度计算
孔型的充满度δ计算[3]如下:
(1)椭圆孔型。
δi= (2.07×aki+1.7952aki+1.32 ) 1-1-(0.89+Ai/0.6+H2iaki+0.56 )( 2aki+1.32[ へ2.07aki+1.795)] 2
(2)圆孔孔型。
δi=1.164-0.905 1-Ai/0.816H へ2i式中:δi--第i架轧机的孔型充满度;Ai--第i架轧机轧出的轧件断面积;aki--第i架轧机的孔型轴比,aki=Bki/Hki。其中Bki为第i架轧机孔型最大宽度,Hki为第i架轧机孔型高度。δi简化计算公式δi=Bi/Bki,Bi为第i架轧机轧出轧件的宽度。
2.3 轧件横断面积A的确定[3]
(1)圆孔。
Ai=[0.785-0.66(1-δi) 1-δ へ2i]×H2i
(2)椭圆孔。
Ai=0.6H2 i(2.07-δi)(aki×δi+0.66δi-0.43)
3、 精轧机组各架次变形与张力分析
以轧φ6.5mm规格时为例,轧φ6.5mm规20格精轧机出口设计保证速度为90m/s,实际生产中出口速度稳定在80m/s左右,此时电机转速n=1081.87r/min,精轧机来料设计尺寸φ19.5mm,出炉钢坯温度1050℃。
(1)轧制中孔型过充满时,轧出的轧件会产生"耳子",严重欠充满则会使轧出的轧件断面形状不合格,如易造成单边等缺陷。
(2)轧件的实际宽度在精轧前几架略小于计算宽度,孔型充满亦未达到计算值。后几架轧件的实际宽度大于计算宽度,易出现充满;产生耳子造成折叠缺陷的可能性较大,容易造成轧出的成品轧件尺寸偏大。
(3)机架间拉钢系数Ki=0.99～1.01之间,考虑前滑后的张力控制在±1% 范围以内,满足稳定轧制的条件。计算结果表明,出椭孔进圆孔处于微堆钢状态,对轧制影响不大。实际操作中圆孔型辊缝应稍放大一点,对控制堆拉关系及减少圆孔型过充满有好处。
当轧辊直径、进精轧机坯料尺寸,轧辊辊缝发生变化时,对目标函数进行了计算,经过现场实测,结果表明:
(1)轧辊直径变化的影响。精轧各架次按同一辊径选配辊环时,辊径的大小不会在机架间产生较大的附加张力,只是辊径越小,轧件越易往延伸方向流动,其宽展会有所减少。精轧某架出现与其他架次较大的辊径差别时,会打破相应架次间堆拉关系,引起轧件变形和轧制负载发生变化,和轧件质量缺陷甚至堆钢事故。
(2)进精轧机组坯料尺寸的变化对精轧机组之间的张力和该机组中的轧件变形有着极大的影响。增大坯料尺寸会增加各架次压下量,增大各架次延伸和宽展,减少机组间张力值,并引起成品宽度的增加。因此,进精轧机组前坯料尺寸的变化是控制成品尺寸和机组间张力的有效手段,要保证成品尺寸达到±0.15mm 的C级品精度,进精轧坯料直径变化不能超过±0.30mm。如前所述,考虑到湘钢孔型设计特点,轧φ6.5mm 规格时应按负偏差控制进精轧机组轧件尺寸。
(3)机组中各架次辊缝的变化对机组中轧件的变形、机架间张力、负荷及成品尺寸会造成影响。对第2～9机架,减少辊缝会引起机架出口轧件高度尺寸减少,与下一机架间张力增加,与上一机架间张力减少;同时会引起轧件宽度加大。但对相邻架次以外的机架变形和张力影响不大。第一机架辊缝变小,会减少进入精轧机组的秒流量,引起后续所有机架出现张力增大,宽展变小(第一机架出口轧件宽展增大),而最后一架辊缝的变化则会直接引起成品尺寸的变化。辊缝的调整必须以保证各架次红坯尺寸为前提,红坯尺寸太大易引起导卫挂铁、冲掉导卫堆钢等事故并易产生"耳子"形成折叠。红坯尺寸太小,轧件在下架次孔型中不易充满,导卫难以夹持,轧件易产生抖动,形成单边、间歇性耳子、折叠等缺陷。铅棒情况调整各架次辊缝,确保各架次红坯尺寸。在轧制过程中一般只调整精轧第一架和最后一架,对2～9机架,接班试铅棒后一般不再调整辊缝,即使调整其调整量也在0.1mm以内。以上诸因素都发生变化时,会引起综合反应,在生产实践中,必须认真把握,善于分析,善于总结积累经验。
5、 结语
高速线材精轧机组的工艺设定和操作调整是保证产品质量的关键之一。本文通过精轧机组轧制张力对轧件变形影响因素的理论分析,和数模探讨,从理论和实践的结合上为进一步完善高速线材轧制技术,提高产品质量提供了依据。
参考文献:
[1] 高速轧机线材生产编写组.高速轧机线材生产[M].北京:冶金工业出版社,1995.194-198.
[2]曹鸿德.塑性变形力学基础与轧制原理[M].北京:机械工业出版社,1998.204,172.
[3] 俄B.A希洛夫,等著.轧辊孔型设计[M].北京:冶金工业出版社,1968.__
[4]冶金信息导刊.2007年8月6日