Pass: Hoạt động cán quan trọng trong sản xuất và chế biến thép

Định nghĩa và khái niệm cơ bản

Trong ngành công nghiệp thép, "lượt" dùng để chỉ một chuyển động duy nhất của kim loại qua máy cán hoặc khuôn kéo dẫn đến giảm diện tích mặt cắt ngang và tăng chiều dài. Hoạt động cơ bản này đại diện cho một trong những bước quan trọng nhất trong quá trình chế biến thép, biến vật liệu đúc thành các sản phẩm hữu ích với kích thước cụ thể và các đặc tính cơ học được cải thiện.

Khái niệm về các lần cán là trung tâm của các hoạt động tạo hình kim loại, đặc biệt là trong các nhà máy cán, nơi thép trải qua quá trình biến dạng liên tục qua nhiều lần cán để đạt được hình dạng và tính chất mong muốn. Mỗi lần cán góp phần vào tỷ lệ giảm tổng thể, độ cứng biến dạng và sự tiến hóa về cấu trúc vi mô của vật liệu.

Trong lĩnh vực luyện kim rộng hơn, khái niệm đường chuyền kết nối các hoạt động đúc và hoàn thiện, đại diện cho phương tiện chính mà các nhà luyện kim kiểm soát cấu trúc vi mô và tính chất cuối cùng của các sản phẩm thép. Trình tự, số lượng và thiết kế của các đường chuyền về cơ bản xác định chất lượng sản phẩm, hiệu quả sản xuất và mức tiêu thụ năng lượng trong sản xuất thép.

Bản chất vật lý và cơ sở lý thuyết

Cơ chế vật lý

Ở cấp độ vi cấu trúc, một đường lăn gây ra biến dạng dẻo thông qua chuyển động và sự nhân lên của các sai lệch trong mạng tinh thể thép. Các sai lệch này tương tác với nhau và với các chướng ngại vật như ranh giới hạt, chất kết tủa và các khuyết tật mạng khác, gây ra sự cứng lại do ứng suất.

Trong mỗi lần cán, các hạt kéo dài theo hướng cán và dẹt theo hướng bình thường, tạo ra định hướng tinh thể hoặc kết cấu ưa thích. Cấu trúc hạt dị hướng này ảnh hưởng đáng kể đến các tính chất cơ học của sản phẩm cán, đặc biệt là các đặc tính về độ bền và khả năng tạo hình của nó.

Vùng biến dạng, nơi vật liệu tiếp xúc với các con lăn, trải qua các trạng thái ứng suất phức tạp bao gồm nén theo hướng vuông góc và căng theo hướng cán. Nhiệt sinh ra trong quá trình biến dạng dẻo có thể gây ra sự phục hồi động hoặc kết tinh lại tùy thuộc vào điều kiện nhiệt độ và tốc độ biến dạng.

Mô hình lý thuyết

Lý thuyết lăn của Sims đại diện cho mô hình lý thuyết chính cho cán phẳng, mô tả mối quan hệ giữa lực lăn, mô men xoắn và các biến quy trình. Mô hình này, được phát triển vào giữa thế kỷ 20, coi vùng biến dạng là vấn đề nén biến dạng phẳng với ma sát tại giao diện cán-vật liệu.

Hiểu biết lịch sử phát triển từ các quan sát thực nghiệm của các nhà luyện kim thời kỳ đầu thành các mô hình tính toán phức tạp. Công trình ban đầu của von Kármán (1925) và Orowan (1943) đã thiết lập nền tảng cho lý thuyết cán hiện đại thông qua phân tích trường trượt.

Các phương pháp tiếp cận thay thế bao gồm các phương pháp giới hạn trên ước tính yêu cầu công suất, các mô hình phần tử hữu hạn nắm bắt các mẫu biến dạng phức tạp và các mô hình trí tuệ nhân tạo dự đoán kết quả lăn dựa trên dữ liệu lịch sử. Mỗi phương pháp tiếp cận cung cấp các lợi thế khác nhau về độ chính xác, hiệu quả tính toán và khả năng áp dụng cho các điều kiện lăn cụ thể.

Cơ sở khoa học vật liệu

Biến dạng đường đi ảnh hưởng trực tiếp đến cấu trúc tinh thể bằng cách tăng mật độ trật khớp và tạo ra kết cấu tinh thể. Tại ranh giới hạt, biến dạng gây ra sự quay, trượt và trong một số trường hợp, hình thành ranh giới mới thông qua quá trình kết tinh lại động.

Cấu trúc vi mô tiến hóa dần dần qua nhiều lần cán, với quá trình tinh chế hạt xảy ra thông qua quá trình kết tinh lại giữa các lần cán (trong quá trình cán nóng) hoặc thông qua ứng suất tích lũy (trong quá trình cán nguội). Quá trình tiến hóa này kiểm soát kích thước hạt cuối cùng, phân bố pha và hình thái tạp chất.

Các nguyên tắc khoa học vật liệu cơ bản chi phối các hoạt động xử lý bao gồm làm cứng, phục hồi, kết tinh lại và chuyển đổi pha. Các cơ chế này xác định cách vật liệu phản ứng với biến dạng và cách các tính chất của nó phát triển qua các lần xử lý liên tiếp.

Biểu thức toán học và phương pháp tính toán

Công thức định nghĩa cơ bản

Độ dày giảm hoặc độ lún trên mỗi lần uốn được xác định như sau:

$$r = \frac{h_0 - h_1}{h_0} \lần 100\%$$

Ở đâu:
- $r$ là phần trăm giảm mỗi lần đi qua
- $h_0$ là độ dày đầu vào
- $h_1$ là độ dày lối ra

Công thức tính toán liên quan

Lực lăn cần thiết cho một đường chuyền có thể được tính toán bằng cách sử dụng:

$$F = w \cdot L \cdot Y_{avg} \cdot Q$$

Ở đâu:
- $F$ là lực lăn
- $w$ là chiều rộng dải
- $L$ là chiều dài dự kiến ​​của tiếp xúc
- $Y_{avg}$ là ứng suất chảy trung bình của vật liệu
- $Q$ là hệ số tính đến ma sát và biến dạng không đồng đều

Mô men xoắn có thể được xác định bằng:

$$T = F \cdot a \cdot 2$$

Ở đâu:
- $T$ là mô men xoắn trên một cuộn
- $F$ là lực lăn
- $a$ là cánh tay đòn (thường gấp 0,4-0,5 lần chiều dài tiếp xúc)

Điều kiện và giới hạn áp dụng

Các công thức này áp dụng trong điều kiện biến dạng biến dạng phẳng, có hiệu lực khi chiều rộng của vật liệu lớn hơn ít nhất 10 lần so với độ dày của nó. Đối với các dải hẹp hoặc các cấu hình đặc biệt, hiệu ứng cạnh trở nên đáng kể và đòi hỏi các mô hình phức tạp hơn.

Các mô hình giả định các đặc tính vật liệu đồng nhất và các điều kiện đẳng nhiệt, có thể không đúng đối với quá trình cán tốc độ cao hoặc vật liệu có độ dốc nhiệt độ đáng kể. Ngoài ra, các công thức này trở nên kém chính xác hơn ở mức giảm rất cao (>50% mỗi lần cán) khi xảy ra biến dạng nghiêm trọng.

Hầu hết các lý thuyết cán đều cho rằng các con lăn cứng, nhưng trên thực tế, hiện tượng cán phẳng và uốn cong xảy ra, đặc biệt là trong cán dải rộng. Các mô hình tiên tiến kết hợp biến dạng cán thông qua hệ số ảnh hưởng hoặc phân tích phần tử hữu hạn.

Phương pháp đo lường và đặc tính

Thông số kỹ thuật thử nghiệm tiêu chuẩn

ASTM A1030: Tiêu chuẩn thực hành để đo đặc tính độ phẳng của sản phẩm tấm thép.

ISO 6892: Vật liệu kim loại — Thử kéo, được sử dụng để đánh giá các tính chất cơ học sau khi cán.

ASTM E112: Phương pháp thử nghiệm tiêu chuẩn để xác định kích thước hạt trung bình, rất quan trọng để đánh giá những thay đổi về cấu trúc vi mô sau nhiều lần thử.

Thiết bị và nguyên tắc thử nghiệm

Cảm biến lực và bộ chuyển đổi áp suất đo lực lăn trong quá trình cán công nghiệp. Các thiết bị này chuyển đổi áp suất cơ học thành tín hiệu điện tỷ lệ với lực tác dụng.

Máy đo độ dày quang học và laser liên tục theo dõi độ dày trước và sau khi đi qua. Các hệ thống không tiếp xúc này sử dụng nguyên lý phản xạ hoặc truyền ánh sáng để đo kích thước với độ chính xác cao.

Đặc tính nâng cao bao gồm các nhà máy cán được trang bị máy đo mô-men xoắn, máy đo gia tốc và camera nhiệt để cung cấp dữ liệu toàn diện về hành vi biến dạng, đặc điểm rung động và sự phát triển nhiệt độ trong quá trình di chuyển.

Yêu cầu mẫu

Các mẫu chuẩn để thử nghiệm cơ học sau khi cán thường tuân theo kích thước ASTM E8, với chiều dài đo là 50mm và mặt cắt hình chữ nhật tỷ lệ thuận với độ dày vật liệu.

Chuẩn bị bề mặt để phân tích cấu trúc vi mô đòi hỏi phải mài dần, đánh bóng đến độ bóng như gương (thường là dung dịch kim cương 1μm) và khắc thích hợp (ví dụ: 2% Nital cho thép cacbon) để lộ ranh giới hạt và pha.

Các mẫu vật phải được lấy theo hướng nhất quán so với hướng cán, thường được chỉ định là hướng dọc (L), hướng ngang (T) và hướng vuông góc (N), vì các đặc tính thay đổi đáng kể theo hướng sau khi cán.

Thông số thử nghiệm

Thử nghiệm tiêu chuẩn thường diễn ra ở nhiệt độ phòng (20±5°C) trừ khi các đặc tính nóng được đánh giá cụ thể. Độ ẩm môi trường phải được kiểm soát dưới 60% để ngăn ngừa quá trình oxy hóa bề mặt trong quá trình thử nghiệm.

Tốc độ tải để thử nghiệm độ bền kéo của các sản phẩm cán thường nằm trong khoảng từ 0,001 đến 0,1 s⁻¹ tốc độ biến dạng, với tốc độ chậm hơn cung cấp khả năng xác định điểm giới hạn chảy chính xác hơn và tốc độ nhanh hơn mô phỏng các hoạt động tạo hình công nghiệp.

Đối với quá trình giám sát cán, tần số lấy mẫu phải đủ để ghi lại các sự kiện thoáng qua, thường là 100-1000 Hz để đo lực và 10-100 Hz để đo kích thước.

Xử lý dữ liệu

Việc thu thập dữ liệu chính bao gồm việc thu thập chuỗi thời gian đồng bộ các phép đo lực, mô-men xoắn, tốc độ và kích thước trong quá trình di chuyển, đồng thời áp dụng bộ lọc để loại bỏ nhiễu điện và rung động cơ học.

Phân tích thống kê thường bao gồm tính toán giá trị trung bình, độ lệch chuẩn và khoảng tin cậy cho các thông số chính trên nhiều cuộn dây hoặc lô để thiết lập chỉ số khả năng quy trình.

Giá trị tính chất cuối cùng được tính toán bằng cách đối chiếu các thông số quy trình (giảm trên mỗi lần đi qua, nhiệt độ, tốc độ) với các tính chất cơ học và đặc điểm vi cấu trúc được đo bằng cách sử dụng phân tích hồi quy hoặc các kỹ thuật học máy tiên tiến hơn.

Phạm vi giá trị điển hình

Phân loại thép	Giảm giá điển hình cho mỗi lần vượt qua	Điều kiện thử nghiệm	Tiêu chuẩn tham khảo
Máy cán nóng - Gia công thô	25-45%	1000-1200°C	Tiêu chuẩn ISO15765
Máy cán nóng - Hoàn thiện	15-30%	800-950°C	Tiêu chuẩn ISO15765
Máy cán nguội - Chân đế đơn	10-30%	Nhiệt độ phòng	Tiêu chuẩn ASTMA568
Máy cán nguội - Tandem	15-40%	Nhiệt độ phòng	Tiêu chuẩn ASTMA568

Sự khác biệt trong mỗi phân loại chủ yếu phụ thuộc vào cấp vật liệu, trong đó thép có độ bền cao hơn thường yêu cầu giảm ít lần cán hơn trên mỗi lần cán để tránh lực cán quá mức và khả năng quá tải của máy cán.

Trong các ứng dụng thực tế, các kỹ sư phải cân bằng giữa mức giảm tối đa có thể (để có năng suất) với các thông số chất lượng như độ phẳng, độ hoàn thiện bề mặt và dung sai kích thước. Mức giảm cao hơn thường làm tăng năng suất nhưng có thể ảnh hưởng đến chất lượng.

Một xu hướng đáng chú ý giữa các loại thép là thép hợp kim cao hơn thường yêu cầu nhiều lần cán hơn với mức giảm thấp hơn trên mỗi lần cán so với thép cacbon thông thường do khả năng chống biến dạng cao hơn và cửa sổ gia công hẹp hơn.

Phân tích ứng dụng kỹ thuật

Những cân nhắc về thiết kế

Các kỹ sư tính toán tổng yêu cầu giảm kích thước dựa trên độ dày đúc ban đầu và thông số kỹ thuật sản phẩm cuối cùng, sau đó phân bổ mức giảm này qua nhiều lần cán để tối ưu hóa tải trọng máy cán và chất lượng sản phẩm.

Hệ số an toàn trong tính toán lực lăn thường nằm trong khoảng từ 1,2 đến 1,5 để tính đến các biến đổi về tính chất vật liệu, biến động nhiệt độ và hiện tượng cứng hóa bất ngờ trong quá trình xử lý.

Việc lựa chọn vật liệu cho các con lăn phải cân bằng giữa khả năng chống mài mòn, khả năng chống mỏi nhiệt và độ bền cơ học, với các con lăn thép tốc độ cao hoặc cacbua được sử dụng cho các đường hoàn thiện khi chất lượng bề mặt là yếu tố quan trọng và các con lăn thép rèn bền hơn được sử dụng cho các đường thô.

Các lĩnh vực ứng dụng chính

Trong sản xuất tấm ô tô, các lịch trình sản xuất được thiết kế cẩn thận đảm bảo tính chất cơ học và chất lượng bề mặt đồng nhất cần thiết cho các tấm tiếp xúc, đặc biệt chú ý đến tính đồng nhất về độ bền kéo và đặc tính dễ tạo hình.

Quá trình cán thép xây dựng đòi hỏi các thiết kế đường cán khác nhau tập trung vào độ chính xác về kích thước và độ thẳng cho các ứng dụng kết cấu, thường sử dụng các thiết kế cỡ nòng chuyên dụng cho dầm, kênh và các hình dạng phức tạp khác.

Trong sản xuất thép đường ống, các quy trình sản xuất phải phát triển các kết hợp cụ thể về độ bền và độ dẻo dai thông qua quá trình cán và làm mát có kiểm soát, đặc biệt chú ý đến các công đoạn cuối cùng quyết định độ tinh khiết của hạt, yếu tố quan trọng để tạo nên độ dẻo dai ở nhiệt độ thấp.

Đánh đổi hiệu suất

Mức giảm cao hơn trên mỗi lần gia công sẽ làm tăng năng suất nhưng thường xung đột với các yêu cầu về chất lượng bề mặt, vì mức giảm quá mức có thể gây ra các khuyết tật bề mặt như vết lõm hoặc nứt, đặc biệt là trong các hợp kim có độ bền cao hoặc độ dẻo thấp.

Tốc độ cán nhanh hơn giúp cải thiện năng suất nhưng lại đánh đổi bằng độ chính xác về kích thước và độ phẳng, vì tốc độ cao làm tăng độ rung của máy nghiền, độ lệch của trục cán và độ dốc nhiệt có thể dẫn đến khuyết tật về hình dạng.

Các kỹ sư phải cân bằng giữa quá trình tinh chế hạt (yêu cầu nhiệt độ hoàn thiện thấp hơn và tổng độ khử cao hơn) với mức tiêu thụ năng lượng và các cân nhắc về độ mài mòn cán, đặc biệt là trong sản xuất thép cường độ cao tiên tiến.

Phân tích lỗi

Vết cán hoặc vết lõm là lỗi chất lượng thường gặp liên quan đến thiết kế đường cán, thường do bề mặt cán bị hư hỏng, giảm quá mức hoặc bôi trơn không đủ trong quá trình cán nguội.

Những khuyết tật bề mặt này bắt đầu tại giao diện cuộn-vật liệu, nơi áp suất tại chỗ vượt quá ứng suất chảy của vật liệu, lan truyền qua các lần gia công tiếp theo nếu không được phát hiện và khắc phục sớm trong quá trình.

Các chiến lược giảm thiểu bao gồm kiểm tra và mài lô thường xuyên, hệ thống bôi trơn được tối ưu hóa và điều chỉnh lịch trình vận hành giúp phân phối mức giảm đều hơn trên các giá đỡ có sẵn.

Các yếu tố ảnh hưởng và phương pháp kiểm soát

Ảnh hưởng của thành phần hóa học

Hàm lượng carbon ảnh hưởng đáng kể đến hành vi cán, với mỗi lần tăng 0,1% thường đòi hỏi lực cán lớn hơn 10-15% do ứng suất chảy tăng và độ dẻo nóng giảm.

Các nguyên tố vi lượng như nitơ và bo có thể ảnh hưởng đáng kể đến độ dẻo nóng trong quá trình cán, chỉ cần 0,005% nitơ cũng có thể gây nứt cạnh trong quá trình cán mỏng.

Quá trình tối ưu hóa thành phần thường bao gồm việc tạo hợp kim vi mô với các nguyên tố như niobi, titan hoặc vanadi để kiểm soát hành vi kết tinh lại giữa các lần cán, cho phép tinh chế hạt thông qua các phương pháp cán có kiểm soát.

Ảnh hưởng của cấu trúc vi mô

Kích thước hạt ban đầu mịn hơn thường cho phép giảm nhiều hơn trên mỗi lần gia công do độ dẻo được cải thiện, nhưng đòi hỏi lực cán lớn hơn do hiệu ứng gia cường Hall-Petch.

Sự phân bố pha ảnh hưởng rất lớn đến hành vi cán, với thép hai pha hoặc đa pha đòi hỏi lịch trình cán được thiết kế cẩn thận, tính đến khả năng chống biến dạng khác nhau của các pha thành phần.

Các tạp chất và khuyết tật đóng vai trò là bộ phận tập trung ứng suất trong quá trình cán, có khả năng gây nứt bên trong hoặc khuyết tật bề mặt, đặc biệt là khi căn chỉnh vuông góc với hướng cán.

Xử lý ảnh hưởng

Xử lý nhiệt giữa các lần cán, đặc biệt là quá trình chuẩn hóa hoặc ủ, giúp thiết lập lại quá trình cứng hóa ứng suất tích tụ trong các lần cán trước, cho phép biến dạng thêm mà không cần lực quá mức hoặc nứt.

Lịch sử làm việc cơ học ảnh hưởng đến hành vi xử lý tiếp theo, trong đó quá trình khử trước ảnh hưởng đến sự phát triển kết cấu, tính dị hướng và phản ứng làm cứng biến dạng trong các lần xử lý sau.

Tốc độ làm mát giữa các lần cán nóng quyết định xem có xảy ra hiện tượng kết tinh tĩnh hay không, trong đó làm mát nhanh hơn (phun nước) giúp duy trì ứng suất và làm mát chậm hơn cho phép phục hồi và kết tinh lại, giúp giảm lực cần thiết trong các lần cán tiếp theo.

Các yếu tố môi trường

Sự thay đổi nhiệt độ ±50°C có thể làm thay đổi lực cán từ 15-25% trong quá trình cán nóng, khiến việc kiểm soát nhiệt độ trở nên quan trọng để đảm bảo hoạt động và chất lượng đồng nhất.

Độ ẩm ảnh hưởng đến quá trình cán nguội thông qua tác động của nó đến hiệu quả bôi trơn, độ ẩm cao hơn có khả năng gây ra hiện tượng dính trượt và khuyết tật bề mặt.

Tiếp xúc với môi trường trong thời gian dài giữa các lần xử lý (trong quá trình xử lý nhiều giai đoạn) có thể tạo ra oxit bề mặt ảnh hưởng đến điều kiện ma sát và chất lượng bề mặt cuối cùng nếu không được loại bỏ đúng cách.

Phương pháp cải tiến

Những cải tiến về luyện kim bao gồm các chiến lược hợp kim hóa vi mô giúp kết tủa các hạt mịn giữa các lần đi qua, ghim ranh giới hạt và kiểm soát quá trình kết tinh lại để có cấu trúc hạt tối ưu.

Các cải tiến dựa trên quy trình bao gồm hệ thống làm mát lô gia công giúp duy trì cấu hình nhiệt đồng nhất trên toàn bộ thùng lô, giảm sự thay đổi ở đỉnh lô và cải thiện khả năng kiểm soát độ phẳng trong quá trình di chuyển.

Tối ưu hóa thiết kế bao gồm các hệ thống lập lịch trình chuyền được điều khiển bằng máy tính, có khả năng điều chỉnh phân phối độ giảm theo thời gian thực dựa trên các đặc tính vật liệu đã đo, nhiệt độ và điều kiện tải của máy nghiền.

Các điều khoản và tiêu chuẩn liên quan

Các thuật ngữ liên quan

Khe hở cán là khoảng cách được kiểm soát giữa các trục cán, xác định độ dày vật liệu thoát ra trong một lần cán nhất định, được điều chỉnh thông qua hệ thống định vị thủy lực hoặc cơ học.

Bản dự thảo kế hoạch mô tả trình tự giảm độ dày theo nhiều lần, được tối ưu hóa để cân bằng khả năng của máy nghiền, tính chất vật liệu và yêu cầu về sản phẩm cuối cùng.

Biên dạng lực lăn thể hiện sự phân bổ áp lực trên toàn bộ chiều rộng của vật liệu trong quá trình di chuyển, cực kỳ quan trọng để kiểm soát độ phẳng và biến dạng đồng đều.

Các thuật ngữ này có mối liên hệ với nhau ở chỗ các thiết lập khe hở lăn xác định mức giảm của từng lượt lăn trong lịch trình dự thảo tổng thể, trong khi các cấu hình lực lăn là kết quả của sự tương tác giữa các đặc tính vật liệu và các thông số thiết kế lượt lăn.

Tiêu chuẩn chính

ISO 16124 thiết lập các phương pháp xác định khả năng cán của máy cán nguội, bao gồm các thông số thiết kế đường cán, tính toán lực và cân nhắc độ cứng của máy cán.

ASTM A1030 cung cấp các thông lệ chuẩn hóa để đo đặc tính độ phẳng của các sản phẩm tấm thép sau khi cán, với dung sai cụ thể cho các cấp chất lượng và ứng dụng khác nhau.

Tiêu chuẩn Châu Âu EN 10163 khác với phương pháp ASTM ở chỗ phân loại các yêu cầu về chất lượng bề mặt thành các lớp với các mức dung sai cụ thể cho các khuyết tật phát sinh do quá trình cán, cung cấp các thông số kỹ thuật chất lượng được phân cấp rõ ràng hơn.

Xu hướng phát triển

Nghiên cứu hiện tại tập trung vào mô hình hóa toàn bộ quy trình liên kết sự phát triển của cấu trúc vi mô qua nhiều lần gia công với các tính chất cơ học cuối cùng, cho phép kiểm soát chính xác hơn các đặc tính của sản phẩm.

Các công nghệ mới nổi bao gồm lập lịch trình chuyền thích ứng theo thời gian thực bằng trí tuệ nhân tạo để tối ưu hóa việc phân phối độ khử dựa trên các đặc tính vật liệu đã đo và điều kiện nhà máy.

Những phát triển trong tương lai có thể sẽ tích hợp các khái niệm sản xuất bồi đắp với quá trình cán truyền thống, tạo ra các quy trình kết hợp trong đó việc bổ sung vật liệu có chọn lọc bổ sung cho các bước biến dạng để sản xuất các thành phần có đặc tính và hình học được tối ưu hóa tại chỗ.