Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến biểu đồ phân bố ứng suất bề mặt giữa kim loại và trục cán nhằm xác định lực và momen cán thép băng mỏng

23 2.3 Sơ đồ xác định chiều dài vùng biến dạng khi hai trục cán có đường kính khác nhau 28 2.5 Biểu đồ phân bố ứng suất ma sát theo định luật Amaton - Culong 36 2.9 Biểu đồ ứng suất ma

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

2

-LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu luận văn khoa học của tôi Các

số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào trước đây

Tác giả luận văn

Nguyễn Văn Mạnh

1.1 Vai trò, phân loại sản phẩm tấm và băng mỏng 11

1.2 Công nghệ, thiết bị cán tấm và băng mỏng 14

1.3 Đặc điểm công nghệ cán tấm và băng mỏng 21

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CÁC PHƯƠNG PHÁP

2.2.2 Ảnh hưởng của chiều rộng kim loại cán đối với lực cán 34

2.2.3 Ảnh hưởng của ma sát ngoài đối với lực cán 35

2.3 Tổng quan các phương pháp tính lực và mômen 36

2.3.1 Qui luật ma sát tiếp xúc giữa kim loại và trục cán 36

2.3.2 Các phương pháp tính áp lực tác dụng lên trục cán 41

4

2.3.2.1 Tính áp lực của kim loại lên trục cán với qui luật ma sát Zibel 41

2.3.2.1.2 Trường hợp trở kháng biến dạng trượt trong toàn miền

biến dạng không đổi và bằng giá trị trung bình trước và sau lần cán

43

2.3.2.1.4 Trường hợp trở kháng biến dạng thay đổi theo qui luật phi

2.3.2.3 Xác định ứng suất tiếp xúc bằng phương pháp thực nghiệm 47

3.1.2 Tính góc ăn và chiều dài cung biến dạng không tính tới lún đàn

hồi của trục cán và băng kim loại

61

3.1.3 Tính ứng suất trung bình và chiều dài hình chiếu cung biến dạng 62 3.2 Xác định các thông số công nghệ bằng phần mềm MTL 65

3.2.3 Xây dựng các biểu đồ phân bố ứng suất tiếp xúc bề mặt 80 3.2.4 Mô phỏng số quá trình cán tấm bằng phần mềm DEFORM 3D 104

3.2.4.1 Cơ sở mô phỏng số quá trình biến dạng 104

3.2.4.2 Một số kết quả mô phỏng số quá trình cán tấm 106

5

CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ

ĐẾN ỨNG SUẤT TIẾP XÚC, LỰC CÁN VÀ MÔMEN CÁN

109

4.1 Ảnh hưởng của hệ số ma sát và hệ số ép đến biểu đồ phân bố ứng

7

-DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

1.2 Sơ đồ máy cán liên tục 5 giá cán thép băng với chiều dài vô cùng 18

2.1 Sơ đồ lực tác dụng của phân tố biến dạng trong quá trình cán đơn

giản

23

2.3 Sơ đồ xác định chiều dài vùng biến dạng khi hai trục cán có đường

kính khác nhau

28

2.5 Biểu đồ phân bố ứng suất ma sát theo định luật Amaton - Culong 36

2.9 Biểu đồ ứng suất ma sát khi

5 2 h

3.1 Sơ đồ tính toán theo phương pháp gần đúng ứng suất trung bình và

lực cán có tính tới nén đàn hồi của trục và băng kim loại

63

3.3 Phần mềm có mục đích hỗ trợ kỹ thuật lập trình tính toán đối với

các học viên Cao học, Nghiên cứu sinh và Sinh viên nghiên cứu

khoa học

67

3.4 Kết quả tính toán được in và xem trước khi in 67

9

3.37 Mức độ biến dạng tương đương trong quá trình cán tấm 107

4.1 Sự thay đổi biểu đồ ứng suất khi hệ số biến dạng η=1,2 và hệ số ma

4.6 Sự thay đổi ứng suất trung bình khi hệ số ma sát thay đổi 1174.7 Sự thay đổi của lực cán khi hệ số ép thay đổi 1184.8 Sự thay đổi của lực cán khi hệ số ma sát thay đổi 118

4.10 Sự thay đổi của công suất động cơ khi hệ số biến dạng thay đổi 1194.11 Sự thay đổi của công suất động cơ khi hệ số ma sát thay đổi trong

trường hợp tỷ số truyền i=15

120

4.14 Biểu đồ ứng suất quy đổi 122

10

-PHẦN MỞ ĐẦU

Ngành thép là một trong những ngành quan trọng tạo ra nguyên liệu cho các ngành công nghiệp khác như: Xây dựng, chế tạo ô tô, đóng tàu, cơ khí chế tạo …, trong đó cán thép là một trong những khâu cuối cùng của dây chuyền công nghệ sản xuất thép Ở một số nước công nghiệp phát triển, sản lượng thép cán chiếm tới gần 70% tổng sản lượng sản phẩm của ngành Luyện kim Cùng với sự gia tăng nhu cầu

về thép cán nói chung, thì nhu cầu sử dụng sản phẩm thép tấm và thép băng cũng không ngừng tăng nhanh

Ở nước ta, trong định hướng phát triển của ngành Luyện kim đã dự kiến tổng nhu cầu thép đến năm 2010 là trên 6 triệu tấn, trong đó có trên 3 triệu tấn thép tấm,

lá và gần 3 triệu tấn thép hình và thép dây Như vậy, khối lượng thép tấm, lá chiếm trên 50% tổng sản phẩm thép cán

Để đảm bảo nhu cầu trên, dự kiến xây dựng, phân bổ và phát triển năng lực thiết bị nhằm cân đối nhu cầu sản phẩm cũng đã được đề xuất đến giai đoạn 2010, bao gồm các nhà máy cán nóng, cán nguội thép tấm; thép băng liên tục với tổng sản lượng dự kiến đến năm 2010 tới hơn 4 triệu tấn/năm Bên cạnh việc nâng cao sản lượng sản phẩm để đáp ứng nhu cầu hiện tại thì việc nghiên cứu xây dựng các qui trình công nghệ mới và chế tạo thiết bị hiện đại nhằm nâng cao năng suất; chất lượng sản phẩm và các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật cũng cần được quan tâm

Hiện nay, đã có nhiều công trình nghiên cứu và các giải pháp để nâng cao năng suất, chất lượng sản phẩm và hiệu quả kinh tế, nhằm góp một phần nhỏ để đạt các mục đích trên, trong thời gian học tập và nghiên cứu tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, tôi mạnh dạn chọn nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của ma sát, độ biến dạng đến các thông số công nghệ cán thép tấm và băng mỏng” Trong suốt quá trình thực hiện đề tài này tôi luôn nhận được sự quan tâm, tạo điều kiện của tập thể các thầy, cô thuộc Khoa Khoa học và Công nghệ vật liệu, Bộ môn Cơ học vật liệu và Cán kim loại, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Đặc biệt là sự hướng dẫn tận tình của PGS TS Đào Minh Ngừng

11

Qua đây tôi xin trân trọng cảm ơn tới các thầy cô đang công tác tại Khoa Khoa học và Công nghệ vật liệu, Bộ môn Cơ học vật liệu và Cán kim loại, Viện Đào tạo sau đại học, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Đặc biệt, tôi xin chân thành cảm ơn PGS TS Đào Minh Ngừng, người đã hướng dẫn tôi suốt thời gian thực hiện đề tài này Do đây là đề tài mới và kiến thức chưa được cập nhật đầy đủ nên bản luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót, tôi mong nhận được sự góp

ý của các thầy, cô và các bạn

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Học viên thực hiện

Nguyễn Văn Mạnh

12

-CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ, THIẾT BỊ CÁN NGUỘI THÉP TẤM VÀ BĂNG MỎNG

1.1 VAI TRÒ, PHÂN LOẠI SẢN PHẨM TẤM VÀ BĂNG MỎNG

Thép tấm và thép băng là một trong những dạng sản phẩm mang lại hiệu quả kinh tế cao Từ sản phẩm tấm và lá người ta có thể sản xuất ra thép ống, thép hình uốn, các loại kết cấu hàn và các loại sản phẩm dập khác Sản xuất các loại sản phẩm trên từ thép tấm và thép băng có thể tiết kiệm được lượng lớn kim loại

Theo công dụng, ta phân loại thép tấm và thép băng đặc biệt; thép tấm và thép băng kết cấu Nhóm thép kết cấu gồm:

- Thép các bon kết cấu chất lượng thường;

- Thép các bon kết cấu chất lượng cao;

- Thép hợp kim kết cấu

Thép tấm và thép băng kết cấu được sử dụng trong các ngành công nghiệp đóng tàu, chế tạo máy bay, ô tô, trong công nghiệp hóa chất và chế tạo nói chung Thép lá mỏng từ các mác thép kết cấu các bon thấp chất lượng có tính dập tốt và được sử dụng trong công nghiệp chế tạo ô tô Thép lá các bon kết cấu chất lượng, được cán từ mác thép sôi có hàm lượng các bon từ 0,05 - 0,20%; các mác thép lắng có hàm lượng các bon từ 0,1 - 0,5% và thép nửa lắng 0,08% các bon Thép lá mỏng được chia ra 3 loại:

- Thép dập bình thường;

- Thép dập sâu;

- Thép dập cao

Phụ thuộc vào trạng thái bề mặt, thép lá mỏng chia thành 4 nhóm:

- Nhóm 1: Thép cán nguội có bề mặt bóng mờ, được tinh chỉnh theo tiêu chuẩn đặc biệt Thép nhóm này thường dùng cho dập sâu, cao Trên bề mặt không cho phép có khuyết tật Độ cong vênh không quá 4 mm/m dài và rộng

13

Nhóm 2: Thép lá cán nguội được tinh chỉnh theo tiêu chuẩn cao Trên bề mặt có thể có các vết xước, rỗ nhẹ, độ dập sâu của khuyết tật không quá dung sai của chiều dày, độ cong vênh không quá 8 mm/m dài và rộng

- Nhóm 3: Thép cán nóng hoặc cán nguội được tinh chỉnh theo tiêu chuẩn nâng cao Độ cong vênh không quá 10 mm/m dài và rộng

- Nhóm 4: Thép cán nóng, cán nguội, bề mặt được tinh chỉnh theo tiêu chuẩn bình thường Độ cong vênh không quá 12 mm/m dài và rộng

Để dập các chi tiết phức tạp của vỏ và thùng xe ô tô, người ta dùng thép lá mỏng cán từ các mác thép các bon chất lượng, dày (0,08 - 1,5) mm Theo mức độ phức tạp của chi tiết dập, người ta phân biệt thép dùng cho dập phức tạp và dập đặc biệt phức tạp

Thép lá mỏng từ các mác thép kết cấu hợp kim có độ dày (0,8 - 4,0) mm thường được dùng trong công nghiệp hóa dầu, chế tạo máy bay, chế tạo thiết bị và dụng cụ gia dụng Thép loại này cần đáp ứng yêu cầu cao về cơ tính, chất lượng bề mặt, độ chính xác và cấu trúc tế vi

Thép lá mỏng kỹ thuật, cán nóng hoặc cán nguội, xuất xưởng với kích thước phổ biến hxb = (0,1 - 1,0)mm x (240 - 2000)mm Loại thép này dùng trong chế tạo động cơ, máy biến áp và các thiết bị điện khác Bề mặt được tinh chỉnh theo tiêu chuẩn của nhóm 3, 4 và phải đảm bảo yêu cầu chặt chẽ về các tính chất dẫn điện, từ Trong những năm gần đây, người ta đã đưa vào sản xuất các loại thép lá mỏng tráng nhôm, mạ crôm và phủ polime

Tôn trắng cũng thuộc nhóm thép lá mỏng có phủ bề mặt Tôn trắng là thép cán nguội từ mác thép sôi 0,08% các bon, dày (0,18 - 0,3)mm, được phủ thiếc bề mặt

Trong thực tế việc sản xuất thép tấm và băng đúng theo kích thước danh nghĩa khó có thể đạt được Do đó, bên cạnh kích thước danh nghĩa, người ta còn tiêu chuẩn hóa cả độ chênh lệch kích thước cho phép Độ chênh lệch cho phép của kích thước thép tấm và thép băng gọi là dung sai Dung sai của chiều dày có thể là

âm hoặc dương, xác định độ chênh lệch lớn nhất gọi là trường dung sai, chênh lệch

14

-giữa độ dày lớn nhất và độ dày nhỏ nhất của thép tấm theo chiều dọc và chiều ngang gọi là độ không đồng đều dọc và ngang của chiều dày Một trong những đặc điểm quan trọng, đánh giá độ chính xác của thép tấm là độ phẳng bề mặt Độ phẳng được xác định hình dạng của tấm và được đo bằng mm/m dài và rộng

1.2 CÔNG NGHỆ, THIẾT BỊ CÁN TẤM VÀ BĂNG MỎNG

Phương pháp cán nguội được áp dụng để sản xuất thép băng và thép lá mỏng, có cơ tính, chất lượng bề mặt và độ chính xác cao Bằng phương pháp cán nguội, người ta có thể sản xuất thép băng và thép lá có độ dày từ vài micro đến 4

mm

Quá trình công nghệ sản xuất cán nguội so với sản xuất thép nóng phức tạp hơn nhiều, bao gồm nhiều nguyên công chuẩn bị, tinh chỉnh, đòi hỏi phải sử dụng nhiều thiết bị phức tạp khác nhau, vốn đầu tư lớn Mặc dù vậy, ở các nước phát triển công nghệ cán tấm và băng mỏng vẫn phát triển mạnh mẽ, trong đó khoảng (50 - 60)% khối lượng thép băng và tấm cán nóng được sử dụng làm phôi cho sản xuất băng và tấm cán nguội

Phụ thuộc vào các điều kiện kỹ thuật, các tiêu chuẩn qui định, thép cán nguội được sản xuất phổ biến dưới dạng:

- Thép lá: Dày (0,2 - 0,4)mm, rộng (510 - 2000)mm, dài (1200 - 5000)mm

- Thép băng (cuộn): Dày (0,2 - 4,0)mm, rộng (200 -2300)mm

- Thép dải (cuộn): Dày (0,05 - 3,6)mm, rộng 600 mm

Ở các máy cán nguội hiện đại người ta có thể cán thép băng có độ dày nhỏ nhất đến 0,15 mm, rộng đến 2000 mm; tôn có độ dày nhỏ nhất đến 0,07 mm, rộng đến 1300 mm và thép dải có độ dày nhỏ nhất đến 0,0015 mm, rộng đến 1000 mm và hơn

Ở các nước công nghiệp phát triển, 95% thép cán nguội được sản xuất dưới dạng cuộn Phôi cho sản xuất cán nguội là thép băng cán nóng dày (1,5 - 6,0)mm dưới dạng cuộn, trọng lượng đến (50 - 60) tấn Phương pháp cán nguội được cán ở máy cán liên tục hoặc đảo chiều

- Sản xuất thép lá và thép băng từ các mác thép kỹ thuật điện

- Sản xuất thép lá và thép băng từ các mác thép đặc biệt

- Sản xuất thép băng và thép lá chủng loại rộng từ mác thép các bon, thép đặc biệt và thép kỹ thuật điện

Trên (hình 1.1), trình bày sơ đồ bố trí thiết bị của xưởng cán nguội liên tục 4 giá kvarto (150/1300/1700) mm Xưởng sản xuất các loại thép băng và thép lá dày (0,4 - 2,0) mm, rộng (700 - 1550) mm từ các mác thép các bon, thép hợp kim thấp và thép kỹ thuật điện, ngoài ra xưởng còn có các thiết bị sản xuất thép tráng kẽm

Lượng ép tổng cộng trong máy cán nguội 1700 khoảng (60 - 80)% Với lượng ép như vậy, sản phẩm biến cứng đáng kể và các hạt tinh thể của thép bị kéo dài theo hướng cán, gây nên tính dị hướng của cơ tính Nhằm khử biến cứng và phục hồi cơ tính Sau khi cán, sản phẩm được chuyển sang bộ phận nhiệt luyện để ủ kết tinh lại

Sau khi ủ, thép cuộn từ các mác thép các bon thấp được chuyển đến các giá cán tinh chỉnh có kích thước trục (500/1300/1700) mm Ở đây thép được biến dạng với lượng ép (0,8 - 2,0)% không bôi trơn, nhằm tạo độ phẳng cho thép và ngăn ngừa tạo thành các đường trượt trong quá trình dập nguội tiếp theo Sau khi cán là sản phẩm được cắt và phân loại, tiếp theo sản phẩm có thể được mạ hoặc uốn để tạo thành tôn múi

Ngoài các sản phẩm cán nguội trên, xưởng cán nguội 1700 còn cung cấp các sản phẩm thép lá dày (1,2 - 6,0) mm, rộng (700 - 1500) mm, dài đến 8000 mm, chỉ qua nhiệt luyện thường hóa và tẩy gỉ ôxit

16

-Để sản xuất các loại tôn mỏng, người ta áp dụng phương pháp cán 2 lần Theo phương pháp này, sau khi cán đến độ dày (0,3 - 0,6) mm, các cuộn tôn được cán ở các máy cán liên tục gồm 2 - 3 giá kavarto Để sản xuất các loại tôn cực mỏng, giấy kim loại dày (0,025 - 0,05) mm, rộng (300 - 900) mm và hơn, người ta dùng các giá cán nhiều trục

Qui trình công nghệ sản xuất tôn gồm các công đoạn tiến hành theo thứ tự sau: Tẩy gỉ ôxít - Cán nguội - Tẩy điện phân - Ủ sáng - Cán là - Tráng lớp bảo vệ - Phân loại và đóng gói Qui trình công nghệ sản xuất tôn ở các máy cán đảo chiều,

về cơ bản không khác so với qui trình công nghệ ở các máy liên tục Tuy nhiên, trong trường hợp cán đảo chiều, do khối lượng sản xuất nhỏ nên thiết bị có thể đơn giản hơn

Phụ thuộc vào phương pháp sản xuất, người ta phân biệt các máy cán đơn chiếc (cán từng lần một) và cán băng (liên tục, đảo chiều)

Theo công dụng, các loại máy cán nguội chia làm 3 loại: Máy cán, máy cán

là, máy cán - là Các loại máy cán nguội liên tục (hình 1.1 a, b) là kiểu máy hiện đại hơn cả Các máy cán băng đảo chiều (hình 1.1 c, d) vẫn được sử dụng rộng rãi Quá trình cán với các máy cán loại này được tiến hành với lực kéo căng Các máy cán đơn chiếc (hình 1.1 e) hiện nay được sử dụng rất hạn chế

Thành phần thiết bị của máy cán liên tục chiều trục (hình 1.2 b), ngoài các giá cán tinh chỉnh còn có 2 giá cán duo bố trí ở đầu và cuối máy cán Các giá duo này có tác dụng là phẳng băng kim loại trước và sau khi cán, đổng thời đảm bảo sự phân bố đều của lực kéo căng theo chiều rộng băng thép

5 4

3 2

1

a )

17

-6

5

4 3

2

1

b)

1

d ) e )

Hình 1.1.Sơ đồ các kiểu máy cán nguội thép băng và thép lá

Các máy (0,6 - 3,0) mm, rộng (650 - 1850) mm Phôi cho máy cán thép băng cán nóng dày (2 - 5) mm, khối lượng cuộn (5 - 25) tấn, vận tốc đến 15 m/s, năng suất đạt 0,6 triệu tấn/năm

Các máy cán liên tục 4 giá sản xuất thép băng từ các mác thép các bon và thép hợp kim dày (0,3 - 3,5) mm, rộng đến 2350 mm Phôi cho máy là băng cán nóng dày (1,5 - 6,5) mm, khối lượng cuộn đến 35 tấn Chiều dài thân trục cán đến

2500 mm, vận tốc cán đạt tới 28 m/s, năng suất đạt (1,2 - 1,5) triệu tấn/năm

Các máy cán nguội liên tục 5 giá sản xuất thép băng từ các mác thép hợp kim

và thép các bon dày (0,15 - 3,0) mm, rộng đến 2080 mm Phôi cho máy là thép băng cán nóng dày (1,2 - 6,5) mm, khối lượng cuộn đến 60 tấn Lượng ép tổng cộng ở các máy này tới (85 - 90)% Chiều dài thân trục tới 2210 mm

Phụ thuộc vào công dụng, các máy cán nguội liên tục 5 giá chia làm 2 nhóm: nhóm cán tôn và nhóm cán băng chủng loại rộng

18

Các máy cán tôn 5 giá, chiều dài thân trục (1200 - 1450) mm, sản xuất tôn dày (0,15 - 0,35) mm, vận tốc cán đạt tới 37 m/s Khối lượng cuộn (15 - 25) tấn Năng suất đạt (500 - 800) nghìn tấn/năm

Các máy cán nguội liên tục 6 giá dùng sản xuất tôn mỏng có độ dày (0,8 - 0,15) mm và thép băng mỏng dày đến 1,0 mm, rộng đến 1300 mm Phôi cho máy cán là băng cán nóng dày (1,5 - 3,5) mm Lượng ép tổng cộng tới 95% Tôn cán ở các máy này có thể dùng làm phôi để sản xuất các loại giấy thép dày (0,03 - 0,07) mm Vận tốc cán ở các máy cán đạt 40 m/s Khối lượng cuộn tới 45 tấn Năng suất (500 - 700) nghìn tấn/năm

Trên (hình 1.2), trình bày sơ đồ máy cán liên tục 5 giá 1420, cán tôn và cán thép băng mỏng có chiều dài vô cùng, với tốc độ 30,5 m/s Năng suất cán đạt 1,2 triệu tấn/năm

Để thu được thép băng có chiều dài vô cùng, các cuộn thép trước khi cán được hàn nối với nhau Phần đầu của máy cán được trang bị hai máy dỡ cuộn 1, máy cắt 3, máy hàn 4 và bộ tích lũy thép 2, lượng thép tích lũy phải đủ cho các giá cán làm việc trong khi phần cuối của cuộn thép trước dừng lại để hàn đầu của cuộn thép tiếp theo Sau nhóm giá cán 5 có máy cắt bay 6 và hai máy cuộn 7

Hình 1.2 Sơ đồ máy cán liên tục 5 giá cán thép băng với chiều dài vô cùng

Các máy cán thép băng đảo chiều một giá (hình 1.1 c, d) cũng sản xuất thép băng chủng loại rộng từ các mác thép các bon và thép hợp kim Loại này có thể

Trên (hình 1.3), trình bày sơ đồ máy cán đảo chiều (250/1320/1400) mm, kiểu KMW, do hãng Schloemanm - Siemag (CHLB Đức) chế tạo Thiết bị gồm: bàn nhận thép 1, máy dỡ cuộn 2, con lăn kéo 3, máy cuộn thép trước giá cán 4, giá cán 5, thiết bị cuộn thép 6, máy cắt đầu đuôi băng kim loại, máy cuộn lại 8 Máy được dần động qua trục tựa, nên việc chọn đường kính trục làm việc hoàn toàn không liên quan đến tính năng của động cơ truyền động Mặt khác có thể thay các trục làm việc với đường kính khác nhau nhằm mở rộng chủng loại sản phẩm Các trục làm việc 2 được ép vào các trục tựa 1 nhờ các trục trung gian 3 và các con lăn tựa 4 Do đường kính trục làm việc nhỏ nên moomen cán ở các máy kiểu này nhỏ hơn so với momen cán ở các máy kavarto bình thường Lượng ép tương đối một lần

có thể đạt tới 40%

20

-8

7 6

5 4

3 2

1

Hình 1.3 Sơ đồ máy cán đảo chiều (250/1320/1400) kiểu MKD

Các máy cán đảo chiều nhiều trục chủ yếu dùng để sản xuất thép dải và thép băng mỏng với độ chính xác cao từ các mác thép hợp kim, dày (0,015 - 0,5) mm, rộng đến 2200 mm

Các giá cán nhiều trục có thể có 6, 12 và 20 trục (hình 1.4) Trong đó, có máy 20 trục được sử dụng phổ biến hơn cả So với máy kavarto, các máy 20 trục có

ưu điểm nổi bật:

- Đường kính trục làm việc nhỏ nên ta có thể giảm đáng kể lực cán mà vẫn đạt được lượng ép tương đối lớn trong một lần cán

- Có thể cán các loại thép dải và thép băng rất mỏng và rộng (tỉ số h/b có thể đạt 1/140.000) với độ chính xác cao

- Thời gian thay trục ngắn, cho phép sử dụng các trục cán làm việc có độ nhám khác nhau cho những lần cán thô và cán tinh, chất lượng bề mặt thép thành phẩm được tăng lên

- Độ cứng của khung giá cán và hệ trục rất cao

- Quá trình cán có thể tiến hành với lực kéo căng lớn, tới (0,3 - 0,5), cho phép nâng cao độ chính xác của thép thành phẩm

- Lượng ép tổng cộng ở các máy cán 20 trục đạt tới 97%

21

2 1

6 trục 12 trục 20 trục

Hình 1.4 Sơ đồ bố trí trục cán ở các giá nhiều trục

1.3 ĐẶC ĐIỂM CÔNG NGHỆ CÁN THÉP TẤM VÀ BĂNG MỎNG

Trong quá trình cán liên tục, điều kiện thể tích không đổi là yếu tố cần thiết

để đảm bảo cho máy cán làm việc bình thường Căn cứ vào các điều kiện này có thể phân bố lượng ép và tính toán vận tốc cán cho các giá cán Quá trình cán ở các máy cán liên tục và đảm bảo chiều tiến hành với lực kéo căng phía sau và phía trước Khi cán có lực kéo căng, áp lực của kim loại lên trục giảm đi đáng kể Trong trường hợp khi lực kéo căng trước lớn hơn hoặc bằng lực kéo căng sau, momen quay cũng giảm, lực kéo căng có thể đảm bảo trong một khoảng nhất định, quá trình tự san bằng hệ số dãn dài theo chiều rộng băng kim loại và quá trình tự điều chỉnh thể tích giây theo các giá cán của máy liên tục Như vậy, lực kéo căng không chỉ là điều kiện cần thiết để đảm bảo quá trình cán ổn định mà còn là yếu tố quan trọng cho phép thu được sản phẩm có độ chính xác cao Chính vì vậy mà nhiều máy cán nguội liên tục và đảo chiều, hệ thống điều chỉnh độ dày băng kim loại làm việc theo chu trình điều khiển kết hợp giữa khe cán và lực kéo căng

Một trong những đặc điểm nổi bật của quá trình cán nguội ở các máy cán liên tục và đảo chiều là vận tốc cán trong khoảng thời gian cán một cuộn thép không

cố định

Khi cán với vận tốc thay đổi, độ dày của “nêm” dầu bôi trơn trong các ổ lót trục ma sát lỏng, hệ số ma sát và áp lực của kim loại lên trục cũng biến đổi, dẫn đến

ϕx y

Hình 2.1 Sơ đồ lực tác dụng lực của phân tố

biến dạng trong quá trình cán đơn iả

Lực cơ bản tác dụng lên trục là thành phần trên phương nằm ngang thường là nhỏ, chính vì vậy khi nói đến áp lực toàn phần của kim loại lên trục thì cần hiểu đây

là thành phần của lực tổng hợp trên các phương thẳng đứng Để xác định áp lực của

P x

sin x cos

dx x τ tb b γ

sin x cos

dx x τ tb b x cos α

ϕ

Trong đó: P- Áp lực toàn phần của kim loại lên trục (lực cán);

Px- Áp lực của kim loại lên trục;

ϕx- Góc chạy;

γ- Góc trung hòa;

α- Góc ăn;

τx- Ứng suất ma sát;

btb = (b1 + b2)/2 - Chiều rộng trung bình của phôi

Số hạng thứ 2 và thứ 3 rất nhỏ nên có thể bỏ qua, khi đó:

∫

= 10

dx x P tb b

Áp lực trung bình được tính như sau:

F

dx P b F

P p

1

0 x tb tb

∫

=

Trong đó: F- Hình chiếu mặt tiếp xúc giữa trục và kim loại trên phương

nằm ngang, hay còn gọi là mặt tiếp xúc

Từ (2.3) có:

.F b

h

δ h γ

h 1) ε(δ

ε) 2(1 2k.

tb P

h

H 1) (δ 1 1 h

h

δ 2

δ = C Trường hợp cán nguội có lực kéo và biến cứng:

h 2 δ

h 2.k ξ 1 h

H 2 δ

H 2.k ξ

∆h

1 P

2 δ γ 1

1

2 δ

γ 0

0 tb

Trong đó tại vùng trễ 2k = 2k0 = const và vùng vượt 2k = 2k1 Chiều cao trung hòa tính như sau:

2δ δ 1 δ11

n - Hệ số trạng thái ứng suất, tính đến ảnh hưởng của ma sát

ngoài, xác định theo đồ thị, phụ thuộc vào δ và ε

K = β.σu - Giới hạn chảy cưỡng bức (K = 2k)

2

ν 1

2 β +

σu- Giới hạn chảy thực tế trong điều kiện nhiệt độ, tốc độ biến

dạng, mức độ biến dạng cho trước

s v ε t

u n n n σ

26

trong đó: nt.nε.nv- Hệ số ảnh hưởng của nhiệt độ, mức độ biến dạng và

tốc độ biến dạng đến trở kháng

σs- Giới hạn chảy cơ sở

Trong cán nguội nt, nv không đáng kể nên có thể lấy bằng 1

• Khi xét đến ảnh hưởng của vùng ngoài Theo A.I.Xelicov và V.V.Xmirnov, trong khoảng 0,5 <

'' σ

P

1 P

P n

1 n 0,7 h

1 0,3

1 n 1 h

1 0,7< < → =⎜⎜⎝⎛ ⎟⎟⎠⎞

σ

σ σ 1 n 1 h

1 ≤ → = − +

(2.10)Khi cán tấm mỏng, do ảnh hưởng của lực kéo, áp lực giảm đáng kể vì khi đó

ma sát ngoài và mức độ đàn hồi của trục giảm Trong trường hợp này ảnh hưởng của lực kéo đến áp lực trung bình phải được tính đến khi xác định ứng suất pháp trên bề mặt tiếp xúc Như vậy với ảnh hưởng của các yếu tố chính, áp lực trung bình có thể tính theo công thức sau:

27

-O 1

O 2

R A

B C

'' σ

' σ

tb K.n n n

2.1.2 Chiều dài cung tiếp xúc

™ Trường hợp các trục cán có đường kính bằng nhau:

Hình chiếu cung tiếp xúc trên phương nằm ngang được gọi là độ dài vùng biến dạng ld = R.sinα, hoặc xét tam giác OAC ta có:

4

∆h R.∆.

2

∆h R R l

2 2

™ Trường hợp các trục cán có đường kính khác nhau:

Nếu đường kính trục cán khác nhau thì diện tích tiếp xúc bề mặt có thể được xác định trên cơ sở cân bằng áp lực tác dụng lên hai trục và cân bằng diện tích tiếp xúc bề mặt của kim loại với hai trục (hình 2.3)

28

Ký hiệu lượng ép thành phần khác nhau của hai trục là m1 và m2 Cân bằng

độ dài cung tiếp xúc của hai trục theo công thức (2.12)

2 2 1

1 m 2.r m 2.r = (r1, r2 - bán kính trục cán)

1

1 2 2 2 1

r r

1

2 Sau khi thay thế giá trị m2 vào (2.12) có:

h r r

r r m

+

=

= 2 2. . l

2 1

2 1 2

2

™ Khi cán nóng các tấm rộng bản có chiều dày nhỏ hơn 2 mm hoặc cán nguội tấm thì chiều rộng vùng biến dạng bằng chiều rộng của phôi vì lượng dãn rộng không đáng kể Nhưng khi tính chiều dài vùng biến dạng thì phải tính tới độ đàn hồi của trục và của tấm

Để tính chiều dài cung tiếp xúc có tính ảnh hưởng biến dạng đàn hồi của trục

có thể sử dụng công thức Khitrov:

h R X X

E R p

.

1

Hình 2.3 Sơ đồ xác định chiều dài vùng biến dạng

khi hai trục cán có đường kính khác nhau

29

-ptb- áp lực trung bình; R- bán kính trục; ν- hệ số Poát-xông của vật liệu làm trục; E- mô đun đàn hồi Đối với trục thép ν = 0,3 và E = 2,1.104 KG/mm2thì công thức Khitrov có dạng:

2 tb

9500

.

9500

p

∆ +

Công thức (2.14) có chứa đại lượng ptb cũng chưa biết Chính vì vậy khi xác định chiều dài cung biến dạng theo công thức trên phải dùng phương pháp lặp A.A Korolev đưa ra phương pháp xác định áp lực trung bình và chiều dài cung biến dạng bằng đồ thị có tính tới sự đàn hồi của trục

Tuy nhiên, trước khi đưa ra công thức tính, Khitrov đã sử dụng các giả thiết đơn giản hóa, và xuất phát từ lời giải của Gers với bài toán tiếp xúc khi ép hai hình trụ với nhau nên kết quả tính được chỉ gần đúng Chính vì vậy nhiều tác giả đã xác định chiều dài cung tiếp xúc có tính đến biến dạng đàn hồi của trục với những qui luật phân bố ứng suất bề mặt khác nhau

Trong trường hợp cán nguội, đặc biệt là cán với lượng ép nhỏ thì khi tính chiều dài cung biến dạng không chỉ tính đến độ đàn hồi của trục mà còn phải tính đến đàn hồi của băng thép Tại tiết diện vào lượng biến dạng không đàn hồi của băng không đáng kể, nhưng ở tiết diện ra sự phục hồi biến dạng rất lớn

Chiều dài cung biến dạng trong cán nguội khi lượng biến dạng nhỏ, với ảnh hưởng của biến dạng đàn hồi của băng thép và trục cán được tính theo công thức:

=

h c

l p l R

30

-2

( 16

.

n

l

n E c

ν

π

−

= - hằng số đàn hồi của vật liệu cán

νn và En - hệ số Poát-xông và mô đun đàn hồi của vật liệu, ∆h

là lượng ép tuyệt đối

Giá trị đại lượng δ được xác định khi giải bài toán dỡ tải, trên cơ sở giải các

hệ phương trình cơ học môi trường liên tục; phương trình cân bằng, phương trình tốc độ biến dạng, các phương trình vật lý; phương trình thể tích không đổi và phương trình chuyển động Đối với bài toán phẳng, khi biến dạng đàn hồi hệ số cứng µ không đổi và bằng mô đun đàn hồi bậc hai của vật liệu:

) ν 2(l

En µ

2 1 1

2 1 z

.l 3h

2 1

.l 3h

6µ

.m h K

Nếu µ = 0,5 ta có:

En

.m h k

δ = 2 1 tb Trong đó: K2 = β.σs - giới hạn chảy cưỡng bức

mtb =

2

3 n 2

tb

2K

σ σ 1 K

σ

1− = − −

tb 2

btb- chiều rộng trung bình của vùng biến dạng l- chiều dài cung tiếp xúc

Khi cán tấm nóng có chiều dày lớn hơn 2 mm trên trục phẳng, diện tích tiếp xúc tính như sau:

Trường hợp đường kính trục như nhau:

Để xác định diện tích tiếp xúc của lỗ hình bất kỳ, có thể dùng phương pháp qui đổi tiết diện:

trong đó: ∆hqđ = Hqđ - hqđ = Sb0

0 - Sb1

1 lượng ép qui đổi

S0, S1- diện tích tiết diện trước và sau lần cán

Hqđ, hqđ- chiều cao qui đổi trước và sau lần cán

Rqđ- đường kính trung bình của lỗ hình

Trong trường hợp cán nguội, khi xác định diện tích tiếp xúc, tùy từng trường hợp cụ thể mà áp dụng công thức tính chiều dài cung tiếp xúc theo các công thức đã giới thiệu ở mục 2.1.2

2.2 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN LỰC VÀ MÔMEN CÁN

2.2.1 Ảnh hưởng của sức căng đối với lực cán

σ

'' σ

' σ B

trong đó: p’- ứng suất tiếp xúc trung bình không tính đến sức căng; C- hệ

số xét đến sự giảm ảnh hưởng của ma sát ngoài đối với ứng suất do sức căng

2τ p

0

δ

x

0 0

1

F

P

hưởng của sức căng và ma sát ngoài:

h 2 δ

h ξ 1 h

h 2 δ

h ξ

∆h

2τ

p

2 δ

1

H 1 1

2 δ

H

0 0 0

Tìm trị số hH trong phương trình trên theo phương trình:

1 δ 1 1 δ 0 1

h 2 δ

h 2τ ξ 1 h

h 2 δ

h 2τ

1

H 1 S 1

2 δ

H

0 0 S

Bằng phương pháp tương tự và bằng cách đơn giản hóa có thể tìm ra được công thức tính ảnh hưởng của sức căng đối với lực cán Theo các số liệu của Chissanberg và R Sims, ứng suất tiếp xúc kim loại tác động lên các trục p có xét ảnh hưởng của sức căng, có thể được thể hiện dưới dạng:

4τ

σ σ 1 p

σ

2p

σ σ - 1

n = +

(2.29)

34

-2.2.2 Ảnh hưởng của chiều rộng kim loại cán đối với lực cán

Trong trường hợp tổng quát, có thể trình bày ảnh hưởng của chiều rộng dải cán như là tích của hai hệ số γ và nb, hệ số thứ nhất xét đến ảnh hưởng của σ2, còn

hệ số thứ hai - sự ảnh hưởng của ma sát ngoài liên quan tới sự mở rộng

Để xác định hệ số nb, có thể sử dụng công thức của S.I Gubkin, theo công thức này ứng suất khi chồn sản phẩm hình hộp bằng:

a 3b 1 2τ

l µµ 6b

l 3b 1

trong đó: b và h- các chiều rộng và chiều cao trung bình của mặt cắt kim

loại cán l- chiều dài cung tiếp xúc được thiết kế cho các điều kiện chồn,

α tg a h r.

l 3b

l 3b 1

Trong các tính toán gần đúng, có thể xác định hệ số γ.nb theo đồ thị (hình V.6- tài liệu[9]) được dựng trên cơ sở số liệu thực nghiệm, thu được khi cán nóng các dải có tỉ số b/l khác nhau, có sử dụng biểu thức:

b

i b

p

p 1,15 γ.n

(2.34)

35

trong đó: pi- ứng suất tiếp xúc khi tỉ số b/l < 5

Φ

' σ b

i 1,15.n σ

p =

2.2.3 Ảnh hưởng của ma sát ngoài đối với lực cán

Đối với trường hợp biến dạng hai chiều đều theo độ dày (n’’ = 1), không có sức căng n ''' 1

σ = Bỏ qua ảnh hưởng của chiều rộng dải cán (nb = 1), ta tìm ảnh hưởng của hệ số ma sát ngoài đối với lực cán theo tung độ trung bình của biểu đồ phân bố ứng suất pháp tuyến của ứng suất tiếp xúc cung biến dạng Theo phương

1 F

2τ

P 1,15.σ

P

Khi tỉ số l/htb lớn hơn 2 và đặc biệt khi cán nguội đoạn đình trệ trên cung tiếp xúc tương đối nhỏ, vì vậy có thể không xét đến sự vê tròn biểu đồ các ứng suất pháp tuyến Ngoài ra có thể coi rằng khi l/htb = 4 ÷ 5 thì có sự trượt trên toàn bộ cung tiếp xúc Khi tìm được trị số pr và đưa vào phương trình = = ∫

1

0

1 p dx

l F

∆h(δ

2h n

δ

1

H H

'

và tìm ra công thức xác định hệ số trạng thái ứng suất, xét đến ảnh hưởng của ma sát ngoài

36

-tb

H 1

' σ

h

l 4

1 1

∆h

h 2

∆h h

∆h

2l 1

Định luật đầu tiên do Amonton và Culong đưa ra có dạng:

trong đó: T- lực ma sát, N- áp lực pháp tuyến, f- hệ số ma sát

Lý thuyết ma sát về mặt cơ học, giải thích sự xuất hiện lực ma sát là do độ nhám bề mặt tiếp xúc của hai vật rắn Theo thuyết này sự liên hệ tỉ lệ giữa lực pháp tuyến và diện tích tiếp xúc thực làm cho hệ số ma sát không phụ thuộc vào áp lực,

độ nhám và diện tích tiếp xúc Khi đó hệ số ma sát xác định bằng tỉ số trở kháng trượt thuần túy và giới hạn chảy Chính vì vậy mà định luật Amonton - Kulong chỉ

có tác dụng trong những điều kiện nhất định Nếu cho rằng, định luật Amonton - Culong đúng trong các vùng trễ và vượt, thì sự phân bố lực ma sát theo chiều dài cung biến dạng được biểu thị trên ( hình 2.5 )

ld

Hình 2.5 Biểu đồ phân bố ứng suất ma sát

theo định luật Amaton - Culong

O

τx

cơ sở là giữa kim loại và trục cán có tồn tại ma sát lỏng, theo lý thuyết này lực ma sát có thể tồn tại trong cán nguội, trục cán được đánh bóng, có chất bôi trơn và tốc

độ cao, tuy nhiên nhiều nghiên cứu cho thấy, ngay cả trong trường hợp có nhiều chất bôi trơn trên bề mặt tiếp xúc thì ma sát vẫn không phải là ma sát lỏng Như vậy, định luật của A Nadai cũng chưa chính xác

dy

dv η.

dv = x− t

(2.42) trong đó:vx- tốc độ chuyển động của kim loại tại tiết diện xét, vt- tốc độ dài

ld

τx

O

Hình 2.6 Biểu đồ phân bố ứng suất

ma sát theo định luật E Zibel

38

-Dựa trên nguyên lý thể tích giây không đổi:

x

1 1 x

h

h v

v = ;

H

1 1 t

h

h v

v =

trong đó: v1-tốc độ ra khỏi trục của kim loại, hH- chiều cao tiết diện trung hòa Thay thế các giá trị trên vào phương trình (2.41) và (2.42), thì ứng suất ma sát có dạng:

1 1 x

h

1 h

1

∆

.h η.v

Dấu “-“ được sử dụng cho vùng trễ, dấu “+” cho vùng vượt

Biểu đồ ứng suất tiếp ma sát trong vùng biến dạng thể hiện trên (hình 2.7)và khác với hai định luật trước là không có thay đổi gián đoạn, đột biến khi đổi dấu từ

âm sang dương tại tiết diện trung hòa Tất cả các lý thuyết đã xét đều giả thiết rằng: trong vùng biến dạng chỉ có vùng trượt, tuy nhiên trong vùng biến dạng ngoài vùng trượt có thể còn tồn tại vùng dính Lý thuyết này được A.I Xelicov đề nghị, theo đó ranh giới giữa vùng vượt và vùng trễ, nơi mà lực ma sát đổi dấu không phải là một điểm, mà là một khoảng (vùng), mà tại đó trượt trễ đã kết thúc và trượt vượt chưa bắt đầu A.I Xelicov đề xuất, đối với biến dạng phẳng (cán tấm rộng bản trên trục phẳng) có bốn dạng biểu đồ ứng suất ma sát Chúng phụ thuộc vào tỉ số ⎜⎜⎝⎛ ⎟⎟⎠⎞

tb

h

l :

0,5 h

l 2;

0,5 h

l 5;

2 h

τx

Hình 2.7 Biểu đồ phân bố ứng suất

ma sát theo định luật Niuton

Khi ứng suất ma sát đạt giá trị K thì cơ chế trượt trên bề mặt cũng không còn nữa và trên khoảng CD là vùng dính

Tại khu vực giữa của vùng dính, lân cận tiết diện trung hòa, có thể tồn tại khu vực không có biến dạng dẻo, gọi là vùng hãm, trên khoảng EF lực ma sát thay đổi từ 0 đến cực đại

EF của vùng hãm

Trên vùng AC và BD lực ma sát thay đổi theo định luật ma sát khô τx = f.Px

Hình 2.8 Biểu đồ ứng suất ma sát khi 1/h tb > 5

= , chiều dài cung biến dạng nhỏ so với chiều cao trung bình của

phôi và vùng trượt không tồn tại và vùng dính phát triển ra toàn bộ chiều dài cung biến dạng (hình 2.10)