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1、1/43,安徽工业大学材料学院 2012.9.3,1.轧制原理绪论,2/43,一、金属塑性加工的主要方法二、钢铁工业在国民经济中的地位三、轧制理论概述及发展历史四、轧制理论的作用及发展趋势五、当代轧制技术的发展趋势六、课程的性质内容任务,轧制原理绪论,3/43,一、金属塑性加工的主要方法1.金属塑性加工(压力加工)的概念对金属材料施加一定的外力作用使其产生塑性变形并获得一定形状、尺寸和组织性能产品的加工方法。塑性加工的主要方法有：轧制；挤压与拉拔；锻造与冲压(锻压)主要产品有：(1)板、带、箔(轧制)；(2)管、棒、型、线(挤压与拉拔)；(3)各种零件如车轴、饭盒、洗衣机筒等(锻造与冲压),4
2、/43,2.金属塑性加工的特点优点：(1)材料利用率高，无削加工，节省金属；(2)改善金属的组织和性能；(3)生产率高，适于大批量生产。不足：(1)对于形状复杂，尺寸精确，表面十分光洁的产品尚不及切削加工；(2)在成本及形状复杂方面不及铸造；(3)只能用于生产具有塑性的金属。,5/43,3.金属塑性加工的主要方法1)按变形方式分类：挤压、拉拔、锻造、冲压、轧制2)按变形温度分类：热加工：在再结晶温度以上所完成的压力加工过程。冷加工：在再结晶温度以下所完成的压力加工过程。温加工：介于冷、热加工之间的压力加工过程。采用不同变形温度的目的：热加工：为了改善钢材的组织和性能。冷加工：为了得到表面光洁、
3、尺寸精确、组织性能良好的产品。温加工：降低变形抗力、改善钢的塑性。,6/43,(1)挤压(Extrusion)：金属坯料在挤压筒中受推力作用从从一定形状和尺寸的模孔中流出而制取所需断面制品的加工方法。,正挤,反挤,正挤：制品流出的方向与挤压杆的运动方向相同。反挤：制品流出的方向与挤压杆的运动方向相反。,7/43,挤压产品举例：管、棒、型；其它：异型截面。,卧式挤压机,8/43,(2)拉拔(Drawing)：金属坯料在外加拉力的作用下，通过固定的具有一定形状的模孔中拉拔出来，获得相应形状、尺寸的实心或空心制品的加工方法。,举例：拔管、拉丝等。实心材：棒材、型材、线材；空心材：管材、空心异型材。,
4、9/43,(3)锻造(Forging)：金属坯料经加热后用锻锤锤击或压力机施加压力，使其塑性变形以获得一定形状、尺寸和性能锻件的加工方法。A.自由锻：指金属在锻造过程的流动受工具限制不严格。,我国自行研制的万吨级水压机,10/43,B.模锻：指金属在锻造过程的流动受工具限制严格。举例：飞机大梁，火箭捆挷环等。,万吨级水压机模锻的飞机大梁、火箭捆挷环,11/43,(4)冲压(Stamping)：金属坯料在冲模之间受压产生分离或变形的加工方法。,12/43,(5)轧制(Rolling)：金属坯料通过旋转的轧辊受到压缩，横断面积减小，长度增加的压力加工方法，主要用来生产型材、板材、管材等。轧制是金属
5、发生连续塑性变形的过程，易于实现批量生产，是塑性加工中应用最广泛的方法，是冶金工业尤其是钢铁工业最主要的加工方法。钢铁、有色金属、某些稀有金属及其合金均可以采用轧制方法进行加工。钢材 90%，铝及合金 3545%，铜及合金 6070%。轧制在国民经济中占有极其重要地位。热轧：变形容易、易产生氧化皮、表面粗糙、尺寸波动大；冷轧：力学性能好、尺寸精度高。,13/43,汽车车身板,烟箔,板带材：镀锡板、彩涂板、中厚板,下游客户产品(冷轧钢卷),14/43,管材：无缝管、不锈钢管、方管,15/43,型材：重轨、H型钢、线材、螺纹钢,16/43,二、钢铁工业在国民经济中的地位钢铁材料概述：工业生产中，通
6、常把以铁为基的金属材料称为黑色金属，如钢与铸铁。把非铁金属及其合金称为有色金属，如铅、金属、镍、锌、钛、铜等金属及合金。,17/43,铁与钢的区别,共同点：都是铁(Fe)与碳(C)等元素形成的铁碳合金。不同点：碳含量的差异。,铁碳含量：C2.11%性能：硬而脆，不能加工和锻造。用途：一般作为炼钢原料，少数作为铸造铁使用。,钢碳含量：C2.11%性能：具有良好的综合机械性能，易加工，能铸、轧、锻、焊。用途：用途广泛。,18/43,按含碳量划分：工业纯铁：0.0218%；钢：0.0218%2.11%；铸铁：2.11%6.69%。,19/43,标注组织的Fe-Fe3C相图,20/43,铁碳合金相图是
7、研究铁碳合金最基本的工具，是研究碳钢和铸铁的成分、温度、组织及性能之间关系的理论基础，是制定热加工、热处理、冶炼和铸造等工艺依据。,21/43,钢铁工业在国民经济中的地位：1.国民经济的支柱产业。a.工业；b.农业；c.国防；d.建筑交通能源制造业等。2.是衡量一个国家工业发展水平的标志之一。a.钢铁产量：2011年中国钢产量6.955亿吨，世界钢产量 15.27亿吨，中国钢产量占45.5%。b.钢材的品种与质量；c.钢的生产成本进一步降低；d.钢的清洁生产与环保问题。中国钢铁工业的状态水平是先进与落后并存。,22/43,三、轧制理论概述及发展历史轧制理论是研究轧制过程的基本理论，它是建立在塑
8、性成形力学、塑性变形物理学基础上并总结大量实验研究成果而发展起来的，阐明轧制过程中各种现象的实质、分析轧制基本规律并用以解决轧制工程实践问题的应用科学；轧制理论又是轧制工艺学、轧制设备、轧制过程数值模拟等课程的基础，与轧制生产实践结合密切，指导并推动着轧制生产技术的发展，是适用性很强的学科分支。,23/43,轧制理论的特点：金属轧制理论的发展较晚，因此其系统性、理论性不像其他学科那样严密精确；发展较晚是指从1925年卡尔曼(T.Karman)发表轧制压力微分方程至今也不过八十多年，轧钢机的发明到现在为止也只有五百多年历史，其发展远远赶不上化学、物理等基础学科。,24/43,轧制理论的发展历史：
9、(1)轧制理论不能实际应用的时代(19401950)。1925年T.卡尔曼的轧制压力微分方程发表后，为轧制理论奠定了理论计算基础，但是由于人工计算复杂，花费时间长，实际上未得到推广应用。理论计算值和实测值不一致，变形抗力和摩擦系数计算不正确，现场测定值受仪表精度的限制不太准确，理论计算在现场不能使用。,25/43,(2)轧制理论发展阶段(19501960)。进入20世纪50年代以后，轧制理论研究蓬勃发展起来，许多国家开展了热轧和冷轧时的变形抗力和摩擦机理研究，对轧制压力及力矩的测量方法、测量装置的研究。在变形区轧制压力分布、摩擦力分布等研究领域得到许多精确结果，为轧制理论的发展，提供了实测依据
10、，提出了大量的轧制压力公式，以及轧制压力分布理论分析。,26/43,(3)轧制理论的应用阶段(1960以后)。随着电子计算机的发展和普及，应用计算机控制轧制过程得到推广。计算机应用后，复杂的公式很容易得到数值解，使轧制理论及其有关数学模型实际应用性显著增大，并且还研究出与理论公式同样精度的回归模型，使之更便于控制和使用。,27/43,四、轧制理论的作用及发展趋势1.理论的作用理论来源于实践，反过来指导实践；如孔型系统的形成、连轧理论、斜轧变形特征等。2.理论的发展由第一代变形理论(变形区)第二代动态理论(如液压AGC等，把工具与工件联系起来)第三代系统分析理论第四代人工智能理论。,28/43,
11、3.现代轧制理论的发展趋势现代轧制理论向应用理论的方向发展，向为工业服务的方向发展，其发展趋势：与力学、数学和计算机科学形成密不可分的交叉体系；将系统学引入轧制理论。总之，现代轧制理论的发展需要借助信息技术、自动控制技术与现代化实验手段，与物理、金属学、力学、数学和计算机科学等领域紧密结合，互相促进，才能有更加广阔的发展前景。,29/43,五、当代轧制技术的发展趋势1.发展趋势 钢材生产的集约化和现代化1)过程综合柔性化：(适应小批量、多品种、短交货期的市场要求)例如：板带：自由程序轧制；型钢：无孔型平辊轧制。,30/43,自由程序轧制(Schedule free rolling),在常规连铸
12、与轧钢生产中，连铸与轧钢独自进行生产计划管理，轧钢厂必须按每套轧辊先轧宽板后轧窄板的一定程序进行生产。在连铸坯直接热装轧制时，炼钢-连铸-轧钢三者联成一体，服从于统一的总生产计划，轧钢不能再按先宽后窄的生产程序独自安排计划，必须服从炼钢与连铸的计划安排生产。板带产品经常是宽窄相混，必须进行板宽无规律变化或程序自由的轧制生产。为了实现自由程序轧制，采用移辊技术以均化轧辊的磨损，延长轧辊的使用寿命，保证板带的板形和厚度精度。,31/43,无孔型平辊轧制(Grooveless rolling),无孔型轧制是在无轧槽的轧辊上轧制高宽比较大的轧件，将有轧槽的轧辊改为平辊轧制，轧件不与孔型侧壁接触的轧制，
13、叫无孔型(无槽)轧制。无孔型轧制技术不仅可以用于轧制碳钢，而且可以用于轧制合金钢；不仅可以用于钢坯生产，也可用于 轧制方钢、圆钢和线材；目前已在初轧机、开坯机以及半连续轧机、横列式轧机和连续式轧机等各种棒材和线材轧机上得到广泛应用。,32/43,无孔型轧制,无孔型轧制的特点及经济意义(1)轧辊的实际直径小；(2)由于轧辊无轧槽，因此轧辊的车削和回修较容易；(3)由于轧辊没有轧槽，轧辊辊身长度可以充分利用，其工作表面的利用率可以提高20%30%左右；(4)由于轧槽形成的辊径差，因而轧件也没有辊面速度差，从而可使轧辊磨损均匀，磨损量大为减小；(5)轧辊为平辊可以轧出多品种规格产品；(6)导卫装置简
14、化；(7)产品质量好，成材率高；(8)轧机作业率高，可减少轧制道次，变形均匀。,33/43,无孔型轧制,新疆八一钢厂2条棒材生产线的无孔型轧制由试验转入生产实践以来，共生产1036mm带肋钢筋和圆钢500余万吨，钢种包括20MnSi、Q235、45、60Si2Mn、20Ni2MoA、40CrMoA、60Si2CrA等建筑和工业用钢，产品质量达到或超过国标要求。生产中1套轧辊和导卫共用全部规格，轧辊使用寿命提高了24倍，轧制能耗减少，轧机共用坯料，作业率提高8%，成材率提高0.4%，减少了除鳞装置和备用轧机的投入，取得了显著的技术和经济效益。,34/43,35/43,2)机电一体智能化：自动控制
15、和智能控制自动化是现代化轧钢厂提高产品质量的最为有效的手段，与人工智能技术结合实现轧制过程的人工智能控制是轧制技术发展的新的重要方向。利用人工神经网络(ANN)、模糊逻辑(Fuzzy Logic)、专家系统(ES)、遗传算法(GA)对轧制过程进行诊断、优化、控制和信息处理，具有非常广阔的发展前景。3)工艺最佳连续化：如高精度轧制、短流程及连铸连轧、无头轧制。4)技管结合一贯化：提高产品质量，减少物流时间，缩短生产周期，加速资金周转。,36/43,节能减排，可持续发展,核心技术,(1)减量化轧制技术(2)柔性化轧制技术,今后几年的发展趋势：,(1)新一代(下一代)钢铁材料(2)新一代(新一代)生
16、产流程,轧钢行业两项值得关注的技术：,37/43,减量化轧制和柔性化轧制,二者的区别和联系：减量化是方向，柔性化是手段 节能节材是目的,38/43,2.带来的问题1)集约化的结果使各工序的匹配衔接问题变的尖锐起来。2)钢材生产工艺流程中的一些特性便显得重要起来。3)关注物流。矿怎么进，怎么到达生产厂?正是因为运力紧张，运输成本大大增加。,39/43,六、课程的性质内容任务课程的性质：塑性成型原理-轧制原理是一门关于金属轧制原理的专业理论课，通过本课程的学习，系统掌握金属轧制理论的基本概念、基本原理和基本规律等，了解金属轧制理论的研究现状及其发展趋势。,40/43,课程的主要内容：(1)基础理论
17、部分。主要包括对轧件变形参数和变形区几何参数的描述、简单轧制过程中的咬入条件、轧制建成过程、轧制过程的力学、运动学和变形图示等(对应Chapter1.轧制过程基本概念)。(2)轧制过程中轧件的变形。主要包括轧件的宽展变形及计算、高件和薄件轧制时的变形、压力和摩擦力分布特征及轧件与轧辊接触状态特征分析(对应Chapter1.轧制过程基本概念和Chapter2.轧制过程中的宽展)。,41/43,(3)轧制过程中的运动学。主要包括前滑、后滑和中性角的分析和计算(对应Chapter3.轧制过程中的前滑和后滑)。(4)轧制力能参数。主要包括轧制单位压力理论、平均单位压力和轧制力的确定、轧制力矩和轧制功率
18、的计算等(对应Chapter4.轧制单位压力的计算、Chapter5.轧制压力的工程计算和Chapter6.轧制力矩及功率)。(5)轧制弹塑性曲线与连轧理论。主要包括轧机弹性方程与轧机刚度、轧件塑性方程与轧件厚度控制、连轧张力及综合特性等(对应Chapter7.轧制时的弹塑性曲线和Chapter8.连轧理论)。,42/43,课程的任务：(1)熟悉轧制过程，分析轧制过程中各现象的变化规律和本质，建立必要的专业理论基础；(2)掌握力能参数工程计算法应用；(3)为后续课程的学习打下基础。轧制工艺、轧制过程自动控制、轧制设备、板型理论与厚控、孔型设计、车间设计、毕业设计。学习方法：(1)结合实习、加强理解；在理解的基础上掌握。(2)课后及时复习，认真做好作业，做到融会贯通。,43/43,主要参考书目：(1)王廷溥，齐克敏.金属塑性加工学轧制理论与工艺，冶金工业出版社，2004(2)吕立华.金属塑性变形与轧制原理，化学工业出版社，2007(3)袁志学，王淑平.塑性变形与轧制原理，冶金工业出版社，2008(4)张小平，秦建平.轧制理论，冶金工业出版社，2006(5)康永林.轧制工程学，冶金工业出版社，2004(6)魏立群.金属压力加工原理，冶金工业出版社，2008,
