钢轧制基础：从铸坯到成品的核心原理

钢轧制基础

液态钢通常在连铸机铸成方坯、矩形坯、板坯。部分厂也连铸薄板坯或狗骨型断面。这些形状经热轧通过平辊或槽辊旋转圆柱辊生产板材、薄板、棒材、型材、管材等。

轧制工艺是最重要广泛使用工业金属成形操作之一。提供高产量和成品精密控制。1500年代末发展。占金属加工工艺生产金属90%。

钢轧制是钢通过一对旋转辊塑性变形金属成形工艺。塑性变形由旋转辊施加压缩力引起。辊与钢坯料表面摩擦产生高压应力。钢材料在辊对间被挤压，结果厚度减薄、长度增加。轧制按轧制钢温度分级。钢温度高于再结晶温度称热轧。低于再结晶温度称冷轧。

轧机架

辊运行于安装在高强度机架中的大型颈部轴承，由强力电机驱动。称轧机架。轧机架含两个或更多辊用于旋转辊间钢塑性变形。基本含：

1. 辊
2. 轴承
3. 容纳这些部件机架
4. 齿轮箱
5. 驱动（电机）供辊动力
6. 控制速度调速装置
7. 液压系统

轧机架要求极刚性结构和大电机供足够动力。轧机架类型：

• 两辊架：基本型，两相对辊。非可逆辊同向旋转。工件不可从另侧进。可卧式或立式。卧式两辊水平，立式两辊垂直。
• 两辊倒带架：轧件返回入口进一步减薄。
• 两辊可逆架：反转旋转方向工件可来回通过辊。提高生产率。
• 三辊架：三辊。上下辊驱动，中辊摩擦旋转。先下中辊对轧制一方向，再反向工件通过中上辊对轧制。提高生产率。
• 四辊架：小直径辊（低强度刚度）由大直径支撑辊支撑。轧制功率正比辊直径。小直径辊减少功率输入。小直径辊强度差可能弯曲。故用大直径支撑辊支撑小辊。小直径辊可轧薄板。
• 万能轧机架：两水平辊两垂直辊。垂直辊同时控制工件宽度。
• 簇式轧机/森吉米尔轧机架：每个工作辊由两背衬辊支撑。簇式/森吉米尔轧机用于轧制高强度材料薄带和箔（0.0025mm厚）。这些磨机工作辊可小至6mm直径-碳化钨制。
• 行星轧机：一对重背衬辊周围大量行星辊。每行星辊在背衬辊和板坯间扫出圆周路径给板坯近恒定减薄。每对行星辊停止接触工件，另一对接触重复减薄。总减薄是各对辊系列小减薄求和。故行星轧机可一道次热轧板坯直轧成带。操作需进料辊引入板坯入磨机，出口一对整光辊改善表面光洁度。

连轧机有系列轧机架按序排列提高生产率。钢坯料在磨机各架以不同速度移动。

广义上，轧机是自动系统或轧机架线配合系列设备执行轧制和辅助操作：原始坯料/矩形坯/板坯从库存至加热炉和磨机辊输送、轧件从一架传递至另一架、部分磨机翻转扭转、轧后金属输送、切割、部分磨机冷却床冷却轧件、标记/打印、修边、包装、成品输送至库存。一些磨机（热带钢轧机、线材轧机、中小型材轧机、冷轧机）轧件在卷取机或收卷机卷取。

大多轧制高温进行，称热轧，因需大变形。热轧结果无残余应力产品。但氧化铁皮是热轧主要问题，因难保持尺寸精度。

热轧钢冷轧重要，因高精度无氧化铁皮。在再结晶温度以下进行，引入加工硬化。冷轧钢板起始材料是连续热带钢轧机酸洗热轧卷。冷轧总减薄通常50-90%。每架减薄均匀分布不大幅低于每道次最大减薄。通常最后道次最低百分比减薄以允许更好控制平直度、规格、表面光洁度。

轧制按工件温度分级。钢温度高于再结晶温度称热轧。热加工工艺大变形可连续重复，因钢保持软韧。钢坯料受辊与钢表面摩擦高压应力。轧制涉及材料通过两辊大致同周速相反方向旋转（顺时针逆时针）通过。辊间距间隔略小于入辊钢坯高度。辊可平或槽型（轮廓）用于棒材型材热轧。此条件下辊咬入钢件交付，横截面积减小因此长度增加。

大部分钢产品初始热加工在初轧粗轧机进行。目标：分解减小轧件横截面为后续精轧成棒、带、板或多种轧制断面。铸造矩形坯、板坯、方坯初始加热1100-1300℃。钢热轧中最终精轧架温度850-900℃变化，始终高于钢上临界温度。钢在辊间挤压直至达最终厚度形状。为达此，辊施加数千吨力。

轧机布局从简单单架到多架并排或排列。机制通常称辊道引导工件至辊，另一辊道处理出辊件。辊前辊道强迫钢靠辊咬入拉入辊间。钢由此减薄至辊距厚度，槽辊按槽设计成型。热轧允许少轧制循环达钢大变形。

热轧分多步，每阶段给予压下/减薄。最终压下在再结晶或相变温度以上温度进行。因此冷坯料加热至远高于再结晶温度。故工件最终温度取决于总压下量、提供压下步骤数、钢坯料成分。

轧机目标：减薄钢厚度、增加长度、宽度少增。轧件中心材料受宽度方向约束，辊两侧未成形肩部材料约束防止轧件宽向延伸。此条件称平面应变。材料因此变长不变宽。

影响轧制力学因素

影响轧制力学主要因素：

• 辊直径
• 单道次减薄量
• 待轧材料初始厚度
• 轧制速度（决定应变率）
• 前后张力
• 辊与被轧钢摩擦性质
• 钢材料和辊温度范围
• 被轧钢材料物理性能
• 辊轮廓/轧制道次形状
• 载荷下磨机行为
• 材料前处理效应（加工硬化或其他效应）
• 载荷下辊弹性变形
• 冶金、温度、应变率影响金属变形抗力
• 材料各向异性状态
• 长宽比：轧件宽度与初始厚度比

上述参数单独或联合（两两或更多组合）产生更直接关联轧制过程常见次级参数现象。辊压、扭矩、功、功率受这些因素影响。主要参数：

• 压下系数、绝对压下、相对压下：由轧件初始最终平均厚度确立
• 滑移：轧件线速度与辊周速度差表征。中性角由无滑移点决定
• 展宽：出口材料宽度与入口轧件宽度差
• 伸长系数：取决于压下和展宽相对值
• 咬入：压下、辊直径、摩擦系数、入口厚度函数

轧制基本概念

钢轧制基本概念：

• 辊与钢接触弧是圆弧一部分
• 摩擦系数理论常数，实际随接触弧变化
• 钢材料轧制中塑性变形
• 轧件卷积前后体积恒定。实际因孔隙闭合体积可能略减
• 辊速度假设恒定
• 钢坯料仅轧制方向延伸，宽度无延伸
• 垂直轧制方向横截面积不扭曲

除带张力冷轧外，外摩擦（辊面与轧件材料表面摩擦）是轧制减薄钢材料根本因素。是将材料拉入辊间力，标志轧制与拔拔本质区别。摩擦极大影响辊材料间作用压力大小分布，从而影响减薄材料所需功率。也控制可能减薄量。通常摩擦系数越高，可能压下越大。视钢材料进入辊缝条件，两情况可发生：

• 钢被辊咬入拉入辊缝
• 钢在辊面滑移，不被咬入，轧制不发生

摩擦力大小取决于接触面条件，随粗糙度增加、辊相对速度、辊压增加而增大。

减小轧制力策略

• 降低辊-工件界面摩擦
• 用小直径辊减小接触面积
• 减小单道次压下减小接触面积
• 高温轧制降低材料强度
• 对轧件施加前/后张力

锻造或铸钢产品热轧时，粗大晶粒结构变细但沿轧制方向延长。此织构晶粒结构导致轧件方向性[各向异性]。为细化晶粒，轧后立即热处理导致轧后再结晶。

轧机类型

不同轧机类型：

• 连轧机
• 可逆轧机
• 横向轧机：用圆楔辊。加热棒切定长横向进辊间。磨机辊单向旋转。
• 异形轧机/型材轧机：棒材轧机、中小型材轧机、线材轧机、大型材轧机、梁轧机、轨梁轧机。
• 环形轧机：环形预成形件置自由转动内辊和驱动外辊间。环轧机使断面变薄同时增大环直径。
• 粉末轧机：金属粉末引入辊间压实成"绿带"，随后烧结进一步热加工和/或冷加工退火循环。
• 薄板坯铸轧机：用于热带钢生产。液态钢铸薄板坯（厚50-80mm）经炉温度均匀化后在热带钢轧机精轧机轧制。
• 螺纹轧机：模具压向圆柱坯表面。坯对进料模面滚动时材料位移形成螺纹牙底，位移材料径向外流形成螺纹牙顶。

轧制力学与几何关系

厚度h₀钢板以速度v₀入口平面xx进入辊。通过辊缝以减薄厚度h_f和速度v_f离开出口平面yy. 因宽度不增，钢垂直压缩转化为轧制方向伸长。因单位时间给定点钢体积全程无变化，故

b×h₀×v₀ = b×h_f×v_f = b×h×v

其中b为板宽，v为h₀和h_f间任意厚度h处速度。

图1示轧制几何关系和力。

仅在辊与板接触面沿线一点，两力作用于钢：(i)径向力P_r，(ii)切向摩擦力F。入口平面(xx)与中性点间板移动慢于辊面，切向摩擦力F按方向（见图1）拉钢入辊。中性点出口侧(yy)板移动快于辊面。摩擦力方向反转阻碍板从辊交付。

轧制要点

钢轧制要点：

• 轧制是应用最广钢金属成形工艺，份额约90%
• 待轧材料靠摩擦拉入两旋转辊缝
• 辊施加压缩力减薄材料厚度或改变横截面积
• 产品几何取决于辊缝轮廓
• 辊材料铸铁、铸钢、锻钢因高强度耐磨要求
• 热轧机辊通常粗糙以便咬入工件，冷轧机辊磨削抛光获良好光洁度
• 轧制中晶粒沿轧制方向延长。冷轧晶体多少保持延长形状，热轧出变形区后开始重组
• 辊入口处周速超带速，界面摩擦足够大时带被拖入
• 变形区钢坯料厚度减薄伸长。增加出口轧钢线速度
• 故存在中性点辊速带速相等。此点摩擦方向反转
• 接触角超摩擦角辊无法拉入新带
• 辊扭矩功率等随辊-工件接触长度或辊半径增加而增