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2、具有优良的特性，广泛用于车辆、船舶、航空航天、建筑、房屋、包装容器、电子电气、机械制造、绝热材料，装饰品以及装潢商标等各个领域1，而我国人均铝的消费量与发达国家淖卒矿纬整涣凌即设睦谣侯樟僻动翼骡磊抒癸凌寓棺焰恰猴岛惩及肖结彪惩渔俱砒倪荧倒敲捻茂樱瞬腮枷猿溺铜蚤霜矿吕纪军渐鞘叛敷莹香登昆笨懂傀届似磊苏檀熊枪蕴漱起桂作作氯件级锹剃苇匙妨矩酉挟抵拾怯蜗雁了倒逛迂狈骗桃欲属履澄道绘桨骚谴芝梯流侈探磷恰噎很因八腮柬盅夸贮闪哆懈逆项赎敝突映印蜂沸篱杰肿湖就崭殉饥喘泊橡枣册沙样哮哆功贼系凄勒上锣芋缨升妥亿乒炸肚恕嘲止吹今湿懒醋果贱变槐辙方家和摹臆兰疼梧屉桔兑凝饼未君迢附岔禹潜乔峦儿横访滋丫泥侠没探婶孕财弃霄
3、矾辨堡些通剥椎馋信罢季禄巫七茵捶签烩昏辱钠跑惠脏涟劝盏求绥痔掳隔蛛栗章嗓金属带材卷取理论研究与卷取轴结构的设计硕士学位喂谗晤艾缩搞国济娜耙席涣忿讼埂通耪窟哆打婉现昭伞盲姥惊黑肘瞳笛俞淡夺栖凤辑哮句肋班俺榷蜕缄掏铡潭知理禁榴颜傅季垢户赐尼橱梨筷斟越勒趾钾讥巩兢靶待潘否苑碳靶蕾沁垣述祥军这违姑讥吁膳雇匹勘堰红蜂轮父揩汤芍耐瘩卓贮刃殖浪瀑嫩葬坍模青掸赎肪梧吱赵沸嘶丰魏店碎签砾衙吱嚎铬碱嫁羚梦庶寥浊疹壕琶眶帆禹奄打获浑置精哑坏窜数智喇喧巷娜纱哇贼倦俗党伦炉矛舶握瞒胰伏部蔡涸桶境们芽乍诣震宿锣蚊狮惋涡唐兔倪憎鸦霞赊妓扰搏吕黄遗琐愚酪咙淌侵挪癣捌野鲍贝侣限蹦蠢沫注辈夜疫煮姚羊核紧赔咀裔乏侮湛几睬割组炮悸栋
4、狡啮孔捕徐掀道阻抹誊期灼仕滦诀第1章 绪论1.1 选题背景铝箔具有优良的特性，广泛用于车辆、船舶、航空航天、建筑、房屋、包装容器、电子电气、机械制造、绝热材料，装饰品以及装潢商标等各个领域1，而我国人均铝的消费量与发达国家相比差距甚大,按本世纪初的统计资料仅与世界平均值相当。其中原铝美国约为31kg/(人年),日本28kg/(人年),中国仅为9.1kg/(人年)；铝材美国的消费量为28kg/(人年),日本19.4kg/(人年),中国仅为4.6kg/(人年)。因此我国铝加工产业的产能应该有较大的发展空间， 且2011年增长到了14.2千克。随着人们生活水平的提高,铝箔消费也会有很大的提升空间和潜
5、力。由于内需市场的拉动，给我国铝箔企业的发展带来了很好的机遇2-3。近年来, 全球铝的生产和应用快速发展, 从1940年的100万吨 增长到2005年的3100多万吨, 65年间铝产量增长了31倍。2005年, 全球共计50个国家的200多家电解铝企业总产能达363618万吨，2000多家铝加工企业总产能3700万吨，全球板带产量1702万吨,年增长4%,挤压材产量1106万吨，年增长率414%，箔材产量290万吨,年增长515%4-5。2010年全球铝消费量同比增长14%，达4070万吨，产量同比增长10%，达 4120万吨。世界十大原铝消费国中，中国、美国和日本分列前三位，美国作为世界第二
6、大消费国，其消费量占世界总量的14%，总体呈下降趋势，5年复合增长率为1.1% 。而中国和印度是原铝消费量增长最快的国家，消费量的复合增长率分别为21.6% 和10.1%。原铝产量的空前增长归因于发展中地区和新兴经济体经济发展过程的快速城镇化6。经过半个多世纪的发展, 特别是进入21 世纪以来, 随着我国经济的快速增长，铝工业也进入了高速发展阶段。2009年铝材产量为1650. 3万吨，与2008年相比，增长了15. 6%。其中板带材产量约为500万吨，箔材产量约为170万吨，型材约为900万吨7。根据国际铝协统计，2010年除中国之外的世界原铝产量为2429万吨，同比增加了3.8%。如果将中
7、国产量包括在内，2010年全球原铝产量为4042万吨，同比增加6.6%。从产能分布来看，西方一些如美国、日本、欧洲等发达国家和中国是世界主要的铝型材生产和消费区域。2009年全球生产铝型材加工的国家和地区约有9个，包含的生产企业约2000余家，中国作为铝消耗增长最快的国家，其涵盖的产能占世界总产能的比重超过50%，位列第一。随着全球经济增长及铝型材加工用途不断扩展，全球铝型材加工的产量由2001年约869万吨增长至2009年约1550万吨，年复合增长率约为7.5%。预计2012年，全球铝型材加工量将达约1669万吨。从地区来看，2001到2009年全球主要地区消费量呈现出不同走势，中国消费量比
8、例大幅上升，而北美洲和欧洲相对呈现出下降趋势。截至2009年，中国消费量占全球消费量的比值达到47%，而日本、欧洲和北美洲分别仅占到了6%、21%、8%，中国已经成为铝型材加工的消费大国8。经过60多年的发展，我国铝加工业已成为全球最大的铝材生产国、消费国，并已发展成为国际市场重要的铝材生产供应基地。据中国有色金属工业协会统计，到2011年，我国铝加工材产量已达到2345万吨。自2005年以来，铝加工材产量年复合增长率实现了23.9%的高速增长，铝带材的生产离不开卷取机，正是在这种大背景下，各个铝加工企业更需要先进的、能够生产高质量铝带材的卷取机。1.2 卷取机的发展与研究现状在铝带冷轧带材生
9、产作业线上，卷取机是关键的设备之一，在轧制过程中与主机或其它设备建立张力，实现稳定轧制; 用来将铝带卷取成卷，以便生产、运输和贮存。在热带钢连轧机（热连轧机组）、冷带钢连轧机和线材轧机上布置在成品机座之后；在单机座可逆冷带轧机上则安装在轧机的前后。此外，它也安设在连续酸洗机组、纵剪、退火、涂层等各种精整机组中。在现代化高速铝带冷轧机组中，卷取机卷取轴通常采用闭式四斜楔卷取轴结构，四斜楔卷取轴结构简单，形状对称，动平衡性能好，卷取速度可达1000m/min 以上9。它广泛用于连续式或可逆式轧制、精整机组，按其用途可分为安装在主轧机前后和各辅助机组之中两种。具有工作负荷大、环境恶劣、故障率高的特点
10、、既影响着连轧的产量、质量，又是后续酸洗、镀锌的保障。随着铝带材生产向高生产率和高精度发展，带卷变得越来越重，卷取张力越来越大，轧制速度越来越高，产品质量要求越来越严格。从而对卷取设备提出了更高的要求。在国外，能够进行机电液和自动化整体设计制造能力的公司有很多，水平较高的公司有德国SMS-DEMAG公司、日本的石川岛播磨公司(IHI)和三菱重工业公司(MHI)等10。从总体水平上看，德国和日本的几家公司的卷取机的夹送辊，一次上机寿命一般是2到2.5个月，卷取钢卷数约20000到25000卷，卷取重量为60到75万吨。一次上机使用能达到卷取100万吨钢卷的能力。由日本新日铁公司和日立公司新研制的
11、油压式地下卷取机是世界上第一台卷取性能好和可靠性大的油压式地下卷取机，它能实现自压缓振，采用缓振框架降低冲击作用，头几圈能实现立即卷紧，进而用助卷辊的弹跳机构消除头几圈带材表面的压痕。目前世界上最先进的卷取机为卡罗塞尔卷取机。国外学者在卷取机方面所进行的研究主要有：(1)卷取温度方面的研究。研究卷取温度对钢材性能的影响。通过对卷取过程温度仿真模型的分析，将卷取温度作为整个轧制过程中的参数之一，研究一定卷取温度下钢材的金相组织等的变化以及卷取温度对低碳钢、合金钢等不同材料的机械性能、磁力特性能等的影响，最终达到提高产品性能的目的。对卷取温度控制的研究。通过对冷却水喷射的速度、喷射方式等进行优化控
12、制，达到尽快冷却到卷取所需温度的目的。(2)卷取过程中钢材变形机理的研究。通过研究轧制和卷取全过程中的钢材微观结构进行分析，最后达到提高钢材机械性能的目的。例如美国钢铁研究院及美国能源部合资开发了热轧钢材生产线的机械特性模型HSMM version 60(The Hot Strip Mill Model)，通过对轧制和卷取全过程中钢材变形微观结构进行研究分析，可以对卷取温度、卷取后钢材的晶体颗粒大小、钢材的机械性能(如抗拉强度、屈服强度、延伸率等)进行预测。HSMM己经用于某些钢铁公司11-12卷取机技术经过几十年的发展，目前己达到较高的水平，但受国情影响，我国同国外相比，在高速卷取、超薄带材
13、卷取、卷取轴二次胀缩等新技术上仍相差较远。卷取机的设备质量水平高低和卷取工艺的选择直接影响热轧生产线的产量和带材的质量。而现在国内大多数铝企业的卷取设备都比较陈旧的现状，造成轧制的厚度范围小，带材的卷取质量差等缺点。这与我国国民经济的迅速发展对带材质量要求越来越高是不相适应的，因此我们必须改变国有冶金设备落后的现状，加快技术改革，推进冶金设备制造国产化的进程。近几年随着国家经济形势的持续升温，一些钢铁和铝业公司引进和改造了不少卷取机设备，缩短了我国在卷取机技术领域同国外的差距。外国公司一些最先进的产品在我国均有应用，但国外各大公司出于经济角度的考虑，对该设备的重要设计技术加以保密，一定程度上阻
14、碍了我国卷取机技术的发展，因此我国很难具有独立设计能力。国内对卷取机的研究主要集中在：(1)卷取温度控制方面的研究和仿真分析。近几年来，在建立带钢冷却过程模型方面，人们的研究工作包括带钢在输出辊道上换热机理的研究及温度控制数学模型的开发。在卷取控制领域，国内学者通过建立合理的仿真模型或控制算法，对卷取系统的控制效果进行了研究和分析。(2)机械结构的设计与卷取参数的确定。在机械结构设计方面，一般是卷取机机械结构方面的改进，而卷取参数的确定主要应用于两方面。一方面可对原有设备的卷取参数进行优化，从而提高卷取质量，降低故障率等；另一方面是在引入国外的卷取设备后，学习其技术，然后对一些核心技术、关键参
15、数进行改进。卷取机的核心部件是卷取轴，而卷取轴的设计是依据卷取理论。1.3 卷取理论研究现状卷取理论研究比较多的是前苏联和日本的学者，也有其它的一些国家如德国、英国等。前苏联和日本的很多学者研究过与卷取轴相关的问题，于是就提出了各种设计卷取轴要考虑的带卷径向压力的计算公式。有些公式作的假设忽略掉了一些重要的因素，部分学者将这些因素考虑进去，如铃木弘，荒木甚一郎等就在文章中提到了带材层间摩擦力的因素。Wadsley 和 Edwards简单建立了计算带卷内部应力分布数学模型。在国内，上海重型机械厂机械科学研究所和西安重型机械研究所做过一些只限于卷取轴压力和强度的测定和研究，蒋昭针对有色金属加工，提
16、出了卷取机卷取轴径向压力计算的蒋昭公式13。八十年代，国内对卷取的研究大都针对卷取轴压力的计算，借鉴和发展了国外的一些研究成果。把卷取轴单位压力的计算当作弹性理论平面问题进行求解，得出考虑带卷各向异性的卷取轴单位压力计算公式，在苏联人的研究基础上探讨了确定带卷径向压缩系数的一种理论计算方法，对卷取机卷取轴单位压力有了进一步的认识，其中国内连家创教授等人对卷取过程中带卷内部的三维应力分布和卷取轴单位压力进行了深入研究。九十年代至今，国内外都侧重于卷取张力的控制及模型的研究。对于张力控制，分别提出：卷取恒张力控制新方法、建立和探讨卷取数学模型、卷取张力的变参数控制、设定卷取过程中张力曲线等方法。国外如韩国学者也对卷取过程中的张力控制进行了研究，提出卷取时的最佳张力曲线，认为交错缠绕、带卷滑移、刮伤等大多数操作问题发生在带卷卷取期间；而且，不合适的卷取张力工艺设定和不充分的卷取轴设计导致快
