辊径差对冷轧板带轧制过程的影响

D01:10.13374/j.issn1001-053x.1983.03.009 北京钢铁学院学报 1983年第3期 辊径差对冷轧板带轧制过程的影响 压力加工系刘宝珩实验工厂陶洪障 摘 要 本文就冷轧板带轧制过程辊径差因素对轧制参数，包括轧辊与轧件运动关系、 力学条件、力矩分配和产品质量的影响，进行了实验测定和理论分析，并讨论了一 些与冷轧生产有关的问题。 一、概述 传统轧制理论是以变形上下对称，辊径相等为出发点进行运动，受力和变形等轧制参数 分析的。这对于了解和认识轧制过程实质是必要的。但是，在实际生产中由于轧辊磨损，加 工等因素，不可避免地存在着微小辊径差△D。目前，各冷轧厂对最大允许辊径差的数值都 有自己的规定。 国外一些学者曾从事上下辊径不等条件对轧制参数影响研究〔1,2,3)，其中多偏重理 论分析，而实际生产问题分析较少。 冷轧生产中有些与△D有关的问题用传统的轧制理论则无法解释。例如：北京带钢厂在 中90/中200×200四辊轧机上冷轧0.11mm盒尺料时，工作辊传动端出现反向扭断。在测定冷 轧扭矩时，发现严重力矩分配不均现象，在小辊侧出现零值或负值。武钢1700热带轧机在测 定过程中亦有类似现象。 为揭示辊径差对轧制过程的影响，我们曾在本院实验工厂中90/200×200四辊轧机上进 行了辊径差对冷轧参数影响的实验，并在北京带钢厂冷轧我上作了测定，以下分别进行讨 论。 二、变形区运动关系分析 在上下辊等径、速度相等条件下，轧制变形区如图1所示，按金属与辊面相对运动关系 和受力条件形成前滑区和后滑区。中性角r为两区分界点。从轧辊与轧件水平速度Vx关系中 可膏出，在后滑区轧辊水平速度高于轧件速度Vm,而在前滑区轧件速度V。高于轧辊水平速 度。 当轧辊间存在△D时，如图2示，D:>D2,由于存在速差，轧件上下两侧与轧辊相对运 动发生变化，大辊侧前滑减少，小辊侧前滑增大，在变形区中的变化为大辊侧中性角Y:减 小，小辊侧中性角Y,增大，在Y1和Yz之间形成两个表面摩擦力方向相反的搓轧区。搓轧区的 出现改变了变形区中力学条件，因而使轧件力能和变形参数发生变化。 参加工作的还有吕应增朱孟克江槟姜江张绍平张顺庆等 91

北 京 钢 铁 学 院 学 报 年 第 期 辊径差对冷轧板带轧制过程的影响 压 力加 工 系 刘宝晰 实验 工 厂 脚洪 摘 要 本 文 就冷轧板 带乳制过程 辊径差 因素对轧制参数 ， 包括 轧辊与轧件运 动关系 、 力学条件 、 力矩 分 配 和产 品质 量 的影 响 ， 进行 了实验测定和 理 论分 析 ， 并讨论 了一 些 与冷 乳生产有关 的 问题 。 一 、 概 远 传统 轧制理论是 以 变形 上下 对称 ， 辊径相 等为出发 点进行 运动 ， 受力和变形 等轧制参数 分析的 。 这 对于 了解和 认识轧制过程 实质是必 要 的 。 但是 ， 在 实际 生产中由于 轧辊磨损 ， 加 工等因 素 ， 不可 避免地 存在 着微 小辊径差△ 。 目前 ， 各冷轧厂 对 最 大允许 辊径差 的 数值都 有自己的规 定 。 国外一些学者 曾从事上下辊径 不 等条件对 轧制参数 影 响研究 ， ， 〕 ， 其 中多偏重理 论 分析 ， 而实际 生产问题 分析较少 。 冷 轧生产 中有些与△ 有关的 问题 用 传统的 轧制理论 则无 法解释 。 例如 北 京带钢 厂在 中 中 四 辊轧机 上冷轧 盒 尺 料时 ， 工 作辊 传动端 出现反 向扭断 。 在测 定冷 轧扭矩 时 ， 发 现严 重力矩 分 配 不 均现象 ， 在 小辊侧 出现零值或 负值 。 武钢 热 带轧机在测 定过 程 中亦有类似 现象 。 为揭示辊 径差对轧 制过 程 的影 响 ， 我们 曾在本院实验工厂 小 四 辊 轧机 上进 行 了辊 径差 对冷轧 参数 影 响 的实验 ， 并在北 京带钢 厂 冷轧 我 上作 了测 定 ， 以下 分别 进行 讨 论 。 二 、 变形 区运 动 关 系分析 在 上下辊 等径 、 速 度相 等条件下 ， 轧制 变形 区如 图 所示 ， 按 金属 与辊面 相 对运 动关系 和受力条件形 成前滑 区和 后 滑区 。 中性角 为两 区 分界点 。 从轧辊 与 轧件 水 平 速 度 关系中 育若出 ， 在后 滑 区 轧辊 水平速 度 高于 轧 件速 度 。 ， 而在前滑区 轧件速 度 。 高于 轧辊水平速 皮 。 当轧辊 间存在△ 时 ， 如 图 示 ， ， 由于 存在速 差 ， 轧件 上下 两侧 与轧辊相 对运 动发生变 化 ， 大辊侧 前 滑减少 ， 小辊侧 前滑增 大 ， 在 变形 区 中 的 变 化为大辊侧 中性角丫 减 小 ， 小辊侧 中性 角 增 大 ， 在 和 之 间形 成两 个 表面 摩擦 力方 向相反 的 搓轧 区 。 搓轧 区的 出现改 变 了变形 区中力学条件 ， 因而使 轧件力能 和 变形 参数发生变 化 。 ， 参加 工 作的还 有 吕应 增 朱孟 克 江槟 姜江 张绍 平 张顺庆 等 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1983．03．009

D1= 0 D V. ti V。轧件线速度 V,=V,两棍线速度 前 后 滑 V,>V: 滑 a一咬入角 后滑区前滑区 Y一中性角 a 0 图】等径轧制 图2不等径轧制 图3为在中90/φ200×200四辊梨机上，用 厚0.48mm,宽59mm的B,F轧件进行冷轧对 尊径轧制90/中90 不等任乳制901100△D-20 不同变形程度ε条件下测得的前滑曲线。 从曲线可看出，在等径条件下两辊前滑值 10 S相同，S值随变形程度加大而增加，变化范 围为2~8%。当存在△D时，大冷侧前滑值S1 20 下降并可出现负值。小辊侧前滑值S:加大， 90/0 等径轧时 而且这一趋势随△D加大而增加。当△D=0时， S,与S,重合即成为等径轧制情况。当△D= 20mm,变形程度ε为40%时，小辊中80侧的 -10 100 前滑值S,达24%，为等径茶件S值的三倍。 三、辊径整对轧制压力的影响 3 绵径差导致在变形区中出现搓轧区，使钆 20 50 的% 制压力产生变化，许多实验证明〔1,5,6)， 图3前滑值与变形程度关系 在一定条件下轧制压力随△D加大而明显下降， 这一点可用变形区中搓轧区所占比例逐渐增大得到解释。在搓轧区中，摩擦力促进金属变 形，使轧件同时受到压缩和剪切作用，这与前后滑区中摩擦力阻碍金属变形的作用有本质区 别，图4为等径和不等径轧制时单位压力和摩擦力测定曲线〔3)，由曲线可以看出，辊径差 使单位压力峰值下降，上下辊压力峰值错开，并在单位摩擦力曲线中看出存在摩擦力方向相 反的搓轧区。 在中90/中200×200四辊冷轧机上.轧制0.48×59mmB,F试件，在不同变形程度e条件下 测得总压力变化曲线如图5所示，当△D=20mm时总压力比等径时低10~20%。在冷轧生 产中，采用少量辊径差是加大延伸的有效措施，这已为某些冷轧车间的操作经验所证实，对 薄而硬的材料尤为有效。图6所示为用0.82×45mm退火状态的1Gr18Ni9不锈钢带以30吨 92

片 一 － 一 不 知哑 俨 后 叩。 区 前。 区 图 等径 轧制 图 为在 小 小 四辊轧机上 ， 用 厚 ， 宽 的 轧件进行 冷轧 对 不 同变形 程 度。 条件下 测得的前滑 曲线 。 从 曲线可看 出 ， 在 等径条件下 两辊前滑值 相 同 ， 值随变形程度加大而 增 加 ， 变化范 围 为 。 当存在 △ 时 ， 大 冷侧 前滑值 下 降并可 出现 负值 。 小辊侧 前滑 值 加 大 ， 而且 这一趋 势随△ 加大而增加 。 当△ 二 时 ， 与 重 合 即 成为等 径轧制 情况 。 当△ ， 变形 程 度。 为 时 ， 小 辊 小 侧 的 前滑值 达 ， 为 等径 条件 值 的 三倍 。 三 、 辊径差对 轧制压 力 的影 晌 辊径差 导 致在变形 区 中出现搓轧 区 ， 使 轧 制 压 力产 生变化 ， 许 多实 验证 明 ， ， 〕 ， 在一定条件下 轧 制压 力随△ 加大而明显下降 ， 图 不 等径 轧制 移怪乳初布，劝神。 不称任札刹今 今 幼 万径礼叭 · 幼 ‘ 一 ， 洁 司 沁 图 前滑值 与变形程 度 关 系 这一 点可用 变形 区 中搓轧 区所 占比 例 逐渐增 大得 到解释 。 在 搓轧 区中 ， 摩擦力 促进金属 变 形 ， 使 轧件 同时受 到压缩 和 剪切 作用 ， 这 与前后 滑 区 中摩擦力 阻碍金属变形的 作用 有本 质区 别 ， 图 为 等径 和 不 等径 轧制 时单位压 力和 摩 擦力 测 定 曲线 〔 〕 ， 由曲 线可 以 看 出 ， 辊径差 使 单位压 力峰 值下 降 ， 上下辊压 力峰 值错开 ， 并在 单位摩擦力 曲线中看 出存在摩擦力方 向相 反 的 搓轧区 。 在 小 小 四 辊冷轧机 上轧 制 试件 ， 在 不同变形程度 条 件下 测得 总压 力变 化 曲线如 图 所示 ， 当△ 时 总压 力比 等径 时低 。 在 冷轧生 产 中 ， 采 用少 量 辊径差是加 大 延伸的有效 措施 ， 这 已 为某些 冷轧车 间的 操作经 验所证实 ， 对 薄而硬 的 材料尤 为有 效 。 图 百所示 为用 。 退 火状态 的 不锈钢 带 以 吨

12 8 kg/mm: 2 等径轧制 D=1.2不海径轧制 D 图4单位压力和摩擦力曲线 % e% 3 25 70 以 20 P=30吨 15 00 40叶 0一梦径轧翻400，/中90 ●一一不等径轧制480/100 0一等径轧制小90,90 ●一一不梦径轧酬小80/100 10 30 0e⅓ n道次 图5P-e关系曲线 图61Cr18Ni9不锈钢e-n曲线 P吨 8.6 -7Q 5.1 11 -63 115 -39.6 M上(-) kg-m 54 Pa吨 9.6 5.3 M下（生） (a) 中80/h100 AD=20m 时间 P。吨 2.1 17.7 10 -88.8 M上(-) -12.7 -45.4 kg-m 91.6 6.2 22.9 PA吨 3. 13 下 12.8 kg一m (h) 中80，'◆90.2 △D=0.2mm 时间一 图7 压靠力矩与子压力示波曲线 (中90/200×200四辊冷轧机)

， 洲产产 、 火了 内 戈 ‘ 冷 卜 乃 卜 火 一 ‘ 二石 一 、 闷叹、 一 了声、 曰 等径轧制 百万 二 不 等径轧制 图 单位 压 力和摩擦 力 曲线 鱿 、 一 产产户 口声 一 卜 洲尸 弓甘 叶 沙比︸﹄ 勺‘，妇 。 口 尹 尸 一， 吨 － 等径轧制 小 ，小 一 一 不 等径轧制 今叻 币 丫一 ， 少 犷 翻刁 － 等径轧制 卜 ’ 小， 一 一不 等径轧制 介 。 。 。 道 沙屯 写 月一叶涟场 嗽 图 吨 一。 关 系 曲线 图 一 才气飞 不诱钢 。 一 曲线 ‘ 二」 ， 吨 下 土 、 ‘ 小 小 八 二 吨 上 一 一 一一 二 〕 小 ， 今 △ 二 时间 压 靠力矩 与予 压 力示 波 曲线 小 。 四 辊一冷 轧机

等压力在上述四辊冷轧机上进行多道次轧制，实验结果表明等径时经11道得到60%的总变 形，从第六道开始，实际每道已无明显变形，在有辊径差的条件下，每道变形均有明显增 加，且持续下去，直至第八道带钢拉断，总变形量达90%而中止。 四、辊径楚对轧制力矩影响 1.压靠力矩一一轧制较薄轧件时，考虑到轧机弹跳影响，轧件咬入前常将两轧辊压靠在 一起，并给予一定予压力。这种情况在冷轧机上是经常遇到的。压靠力矩是指轧辊压靠时轧辊 驱动力矩。根据实验测定，压靠力矩与予压力示波曲线记录如图7所示，其关系曲线如图 8,压靠力矩与予压力大致呈线性关系。在有辊径差时，即使△D=0.2mm,在大辊测力矩 为正值，而在小辊测力矩为负值，且典绝对值随△D加大而增加。其力矩关系为： M总=M下-M上 式中：M下一一辊径较大的下辊力矩值， M上一辊径较小的上辊力矩值， M总一总轧制力矩 1 120k-m 6 ◆100 ◆90.2 40 90/中90.2 90 税压力 图8压靠力矩与予压力关系 M上为负值的原因可从力矩传递关系来说明，如图9a,在等径条件下D上=D下=D, M总=M上+M下 M上=M下=tM8=B-P.9 式中：B一轧辊间滚动摩擦系数， 总力矩M总通过人字齿轮向上下辊分配力矩各半。 当不等径压靠时，如图9b,人字齿轮速比不变（仍等于1），两辊面间由于速差存在 滑动摩擦，按△D大小产生相对滑动，在接触点上的摩擦力μP是小辊侧形成负力矩的根本原 因。力矩关系为： M总=M下-M上 94

等压 力在上述四 辊冷轧机上进行 多道次轧制 ， 实验结 果表 明等径 时经 道得 到 的 总变 形 ， 从第六道开 始 ， 实际每道 巳无 明显 变形 ， 在 有辊径差 的 条件下 ， 每道 变 形 均有 明显增 加 ， 且持续下 去 ， 直至 第八道带钢 拉断 ， 总变形量 达 而中止 。 四 、 辊径趁对轧翻 力 矩影 晌 压靠力矩－ 轧制 较薄轧件 时 ， 考虑 到轧机弹跳影 响 ， 轧件 咬入前常将两 轧辊压靠 在 一起 ， 并给予 一 定予压 力 。 这种情 况在 冷轧机 上是经 常遇 到的 。 压 靠力矩 是 指轧辊压 靠时轧辊 驱 动力矩 。 根据 实验测定 ， 压靠力矩 与予压 力示 波 曲线 记录如 图 所示 ， 其关系 曲 线如 图 ， 压 靠力矩 与予压 力大致呈 线性关系 。 在有辊径差 时 ， 即使△ ， 在大辊测 力矩 为正 值 ， 而在小辊测 力矩 为负值 ， 且 其绝 对值随△ 加大而增加 。 其 力矩关系为 总 下 一 上 式 中 下－ 辊 径较大的下辊 力矩 值 ， 上－ 辊径较小 的 上辊力矩 值 ， 总－ 总轧制 力矩 一 ‘ 一卜 曰 口 今 口 总 掀压 力 图 压 靠力矩 与予压 力关 系 上为负值 的 原因可从力矩传递关系来 说 明 ， 如 图 ， 在 等径 条件下 上 下 ， 总 二 上 下 上 下 一 、 。 。 · · 尽 式 中 日－ 轧辊间滚 动摩擦 系数， 总力矩 总通过人 字齿轮向 上下辊分 配力矩 各半 。 当不 等径压 靠时 ， 如 图 ， 人 字齿轮速 比 不变 仍等于 ， 两辊面 间 由于速 差 存在 滑 动摩擦 ， 按△ 大小产 生相 对滑 动 ， 在 接触 点 上的摩擦力协 是小辊侧形 成 负力矩 的根 本原 因 。 力矩关系为 总 “ 下 一 上

忽略轴摩擦力矩不计，M下=μPT,M上=P,D 2 代入上式得： M总=uP 4D 此式与实验曲线是一致 的，即压靠总力矩与予压力 大小呈线性关系，并随△D 值加大而增加。值得指出的 是，在存在辊径差的情况下 (实际冷轧生产多属此情 况)，两接轴压靠力矩分配 (a)等径D上=D下 严重不均，大辊侧的压靠力 矩为正值，小辊侧力矩为负 值，其力矩绝对值均大于总 力矩值M总，因此，要求传 M 动接轴设备条件充分满足此 (h)不等径D,<D下 条件，按等径条件设计接轴 图9压靠力矩传递 强度显然是不够的。这种现象在需要压靠的薄板热轧机上同样存在。 2.轧制力矩一对压靠力矩情况了解后，就容易搞清冷轧过程中的力矩分配现象，因 为对轧辊来讲轧作只是在压靠条件下增加一层 一压素 中间物质。清冷轧过程中的力矩分配现象，因 M△一H-g1:2月.92mmt60 为对轧辊来讲轧件只是在压靠条件下增加一层 kg-ma一1【-0.4wB:雅ntBF φ80/0100： 中间物质。轧件愈薄，力矩分配愈趋近于压靠 120f 力矩分配形式，轧件较厚时，通过轧件剪切变 形使力矩不均衡分配有缓和趋势，这可用图10 M 实测不等径轧制条件下薄厚不同轧件的力矩曲 线来说明。从曲线看出，随轧件厚度加大，小 辊一侧的负力矩有转为正值的趋势，它的极端 就象初轧机轧制钢锭那样，在存在少量辊径差 △D条件下，两辊力矩分配均为正值，其差值 M上 仅有20%左右。 需要特别指出的是，在冷轧条件下，压力 相同时压靠力矩（绝对值）要大于轧制力矩。 立1202 P吨 当轧件进入变形区后，力矩值反而下降。因 图10轧制薄原不同轧件压力和力矩关系 此，压靠力大小对设备负荷有明显影响。在一 曲线（中80/中100△D=20) 般不具备压力测定仪表的生产轧机上进行压靠 生产操作是很容易造成工作辊头扭断事故的。这也是北京带钢厂三车间用中90/中200×200四 辊轧机生产0,11mm盒尺料以前常出现工作辊正反两方向扭断辊头的根本原因所在。图11为 工作辊头扭断情况。同样，武钢1700热连轧机传动工作辊的齿接手出现正反两方向的齿面压 95

下， 忽略 轴承摩擦力矩 不计 ， 一下二 件 上 。 今白 代入 上式 得 总 哆 、 ‘ 吧夕。 此 式 与 实验 曲线是一致 的 ， 即压 靠 总力矩 与予压 力 大小呈 线性关系 ， 并随 △ 值加大而增加 。 值得 指 出的 是 ， 在存在辊径差 的情 况下 实际 冷轧 生产 多属 此 情 况 ， 两接 轴压 靠 力矩 分 配 严重 不均 ， 大辊侧 的压 靠力 矩为正 值 ， 小 辊侧 力矩 为 负 值 ， 其 力矩 绝 对值均大于 总 力矩 值 总 ， 因此 ， 要 求 传 动接轴设备条件充分满 足此 条件 ， 按 等径 条件设计接 轴 、 、 ‘ 洲产 矛 二理二丁二丁二亡共卜二 一 ， 一 一 一 一仁三 一 等 径 以 二 下 卉 上 厂几曰兰 洲哥斗 泞尧拭一 冬‘ ” 卜寸州 乡 一 匕才州 ， 尸 娜 下 气 口一气二以诀二步 妙 图 不等径 几 下 压 靠力矩传 递 强度显然是 不 够 的 。 这 种 现象在需要压 靠 的 薄板热轧机上同样存在 。 轧制力矩 － 对压 靠 力矩 情 况 了解后 ， 就 容易搞清 冷轧过程 中的力矩 分 配现象 ， 因 为对轧辊来讲 轧 件只 是 在压 靠 条件下 增加一 层 中间物 质 。 清 冷轧 过 程中的力矩 分配 现象 ， 因 为对轧辊 来讲 轧件只 是 在压 靠 条件下 增 加一层 中间物质 。 轧件愈 薄 ， 力矩分 配愈趋 近于压 靠 力矩 分配形 式 ， 轧件 较厚 时 ， 通 过 轧件 剪 切 变 形使力矩 不 均 衡 分 配有缓和趋 势 ， 这可 用 图 实测 不 等 径轧 制条件下 薄厚 不 同轧件 的 力 矩 曲 线来说 明 。 从 曲线看 出 ， 随轧件 厚度加大 ， 小 辊一侧 的 负力 矩有转 为正 值 的趋 势 ， 它 的 极端 就 象初轧机轧制钢 锭那 样 ， 在存 在少 量 辊径差 △ 条件下 ， 两辊 力矩分 配均 为 正 值 ， 其差 值 仅有 左右 。 需要特 另 指 出的 是 ， 在 冷轧 条件下 ， 压 力 相 同时压 靠 力 矩 绝 对值 要 大 于 轧 制力 矩 。 当轧件 进 入 变形 区后 ， 力 矩 值反 而 下 降 。 因 此 ， 压 靠 力大小 对设备负荷有 明显影 响 。 在一 般不具 备压 力测 定 仪 表的 生 产 轧机 上进行压 靠 书－ 压 旅 图 轧制薄原不 同轧件压 力和 力矩 关系 曲线 中 小 △ 生产 操 作是 很 容易造成工 作辊头扭断 事 故的 。 这 也 是北 京带钢 厂 三车 间用 小 小 。 。 四 辊轧机 生产。 ， 盒 尺 料以 前常出现工 作辊正 反 两方 向扭断 辊头 的 根 本原 因所 在 。 图 为 工 作辊头扭断 情 况 。 同样 ， 武钢 热连轧机 传动工 作辊 的 齿接手 出现正反 两方 向的齿面压