Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến trạng thái ứng suất và biến dạng nhằm tối ưu hóa hệ thống lỗ hình trục cán thép liên tục

nghiêm mạnh sơn

B GIO DC V O TO
TRNG I HC BCH KHOA H NI
---------------------------------------

nghiêm mạnh sơn

NGHIấN CU NH HNG CA CC THễNG S
CễNG NGH N TRNG THI NG SUT V BIN
DNG NHM TI U HO H THNG L HèNH
TRC MY CN THẫP LIấN TC
khoa học và kỹ thuật
vật liệu kim loại
LUN VN THC S KHOA HC
khoa học và kỹ thuật vật liệu kim loại

KHoá - 2009

hà nội - 2012


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

NGHIÊM MẠNH SƠN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ
CÔNG NGHỆ ĐẾN TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT VÀ
BIẾN DẠNG NHẰM TỐI ƯU HOÁ HỆ THỐNG LỖ

HÌNH TRỤC MÁY CÁN THÉP LIÊN TỤC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT LIỆU KIM LOẠI

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS. ĐÀO MINH NGỪNG

Hà Nội : 03 – 2012


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 hoàn toàn trung thực và cha từng
đợc ai công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào trớc đây.

Tác giả luận văn

Nghiêm Mạnh Sơn


Mục lục

Trang

Lời nói đầu

1

Chơng 1: Nghiên cứu tổng quan công nghệ cán thép hình
1. Phân loại thép hình cán nóng
1.1.Thép phôi thỏi

2
2

1.2.Phân loại máy cán thép hình

12

1.3. Cơ sở thiết kế lỗ hình trục cán

15

1.4. Bố trí lỗ hình trên trục

16

1.5. Xác định đờng trung hoà của lỗ hình
1.6. Xác định đờng kính cán trung bình khi cán trong khuôn hình

16

1.7.Nguyên tắc chung

16

1.8. Cơ sở lý thuyết

17

1.9. Kết luận

21

Chơng 2: Nghiên cứu đặc điểm thiết bị xởng cán 650 lu
xá
2.1. Giới thiệu chung về nhà máy cán thép Lu Xá

8

16

22
22

2.2. Hệ thống thiết bị

23

2.3. Lu trình công nghệ

25

2.4. Giới thiệu các thiết bị chính, phụ của nhà máy

27

2.5. Cụm máy cán A20, A21

29

2.6. phân tích đánh giá u nhợc điểm về quy trình công nghệ của nhà máy
2.7. Đề xuất phơng án cải tiến nâng cao năng suất và xây dựng quy trình
công nghệ mới
2.8. Kết luận

34
37
39

Chơng 3: Nghiên cứu tối u hoá hệ thống lỗ hình trục
cán thép vằn D28 tại nhà máy cán thép lu xá
3.1. Giới thiệu phần mềm tính toán
3.2. Giới thiệu phần mềm MTL ( metal )

3.3.Tính số lần cán

41
41
41
48


3. 4. Phân phối hệ số giãn dài cho từng lần cán

48

3. 5. Chọn hệ thống máy cán

50

3. 6. Chọn hệ thống lỗ hình

50

3. 7. Xác định nhiệt độ cán

54

3. 8.Thiết kế và tính toán lỗ hình trục cán D28

55

3. 9. Tính toán hệ thống lỗ hình cán thô
3. 10.Tính toán các thông số năng lợng

61
69

3. 11. Kết luận

76

Chơng 4: Mô phỏng quá trình cán

78

4.1. Bài toán biến dạng dẻo

78

4.2. Giới thiệu Phơng Pháp FEM

80

4.3. Các yếu tố ảnh hởng đến mô hình vật liệu

82

4.4. Mô phỏng số quá trình cán ổn định bằng phần mềm DEFORM

87

4.5. Kết luận

93

Chơng 5 : kết luận, kiến nghị

95

Tài liệu tham khảo

97

Phụ lục kết quả tính toán sản phẩm thép D28 bằng phần mềm MTL

Danh mục các bảng

Trang

Bảng 1.1. kích thớc phôi vuông lõm cạnh
Bảng 1.2. kích thớc phôi vuông

8

Bảng 1.3. kích thớc thép phôi trục tiết diện vuông (mm)

11

Bảng 2.1. tỷ số truyền từ k10 k19

29

Bảng 3.1. Bảng phân phối hệ số giãn dài

9

49

Bảng 3. 2. Bảng thông số vận tốc, chiều dài sản phẩm và thời gian cán
thép vằn D28
Bảng 3. 3. Bảng tính công suất động cơ cán thép vằn D28

71
75

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

Trang

H.1.1. Sơ đồ bố trí thiết bị máy cán 650

13

H.2.1. Sơ đồ tổ chức của nhà máy cán thép Lu Xá 650

22

H.2.2. Quy trình công nghệ sản xuất thép L, C, I

25

H.2.3. Quy trình công nghệ sản xuất thép cây ( tròn trơn, thép gai )

26

H.2.4. Qui trình công nghệ sản xuất sản phẩm 6, 8, 10
H. 3.1. Giới thiệu phần mềm MTL ( metal )

27

H.3.2: Sơ đồ thừa kế và các hàm

43

H.3.3. Phần mềm MTL dùng tính toán công nghệ cán thép

44

42

H.3. 4. Nhập thông số của sản phẩm cần tính nh: đờng kính, dung sai, kích

44

thớc phôi ban đầu, hệ số biến dạng trung bình, nhiệt độ cán.
H.3. 5. Nhập số liệu về mác thép, hệ số biến dạng của lỗ hình tinh và trớc
tinh.

45

H.3. 6. Nhập thông số nh: hệ số ma sát, tốc độ cán, giới hạn chảy

45

H.3. 7. Lựa chọn bố trí thiết bị, nhập thông số của trục cán

46

H.3. 8. Kết quả hiển thị ban đầu của sản phẩm khi tính toán bằng phần mềm

46

MTL (Metal )
H. 3. 9. Kết quả tính toán xem trớc khi in của phần mềm tính toán MTL

(metal )

47

H. 3. 10. Biểu đồ ứng suất

47

H.3.11. Sơ đồ bố trí các giá cán trong mặt bằng nhà xởng

50

H.3.12. Hệ thống lỗ hình hộp chữ nhật vuông

51

H.3.13. Hệ thống lỗ hình ôvan vuông

52

H.3.14. Hệ thống lỗ hình tinh vuông - ôvan tròn

53

H.4.1. Biểu đồ khối quá trình kết tinh lại

85

H.4.2. Lựa chọn vật liệu trong phần mềm DEFORM

86
0

H.4.3. đờng cong chảy dẻo với các tốc độ khác nhau, nhiệt độ 1200 C

86


H.4.4. đờng cong chảy dẻo với các tốc độ khác nhau, tốc độ biến dạng 1.6

86

H.4.5. Mô hình vật liệu với các hệ số đã đợc tính toán chuyển đổi

87

H.4.6. Các kích thớc lỗ hình

88

H.4.7. Mô hình chia lới của thép tròn cán trong lỗ hình ovan

89

H.4.8. Mô phỏng phôi cán trong lỗ hình hộp, biểu đồ lực tác dụng lên thành
bên lỗ hình

89

H.4.9. Mô phỏng phôi cán trong lỗ hình hộp, biểu đồ lực tác dụng lên trục cán

89

H.4.10. Phân bố ứng suất hiệu dụng theo hớng trục z bên ngoài vùng biến
dạng

90

H.4.11. Phân bố ứng suất hiệu dụng theo hớng trục z bên trong vùng vợt

90

H.4.12. Phân bố ứng suất hiệu dụng theo hớng trục z bên trong vùng trễ

90

H.4.13. Phân bố ứng suất hiệu dụng theo hớng đờng cán

91

H.4.14. Phân bố ứng suất hiệu dụng theo hớng giãn rộng

91

H.4.15. Phân bố ứng suất hiệu dụng trên mặt biên hớng giãn rộng

91

H.4.16. Mô phỏng số quá trình ăn phôi

92

H.4.17. Phân bố ứng suất hiệu dụng trên bề mặt tiếp xúc

92

H.4.18. Phân bố ứng suất hiệu dụng theo đờng tâm phôi

92

H.4.19. Mô phỏng số quá trình cán trong lỗ hình ovan,bớc 100

94


Lời nói đầu
Sau một thời gian thực hiện chủ trơng đổi mới nền kinh tế nhằm thực
hiện công nghiệp hoá, hiện đại hoá theo định hớng xã hội chủ nghĩa của
Đảng và Nhà Nớc thì nền kinh tế Việt Nam đã đạt đợc những thành tựu
đáng kể, từng bớc phát triển và hội nhập với thế giới. Tuy nhiên, so với một
số quốc gia trên thế giới thì sản lợng thép tính theo đầu ngời của nớc ta
còn rất thấp, vào khoảng 35 - 40 (kg/ngời.năm). Đây là kết quả do nhiều yếu
tố tác động, trong đó yếu tố cơ bản nhất là dây chuyền công nghệ các xởng
cán của ta hiện nay rất lạc hậu, năng suất thấp, chất lợng sản phẩm không
cao,..v..v... Một số năm gần đây có một số nhà máy liên doanh, t nhân đợc
xây dựng và đi vào hoạt động đã làm thay đổi đáng kể tình hình sản xuất thép
cán tại nớc ta. Các chủng loại thép cán đã trở nên phong phú hơn, số lợng
nhiều hơn, chất lợng sản phẩm đợc nâng cao.
Là một học viên ngành Cơ học vật liệu Cán KL, sau thời gian học tập và làm
việc tại nhà máy cán thép Lu Xá, nay em đợc giao đề tài "Nghiên cứu ảnh

hởng của các thông số công nghệ đến trạng thái ứng suất và biến dạng
nhằm tối u hoá hệ thống lỗ hình trục máy cán thép liên tục.
Dới sự hớng dẫn trực tiếp, chỉ bảo tận tình của thầy giáo
PGS.TS Đào Minh Ngừng, bản luận văn đã đợc hoàn thành. Tuy nhiên do
kinh nghiệm nghiên cứu còn ít nên cha thể lĩnh hội hết những vấn đề thầy
giáo truyền đạt cũng nh trong tài liệu tham khảo, nên kết quả sau đây sẽ
không tránh khỏi những thiếu sót, vì vậy tôi kính mong nhận đợc sự bổ sung ý
kiến của các thầy, cô giáo, đồng nghiệp để bản luận văn đợc hoàn thiện hơn.
Tôi xin chân thành cảm ơn !
Thái Nguyên, tháng 02 năm 2012
Học Viên
Nghiêm Mạnh Sơn

1


Ch−¬ng 1
NGHIÊN CỨU TæNG QUAN CÔNG NGHỆ
VÀ THIẾT BỊ CÁN THÉP HÌNH
1. PHÂN LOẠI THÉP HÌNH CÁN NÓNG
Tất cả sản phẩm thép cán nóng có thể chia thành ba nhóm lớn là: thép hình; thép
tấm và thép ống.. Mỗi nhóm được phân loại căn cứ vào hình dạng, mác thép và công
dụng sản phẩm, riêng các sản phẩm thép hình, (gọi đầy đủ là thép hình cán nóng,
gồm cả các loại phôi) có các loại như sau.
Thép phôi làm trục và thép phôi rèn là các phôi thép vuông có kích thước từ
190x190 đến 350x350 mm để chế tạo các chi tiết trục chuyển động (trục toa tàu)
trong ngành đường sắt và các phôi thép tròn đường kính 150 mm để chế tạo trục toa
tàu điện, các phôi rèn lõm mặt và phôi vuông dùng để làm phôi rèn trong các ngành
chế tạo máy tiếp theo.
Thép phôi ống là phôi thép tròn, đặc dùng để chế tạo thép ống có đường kính từ

50 đến 350 mm và phôi vuông kích thước từ 100x100 mm đến 160x160 mm từ thép
chất lượng thường, chất lượng và chất lượng cao. Các loại phôi thép không gỉ và
thép nikel được phân loại theo đặc thù riêng.
Thép đường ray khổ rộng P38, P43, P50, P65 và P75 theo tiêu chuẩn và tương
ứng với các bản vẽ cụ thể; các thanh ghi đường đường ray. Các thép thanh ray của
cầu trục khối lượng 1 m 29,9-53,5 kg; thép đường ray tầu điện có cấu trúc bao hình
Th55; Tb60 cho các đoạn thẳng và Th60 và Tb65 cho các đoạn đường cong; thép
ray tàu điện ngầm.
Thép đường ray khổ hẹp P8, P11, P15, P18, P24, và thép đường ray trong các nhà
máy và liên hợp công nghiệp, loại P33.
Thép dầm chữ I và dầm chữ U: dầm chữ I từ số 10 đến số 70 (N010-70), dầm chữ
U từ số 5 đến số 40 (N05-40), và các loại thép dầm chữ I và dầm chữ U có điều kiện
kỹ thuật theo đơn đặt hàng. Nhóm thép này bao gồm các loại có tiết diện phức tạp
được sử dụng trong các ngành công nghiệp khác nhau như công nghiệp đóng toa tàu,

2


công nghiệp khai thác mỏ, công nghiệp thủy điện và các đường ray của thiết bị cầu
trục. Các loại thép hình cán nóng đơn giản quy chuẩn được phân loại một cách
tương đối như sau.
Thép hình cỡ lớn:
Thép tròn đường kính lớn hơn 30 mm
Thép vuông có cạnh lớn hơn 30 mm
Thép băng dẹt chiều rộng lớn hơn 60 mm
Thép góc đều cạnh, bằng và lớn hơn 50x50 mm
Thép góc không đều cạnh 70x45 mm
Thép gai cacbon và hợp kim thấp lớn hơn N0 32
Các loại thép hình khác có khối lượng một mét dài lớn hơn 9 kg.
Thép hình cỡ trung:

Thép tròn đường kính 20÷ 30 mm
Thép vuông có cạnh 20÷ 30 mm
Thép băng dẹt chiều rộng 50÷60 mm
Thép góc đều cạnh từ 36x36 mm đến 45x45 mm
Thép góc không đều cạnh 45x28 mm ÷ 63x45 mm
Thép gai cacbon và hợp kim thấp lớn hơn N0 20 ÷28
Các loại thép hình khác có khối lượng một mét dài 3÷9 kg
Thép hình cỡ nhỏ
Thép tròn đường kính nhỏ hơn và bằng 19 mm
Thép vuông có cạnh nhỏ hơn 19 mm
Thép băng dẹt chiều rộng 12÷45 mm
Thép làm êcu đai ốc các loại
Thép góc đều cạnh từ 20x20 mm đến 32x32 mm
Thép góc không đều cạnh 25x16 mm ÷ 40x25 mm
Thép gai cacbon và hợp kim thấp, số lớn hơn N0 10 ÷18.

3


Các loại thép hình khác có khối lượng một mét dài nhỏ hơn 3 kg.
Thép bản thanh tiết diện có dáng định hình dùng để chế tạo các tấm đế giữ đường
ray tàu hỏa loại khổ rộng hay khổ hẹp và các tấm giữ đường ray tầu điện nội thành.
Thép băng hẹp là thép cán nóng có chiều rộng từ 20 đến 200 mm và chiều dày từ
1,2 đến 2,8 mm ở dạng cuộn được cán trên các máy cán hình cỡ nhỏ hoặc có thể
được cắt dọc từ các băng thép cuộn rộng bản thành các cuộn bản hẹp trên các máy
cắt đĩa.
Thép dây là các loại thép tròn đường kính 5-9 mm dạng cuộn; thép vuông cạnh
5-9 mm dạng cuộn từ thép cacbon chất lượng thường và chất lượng cao, thép gai
số 5-9 từ thép cacbon chất lượng thường và thép hợp kim thấp dung cho các kết cấu
bê tong; các loại thép dùng để bện dây kích thước 11,5x7,2 mm dạng cuộn.

Thép dẹt là thép dải băng hẹp có chiều rộng từ 65 đến 400 mm được cán nóng chủ
yếu trên các máy cán dải băng hẹp (dạng cuộn hay thanh) có các mép cạnh được xử
lý trong quá trình cán nhằm phục vụ cho chế tạo thép ống hàn.
Thép hình kết cấu là các chủng loại thép cán (tiết diện đơn giản: tròn, vuông, dẹt)
có kích thước tương ứng với các loại thép hình cỡ nhỏ, trung bình và cỡ lớn, thép
sáu cạnh, các loại thép hình tiết diện khác nhau được cán từ các loại thép cacbon và
thép hợp kim chất lương thường và chất lượng cao. Sô lượng từng loại thép thường
được
tính theo tỷ lệ phần trăm thị phần sản xuất, ví dụ thép đường ray chiếm 5%, thép
hình cỡ lớn -13,6%, thép kết cấu 19,4%, thép dây 14%.
Chủng loại thép cán hình được nhận biết theo dình dáng, kích thước và được chia
thành loại tiết diện đơn giản và loại tiết diện phức tạp. Các chủng loại đơn giản là
các loại thép cán có tiết diện cắt là các hình tròn, vuông, chữ nhật.
Các chủng loại thép cán nóng tiết diện đơn giản được cán trên các máy cán chuyên
dụng, số lượng chủng loại bao gồm trên 1500 loại kích thước khác nhau theo tiêu
chuẩn và các điều kiện kỹ thuật.
Tất cả các loại thép hình liệt kê trong bảng 2.1 đều được sản xuất bằng phương
pháp cán nóng. Các loại thép đơn giản có tính kinh tế cao là các loại được sử dụng

4


với ít phế liệu nhất. Chính vì vậy kích thước các chủng loại tính toán với dung sai
sao cho chúng có tính sử dụng tốt nhất.
Số lượng các chủng loại thép theo tiêu chuẩn của các Nước có khác nhau. Ví dụ
thép tròn của Liên bang Nga có 68 loại (tiêu chuẩn ΓOCT 2590-57) của Nhật là 58
(tiêu chuẩn JIS 3101), của Đức 123 (tiêu chuẩn DIN 1013); số lượng chủng loại thép
vuông của Liên bang Nga 60 (tiêu chuẩn ΓOCT 2591-57) của Nhật là 38 (tiêu chuẩn
JIS 3101), của Đức 52 (tiêu chuẩn DIN 1013).
Trong tiêu chuẩn của Mỹ, không chỉ rõ số lượng chủng loại thép cán hình tiết

diện tròn và vuông vì các loại này có thể căn cứ vào đơn đặt hàng với dung sai kích
thước tiết diện theo tiêu chuẩn (ASTMA 29-64). Tuy nhiên số lượng chủng loại thép
ngày càng tăng đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế kỹ thuật.
Số lượng chủng loại thép cán ít sẽ dẫn tới việc tiêu phí vật liệu thành phoi trong
quá trình gia công cơ khí nhiều hơn hoặc sẽ tăng trọng lượng của các cơ cấu cơ khí
và chi tiết máy. Thép cán tiết diện đơn giản gồm cả thép cán lớn, cán trung và cán
nhỏ phục vụ cho công nghiệp chế tạo chiếm tỷ lệ 40-50% và thép kết cấu chiếm
60%. Hệ số sử dụng trong các ngành kinh tế quốc dân là 0,6%. Nếu số lượng các
loại thép này được sản suất hàng năm 10 triệu tấn thì lượng kim loại phế liệu (phoi
gia công, đầu thừa, xỉ..) sẽ là 4 triệu tấn. Như vậy muốn sử dụng kim loại hiệu quả,
kinh tế phải có số lượng chủng loại phù hợp, sử dụng kim loại hiệu quả cho phép tiết
kiệm hàng triệu tấn.
Các loại thép cán nóng tiết diện phức tạp được chia thành hai nhóm căn cứ vào đặc
tính sử dụng: công dụng chung và chuyên dụng riêng.
Thép công dụng chung là các loại thép hình chữ I, chữ U, thép góc đều cạnh và
thép góc lệch cạnh, thép lục giác..các loại thép này được sử dụng rộng rãi trong tất
cả các ngành chế tạo máy và xây dựng. Thép cán chuyên dụng là các loại thép cán
hình có tiết diện phức tạp phù hợp với các chuyên ngành cụ thể của nền kinh tế
Quốc dân.
Tất cả các chủng loại thép công dụng chung cũng như chuyên dụng được cho là có
tính kinh tế hơn nếu nó có thể thay thế được một hay nhiều các loại thép đơn giản

5


đồng thời trọng lượng ít hơn. Các loại thép cán có các tiết diện phức tạp khác nhau
có
thể được thiết kế cho công nghệ cán để thay thế các loại cũ nếu điều đó dẫn đến
tiết kiệm nguyên, vật liệu và sức lao động.
Vì việc áp dụng các máy, thiêt bị và dụng cụ đo thế hệ mới là những tiến bộ kỹ

thuật, chính vì vậy các tiết diện của sản phẩm cán mới cũng được thay thế cho các
sản phẩm cán cũ trong các cơ cấu máy và thiết bị mới tương ứng.
Các chủng loại thép cán cần được thiết kế và sản xuất căn cứ nhu cầu thực tế nhằm
đáp ứng nhu cầu phát triển của các ngành kinh tế Quốc dân và được quản lý về số
lượng và kích thước, dung sai. Số lượng chủng loại của Liên bang Nga năm 1970 là
1000 loại khác nhau, con số đó ngày càng tăng. Tại các nước phương tây con số này
còn lớn hơn nhiều. Theo số liệu của công ty “United Stets Steel Corp” thì tại mỹ có
1500 chủng loại thép cán khác nhau. Trong tài liệu tra cứu của công ty “Klockner”
Đức có tới 5000 chủng loại thép hình cán nóng.
Sự xuất hiện của nhiều chủng loại thép hình cán nóng được giải thích bằng sự phát
triển đa dạng của nền kinh tế Quốc dân trên thế giới, trong đó các chủng loại thép
cán nóng được sử dụng trong nhiều ngành chế tạo ô tô, máy kéo, tàu hỏa, tàu thủy,
xây dựng công trình…Số lượng chủng loại thay đổi theo thời gian phù hợp tình hình
thực tế. Các số liệu thống kê là sự tổng hợp các chủng loại đã và đang cán trong một
khoảng thời gian -ví dụ công ty Klockner liệt kê chủng loại thép hình cán nóng của
20 năm –trong điều kiện đang sản xuất. Các loại thép không được sản xuất nữa cũng
được loại khỏi danh mục liệt kê chủng loại thép cán nóng.
Tại các nước phát triển, ngoài thép chữ I thông thường, người ta còn chế tạo các
loại thép chữ I mỏng hơn, rộng bản hơn, và các loại thép chữ I phục vụ việc chế tạo
các loại cột nhẹ cho các công trình. Các loại thép chữ I như vậy được sản xuất tại
Mỹ có chiều cao là 300-380 mm. Đối với thép chữ I chiều cao 305 mm, thì chiều
dày của nó giảm xuống đến 4,4-5,1 mm thay vì chiều dày quy định trong tiêu chuẩn
là 6,5 mm. Đối với thép chữ I thành mỏng số 14 thì chiều dày giảm xuống còn 4,4
mm thay vì 5,5 mm theo tiêu chuẩn.

6


Thép dầm chữ I rộng bản thành mỏng kích thước từ 100x100x4,5 đến 600x300x14
mm được sản xuất và sử dụng nhiều tại nước Anh.

Tại Liên bang Nga, các loại dầm thép chữ I và chữ U thành mỏng được sản xuất
trên máy cán liên tục 450. Chủng loại các thép chữ I và chữ U thành mỏng có chiều
cao tới 300 mm, chiều dày 2,8-4,2 mm.
Trong các ngành công nghiệp có thể phải dung đến các dầm chữ I rộng bản, có các
mặt song song có chiều cao tới 1000 mm và chiều rộng 400 mm. Các loại máy cán
liên hợp chuyên dụng để sản xuất các loại dầm như vậy có tại các nước Mỹ, Anh,
Pháp,
Lukxemburg. Cụ thể ở Mỹ sản xuất dầm chữ I rộng bản có chiều cao từ 125 mm
đến 1220 mm với chiều rộng tới 425 mm, còn tại Đức dầm thép chữ I rộng bản có
chiều
cao tới 1008 và chiều rộng tới 310 mm. Trong khi đó tại Liên bang Nga vào cùng
thời gian, các dầm chữ I có chiều cao từ 600 mm trở lên phải dùng phương pháp
hàn.
Các chủng loại thép chữ I rộng bản có thể mở rộng khi các máy cán chuyên dụng
dùng cho mục đích này được thiết kế đưa vào sử dụng. Các loại thép chữ I rộng bản
có thể thay thế các loại dầm chữ I được chế tạo bằng phương pháp hàn hay các loại
dầm chữ I cán nóng, nhẹ hơn và có thành mỏng, được dùng làm đường ray cầu trục,
các
dầm cầu hay các cơ sở Quốc phòng, chúng cho phép tiết kiệm kim loại đến 7-10%
giảm trọng lượng máy và các kết cấu.
Dầm chữ I rộng bản cán nóng được sử dụng trong mọi ngành chế tạo máy, công
nghiệp xây dựng, thủy điện, đường ngầm, nhà cao tầng. Sử dụng các dầm chữ I rộng
bản thay thể kết cấu bê tông cốt thép có ưu điểm tốn ít thời gian lắp ráp và giảm giá
thành thiết bị.

7


1.1. Thép phôi thỏi
Thép phôi vuông cạnh lõm (còn gọi là phôi thỏi -Bloom) là loại thép phôi vuông

cán nóng có bán kính lượn ở góc và các mặt cạnh hơi lõm (bảng 1) được sản xuất
trên các máy cán lớn (máy cán Bliuming). Các thép phôi này được cán từ các khối
phôi thép đúc lớn ban đầu.
Chiều dài cạnh thép phôi vuông được đo bởi hai điểm xa nhất của hai mặt đối diện.
Sai lệch khoảng cách giữa hai mặt đối diện bất kỳ không được quá một phần hai
dung sai của cạnh vuông.

Bảng 1.1. Kích thước thép phôi vuông lõm cạnh, mm
a

140

150

160

170

180

190

200

210

220

R≈

20

20

20

25

25

25

30

30

30

∆

±5

a

240

250

260

280

300

320

360

400

450

R≈

35

35

40

40

45

50

50

60

60

∆

±7

±6

±8

±10

Ghi chú: ∆ -dung sai của cạnh vuông.
Thép phôi hình chữ nhật (hay gọi là phôi tấm –Slab) được cán trên các máy cán
lớn phôi thỏi (gọi là máy cán Bliuming) hoặc máy cán lớn phôi tấm (gọi là máy cán
Slabing). Các loại thép phôi cán này với kích thước rộng của tiết diện từ 300 mm
đến 700 mm thì có bước là 20 mm và chiều rộng từ 700 mm đến 2000 mm với bước
50 mm; Chiều dày phôi tấm từ 100 mm đến 150 mm có bước 5 mm, và từ 150 mm
đến 250 mm có bước 10 mm (ΓOCT 9137-59).
Sai lệch giới hạn theo chiều rộng của thép phôi tấm là ±10 mm, sai lệch giới hạn
±4 mm đối với chiều dày thép phôi tấm 100-145 mm và ±5 mm cho chiều dày thép
phôi tấm 150-250 mm.

8


Chênh lệch về khối lượng cho phép giao động trong phạm vi +4, -3% so với khối
lượng định mức.
Thép phôi vuông, được cán trên các máy cán phôi, máy cán thép hình, máy cán
dầm-ray và có kích thước cạnh vuông từ 40 đến 250 mm (ΓOCT 4693-57) kích

thước và dung sai thể hiện trong bảng 2.2. Hiệu kích thước hai đường chéo
của thép phôi vuông không được vượt quá 0,7 dung sai theo cạnh.

Bảng 1.2. Kích thước thép phôi vuông, mm
Cạnh
Vuông,
a

Bán
kính,
R

56, 60, 63

7

70

9

75, 80, 85
12

95, 100,
105
110, 115,
120, 120

Cạnh

giới hạn,

Vuông,

∆

a

Bán
kính,
R

15
18

Sai lệch
giới hạn,
∆
+2,4; -

+1,0; -

40, 45, 50

90

Sai lệch

1,5

130, 140

+1,3; -

150

2,0

160, 170,

+1,6; -

180

2,5

190, 200

+1,8; -

210, 220

3,0

240, 250

+2,0; 3,5

4,0
21

+3,0; 25

30
35

5,0

+4,0; 6,0
+5,0; 7,0

Thép phôi trục tiết diện vuông (ΓOCT 4728-59) được cán chủ yếu trên các máy
cán thỏi lớn và một phần được cán trên các máy cán dầm-ray. Loại phôi này dùng
cho các thành phần chuyển động của tàu hỏa: trục toa xe khổ đường ray rộng. Kích
thước và dung sai loại thép phôi này trong bảng 2.4.
Thép phôi trục tròn (ΓOCT 6143-52) dùng cho các trục tàu điện, đường kính 150
mm, dung sai theo đường kính từ +1,2 đến -2 mm.

9


Thép tròn cán nóng
Thép tròn cán nóng được sản xuất trên các máy cán hình, máy cán dầm-ray có
đường kính từ 5 đến 250 mm (ΓOCT 2590-57) (bảng 5.5).
Ngoài các kích thước trong bảng 2.4, có thể cán các loại thép tròn đường kính 23,
27, 29, 31, 37, 39, 41, 44, 46, 52, 58, 62, 64, 68, 72, 76, 78 và 115 mm. Sai lệch giữa
đường kính lớn nhất và nhỏ nhất (độ ovan) không vượt quá 0,5 tổng các sai lệch giới
hạn. Các thép tròn độ chính xác cao chủ yếu được cán từ các loại thép chất lượng và
thép chất lượng cao.
Thép tròn đường kính nhỏ hơn 9 mm (thép dây) nếu được cán trên các máy cán
dây bố trí kiểu hàng sẽ cấp ở dạng cuộn khối lượng từ 80 đến 100 kg còn trên các

máy cán liên tục hoặc bán liên tục thì khối lượng của cuộn là 200 – 500 kg. Thép
tròn đường kính nhỏ hơn 30 mm được cán trên các máy cán hình cỡ nhỏ và cũng có
thể được cung cấp ở dạng cuộn.
Thép vuông cán nóng
Thép vuông cán nóng, căn cứ vào các yêu cầu sử dụng và và yêu cầu kỹ thuật có
thể được phân loại theo tiêu chuẩn sau đây.
Thép vuông được hiểu là thép vuông cán nóng (ΓOCT 2591-57) được sản xuất với
đường kính từ 5 đến 250 mm (bảng 5.9). Thép vuông với mọi kích thước cạnh tiết
diện khác nhau (gọi tắt là cạnh vuông) được cán ở dạng thanh, nếu cạnh vuông nhỏ
hơn 16 mm thì có thể ở dạng thanh và dạng cuộn.
Thép vuông độ chính xác cao được cán chủ yếu từ thép chất lượng và chất lượng
cao. Thép vuông nhỏ hơn 100 mm cán với góc vuông rõ nét, còn thép vuông lớn hơn
100 mm thì có góc lượng với bán kính nhỏ hơn 15% chiều rộng của cạnh vuông.

Bảng 1.3. Kích thước thép vuông, mm
Sai lệch giới hạn của cạnh vuông

10


Độ

chính

thường

xác

Độ

chính

cao

5; 6; 7; 8; 9

+0,3; -0,5

+0,1; -0,3

10; 11; 12; 13; 14; 15; 16

+0,3; -0,5

+0,1; -0,3

17; 18; 19

+0,3; -0,5

+0,2; -0,3

20; 21; 22; 24; 25; 26; 27; 30; 32;

+0,4; -0,5

+0,2; -0,4

+0,4; -0,5

+0,2; -0,4

36; 38

+0,4; -0,7

+0,2; -0,6

40; 42; 45; 48

+0,4; -1,0

+0,2; -0,9

50; 53; 56

+0,5; -1,1

+0,3; -1,0

60; 63; 65; 70; 75

+0,5; -1,3

+0,4; -1,2

80; 85; 90; 95

+0,6; -1,7

+0,5; -1,5

100; 105; 110

+0,8; -2,0

+0,6; -1,8

120; 125

+0,8; -2,0

+0,6; -2,0

130; 140; 150

+0,9; -2,5

--

160; 170; 180; 190; 200

+1,2; -3,0

--

34

xác

210; 220; 240; 250

Trong các trường hợp cần thiết có thể cán các loại thép vuông với các góc vuông
sắc hoặc có góc lượng.
Các loại thép gió tiết diện vuông (ngoài các loại thép tròn trong các bảng) được cán
từ các loại thép dụng cụ và các loại thay thế ở dạng thanh. Kích thước và dung sai
của
Thép dụng cụ cacbon làm dũa được cán vuông với cạnh 4, 5, 6, 8, 10, 12, 16 mm.
Dung sai 0,4 mm cho các thép có cạnh vuông nhỏ hơn 12 mm và 0,6 mm cho các
loại còn lại.
Thép nam châm dạng vuông được cán từ các loại thép đặc biệt có từ tính với cạnh
vuông 10 và 20 mm. Dung sai +0,3 và -0,5 mm cho thép vuông 10 mm và +0,4 và -

11


0,5 mm cho thép vuông 20 mm. Ngoài ra các thép lò xo cũng có thể cán vuông với
cạnh từ 6 đến 50 mm.
1. 2. Phân loại máy cán thép hình
Căn cứ vào đường kính trục cán, cấu tạo và chủng loại sản phẩm, các máy cán
dùng để sản xuất các loại thép hình cán nóng được chia thành: máy cán hình cỡ lớn,
cỡ trung bình và cơ nhỏ.
Máy cán hình cỡ lớn
Các loại máy cán thép hình cỡ lớn có đường kính trục 500-650 mm, các giá cán
của máy được bố trí nối tiếp hoặc xếp thành hai hàng, đảm bảo năng suất cao tới 1
triệu tấn/năm. Chủng loại thép cán hình được viện dẫn trong bảng.
Các loại máy cán hình cỡ lớn kiểu cũ thường có sơ đồ bố trí thiết bị kiểu hàng có
mức độ cơ giới hóa tự động hóa thấp khối lượng phôi thép nhỏ năng suất chỉ đạt
250-350 ngàn tấn/năm. Ngoài các loại thép hình cỡ lớn, người ta còn cán các loại
thép cỡ trung. Sau đây là giới thiệu mô tả một số loại máy cán thép cán hình cỡ lớn

tại Liên Bang Nga và các nước trên thế giới.
Máy cán thép hình cỡ lớn 650 được bố trí thành hai hàng, có giá duo-đảo chiều
800 ở đường cán thứ nhất để cán thô và hai giá cán trio 650 và một giá cán duo 650
ở đường cán tinh. Máy dùng để cán thép hình cỡ lớn từ phôi thỏi (blium) ban đầu
300x300 mm, chiều dài từ 2,5 đến 6 m, nặng tới 4 tấn.
Phôi nóng hoặc nguội được cầu trục vận chuyển đến khu vực lò và được nung
trong ba lò nung liên tục bằng khí than cốc. Các lò có bộ phận hoàn nhiệt nung nóng
không khí đưa vào các vòi phun.
Sau khi nung nóng, các phôi thỏi được đưa ra cửa phía đầu lò, tới băng tải vận
chuyển và tới giá cán 800. Giá cán 800 có động cơ điện dòng một chiều, công suất
4000 kW, tốc độ 120 vòng/phút dùng để cán đảo chiều.
Chiều dài thân trục là 2100 mm, đường kính nhỏ nhất có thể là 700 mm, hành trình
nâng trục trên là 600 mm. Các trục cán được nối với trục bánh răng bởi các trục
truyền lực và khớp cầu đa năng. Hai cơ cấu đai ốc-vít nén quay được bới hai động

12


cơ 100 kW, hộp giảm tốc có bậc bánh răng trụ và bậc bánh răng-trục vít tốc độ điều
chỉnh là 50-100 mm/s.
Trục cán làm việc trong bạc lót vật liệu tectolit làm nguội bằng nước và khi cần
được thay thế cả cụm bởi một xe chuyển động đặc chủng. Giá cán 800 được trang bị
hai bàn đảo phôi kiểu chuyển động thanh răng ở phía trước và phía sau. Các thanh
răng chuyển động nhờ động cơ 100 kW. Cơ cấu lật phôi được bố trí ở thước bên
phải, bàn phía trước.

H.1.1. Sơ đồ bố trí thiết bị máy cán hình cỡ lớn 650
1-lò nung; 2-giá cán duo 800; 3-giá cán thô trio 650; 4-giá cán tinh duo 650; 5-máy
cưa; 6-máy đóng dấu; 7-sàn nguội; 8-khu bảo quản N01; 9-khu bảo quản N02; 10máy nắn; 11-cưa nguội; 12-máy bốc xếp; 13-bàn cân; 14-giá đỡ thép tròn và thép
vuông; 15-giá để nắn thép tròn; 16-giá làm sạch; 17-giá làm sạch thép tròn; 18-khu

tiền bảo quản; 19-khu bảo quản thép ray; 20-máy phay và máy khoan; 21-máy ép
trục lệch tâm; 22-khu vực phân loại.
Phôi thép sau khi đã được cán ép sơ bộ trên giá 800 của hàng cán thứ nhất được
đưa đến hàng cán tinh. Cả hai giá cán trio với khoảng cách giữa các trục từ 180 đến
700 mm (chiều dài thân trục 1700 mm) được dẫn động bởi một động cơ điện công
suất 6200 kW với tốc độ 0-80-180 vòng/phút. Giá cán duo đường kính trục 650 mm,
chiều dài thân trục 1200 mm được dẫn động bằng động cơ điện 1500 kW, với tốc độ
0-80-220 vòng /phút. Tất cả các trục đều quay trong ổ bạc lót tectolit, được làm
nguội bằng nước, được thay thế bằng cách tháo dỡ và lắp đặt ngay trên giá. Mỗi giá
cán trio được trang hai bàn nâng hạ hai bên kiểu cầu bập bênh và có cơ cấu lật phôi
kiểu gọng kìm dẫn động thủy lực. Chuyển động ngang của cơ cấu lật phôi và thước
gạt được thực hiện nhờ cơ cấu thanh răng dẫn động điện.

13


Sau giá cán tinh, thép cán được đưa đến khu cưa cắt, tại đây có bố trí sáu máy cưa
đĩa kiểu đẩy ngang. Trên đường băng tải vận chuyển thép cán đến sàn nguội có bố
trí các máy đóng dấu và các cơ cấu ụ tỳ động.
Diện tích mặt bằng bảo quản được chia thành ba khu vực: 1) khu bảo quản thép
hình chữ U, chữ I, thép góc; 2) khu bảo quản thép tròn, vuông và 3) khu bảo quản
thép đường ray.
Khu bảo quản 1 và 3 được bố trí tại hai phía đường băng tải vận chuyển ở phần
cuối sàn nguội. Mỗi khu vực đều có máy nắn tám trục con lăn kiểu khung kín, máy
cưa nguội, các cơ cấu ụ tì động, máy bốc xếp, xe chứa và bàn cân. Các thép tròn
được nắn trên máy nắn bảy con lăn. Sau sàn nguội tháp cán được làm sạch.
Thép cán được chuyển đến máy cưa nguội cắt thành từng đoạn và chuyển vào khu
chứa. Trong trường hợp cần thiết thép sau cắt được thu gom, đóng bó và được cầu
trục điện từ chuyển đến nơi quy định.
Thép đường ray sau sàn nguội được cầu trục (sức hút) điện từ chuyển đến khu bảo

quản, được nắn trên máy ép kiểu trục lệch tâm, sau đó được gia công cơ phay và
khoan hai đầu bằng các máy công cụ. Sau khi khoan lỗ bulông và phay phẳng hai
mặt mút, các thanh thép ray được thu gom lại và xuất xưởng.
Các thanh thép không đạt yêu cầu như có khuyết tật hay độ cong vênh quá lớn gọi
chung là thép sai hỏng được chuyển lại khu nắn sửa hoặc cưa cắt.
Khi cán các loại thép phôi để cung cấp như thép phôi đầu vào cho các nhà máy cán
thép hình khác thì các máy nắn được chuyển dịch ra chỗ khác, thay vào đó là các
băng tải vận chuyển.
Công suất của máy cán hình cỡ lớn 650 là 150-180 tấn/giờ tương đương 1 triệu
tấn/năm.

1.3. Cơ sở thiết kế lỗ hình trục cán
•

Thép cán hình là các loại thép có tiết diện đơn giản và phức tạp, được

cán trên các trục có tiện rãnh hình.

14


•

Các rãnh của hai hoặc nhiều trục phối hợp lại trong khi cán gọi là lỗ

hình. Như vậy lỗ hình là khoảng không được tạo bởi các rãnh hình ghép lại
trong mặt ph¼ng chứa đường tâm trục.
•

Thiết kế trục cán là xác định hình thù kích thước và số lượng lỗ hình

và bố trí chúng trên trục để cán được tiết diện nhất định theo chế độ ép đã
tính toán.
•

Trên các máy cán thép hình, theo nguyên tắc thì qua mỗi lỗ hình chỉ

cán được một lần. Đối với máy cán lớn thì sự thay đổi khoảng cách trục cho
phép cán vài lần trên một lỗ hình.
¾

Thiết kế lỗ hình tối ưu (hoặc tính chế độ ép) cần đảm bảo

1. tiết diện có kích thước cần thiết với dung sai cho phép
2. chất lượng tốt - không có ba via, nếp gấp, ứng suất có hại trong kim loại
3. năng suất máy cao nhất vì có số lần cán ít nhất và phân bố tối ưu
giữa các lần cán
4. quá trình ăn phôi bình thường
5. tiêu hao năng lượng ít nhất và phân bố tải động cơ đều cho các lần cán
6. lỗ hình ít mòn, tăng thời hạn sử dụng của trục, tiêu hao trục cho một tấn
sản phẩm là ít nhất
7. Sử dụng máy thuận tiện và dễ cơ giới hoá và tự động hoá.
¾

Điều kiện đáp ứng các yêu cầu trên cần có:
Kim loại chất lượng tốt không có nứt rỗ khí và nếp gấp
Nhiệt độ nung tối ưu và đều với lượng xỉ ít nhất
Độ cứng vững của máy đảm bảo và chỉnh máy chuẩn.

1.4. Bố trí lỗ hình trên trục

15


Khi chọn vị trí lỗ hình trên trục, cần phải xuất phát từ kích thước chính – khoảng
cách trục của giá cán D0, (gọi là đường kính giá cán) là khoảng cách giữa các đường
tâm trục trên và trục dưới trong trạng thái cán. Đường kính giá cán là giá trị trung
bình hai đường kính ban đầu của trục trên và dưới
D0 =(D0tr+D0d)/2.
Đường kính ban đầu D0tr, D0d - là đường kính tưởng tượng của các trục tiếp xúc
nhau; khe hở trục là thành phần của đường kính ban đầu.
D0tr =Dtr1 + s;

Nghĩa là:

D0d =Dd1 + s;
Dtr1, Dd1 - Đường kính trục trên và dưới tại miệng lỗ hình.
Ngoài ra còn có đường kính đáy lỗ hình Dtrh và Ddh . Đường tiếp xúc hai đường
kính ban đầu gọi là đường cán.
1.5. Xác định đường trung hoà của lỗ hình
Đường trung hoà của lỗ hình được hiểu là đường thẳng chia lỗ hình làm hai
phần sao cho khi nó trùng với đường cán trong trường hợp đường kính ban đầu bằng
nhau thì đảm bảo sự đi thẳng của thanh kim loại sau khi ra khỏi trục và quá trình cán
xảy ra êm và đều, không có sự dung va đập. Chính vì vậy việc xác định đúng vị trí
đường trung hoà có ý nghĩa lớn.
1.6. Xác định đường kính cán trung bình khi cán trong khuôn hình
•

Xác định tốc độ có tính đến lượng vượt

•

Xác định đường kính cán trung bình

1.7. Nguyên tắc chung:
1.

Khi xác định số lần cán xuất phát từ điều kiện ăn phôi

2.

Chế độ ép tại các lỗ hình đầu xác định bằng điều kiện ăn phôi, các lỗ

hình sau xác định từ điều kiện nghiệm bền

16


3.

Hệ số vuốt các lỗ hình tinh và trước tinh được trọn xuất phát từ điều

kiện biến dạng
4.

Kích thước ban đầu ở trạng thái nguội, sử dụng dung sai âm, hệ số

giãn nhiệt
5.

Tính ngược hướng cán

6.

Xác định lượng giãn rộng và chiều rộng lỗ hình

7.

Chia tiết diện lỗ hình thành các phần sao cho phù hợp

8.

Phân bố các lần cán trên các giá đảm bảo năng suất và tải đều

9.

Kiểm tra tải của động cơ

10.

Lựa chọn hệ số biến dạng đảm bảo trục mòn đều, tuổi thọ cao.

1.8. C¬ së lý thuyÕt
1.8.1. Tính toán hệ lỗ hình: hộp vuông – hộp chữ nhật
1.8.2. C«ng thøc c¬ b¶n
+Sơ đồ cán: hộp vuông – hộp chữ nhật – hộp vuông.
+ Cho trước kích thước lỗ hình hộp vưông phía trước (c1) và phía sau (c3);
+ Chọn hệ số giãn rộng trong lỗ hình chữ nhật k2 và lỗ hình vuông k3
- Tính chiều cao h2 và chiều rộng b2 lỗ hình hộp chữ nhật.
Cách tính: Căn cứ vào công thức ∆b = k ∆h và sơ đồ cán ta có:

⎧⎪h2 = c3 − k3 ( b2 − c3 )
⎨
⎪⎩b2 = c1 − k2 ( c1 − h2 )
Giải hệ pt ta có:

h2 =

(1 + k ) c − ( k
3

3

3

+ k2 k3 ) c1

1 − k 2 k3

b2 = c1 − k2 ( c1 − h2 )
Trong trường hợp chọn k2 và k3 = 0,25-0,3 ta sẽ có:

17