Nghiên cứu thiết kế xây dựng hệ đo cảm biến gia tốc MEMS ứng dụng đo độ run

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

NGUYỄN VĂN MẠNH

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MA SÁT, ĐỘ BIẾN
DẠNG ĐẾN CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ CÁN THÉP
TẤM VÀ BĂNG MỎNG

Chuyên ngành: KỸ THUẬT VẬT LIỆU

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT VẬT LIỆU

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS. TS. ĐÀO MINH NGỪNG

HÀ NỘI – 2010


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

-2-

MỤC LỤC
Trang
Trang phụ bìa

1

Lời cam đoan

2

Mục lục

3

Danh mục các bảng

6

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

7

Phần mở đầu

10

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ, THIẾT BỊ

11

CÁN NGUỘI THÉP TẤM VÀ BĂNG MỎNG
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
TÍNH LỰC VÀ MÔMEN CÁN
2.1 Các thông số cơ bản

23
23

2.1.1 Áp lực trung bình

23

2.1.2 Chiều dài cung tiếp xúc

27

2.1.3 Diện tích tiếp xúc

31

2.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến lực cán

32

2.2.1 Ảnh hưởng của sức căng đối với lực cán

32

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

-3-


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

41

2.3.2.1.1 Công thức A.P. Trecmarev

41

2.3.2.1.2 Trường hợp trở kháng biến dạng trượt trong toàn miền

43

biến dạng không đổi và bằng giá trị trung bình trước và sau lần cán
2.3.2.1.3 Trường hợp trở kháng biến dạng thay đổi tuyến tính

44

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

45

tuyến bậc 2
2.3.2.2 Tính áp lực của kim loại lên trục cán với qui luật ma sát

46

Culông

2.3.2.2.1 Công thức A.A. Korolev

46

2.3.2.2.2 Tính áp lực theo công thức A.V. Tretiacov

46

2.3.2.3 Xác định ứng suất tiếp xúc bằng phương pháp thực nghiệm
2.3.3 Tính mômen cán và các mômen khác
CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG

47
50
57

CÔNG NGHỆ CÁN THÉP TẤM VÀ THÉP BĂNG
3.1. Mô hình quá trình cán thép tấm, thép băng mỏng và phương

57

pháp tính
3.1.1 Đặc điểm chung và mô hình tính toán

57

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

61

hồi của trục cán và băng kim loại.
3.1.3. Tính ứng suất trung bình và chiều dài hình chiếu cung biến dạng .
3.2. Xác định các thông số công nghệ bằng phần mềm MTL

62
65

3.2.1. Giới thiệu phần mềm tính toán công nghệ cán

65

3.2.2. Kết quả tính toán các thông số của quá trình cán

71

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

3.2.5. Kết luận

108

-4-


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

109

ĐẾN ỨNG SUẤT TIẾP XÚC, LỰC CÁN VÀ MÔMEN CÁN
4.1. Ảnh hưởng của hệ số ma sát và hệ số ép đến biểu đồ phân bố ứng

110

suất
4.2. Ảnh hưởng của hệ số ma sát và lượng ép đến lực cán và mômen

113

cán
4.3. Ảnh hưởng của các thông số đến trạng thái ứng suất và biến

120

dạng
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

125

TÀI LIỆU THAM KHẢO

127

PHỤ LỤC

128

-5-


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng

Tựa bảng

Trang

3.1

Phân phối lượng ép qua các lần cán.

61

3.2

Góc ăn và chiều dài cung biến dạng không tính tới lún đàn hồi của

trục cán và băng kim loại.
Áp lực riêng trung bình không tính tới nén đàn hồi của trục và băng

61

3.3

kim loại.

-6-

65


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình

Tựa hình

Trang

1.1

Sơ đồ các kiểu máy cán nguội thép băng và thép lá

17

1.2

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

18

1.3
1.4
2.1

Sơ đồ máy cán đảo chiều (250/1320/1400) kiểu MKD
Sơ đồ bố trí trục cán ở các giá nhiều trục.
Sơ đồ lực tác dụng của phân tố biến dạng trong quá trình cán đơn
giản.
Sơ đồ cán để xác định chiều dài hình chiếu cung tiếp xúc
Sơ đồ xác định chiều dài vùng biến dạng khi hai trục cán có đường
kính khác nhau
Sơ đồ vùng biến dạng trong cán nguội
Biểu đồ phân bố ứng suất ma sát theo định luật Amaton - Culong
Biểu đồ phân bố ứng suất ma sát theo định luật E. Zibel
Biểu đồ phân bố ứng suất ma sát theo định luật Niuton
Biểu đồ ứng suất ma sát khi 1/htb > 5

20
21
23

2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7

2.8
2.9
2.10

1
= 2÷5
h tb
1
= 0,5 ÷ 2
Biểu đồ ứng suất ma sát khi
htb

Biểu đồ ứng suất ma sát khi

27
28
30
36
37
38
39
40
40

l
< 0,5
h tb

41
48

49
63

3.2

Phần tử cảm biến
Cảm biến điểm và sơ đồ mạch điện
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
Giao diện chính gồm các thực đơn và thanh công cụ

3.3

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

2.11
2.12
2.13
3.1

Biểu đồ ứng suất ma sát khi

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

66
67

khoa học.
3.4

Kết quả tính toán được in và xem trước khi in

67

3.5

Nhập các thông số vật liệu và điều kiện cán

68

3.6

Nhập các thông số phôi ban đầu

68

-7-


3.7
3.8
3.9

Nhập các thông số thiết bị
Nhập các thông số biến dạng
Ghi lại dữ liệu tính toán để phân tích

69
69
70

3.10

Dựng đồ thị trên máy vi tính

70

3.11

Sơ đồ thừa kế của thư viện liên kết động UNGDUNGDLL-Moodul

71

cán thép hình
3.12

Biểu đồ phân bố ứng suất khi f = 0. 03, η = 1, 2

80

3.13

Biểu đồ phân bố ứng suất khi f = 0. 06, η = 1, 2

81

3.14

Biểu đồ phân bố ứng suất khi f = 0. 09, η = 1, 2

82

3.15

Biểu đồ phân bố ứng suất khi f = 0. 12, η = 1, 2

83

3.16

Biểu đồ phân bố ứng suất khi f = 0. 15, η = 1, 2

84

3.17

Biểu đồ phân bố ứng suất khi f = 0. 18, η = 1, 2

85

3.18

Biểu đồ phân bố ứng suất khi f = 0. 03, η = 1, 4

86

3.19

Biểu đồ phân bố ứng suất khi f = 0. 06, η = 1, 4

87

3.20

Biểu đồ phân bố ứng suất khi f = 0. 09, η = 1, 4

88

3.21

Biểu đồ phân bố ứng suất khi f = 0. 12, η = 1, 4

88

3.22

Biểu đồ phân bố ứng suất khi f = 0. 15, η = 1, 4

90

3.23

Biểu đồ phân bố ứng suất khi f = 0. 18, η = 1, 4

91

3.24

Biểu đồ phân bố ứng suất khi f = 0. 03, η = 1, 6

92

3.25

Biểu đồ phân bố ứng suất khi f = 0. 06, η = 1, 6

93

3.26

Biểu đồ phân bố ứng suất khi f = 0. 09, η = 1, 6

94

3.27

Biểu đồ phân bố ứng suất khi f = 0. 12, η = 1, 6

95

3.28

Biểu đồ phân bố ứng suất khi f = 0. 15, η = 1, 6

96

3.29

Biểu đồ phân bố ứng suất khi f = 0. 18, η = 1, 6

97

3.30

Biểu đồ phân bố ứng suất khi f = 0. 03, η = 1, 8

98

3.31

Biểu đồ phân bố ứng suất khi f = 0. 06, η = 1, 8

99

3.32

Biểu đồ phân bố ứng suất khi f = 0. 09, η = 1, 8

100

3.33

Biểu đồ phân bố ứng suất khi f = 0. 12, η = 1, 8

101

3.34

Biểu đồ phân bố ứng suất khi f = 0. 15, η = 1, 8

101

3.35

Biểu đồ phân bố ứng suất khi f = 0. 18, η = 1, 8

101

-8-


3.36

Mô phỏng số quá trình cán tấm bằng phần mềm DEFORM3D

106

3.37

Mức độ biến dạng tương đương trong quá trình cán tấm

107

3.38

Biểu đồ phân bố ứng suất tương đương trong vùng biến dạng

107

4.1

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

110

sát:1-f=0,03; 2-f=0,06; 3-f=0,09; 4-f=0,12; 5-f=0,15; f=0.18
4.2

Sự thay đổi biểu đồ ứng suất khi hệ số biến dạng η=1,4 và hệ số ma

111

sát:1-f=0,03; 2-f=0,06; 3-f=0,09; 4-f=0,12; 5-f=0,15; f=0.18
4.3

Sự thay đổi biểu đồ ứng suất khi hệ số biến dạng η=1,6 và hệ số ma

112

sát:1-f=0,03; 2-f=0,06; 3-f=0,09; 4-f=0,12; 5-f=0,18
4.4

Sự thay đổi biểu đồ ứng suất khi hệ số biến dạng η=1,8 và hệ số ma

112

sát:1-f=0,03; 2-f=0,06; 3-f=0,09; 4-f=0,12; 5-f=0,18
4.5

Áp lực trung bình cho các điều kiện cán khác nhau

117

4.6

Sự thay đổi ứng suất trung bình khi hệ số ma sát thay đổi

117

4.7

Sự thay đổi của lực cán khi hệ số ép thay đổi

118

4.8

Sự thay đổi của lực cán khi hệ số ma sát thay đổi

118

4.9

Sự thay đổi của diện tích tiếp xúc giữa kim loại

119

4.10

Sự thay đổi của công suất động cơ khi hệ số biến dạng thay đổi

119

4.11

Sự thay đổi của công suất động cơ khi hệ số ma sát thay đổi trong

120

trường hợp tỷ số truyền i=15
4.12

Mô phỏng quá trình cán nóng tấm dày

121

4.13

Biểu đồ phân bố ứng suất quy đổi trên bề mặt tiếp xúc

121

4.14

Biểu đồ ứng suất quy đổi

122

4.15

Sơ đồ dường mức ứng suất quy đổi và biểu đồ lực cán

122

4.16

Sơ đồ biến dạng quy đổi và biểu đồ lực cán

123

-9-


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.

- 10 -


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

- 11 -

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.

- 12 -

- 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

- 13 -


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.

- 14 -


Phụ thuộc vào đặc điểm của thành phẩm, có thể chia xưởng cán nguội thành
các nhóm khác nhau:
- Sản xuất thép băng và thép lá kết cấu từ các mác thép các bon và thép hợp
kim thấp dùng cho chế tạo nói chung và chế tạo ô tô nói riêng.
- Sản xuất tôn.
- 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.

- 15 -


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.
2

3
4

1

5

a)

- 16 -


2

3

6

4
5

1

b)

2
3

5

4

5

1

c)
2
4

5

5

1

3

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.

- 17 -


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.

2

5
6
3

4

7

1

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

- 18 -


chuyển chủng loại dễ dàng theo yêu cầu khối lượng sản xuất của các máy đảo chiều
không lớn, chỉ khoảng (50 - 150) nghìn tấn/năm.
Phụ thuộc vào kiểu giá, người ta phân biệt các máy đảo chiều kavarto và các
máy đảo chiều nhiều trục.
Các máy đảo chiều kavarto dùng để sản xuất thép băng cán nguội dày (0,2 0,4) mm, rộng 2080 mm, kích thước của hệ trục cán trong khoảng (400 - 600)/(1300
- 1600)x(1200 - 2300) mm, các kiểu này cho phép sản xuất băng với tỉ lệ h:b =
1:6000 và hơn. Tốc độ đạt 20 m/s.
Phôi dùng cho máy cán nguội một giá đảo chiều là thép băng cán nóng và
thép băng cán nguội (đã qua ủ mềm) dày (1,5 - 6,5) mm, khối lượng cuộn 45 tấn.
Lượng ép tổng cộng trong trường hợp cán không qua ủ trung gian đạt 85%.
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%.

- 19 -


1

2

5

3
4

6

7

8

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%.

- 20 -


4

3

2
2
1

3

2

1

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

- 21 -


sự biến đổi của chiều dày băng thép. Để tăng độ ổn định của chiều dày băng kim
loại trong khi cán, ngoài việc ổn định lượng ép, cần giảm tối đa thời gian tăng tốc
và giảm tốc của các động cơ truyền động.

- 22 -


CHƯƠNG 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT CÁC PHƯƠNG PHÁP
TÍNH LỰC VÀ MÔMEN CÁN
2.1 CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN
2.1.1 Áp lực trung bình
Trong trường hợp chung, ngoài lực tác dụng từ phía trục cán, kim loại còn
chịu lực tác dụng khác như lực kéo, lực đẩy và phản lực từ phía máng dẫn hay băng
tải con lăn. Các lực này có ảnh hưởng tới trạng thái cân bằng lực trong vùng biến
dạng. Xét trường hợp cán đơn giản, trong đó ngoài áp lực từ phía trục cán không
còn lực nào khác. Trên (hình 2.1), là sơ đồ tác dụng của lực trong vùng vượt tác
dụng lên phân tố thể tích kim loại.
y

α
τx

ϕx
x

Px

dx x
l

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

- 23 -


kim loại tác dụng lên trục ta thiết lập phương trình cân bằng, bằng cách chiếu các
lực lên trục Y.
γ
γ
α
dx
dx
dx
b .∫ P
cosϕ + b . ∫ τ
sinϕ − b . ∫ τ
sinϕ = P

tb x cosϕ
x
tb x cosϕ
x
tb x cosϕ
x
0
0
0
x
x
x

Trong đó:

(2.1)

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:
1
P = b . ∫ P dx
tb x
0

(2.2)

Áp lực trung bình được tính như sau:
1

p tb =

Trong đó:

P
=
F

b tb .∫ Px dx
0

(2.3)

F

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:
P = b tb .F

(2.4)

Như vậy, thực tế tính toán lực P dẫn tới việc xác định áp lực trung bình và

diện tích tiếp xúc.
Khi cán trên trục hình trụ, áp lực trung bình có thể tính theo một trong các
công thức dưới đây. Trường hợp cán nóng không có lực kéo và vật liệu không biến
cứng

- 24 -


h
2(1 − ε) ⎛⎜ γ ⎞⎟
P = 2k.
.
tb
ε(δ − 1) ⎜ h ⎟
⎝
⎠

⎛ hγ ⎞
⎟⎟
⎝ h ⎠

δ

Trong đó: ⎜⎜

ε=

δ⎡ h δ ⎤
⎢⎛ γ ⎞⎟
⎥

− 1⎥
.⎢⎜
⎜ h ⎟
⎢⎝
⎥
⎠
⎣
⎦

δ
⎛
⎜ 1 + 1 + (δ 2 − 1)⎛⎜ H ⎞⎟
⎜
⎝h⎠
=⎜
δ +1
⎜
⎜
⎝

⎞
⎟
⎟
⎟,
⎟
⎟
⎠

δ=

2.f.ld 2.f
=
∆h
α

∆h
2D C
và chỉ số ma sát δ = f.
H
∆h

Trường hợp cán nguội có lực kéo và biến cứng:
δ−2
⎧
⎤
⎡⎛ h γ ⎞ δ + 2 ⎤ ⎫⎪
1 ⎪
H ⎡⎢⎛⎜ H ⎞⎟
h
⎢⎜ ⎟ − 1⎥ ⎬
− 1⎥ + ξ1.2.k1
Ptb =
⎨ξ 0 .2.k 0 .
∆h ⎪
δ − 2 ⎢⎜⎝ h γ ⎟⎠
δ + 2 ⎢⎜⎝ h ⎟⎠
⎥
⎥⎦ ⎪
⎣
⎣

⎦
⎩
⎭

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

ξ 0 δ0 −1 δ +1
H .h
ξ1

(2.5)

• Khi xét đến ảnh hưởng của ma sát ngoài, từ (2.3) có:
Ptb = K.n 'σ

(2.6)

Trong đó:
n 'σ - 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)
trong đó: β =

2
1+ ν2

- Hệ số Lode, khi biến dạng

phẳng β = 1,15
σu- Giới hạn chảy thực tế trong điều kiện nhiệt độ, tốc độ biến
dạng, mức độ biến dạng cho trước
σ u = n t .n ε .n v .σ s

- 25 -

(2.7)