CN110883107B - 一种普通热轧棒材的轧制力能校核计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种普通热轧棒材的轧制力能校核计算方法：所述的方法包括：1)计算基本参数；2)计算轧件温度；3)计算轧制力能参数；本发明结合已有的理论计算公式和经验公式，通过参数修正，提出一套简便有效的轧制力能计算方法，其计算结果完全满足普通热轧棒材产线轧制力能参数校核的需要，可以为设计规划提供参考。

Description

一种普通热轧棒材的轧制力能校核计算方法
技术领域
本发明涉及领域为普通热轧棒材生产领域，尤其涉及一种热轧螺纹钢筋和普通圆棒的轧制力能校核计算方法。
技术背景
普通热轧棒材，尤其是热轧螺纹钢筋和圆棒，是应用最广泛、需求量最大的建筑钢材。目前，国内有数百家普通棒材厂生产供应普通热轧棒材。随着市场需求旺盛和产品质量要求不断提高，钢铁企业往往有产能升级改造，甚至新建产线的工程项目。在项目设计规划前期，必须对产线轧机的轧制力能进行校核计算，检验轧机电机是否满足轧制力能的要求，从而对产线进行合理地设计规划或升级改造。
关于热轧棒材轧制力和轧制力矩的计算，已有很多理论公式和经验方法，如采利科夫公式、西姆斯公式、爱克隆得公式等。但对于多机架、多孔型连轧的普通热轧棒材产线，单纯的理论公式或经验方法的计算过程过于复杂或简化，而且适用范围很窄，往往仅在特定条件下的计算结果是合理的，因此都无法有效、方便地统一校核每个机架的轧制力能参数。
发明内容
为克服上述缺陷，本发明的目在在于针对普通热轧棒材产线提出一套简便有效的轧制力能计算方法。
为达到上述目的，本发明普通热轧棒材的轧制力能校核计算方法所述的方法包括：
1)计算基本参数；
2)计算轧件温度；
3)计算轧制力能参数；
其中，1)计算基本参数的步骤包括：
(11)从终轧轧机(n#)到粗轧第一架轧机(1#)，反向计算道次延伸率(μ)，第n机架延伸率μn的计算公式为：
Figure GDA0002363225060000011
(12)根据各道次的延伸率μ，计算各道次轧后的轧件长度L，第n机架轧后的轧件长度Ln的计算公式为：
Ln＝μLn-1(mm)
(13)根据平均高度法，即将孔型内轧制条件简化为平板轧制，即用同面积、同宽度的矩形代替曲先边的轧件，获得每道次轧后轧件的平均高度
Figure GDA0002363225060000021
和平均宽度
Figure GDA0002363225060000022
第n机架轧后的轧件平均高度
Figure GDA0002363225060000023
和平均宽度
Figure GDA0002363225060000024
的计算公式为：
Figure GDA0002363225060000025
Figure GDA0002363225060000026
(14)利用轧前和轧后的的平均高度，计算每道次的平均压下量
Figure GDA0002363225060000027
计算公式为：
Figure GDA0002363225060000028
其中，对于水平轧机和立轧机交替布置的机列：
141)第1#轧机的轧前高度(H1)为坯料高度(H0)；
142)后续第n#轧机的轧前高度(Hn)为第(n-1)#轧机的轧后平均宽度
Figure GDA0002363225060000029
143)第n#轧机的轧后高度(hn)为本道次轧件的轧后平均高度
Figure GDA00023632250600000210
对于在精轧机组以切分轧制的方式生产的机列，有以下几点需要说明：
141)从预切分机架(K4——倒数第4台轧机)到终轧机架(K1)，都是水平轧机；
142)切分机架(倒数第3台轧机)出口轧件的轧前高度(HK3)为预切分机架(K4)出口轧件的轧后平均高度
Figure GDA00023632250600000211
143)K2机架(倒数第2台轧机)出口轧件的轧前高度(HK2)为切分机架(K3)的轧件轧后平均高度
Figure GDA00023632250600000212
144)K1机架(终轧机架)出口轧件的轧前高度(HK1)为K2机架的轧件轧后平均宽度
Figure GDA00023632250600000213
除以切分数(N)；
145)轧后高度的计算方法不变，第n#轧机出口轧件的轧后高度(hn)仍为本道次轧件的轧后平均高度
Figure GDA00023632250600000214
(15)根据轧件在每一个机架的秒流量相等的原则，从终轧轧机(n#)到第1架轧机(1#)，反向计算各道次的轧制速度(vn)：
Figure GDA00023632250600000215
其中v0为坯料在1#轧机的入口速度；S0为坯料的横截面积。
(16)计算各道次工作辊径(Dk)的大小，计算公式为：
无孔型轧制：Dk(n)＝Dn(mm)
孔型轧制：Dk(n)＝Dn-sn(mm)
(17)轧辊转速(Vn)的大小，计算公式为：
Figure GDA0002363225060000031
进一步的，所述的轧件温度计算步骤包括：
(21)计算各道次轧后轧件的表面面积(Fs)，计算公式可参考以下公式：
211)无孔型轧制：
Fs(n)＝(2Ln(hn+bn)+2Sn)/1000000(m2)
212)箱型孔型：
Fs(n)＝(2Ln(0.9hn+bn)+2Sn)/1000000(m2)
213)椭圆孔型、预切分和切分孔型：
Figure GDA0002363225060000032
214)圆孔型：
Fs(n)＝(πhnLn+2Sn)/1000000(m2)
对于切分轧制的K1机架(终轧机架)，由于同时轧制出N根切分棒材，因此轧件的表面面积(Fs)按下式计算：
Fs(n)＝(πhnLnN+2Sn)/1000000(m2)
(22)计算轧件在进入第n#架轧机轧制前的行走时间tn：
tn＝En-1/vn-1(s)
其中，E0为第1#架轧机前高温计至第1#架轧机入口的距离；En为第(n-1)#架轧机至第n#架轧机之间的距离。
(23)计算轧辊冷却水对轧件温度的影响ΔTw(n)：
采用经验公式：
Figure GDA0002363225060000033
式中，系数a为经验值，通常取20～50；ln为轧制道次的变形区接触弧长度，单位为mm；常数1000是将ln的单位换算为m。接触弧长度ln按下式计算：
Figure GDA0002363225060000034
(24)计算高温轧件在空气中辐射散热导致的温降ΔTf(n)：
Figure GDA0002363225060000041
式中，Tn为第n#机架轧制前轧件的温度，单位为K；系数b为经验值，通常取70～80。
(25)计算高温轧件在空气中辐射散热导致的温降ΔTd(n)：
Figure GDA0002363225060000042
式中，Ta为环境温度，单位为K；vn-1为第n#机架轧制的入口速度，亦即第(n-1)#机架的出口速度；εr为轧件表面的相对黑度，此处取0.8。
(26)计算轧件在热轧过程中的温升ΔTb(n)：
Figure GDA0002363225060000043
式中，
Figure GDA0002363225060000044
为第n#机架轧制的平均单位压力，单位为MPa；系数c为与轧制平均应变速率
Figure GDA0002363225060000045
相关的系数，表明轧件吸收的变形能的相对部分，平均应变速率
Figure GDA0002363225060000046
越大，系数c也越大。本发明中，当
Figure GDA0002363225060000047
时，c取0.12；
Figure GDA0002363225060000048
时，c取0.15；
Figure GDA0002363225060000049
时，c取0.2。
(27)计算轧件在进入第n#机架轧制时，轧件的温度变化ΔT(n)：
ΔT(n)＝ΔTw(n-1)+ΔTf(n)++ΔTd(n)-ΔTb(n-1)
但进入第1#机架轧制时，轧件的温度变化ΔT(1)须按下式计算：
ΔT(1)＝ΔTf(1)+ΔTd(1)
(28)计算轧件在进入第n#机架轧制时，轧件的温度T(n)：
Tn＝T(n-1)-ΔTn
式中，T0为第1#架轧机前高温计测得的温度，单位为K。此外，为满足轧制工艺要求，可以人工对各道次轧件的温度T(n)进行调整。
进一步的，所述的步骤3)计算轧制力能参数：
(31)各道次的平均单位压力
Figure GDA00023632250600000410
参考艾克隆德平均单位压力公式进行计算(本发明对个别参数的计算做了调整)：
Figure GDA00023632250600000411
式中各参数的计算如下：
311)各道次的外摩擦对
Figure GDA00023632250600000412
影响的系数mn的修正：
Figure GDA00023632250600000413
式中各道次的摩擦系数fn按下式计算：
fn＝d(1.05-0.0005(Tn-273)-λvn)
式中，系数d是与轧辊材质有关的系数，通常钢轧辊取1，铸铁轧辊取0.8；常数273是用于将开式温度(K)转化为摄氏温度(℃)；系数λ为本发明提出的轧制速度对摩擦系数的影响系数，取值范围为0.0001-0.0015。
312)各道次变形抗力Kn值(单位为MPa)的计算：
Kn＝9.8(14-0.01Tn)(1.4+C％+Mn％+0.3Cr％)(MPa)
式中，C％、Mn％、Cr％分别为轧件材质的3种合金元素质量分数。
313)各道次粘性系数ηn的计算：
ηn＝0.1(14-0.01(Tn-273))e
式中，e为决定于轧制速度的系数。本发明中当vn＜6m/s时，e取1；6＜vn＜10m/s时，c取0.8；10＜vn＜15m/s时，c取0.65；15＜vn＜20m/s时，c取0.6。
314)各道次平均变形速率
Figure GDA0002363225060000051
采用下式计算：
Figure GDA0002363225060000052
(32)各道次轧制的变形区面积Fb的计算：
Fb(n)＝iln(h(n-1)+bn)/2(mm2)
式中，系数i为与孔型类型相关的修正系数。本发明中，对于椭圆孔型、箱型以及平辊轧制时，i取0.84；对于圆孔型及其他孔型，i取0.9。
对于在精轧机组以切分轧制的方式生产的机列，有以下几点需要说明：
321)从预切分机架(K4)到终轧机架(K1)，都是水平轧机；
322)K3机架和K2机架的变形区面积Fb按下式计算：
Fb(n)＝iln(b(n-1)+bn)/2
323)K1机架(终轧机架)的变形区面积Fb按下式计算：
Fb(n)＝iln(Nh(n-1)+bn)/2
式中，参数N为切分数。
(33)各道次轧制压力Pn的计算：
Figure GDA0002363225060000053
式中，常数1000是将Pn的单位换算为kN。
(34)各道次轧制力矩Mn的计算：
Mn＝2ψnPnln/1000(kN·m)
式中，系数ψn为力臂系数；常数1000是将变形区长度ln的单位换算为m。本发明中，不同孔型轧制道次的ψn按下式计算：
Figure GDA0002363225060000061
式中，系数δ为本发明提出的常数项，通常取0.6～1；系数τ是本发明提出的常数系数，通常取0.1～0.7。
(35)各道次轧制功率Wn的计算：
Figure GDA0002363225060000062
本发明结合已有的理论计算公式和经验公式，通过参数修正，提出一套简便有效的轧制力能计算方法，其计算结果完全满足普通热轧棒材产线轧制力能参数校核的需要，可以为设计规划提供参考。
附图说明
图1普通热轧棒材生产线的基本布置。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明。
目前最常见的普通热轧棒材产线的基本布置如附图1所示，由高温计检测高温坯料进入粗轧机组前的温度，轧件进而依次进入中轧机组和精轧机组，并在精轧机组形成最终产品，最终进入冷床进行空冷。通常，粗轧机组、中轧机组和精机机组分别有6、6、6机架轧制(产线并不完全局限于此处轧机分组情况和轧机数量)，且所有轧机均为平/立交替布置，精轧机组中倒数第1、3、5机架可选择布置为平/立转换轧机(此处，精轧机组中从最后一架开始倒数时，各机架依次命名为K1、K2、K3……)。
普通热轧棒材产线所涉及热轧螺纹钢筋和圆棒产线的孔系主要由平辊、箱型孔型、椭圆孔型、圆孔型、切分孔型五类孔型组成，且终轧速度小于20m/s。
校核计算前，已知数据有：
(1)坯料和各孔型道次轧件的高度(h)、宽度(b)、长度(L)和横截面(S)；
(2)坯料的重量(M)、终轧速度(v)和目标产品规格(Φ)；
(3)各机架的轧辊直径(D)、辊缝(s)以及机架间距(E)；
(4)轧制温度(T)，包括开轧温度、终轧温度等；
实施例一
以某棒材厂四切分Φ10mm螺纹钢筋生产为例进行计算。该厂有共有18架轧机，分别配备的电机功率为600、600、900、900、900、900、900、900、1050、1050、1050、1050、1500、1500、1500、1500、1500、1500kW。计算过程分别如下3个表所示，其中红色数字为已知数据。
由轧机力能计算表3的结果可知，该厂配备的18架轧机及电机功率完全满足四切分Φ10mm螺纹钢筋的生产。
表1基本参数计算表
坯重(kg)：2543 规格：Φ10mm×4 终轧速度(m/s)：14 钢种：20MnsiV
Figure GDA0002363225060000081
表2各道次轧件温度计算表
Figure GDA0002363225060000091
表3各道次轧制力能计算表
Figure GDA0002363225060000101
实施例二
进一步的，以该棒材厂Φ25mm螺纹钢筋的单线轧制生产为例进行计算。同样，计算过程分别如下3个表所示，其中红色数字为已知数据。由轧机力能计算表3的结果可知，该厂配备的18架轧机及电机功率完全满足Φ25mm螺纹钢筋单线轧制生产。
表1基本参数计算表
坯重(kg)：2543 规格：Φ25mm 终轧速度(m/s)：14 钢种：20MnSiV
Figure GDA0002363225060000111
表2各道次轧件温度计算表
Figure GDA0002363225060000121
表3各道次轧制力能计算表
Figure GDA0002363225060000131
实施例三
进一步的，以另一棒材厂Φ25mm螺纹钢筋的单线轧制生产为例进行计算。该厂有共有18架轧机，分别配备的电机功率为650、650、850、850、850、850、850、850、850、850、850、850、1400、1400、1400、1600、1600、1600kW。同样，计算过程分别如下3个表所示，其中红色数字为已知数据。
由轧机力能计算表3的结果可知，该厂配备的18架轧机及电机功率完全满足Φ25mm螺纹钢筋单线轧制生产。
表1基本参数计算表
坯重(kg)：2516 规格：Φ25mm 终轧速度(m/s)：13.5 钢种：20MnSiV
Figure GDA0002363225060000141
表2各道次轧件温度计算表
Figure GDA0002363225060000151
表3各道次轧制力能计算表
Figure GDA0002363225060000161

Claims (1)

1.一种普通热轧棒材的轧制力能校核计算方法，其特征在于：所述的方法包括：
1)计算基本参数；
2)计算轧件温度；
3)计算轧制力能参数；
其中，1)计算基本参数的步骤包括：
11)从终轧轧机到粗轧第一架轧机，反向计算道次延伸率，第n机架延伸率μn的计算公式为：
Figure FDA0002957375710000011
其中，
Sn为第n#机架出口的轧件断面面积，单位为mm2；Sn-1为第n-1#机架出口的轧件断面面积，单位为mm2；
12)根据各道次的延伸率，计算各道次轧后的轧件长度，第n机架轧后的轧件长度Ln，单位为mm，计算公式为：
Ln＝μnLn-1
13)根据平均高度法，获得每道次轧后轧件的平均高度和平均宽度，第n机架轧后的轧件平均高度
Figure FDA0002957375710000012
和平均宽度
Figure FDA0002957375710000013
的计算公式为，单位为mm：
Figure FDA0002957375710000014
Figure FDA0002957375710000015
其中，bn为第n#机架出口的轧件宽度，单位为mm；
hn为第n#机架出口的轧件高度，单位为mm；
14)利用轧前和轧后的平均高度，计算每道次的平均压下量
Figure FDA0002957375710000016
单位为mm，计算公式为：
Figure FDA0002957375710000017
式中，Hn为第n#机架入口的轧件轧前高度，单位为mm；
其中，对于水平轧机和立轧机交替布置的机列：
141)第1#轧机的轧前高度为坯料高度；
142)后续第n#轧机的轧前高度Hn为第n-1#轧机的轧后平均宽度
Figure FDA0002957375710000018
143)第n#轧机的轧后高度hn为本道次轧件的轧后平均高度
Figure FDA0002957375710000021
对于在精轧机组以切分轧制的方式生产的机列：
144)从预切分机架到终轧机架，都是水平轧机；
145)切分机架出口轧件的轧前高度为预切分机架出口轧件的轧后平均高度；
146)倒数第二机架出口轧件的轧前高度为切分机架的轧件轧后平均高度；
147)终轧机架出口轧件的轧前高度为倒数第二机架的轧件轧后平均宽度除以切分数；
148)轧后高度的计算方法不变，第n#轧机出口轧件的轧后高度仍为本道次轧件的轧后平均高度；
15)根据轧件在每一个机架的秒流量相等的原则，从终轧轧机到第一架轧机，反向计算各道次的轧制速度νn，单位为m/s：
Figure FDA0002957375710000022
其中ν0为坯料在1#轧机的入口速度，单位为m/s；S0为坯料的横截面积，单位为mm2；
16)计算各道次工作辊径Dk(n)的大小，单位为mm，计算公式为：
无孔型轧制：Dk(n)＝Dn
孔型轧制：Dk(n)＝Dn-sn
式中，Dn为无孔型轧制第n#机架的轧辊直径，单位为mm；sn为第n#机架的辊缝，单位为mm；
17)轧辊转速Vn的大小，单位为rpm，计算公式为：
Figure FDA0002957375710000023
所述的2)计算轧件温度步骤包括：
21)计算各道次轧后轧件的表面面积Fs(n)，单位为m2；计算公式为：
211)无孔型轧制：
Fs(n)＝(2Ln(hn+bn)+2Sn)/1000000
212)箱型孔型：
Fs(n)＝(2Ln(0.9hn+bn)+2Sn)/1000000
213)椭圆孔型、预切分和切分孔型：
Figure FDA0002957375710000024
214)圆孔型：
Fs(n)＝(πhnLn+2Sn)/1000000
对于切分轧制的终轧机架，由于同时轧制出N根切分棒材，因此轧件的表面面积按下式计算：
Fs(n)＝(πhnLnN+2Sn)/1000000
22)计算轧件在进入第n#架轧机轧制前的行走时间tn，单位为s：
tn＝En-1/νn-1
其中，E0为第1#架轧机前高温计至第1#架轧机入口的距离；E(n-1)为第n-1#架轧机至第n#架轧机之间的距离；
23)计算轧辊冷却水对轧件温度的影响△Tw(n)，单位为℃：
采用经验公式：
Figure FDA0002957375710000031
式中，系数a为经验值，通常取20～50；ln为轧制道次的变形区接触弧长度，单位为mm；常数1000是将ln的单位换算为m；接触弧长度ln按下式计算：
Figure FDA0002957375710000032
24)计算高温轧件在空气中辐射散热导致的温降△Tf(n)，单位为℃：
Figure FDA0002957375710000033
式中，Tn为第n#机架轧制前轧件的温度，单位为K；系数b为经验值，通常取70～80；M为轧件的总重量，单位为kg；
25)计算高温轧件在空气中对流散热导致的温降△Td(n)，单位为℃：
Figure FDA0002957375710000034
式中，Ta为环境温度，单位为K；νn-1为第n#机架轧制的入口速度，亦即第(n-1)#机架的出口速度；εr为轧件表面的相对黑度，此处取0.8；
26)计算轧件在热轧过程中的温升△Tb(n)，单位为℃：
Figure FDA0002957375710000035
式中，
Figure FDA0002957375710000036
为第n#机架轧制的平均单位压力，单位为MPa；系数c为与轧制平均应变速率
Figure FDA0002957375710000037
相关的系数，表明轧件吸收的变形能的相对部分，轧制平均应变速率
Figure FDA0002957375710000038
越大，系数c也越大；，当
Figure FDA0002957375710000039
时，c取0.12；
Figure FDA00029573757100000310
时，c取0.15；
Figure FDA00029573757100000311
时，c取0.2；
27)计算轧件在进入第n#机架轧制时，轧件的温度变化△T(n)：
ΔT(n)＝ΔTw(n-1)+ΔTf(n)+ΔTd(n)-ΔTb(n-1)
但进入第1#机架轧制时，轧件的温度变化△T(1)须按下式计算：
△T(1)＝△Tf(1)+△Td(1)
28)计算轧件在进入第n#机架轧制时，轧件的温度T(n)：
Tn＝T(n-1)-△Tn
式中，T0为第1#架轧机前高温计测得的温度，单位为K；
所述的3)计算轧制力能参数步骤包括：
31)各道次的平均单位压力
Figure FDA0002957375710000041
的计算公式,单位为MPa：
Figure FDA0002957375710000042
式中各参数的计算如下：
311)各道次的外摩擦对
Figure FDA0002957375710000043
影响的系数mn的修正：
Figure FDA0002957375710000044
式中各道次的摩擦系数fn按下式计算：
fn＝d(1.05-0.0005(Tn-273)-λνn)
式中，系数d是与轧辊材质有关的系数，钢轧辊取1，铸铁轧辊取0.8；常数273是用于将开式温度(K)转化为摄氏温度(℃)；系数λ为轧制速度对摩擦系数的影响系数，取值范围为0.0001-0.0015；
312)各道次变形抗力Kn值的计算,单位为MPa：
Kn＝9.8(14-0.01Tn)(1.4+C％+Mn％+0.3Cr％)
式中，C％、Mn％、Cr％分别为轧件材质的3种合金元素质量分数；
313)各道次粘性系数ηn的计算：
ηn＝0.1(14-0.01(Tn-273))e
式中，e为决定于轧制速度的系数；当νn<6m/s时，e取1；6<νn<10m/s时，e取0.8；10<νn<15m/s时，e取0.65；15<νn<20m/s时，e取0.6；
314)各道次的轧制平均应变速率
Figure FDA0002957375710000045
采用下式计算,单位为s-1：
Figure FDA0002957375710000046
32)各道次轧制的变形区面积Fb(n)的计算,单位为mm：
Fb(n)＝iln(h(n-1)+bn)/2
式中，系数i为与孔型类型相关的修正系数；对于椭圆孔型、箱型以及平辊轧制时，i取0.84；对于圆孔型及其他孔型，i取0.9；
其中，对于在精轧机组以切分轧制的方式生产的机列：
321)从预切分机架到终轧机架，都是水平轧机；
322)切分机架和倒数第二机架的变形区面积按下式计算：
Fb(n)＝iln(h(n-1)+bn)/2
323)终轧机架的变形区面积按下式计算：
Fb(n)＝iln(Nh(n-1)+bn)/2
式中，参数N为切分数；
33)各道次轧制压力Pn的计算,单位为kN：
Figure FDA0002957375710000051
式中，常数1000是将Pn的单位换算为kN；
34)各道次轧制力矩Mn的计算，单位为kN·m；
Mn＝2ψnPnln/1000
式中，系数ψn为力臂系数；常数1000是将变形区接触弧长度ln的单位换算为m；不同孔型轧制道次的ψn按下式计算：
Figure FDA0002957375710000052
式中，系数δ为常数项，通常取0.6～1；系数τ是常数系数，通常取0.1～0.7；
35)各道次轧制功率Wn的计算，单位为kW：
Figure FDA0002957375710000053
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