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#《孔型系统选择与设计专题研究》

《孔型系统选择与设计专题研究》

4.1孔型设计理论

4.1.1孔型设计的内容

1断面孔型设计

根据原料和成品的断面形状、尺寸和产品的性能要求，选择孔型系统，确定轧制各道次的变形量，设计各道次和各道次的变形量，设计各道次的孔型形状。

2轧辊孔型设计

根据断面孔型设计，确定各孔型在每个机架上的分配及其在轧辊上的配置，要求轧件能正常轧制且操作方便，并且轧制节奏时间短，轧机的生产能力高，产品质量好。

3轧辊导卫设计

为保证轧件顺利地出入孔型，或使轧件在进孔型前后产生一定的变形、切断。

4.1.2孔型设计的基本原则

1成品质量好

包括产品断面几何形状正确，尺寸公差合格，表面光洁，无缺陷，机械性能好；

2轧机产量高

合理的孔型设计应使轧制节奏时间最短，一般情况是轧匀形，使串辊的次数最少，这些有可能提高轧机的作业率；

3产品的成本低

即使金属消耗、电能消耗合轧辊等技术经济指标降到最低；

4劳动条件好

劳动强度小，在进行孔型设计时，应使轧制平稳，轧制顺利，操作方便，便于调整，改善劳动条件，还应考虑轧制过程，易于实现自动化，减轻劳动强度；

5适应车间的设备条件。

4.1.3孔型设计考虑的几点因素：

1产品优质，成本低；

2合理利用车间设备条件，轧机生产率高。

4.2孔型系统的选择

4.2.1棒材的连轧

一根轧件同时在两个或两个以上的机架中轧制并且保持各机架秒流量相等，这样的轧制称为连续轧制，简称连轧。

连轧具有轧制速度高，轧件头尾温差小，产品质量高等优点，实现小型棒材连轧，孔型设计是其中的关键环节。

4.2.2连轧孔型设计原则

不论何种孔型设计后的秒流量平衡与计算是必不可少的内容。

因此，在设计孔型时，应避免轧件在机架间产生较大的拉力或推力。

拉力较大时，轻者会使金属不能充满孔型，重则可能会拉断轧件；而推力较大时，会使轧件过充满孔型，轧件出现“耳子”和堆钢[18]。

连轧孔型设计应遵守连轧各道次的金属秒流量相等的原则。

则

F1v1=F2v2=F3v3=……=Fnvn=C…………………（7）

式中：

——各道次轧制后的轧件断面面积；

——各道次轧件的出口侧轧件速度；

C——连轧常数。

由于各机架的轧辊工作直径、轧辊的转速n及轧件在各道次的前滑值S均不同，因此将各道次的、n及S代入（7）式得

F1Dk1（1-S1）=F2Dk2（1-S2）=……=FnDkn（1-Sn）…………………（8）

秒流量的计算精度主要受轧件断面积F、工作辊径以及前滑率S的影响。

在实际生产中，轧制温度、孔型磨损、轧机调整等轧制条件的改变，都会直接影响各道次间的断面面积、轧辊工作直径和前滑值的变化，所以要保持各道次的金属秒流量绝对相等式不可能的，而前滑值S随轧件的厚度减少而增大。

但前滑值差一般不大，当忽略前滑时，式（8）可写成

F1Dk1=F2Dk2=……=FnDkn=C…………………………..（9）

上式在形式上式相等的，但忽略了前滑的影响，实际上式不相等的，所以采用上式进行孔型设计势必造成轧制时轧件在各机架间有一定的张力，但张力不大，可满足实际轧制的要求。

4.2.3棒材孔型系统

1棒材箱型孔型系统

图8箱型孔型系统

箱形孔型优点如下：

1）用改变辊缝的方法可以轧制多种尺寸不同的轧件，共用性好。

这样可以减少孔型数量，减少换孔或换辊次数，提高轧机的作业率。

2）在轧件整个宽度上变形均匀。

因此孔型磨损均匀，且变形能耗少。

3）轧件侧表面的氧化铁皮易于脱落，这对改善轧件表面质量是有益的。

4）与相等断面面积的其他孔型相比，箱形孔型在轧辊上的切槽浅，轧辊强度较高，故允许采用较大的道次变形量。

5）轧件断面温度降较为均匀。

箱形缺点如下：

1）由于箱形孔型的结构特点，难以从箱形孔型轧出几何形状精确的轧件。

2）轧件在孔型中只能受两个方向的压缩，故轧件侧表面不易平直，甚至出现皱纹。

由箱形孔型系统的优缺点可知，采用箱形孔型轧制大型和中型断面时轧制稳定，轧制小型断面时稳定性较差。

它适用于：

小型棒材粗轧机架。

2椭圆—圆孔型系统

该孔型系统特点如下：

1）变形较为均匀。

孔型形状能使轧件从一种断面平滑的转换成另一种断面，从而避免了金属由于剧烈的不均匀变形而产生的局部应力；

2）在此孔型中轧出的轧件没有尖锐的棱角，可以保证轧件断面各处冷却均匀，因此，轧制时不易形成皱纹；

3）孔型形状有利于去除轧件上的氧化铁皮，使轧件具有良好的表面；

4）在某些情况下，可以在椭圆－圆孔型系统中的圆孔型轧出成品圆钢，这样当改变品种规格时，可以只换孔不换辊，从而减少轧辊储量和换辊次数；

5）延伸系数小，因而增加了轧制道次，降低了产量，增加了轧辊与设备的消耗，提高了产品成本；

6）椭圆轧件在圆孔型中不易稳定，要求圆孔型入口夹板调整机准确；

7）在圆孔型中，对宽展敏感大，容易出耳子，因此调整严格。

图9椭圆—圆孔型系统

鉴于椭圆－圆孔型系统的上述特点，主要是由于延伸系数小，增加了轧制道次，使轧机工作效率低，产量降低和成本的提高，但是由于质量好，减少了精整工序和精整设备，并且减少了废品率和次品率，即可以完全补偿所增加的成本。

3孔型系统的排列

孔型系统是指按轧制顺序依次排列起来的若干个孔型的组合。

为了将坯料轧制成成品，轧件所经过的孔型通常分为延伸孔型系统和精轧孔型系统两大类。

轧件在延伸孔型系统的目的以压缩断面为主；而在精轧孔型系统中轧制的目的以获得最终的成品断面尺寸和精度为主。

孔型系统的选择是否合理不仅对轧机的生产率、产品质量、各项技术经济指标、轧机机械化操作等有很大的影响，而且还直接影响到能否轧出成品。

选择孔型系统时应从孔型系统的能耗大小、延伸能力的合理利用性、工人的操作习惯、辅助设备的布置及能力等方面来综合考虑，进而选择各机组的孔型系统。

棒材生产常用的孔型系统有箱形孔型系统、椭圆－圆孔型系统、椭圆－方孔型等系统。

他们的特点和适用范围各有不同。

棒材粗轧机的主要任务在高温状态缩减断面，中轧机组主要承担轧件延伸和为精轧机组提供精确料型的任务。

精轧机组保证轧制产品的尺寸精度的任务。

随着连续棒线材轧机的不断发展及工艺技术、装备水平的逐步提高，经过生产实践和产品质量的筛选，其所用孔型系统不是在扩散，而是在收敛、在趋同。

就粗轧机组而言，孔型系统逐渐集中为箱型孔型系统和椭圆一圆孔型系统。

机组的架次分配及孔型系统的组合形式：

1）粗轧机组水平布置，架次为奇数时，第1、第2用扁箱—变形椭圆孔型，经连续2道不翻钢平压轧制，再接圆—椭圆—圆孔型系统。

2）粗轧机组平/立交替布置、架次为偶数时，首先采用1～2对箱型孔型，再接椭圆—圆孔型系统。

3）椭圆—圆孔型系统使用范围从精轧机组逐渐向中轧、粗轧机组扩张，甚至覆盖所有轧制道次[13]。

在连续棒线材轧机发展进程中，椭圆－圆孔型系统逐渐占主导地位，究其原因主要是连续棒线材轧机把提高轧机作业率及产量，保证坯料内外质量和成品尺寸精度，以及降低轧辊消耗和成本等作为增强产品市场竞争力的主要手段。

因此，要求选用的孔型系统变形柔和、生产稳定、孔型磨损均匀，这些正是椭圆—圆孔型系统的典型特征。

另外，连续棒线材轧机产品规格范围宽，为尽量采用共用孔型和调整孔型，特别是生产较大规格从精轧机组前几个机架甚至从中轧机组出成品，因此要求圆孔前置，这也相应扩大了椭圆一圆孔型系统的使用范围。

因此，本设计采用以下孔型系统：

粗轧：

扁箱型－方箱型－扁箱型—方箱型—椭圆－圆；

中轧：

椭圆－圆－椭圆－圆－椭圆－圆；

精轧：

椭圆－圆－椭圆－圆—椭圆—圆。

4.3孔型的设计计算

4.3.1典型产品

品种：

圆钢规格：

Φ16mm钢种：

20MnSi

1各道次延伸系数的确定原则如下：

1）轧制的前几道次的延伸系数应小些。

轧制开始时，轧件温度高，氧化铁皮厚而且附着在钢坯表面上，摩擦系数较低，咬入困难。

此外，电机能力也限制了前几道次的延伸系数。

2）中间道次的延伸系数由大到小。

经前几道次轧制后，氧化铁皮脱落，咬入条件得到改善；而且温降不多；由于轧件断面积不断减小，亦使延伸系数提高，并达到最大值。

以后，轧件断面大为减小，温降严重，变形抗力显著增加，因此，此时延伸系数应逐渐减小。

3）最后几道次的延伸系数要小。

2轧制道次的确定[18]：

连铸坯断面积：

=165×165=27225mm2

热膨胀系数β=1.012~1.015，一般生产取1.013

Φ16圆钢直径尺寸d=16×1.013=16.208mm

=0.25×3.14×16.208=205.98mm2

Φ16圆钢的总延伸为：

μz=F0/Fn=27225/205.98=135.47…………………（10）

式中：

μz——总延伸系数；

——原料断面面积；

——成品断面面积。

若坯料的断面积F0和成品的断面积Fn均为已知，则总延伸系数为：

μz=F0/Fn=μ1*μ2…μn=F0/F1×F1/F2×…×Fn-1/Fn……（11）

式中：

、······为第1、2······n道次轧件的断面积；

μ1、μ2······μn为第1、2······n道次轧件的延伸系数。

为了孔型设计方便，可将粗轧的总延伸系数按对进行分配，粗轧总延伸系数为：

μz=μz=F0/Fn

中轧同理。

延伸系数分配原则如图10所示

图10延伸系数分配原则图

一般情况下，在确定轧制道次时，用平均延伸系数μcp代替某个道次的延伸系数。

所谓平均延伸系数是指在轧制道次和总延伸系数一定的条件下，各个道次的延伸系数相等。

它是为了简化轧制道次的计算而提出来的假想延伸系数，在实际生产中各个道次的延伸系数并不相等。

具体确定方法如下：

若用平均延伸系数代替各道次延伸系数，则：

μz=μcpN……………………………………（12）

对上式取对数，则求出轧制道次数N：

N=lgμz/lgμcp…………………………………（13）

由于主要采用椭圆—圆孔型系统，且其一般不超过1.25～1.38，所以取平均延伸系数μcp＝1.32，则：

N=lnμz/lnμcp＝ln135.47/ln1.32＝17.68。

所以取N为18道。

由于轧机共有18架，将18道次分给粗轧机组6道，中轧机组6道，精轧机组6道。

在最后几道次中，为减小孔型的磨损，保证成品的断面形状和尺寸精确，应采用较小的延伸系数。

3根据孔型分配延伸系数,见表11：

表11孔型延伸系数

孔型系统

箱型

椭圆型

圆型

延伸系数

1.15～1.6

1.2～1.6

1.2～1.4

4确定各阶段（精、中、粗轧机）的平均延伸系数：

首先确定精轧机组的平均延伸系数μcp，据经验公式可知：

μjcp=1+（0.8～0.9）（μcp－1）＝1.256～1.288

取μjcp=1.275

其次确定中轧机组的平均延伸系数，在此据经验取μzcp＝1.33。

最后确定粗轧机组的平均延伸系数，由μz=μjcp6.μzcp6.μccp6

可得出μccp＝1.324

5确定各机架的延伸系数，见表12：

表12各机架的延伸系数

机架号

1

2

3

4

5

6

7

8

9

延伸系数μ

1.42

1.40

1.38

1.38

1.35

1.30

1.45

1.3

1.41

机架号

10

11

12

13

14

15

16

17

18

延伸系数μ

1.35

1.35

1.25

1.25

1.30

1.30

1.08

1.2

1.16

6延伸系数分配的校核：

μ1·μ2·μ3······μ18＝1.42×1.40×1.38×…