浅谈轧制及轧机设计

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冶金工程中,轧制指的是将金属锭通过一对滚轮,透过滚动来为之赋形的过程。如果压延时,金属的温度超过其再结晶温度,那么这个过程被称为“热轧”,否则称为“冷轧”。压延是金属加工中最常用的手段。

热轧制

热轧是一种在材料再结晶温度以上进行的金属加工过程。晶粒在加工过程中变形后会再结晶,它保持了一个等轴显微组织,并防止金属冷加工硬化。开始材料通常是大块的金属,如半成品铸件、板坯、开坯和钢坯。如果产品来自连续浇铸,则产品通常在适当温度下直接送入轧机。对于较小生产规模,原料开始是室温,所以必须加热。较大的工件在燃料为油气或天然气的均热炉里面加热,较小的工件则在电感应炉里加热。当原料在炉中加热,必须监测其温度,以确保材料温度高于金属材料的再结晶温度。为了确保有一定的安全系数,定义原料加热温度必须在再结晶温度以上;该温度值一般比再结晶温度高50℃到℃。热轧金属一般在其力学性能和变形引起的残余应力方面几乎没有方向性。但是在某些情况下,非金属夹杂物会传递一些方向性,而小于20毫米厚的工件通常具有某些方向性。此外非均匀冷却会引起大量残余应力,通常出现在具有非均匀截面的形状中,如工字钢。轧制出的成品表面有氧化皮,它是在高温下形成的氧化物。通常通过酸洗或表面清洁表面工艺来去除氧化皮。最后轧制成品的尺寸公差通常为总尺寸的2到5%。相比冷轧钢,似乎热轧低碳钢的含碳量范围宽,因此对铁匠来说更难掌控成品的质量。同样对于类似的金属,热轧产品的成本一般比冷轧产品的低。

热轧主要用于生产钣金件或有简单剖面的产品,如铁轨轨道。热轧金属的其他典型用途包括卡车车架、汽车轮毂、管道和管状、热水器、农用设备、皮带、冲压件、压缩机壳体、轨道车辆部件、车轮轮辋、建筑金属结构、铁路漏斗车、门、货架,光盘,护栏,汽车离合器板。

冷轧制

冷轧制在金属的再结晶温度之下(通常在室温)进行,冷轧通过应变硬化可以提高材料的强度可最高达20%。它还改进表面光洁度并保持更严格的公差。通常冷轧产品包括薄板、条、棒和棒;这些产品通常比热轧的同类产品小。由于工件的小尺寸和其更大的强度,与热轧制相比,需要使用集群或高于四辊的轧辊机。冷轧在单一辊筒轧制中胚料减少的厚度要比热轧制要少。冷轧薄板和带材有多种情况:全硬质、半硬质、四分之一硬质和外观滚动。全硬质轧制将厚度减少50%,而其他硬度的则厚度减少较少。冷轧钢退火后能增加延展性。光整冷轧能轧制出最少厚度减小量:0.5-1%。它用于产生平滑的表,均匀的厚度,并减少屈服点现象(在后续的处理中能防止Luders带的形成)。它在表面上锁定位错,从而减少了Lüders带的形成的可能性。为了避免Lüders带的形成,必须在铁氧体矩阵中增加解除固定位错的密度。它还用于在镀锌钢中分解亮。光整冷轧常常被用于冷轧制之后,因为成品需要有良好的延展性。其他形状可以是冷轧的,如果横截面是相对地均匀的,并且横向尺寸是相对地小的。冷轧形状需要一系列的整形操作,通常沿着尺寸线、分离线、粗加工、半粗加工和精加工。如果由铁匠处理,更平滑、更一致、更低的碳含量的钢材更容易加工,但原料成本也更高。

冷轧钢的典型用途包括金属家具、办公桌、文件柜、桌子、椅子、摩托车排气管、电脑柜和五金件、家用电器和部件、搁架、照明装置、铰链、油管、钢桶、草坪割草机、电子橱柜、热水器、金属容器、风扇叶片、煎锅、墙壁和天花板安装套件,以及各种与建筑相关的产品。

轧制设计

轧机通常分为粗加工、中间加工和精轧。在形状轧制过程中,初始坯料(圆形或方形)的直径通常介于-mm之间,经过不断轧制变形,从而产生具有较小截面尺寸和几何形状的成品。从给定的坯料开始,可以采用不同的顺序来产生不同的最终成品。然而,由于每个轧机都非常昂贵,一个典型的要求是轧辊的数量或轧制可行性。人们已经得到一些解决方法,包括经验知识,采用数字模型模拟和人工智能技术。Lambiaseetal利用有限元模型(FE)预测出通过圆扁轧辊的滚动条的最终形状。设计轧机的主要问题之一是减少轧辊的数量;满足此要求的一个可能的解决方案是拆分传递,通过增加轧辊的数量来减小每次轧制的剖面缩减率。用于减少轧机刀路数量的另一种解决方案是使用Lambiase和Langella提出的自动化轧辊系统。随后,Lambiase进一步开发了基于人工智能的自动化系统,特别是一个集成系统,包括基于算法的推理引擎基于人工神经网络的知识数据库,采用参数化有限元模型进行训练,并对轧机进行优化和自动设计。




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