【正文】 第 1 章 緒論 1 金屬帶材卷取理論研究與卷取軸結(jié)構(gòu)的設(shè)計 碩士學位論文 第 1 章 緒論 選題背景 鋁箔具有優(yōu)良的特性，廣泛用于車輛、船舶、航空航天、建筑、房屋、包裝容器、電子電氣、機械制造、絕熱材料，裝飾品以及裝潢商標等各個領(lǐng)域 [1]，而我國人均鋁的消費量與發(fā)達國家相比差距甚大 ,按本世紀初的統(tǒng)計資料僅與世界平均值相當。其中原鋁美國約為 31kg/(人年 ),日本 28kg/(人年 ),中國僅為(人年 )；鋁材美國的消費量為 28kg/(人年 ),日本 (人年 ),中國僅為 (人年 )。 因此我國鋁加工產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)能應(yīng)該有較大的發(fā)展空間， 且 20xx 年增長到了 千克。 隨著 人們 生活水平的提高 ,鋁箔消費 也會有 很大的提升空間 和 潛力 。由于 內(nèi)需市場 的 拉動 ， 給 我 國鋁箔企業(yè) 的 發(fā)展帶來了很好的機遇 [23]。 近年來 , 全球鋁的生產(chǎn)和應(yīng)用快速發(fā)展 , 從 1940年的 100萬 噸 增長到 20xx年的 3100多萬 噸 , 65年間鋁產(chǎn)量增長了 31倍。 20xx年 , 全球共計 50個國家的 200多家電解鋁企業(yè)總產(chǎn)能達 363618萬 噸， 20xx多家鋁加工企業(yè)總產(chǎn)能 3700萬 噸， 全球板帶產(chǎn)量 1702萬 噸 ,年增長 4%,擠壓材產(chǎn)量 1106萬 噸， 年增長率 414%， 箔材產(chǎn)量 290萬 噸 ,年增長 515%[45]。 20xx年全球鋁消費量同比增長 14%，達 4070萬噸，產(chǎn)量同比增長 10%，達 4120萬噸。世界十大原鋁消費國中，中國、美國和日本分列前三位，美國作為世界第二大消費國，其消費量占世界總量的 14%，總體呈下降趨勢， 5年復(fù)合增長率為－% 。而中國和印度是原鋁消費量增長最快的國家，消費量的復(fù)合增長率分別為 % 和 %。原鋁產(chǎn)量的空前增長歸因于發(fā)展中地區(qū)和新興經(jīng)濟體經(jīng)濟發(fā)展過程的快速城鎮(zhèn)化 [6]。 經(jīng)過半個多世紀的發(fā)展 , 特別是進入 21 世紀以來 , 隨著 我國經(jīng)濟的快速增第 1 章 緒論 2 長，鋁工業(yè)也進入了高速發(fā)展階段 。 20xx年鋁材產(chǎn)量為 1650. 3萬噸，與 20xx年相比，增長了 15. 6%。其中板帶材產(chǎn)量約為 500萬噸，箔材產(chǎn)量約為 170萬噸，型材約為 900萬噸 [7]。 根據(jù)國際鋁協(xié)統(tǒng)計， 20xx年除中國之外的世界原鋁產(chǎn)量為 2429萬噸，同比增加了 %。如果將中國產(chǎn)量包括在內(nèi)， 20xx年全球原鋁產(chǎn)量為 4042萬噸，同比增加 %。 從產(chǎn)能分布來看，西方一些如美國、日本、歐洲等發(fā)達國家和中國是世界主要的鋁型材生產(chǎn)和消費區(qū)域。 20xx年全球生產(chǎn)鋁型材加工的國家和地區(qū)約有 9個，包含的生產(chǎn)企業(yè)約 20xx余家，中國作為鋁消耗增長最快的國家，其涵蓋的產(chǎn)能占世界總產(chǎn)能的比重超過 50%，位列第一。隨著全球經(jīng)濟增長及鋁型材加工用途不斷擴展，全球鋁型材加工的產(chǎn)量由 20xx年約 869萬噸增長至 20xx年約 1550萬噸，年復(fù)合增長率約為 %。預(yù)計 20xx年，全球鋁型材加工量將達約 1669萬噸。 從地區(qū)來看， 20xx到 20xx年全球主要地區(qū)消費量呈現(xiàn)出不同走勢，中國消費量比例大幅上升，而北美洲和歐洲相對呈現(xiàn)出下降趨勢。截至 20xx年，中國消費量占全球消費 量的比值達到 47%，而日本、歐洲和北美洲分別僅占到了 6%、 21%、8%，中國已經(jīng)成為鋁型材加工的消費大國 [8]。 經(jīng)過 60多年的發(fā)展，我國鋁加工業(yè)已成為全球最大的鋁材生產(chǎn)國、消費國，并已發(fā)展成為國際市場重要的鋁材生產(chǎn)供應(yīng)基地。據(jù)中國有色金屬工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計，到 20xx年，我國鋁加工材產(chǎn)量已達到 2345萬噸。自 20xx年以來，鋁加工材產(chǎn)量年復(fù)合增長率實現(xiàn)了 %的高速增長， 鋁帶材的生產(chǎn)離不開卷取機，正是在這種大背景下，各個鋁加工企業(yè)更需要先進的、能夠生產(chǎn)高質(zhì)量鋁帶材的卷取機。 卷取機的發(fā)展與研究現(xiàn)狀 在鋁 帶冷 軋 帶 材 生 產(chǎn) 作 業(yè) 線 上 ， 卷取 機 是 關(guān) 鍵 的設(shè) 備 之 一 ，在軋制 過程 中 與主 機 或 其 它 設(shè) 備建立張力 ， 實現(xiàn) 穩(wěn) 定 軋制 。 用 來 將 鋁 帶卷取成卷 ， 以 便 生 產(chǎn) 、 運輸 和 貯 存 。 在熱帶鋼連軋機（ 熱連軋機組 ）、冷帶鋼連軋機和 線材 軋機上布置在成品機座之后；在單機座可逆冷帶軋 機上則安裝在軋機的前后。此外，它也安設(shè)在連續(xù) 酸洗 機組、縱剪、 退火 、涂層等各種精整機組中。 在 現(xiàn) 代 化 高速鋁 帶冷 軋機組 中 ， 卷取 機 卷取軸通 常 采 用 閉式 四 斜楔卷取軸 結(jié)構(gòu) ，四 斜楔卷取軸 結(jié)構(gòu) 簡單 ，形 狀對稱 ，動平 衡 性能 好 ， 卷取 速 度 可達 1000m/min 以 上 [9]。 它廣泛用于連續(xù)式第 1 章 緒論 3 或可逆式軋制、精整機組，按其用途可分為安裝在主軋機前后和各輔助機組之中兩種。具有工作負荷大、環(huán)境惡劣、故障 率高的特點、既影響著連軋的產(chǎn)量、質(zhì)量，又是后續(xù)酸洗、鍍鋅的保障。 隨著鋁帶材生產(chǎn)向高生產(chǎn)率和高精度發(fā)展，帶卷變得越來越重，卷取張力越來越大，軋制速度越來越高，產(chǎn)品質(zhì)量要求越來越嚴格。從而對卷取設(shè)備提出了更高的要求。在國外，能夠進行機電液和自動化整體設(shè)計制造能力的公司有很多，水平較高的公司有德國 SMSDEMAG公司、日本的石川島播磨公司 (IHI)和三菱重工業(yè)公司 (MHI)等 [10]。從總 體水平上看，德國和日本的幾家公司的卷取機的夾送輥，一次上機壽命一般是 2到 ，卷取鋼卷數(shù)約 20xx0到 25000卷，卷取重量為 60到 75萬噸。一次上機使用能達到卷取 100萬噸鋼卷的能力。 由日本新日鐵公司和日立公司新研制的油壓式地下卷取機是世界上第一臺卷取性能好和可靠性大的油壓式地下卷取機，它能實現(xiàn)自壓緩振，采用緩振框架降低沖擊作用，頭幾圈能實現(xiàn)立即卷緊，進而用助卷輥的彈跳機構(gòu)消除頭幾圈帶材表面的壓痕。目前世界上最先進的卷取機為卡羅塞爾卷取機。 國外學者在卷取機方面所進行的研究主要有： (1)卷取溫度方 面的研究。①研究卷取溫度對鋼材性能的影響。通過對卷取過程溫度仿真模型的分析，將卷取溫度作為整個軋制過程中的參數(shù)之一，研究一定卷取溫度下鋼材的金相組織等的變化以及卷取溫度對低碳鋼、合金鋼等不同材料的機械性能、磁力特性能等的影響，最終達到提高產(chǎn)品性能的目的。②對卷取溫度控制的研究。通過對冷卻水噴射的速度、噴射方式等進行優(yōu)化控制，達到盡快冷卻到卷取所需溫度的目的。 (2)卷取過程中鋼材變形機理的研究。通過研究軋制和卷取全過程中的鋼材微觀結(jié)構(gòu)進行分析，最后達到提高鋼材機械性能的目的。例如美國鋼鐵研究院及美國能源部合資 開發(fā)了熱軋鋼材生產(chǎn)線的機械特性模型 HSMM version 6． 0(The Hot Strip Mill Model)，通過對軋制和卷取全過程中鋼材變形微觀結(jié)構(gòu)進行研究分析，可以對卷取溫度、卷取后鋼材的晶體顆粒大小、鋼材的機械性能 (如抗拉強度、屈服強度、延伸率等 )進行預(yù)測。 HSMM己經(jīng)用于某些鋼鐵公司 [1112] 卷取機技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，目前己達到較高的水平，但受國情影響，我國同國外相比，在高速卷取、超薄帶材卷取、卷取軸二次脹縮等新技術(shù)上仍相差較遠。 卷取機的設(shè)備質(zhì)量水平高低和卷取工藝的選擇直接影響熱軋 生產(chǎn)線的產(chǎn)量第 1 章 緒論 4 和帶材的質(zhì)量。而現(xiàn)在國內(nèi)大多數(shù)鋁企業(yè)的卷取設(shè)備都比較陳舊的現(xiàn)狀，造成軋制的厚度范圍小，帶材的卷取質(zhì)量差等缺點。這與我國國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展對帶材質(zhì)量要求越來越高是不相適應(yīng)的，因此我們必須改變國有冶金設(shè)備落后的現(xiàn)狀，加快技術(shù)改革，推進冶金設(shè)備制造國產(chǎn)化的進程。 近幾年隨著國家經(jīng)濟形勢的持續(xù)升溫，一些鋼鐵和鋁業(yè)公司引進和改造了不少卷取機設(shè)備，縮短了我國在卷取機技術(shù)領(lǐng)域同國外的差距。外國公司一些最先進的產(chǎn)品在我國均有應(yīng)用，但國外各大公司出于經(jīng)濟角度的考慮，對該設(shè)備的重要設(shè)計技術(shù)加以保密，一定程度上阻礙了 我國卷取機技術(shù)的發(fā)展，因此我國很難具有獨立設(shè)計能力。 國內(nèi)對卷取機的研究主要集中在： (1)卷取溫度控制方面的研究和仿真分析。 近幾年來，在建立帶鋼冷卻過程模型方面，人們的研究工作包括帶鋼在輸出輥道上換熱機理的研究及溫度控制數(shù)學模型的開發(fā)。在卷取控制領(lǐng)域，國內(nèi)學者通過建立合理的仿真模型或控制算法，對卷取系統(tǒng)的控制效果進行了研究和分析。 (2)機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計與卷取參數(shù)的確定。在機械結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，一般是卷取機機械結(jié)構(gòu)方面的改進，而卷取參數(shù)的確定主要應(yīng)用于兩方面。一方面可對原有設(shè)備的卷取參數(shù)進行優(yōu)化，從而提高卷取質(zhì)量 ，降低故障率等；另一方面是在引入國外的卷取設(shè)備后，學習其技術(shù)，然后對一些核心技術(shù)、關(guān)鍵參數(shù)進行改進。 卷取機的核心部件是卷取軸，而卷取軸的設(shè)計是依據(jù)卷取理論。 卷取理論研究現(xiàn)狀 卷取理論研究比較多的是前蘇聯(lián)和日本的學者，也有其它的一些國家如德國、英國等。前蘇聯(lián)和日本的很多學者研究過與卷取軸相關(guān)的問題，于是就提出了各種設(shè)計卷取軸要考慮的帶卷徑向壓力的計算公式。有些公式作的假設(shè)忽略掉了一些重要的因素，部分學者將這些因素考慮進去，如鈴木弘，荒木甚一郎等就在文章中提到了帶材層間摩擦力的因素。 Wadsley 和 Edwards簡單建立了計算帶卷內(nèi)部應(yīng)力分布數(shù)學模型。在國內(nèi)，上海重型機械廠機械科學研究所和西安重型機械研究所做過一些只限于卷取軸壓力和強度的測定和研究，蔣昭針對有色金屬加工，提出了卷取機卷取軸徑向壓力計算的蔣昭公式 [13]。 八十年代，國內(nèi)對卷取的研究大都針對卷取軸壓力的計算，借鑒和發(fā)展了國外的一些研究成果。把卷取軸單位壓力的計算當作彈性理論平面問題進行求解，第 1 章 緒論 5 得出考慮帶卷各向異性的卷取軸單位壓力計算公式，在蘇聯(lián)人的研究基礎(chǔ)上探討了確定帶卷徑向壓縮系數(shù)的一種理論計算方法，對卷取機卷取軸單位壓力有了進一步 的認識，其中國內(nèi)連家創(chuàng)教授等人對卷取過程中帶卷內(nèi)部的三維應(yīng)力分布和卷取軸單位壓力進行了深入研究。九十年代至今，國內(nèi)外都側(cè)重于卷取張力的控制及模型的研究。對于張力控制，分別提出：卷取恒張力控制新方法、建立和探討卷取數(shù)學模型、卷取張力的變參數(shù)控制、設(shè)定卷取過程中張力曲線等方法。國外如韓國學者也對卷取過程中的張力控制進行了研究，提出卷取時的最佳張力曲線，認為交錯纏繞、帶卷滑移、刮傷等大多數(shù)操作問題發(fā)生在帶卷卷取期間；而且，不合適的卷取張力工藝設(shè)定和不充分的卷取軸設(shè)計導(dǎo)致快速卷取的不穩(wěn)定性，致使出現(xiàn)卷形不良等情況。 這些文獻對帶材卷取過程中帶材應(yīng)力的分布及其對卷取張力的影響和要求未作研究 [1418]。 目前一些徑向壓力計算公式及相關(guān)說明 [1928] （ 1） ．英格利斯（ Inglis）公式 該公式是按厚壁圓筒的彈性力學平面軸對稱的拉美公式推導(dǎo)的，可用于中、小張力非漲縮卷取軸的徑向壓力計算。 2 2 20 112 2 211 l n ( )2 r R rP M P ar r r????? ??? ???? ??? ?? 式中： 0? — 帶材單位張力， MPa ； R — 帶卷外半徑， mm ； 1r — 卷取軸的當量內(nèi)半徑， mm ； r — 卷取軸外半徑， mm ； （ 2） 這一公式也是按厚壁圓筒的彈性變形理論推導(dǎo)的，但它考慮了帶卷材料的各向異性彈性體影響，可用于計算弓形板結(jié)構(gòu)卷取軸的徑向壓力計算。 ? ? ? ? ? ?239。39。 2 221 ()41 11TP M P arB h KK R r?? ?? ?? 式中： T — 卷取張力， N； B 、 h — 帶材寬度和厚度， mm ； 第 1 章 緒論 6 39。K — 帶材卷徑與材料的綜合系數(shù)： 2239。 21122211E r rK E r r ?????? ? ?????? 其中 1E 、 2E — 卷取軸、帶材材料彈性模數(shù)； 1? 、 2? — 卷取軸、帶材材料泊松系數(shù)； 1r 、 r — 卷取軸當量內(nèi)半徑和外徑。 當卷取碳帶材材時，則 12EE? ， 12??? ，于是 239。22121 rK rr?? ?。當卷徑比2Rr較大時，卷取軸徑向壓力為一有限值，即： ? ? ? ?m a x 39。1 . 2 1TP M P aB h K? ? 但是特列基雅柯夫公式，對于卷取有色金屬帶材與卷取帶鋼沒有區(qū)別；同樣對于卷取冷態(tài)帶鋼與卷取熱態(tài)帶鋼也沒有區(qū)別。它僅適用于卷取冷態(tài)帶鋼。 （ 3）周國盈公式 此公式是將帶卷作為連續(xù)帶環(huán)多層組合的彈性圓筒，并考慮帶卷層的摩擦，從而導(dǎo)出卷取軸徑向壓力的計算公式： ? ? ? ?2 2 2 2002011ln2 1 2f B R r R reP Br?? ????? ? ? ???? ? 式中： ? — 卷取單位張力， Tbh?? ， T 為卷取張力， b 為帶寬， h 為帶厚； 22021220xx22rrEEB E r r E?????? ? ??????當當 1E 、 1? — 帶卷材料的彈性模量 、泊松比； R — 帶卷的最大外半徑； 2E 、 2? — 卷取軸材料的彈性模量、泊松比； 0r 、 r當 — 分別為卷取軸的外半徑和當量內(nèi)半徑； f — 帶材卷層之間摩擦系數(shù)，對于卷取冷態(tài)帶材卷取時， ~ ? ，對于卷取熱態(tài)帶材時， ? 。 第 1 章 緒論 7