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瀏覽:- 發(fā)布日期:2024-09-09 15:34:33【

帶鋼生產(chǎn)過(guò)程中,調(diào)整張力是控制產(chǎn)品板形、抑制板形缺陷、保證軋制過(guò)程順利進(jìn)行的重要手段。光整軋制過(guò)程中張力的加載有著兩個(gè)重要的職能:實(shí)現(xiàn)微調(diào)帶厚和拉伸矯正板形。文章以光整機(jī)為研究對(duì)象,基于ABAQUS建立四輥光整機(jī)軋制過(guò)程仿真模型,并進(jìn)行一定長(zhǎng)度帶鋼段的勻速連續(xù)軋制(即穩(wěn)定態(tài))過(guò)程模擬,研究了板帶平整軋制過(guò)程中張力設(shè)定值與板形之間的關(guān)系以及張力大小對(duì)板形的影響效果。結(jié)果表明:張力增大可以促進(jìn)軋件金屬的縱向流動(dòng),加大軋件的厚向變形,減小出口軋件的凸度,且后張力的作用效果比前張力更顯著,影響能力約為前張力的2.4倍。當(dāng)張力增大時(shí),帶鋼邊部與中部延伸差在不斷地減小,與前后張力對(duì)軋件厚向變形的影響趨勢(shì)一致,帶鋼向良好板形方向發(fā)展。

光整軋制過(guò)程是一個(gè)彈性體在摩擦力或者張力的作用下將板帶帶入輥縫中,進(jìn)行壓力加工使之在縱向和橫向上產(chǎn)生一定的延伸的過(guò)程。在實(shí)際的生產(chǎn)中,板形的調(diào)控不僅和來(lái)料板凸度、初始的輥縫形狀有關(guān),還和張力控制有很大的關(guān)系。張力的加載有著兩個(gè)重要的職能,可以實(shí)現(xiàn)微調(diào)帶厚和拉伸矯正板形。帶鋼張力軋制可以防止軋制中帶材跑偏,同時(shí)又能降低軋制力。在帶鋼生產(chǎn)過(guò)程中,調(diào)整張力是控制產(chǎn)品板形、抑制板形缺陷、保證軋制過(guò)程順利進(jìn)行的重要的手段,因此研究張力變化對(duì)帶鋼板形的影響對(duì)于控制板形缺陷具有重要的意義。

20世紀(jì)70年代,意大利學(xué)者M(jìn). Borghesi等人就提出試用改變張力的方式改善板形,研究?jī)?nèi)容包括研究張力輸入的不同分布形式對(duì)輸出張力分布形式的影響,結(jié)果表明張力的分布由均勻變?yōu)閽佄锞€(xiàn)時(shí),帶鋼的邊浪得到改善[1]。彭鋼賢等人采用了剛塑性有限元法中的體積可壓縮法,求解了板帶軋制過(guò)程中的三維流動(dòng)問(wèn)題,并研究張力、板寬、壓下量、輥徑對(duì)金屬橫向流動(dòng)的影響,以此為依據(jù)建立板形良好的前張力分布公式[2]。張樹(shù)堂等人開(kāi)發(fā)了板帶軋制三維模擬系統(tǒng),討論了改變前后張力時(shí),軋件的三維變形特點(diǎn)。模擬結(jié)果顯示:增加張力限制金屬橫向流動(dòng),加大厚向變形,使斷面厚度更加均勻,其中同時(shí)改變前后張力對(duì)變形的影響效果最大[3]。劉才等用彈塑性有限元法求解了平輥軋制厚板的問(wèn)題,得到了金屬流動(dòng)速度和橫向?qū)捳沟冉Y(jié)果,以圖形跟蹤形式給出了大量金屬流動(dòng)信息和應(yīng)力分布信息,為板形控制過(guò)程模擬、預(yù)報(bào)以及缺陷形成機(jī)理提供了一種準(zhǔn)確而有效的分析方法[4]。張小平等通過(guò)實(shí)驗(yàn)與有限元模擬的方法研究了張力對(duì)殘余應(yīng)力的影響及殘余應(yīng)力分布與板形的關(guān)系,得到了相似的分布規(guī)律[5]。

輥系-軋件一體化有限元模型

板形控制的實(shí)質(zhì)在于對(duì)承載輥縫形狀的控制。通過(guò)有限元計(jì)算可以研究光整機(jī)承載輥縫形狀的可調(diào)控范圍,對(duì)帶鋼寬度變化、軋制力波動(dòng)及軋輥輥形變化等干擾的響應(yīng)。在該模型的基礎(chǔ)上,通過(guò)計(jì)算來(lái)獲得不同設(shè)計(jì)工況下的軋制力分布及輥間接觸壓力分布,對(duì)工作輥的彎曲變形進(jìn)行分析;通過(guò)提取帶鋼的縱向延伸率分布及橫向厚差數(shù)據(jù),可以對(duì)軋后帶鋼的板形有更加直觀的認(rèn)識(shí)。

模型簡(jiǎn)化

帶鋼的光整過(guò)程比較復(fù)雜,為了提高計(jì)算效率,并保持結(jié)果的精確度,對(duì)于模型的假設(shè)進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化。該光整機(jī)組為四輥單機(jī)架軋機(jī),完整模型示意圖如圖1所示。板帶上下兩部分關(guān)于板帶厚度方向的中心線(xiàn)對(duì)稱(chēng),所以帶鋼在垂直方向上的中間面為對(duì)稱(chēng)平面,取模型上半部分,即圖1中虛線(xiàn)框選的部分建立1/2模型。在模型中,將帶鋼分為三個(gè)部分:入口段、中間段、出口段。帶鋼入口和出口的部分不經(jīng)過(guò)光整軋制,且長(zhǎng)度較長(zhǎng);中間段的帶鋼為光整軋制段,如圖2所示。由于帶鋼在進(jìn)行光整時(shí),帶鋼寬度遠(yuǎn)大于厚度,而且?guī)т撛趯挾确较蛏系淖冃瘟亢苄?,所以不考慮帶鋼在寬度方向上的變形。同時(shí)認(rèn)為整個(gè)變形區(qū)的摩擦規(guī)律不變,假定在整個(gè)變形區(qū)均滿(mǎn)足庫(kù)侖干摩擦定律,而且不考慮張力沿軋件寬度方向的不均勻分布,以及其對(duì)延伸率分布的影響。在光整軋制壓力模型的建立過(guò)程中考慮生產(chǎn)實(shí)際,設(shè)定軋件為彈塑性體,設(shè)定軋輥為彈性體,其主要結(jié)構(gòu)及工藝參數(shù)如表1所示。支撐輥、工作輥輥形為平輥。


在劃分網(wǎng)格時(shí),由于光整軋制過(guò)程中軋輥的壓下量很小,支撐輥和工作輥之間摩擦接觸的局部區(qū)域內(nèi),以及工作輥和帶鋼表面摩擦接觸的局部區(qū)域內(nèi),都采用分布較密的單元。帶鋼的單元類(lèi)型選為線(xiàn)性減縮積分單元C3D8R。軋輥的網(wǎng)格劃分如圖3所示,軋件的網(wǎng)格劃分如圖4所示。



材料屬性與運(yùn)動(dòng)過(guò)程

在金屬材料塑性成形過(guò)程中,材料塑性變形的物理過(guò)程相當(dāng)復(fù)雜,需要對(duì)塑性變形過(guò)程及材料屬性做出一些合理的假設(shè),便于數(shù)學(xué)處理。對(duì)于剛塑性材料的基本假設(shè):均質(zhì)各向同性體;滿(mǎn)足體積不可壓縮條件;不考慮慣性力和體積力。

材料的力學(xué)性質(zhì)是通過(guò)取樣目標(biāo)材質(zhì)帶鋼,然后進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)來(lái)確定的。由于試樣的尺寸與形狀對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有很大的影響,因此根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T228—2002設(shè)計(jì)試樣尺寸如圖5所示,加工的拉伸試樣實(shí)物如圖6所示。



經(jīng)過(guò)拉伸實(shí)驗(yàn)后,試樣變形如圖7所示,實(shí)驗(yàn)結(jié)果即帶鋼的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)如圖8所示。由圖8可知,帶鋼的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)接近于理想彈塑性本構(gòu)關(guān)系模型,考慮到理想彈塑性本構(gòu)關(guān)系模型能夠減少計(jì)算消耗,因此在有限元建模過(guò)程中材料本構(gòu)關(guān)系選擇為理想彈塑性本構(gòu)模型。


如圖9所示,光整軋制過(guò)程采用先壓下后軋制的方式。初始狀態(tài),帶鋼處于上下工作輥之間的承載輥縫中;分析步驟一,支撐輥、工作輥壓緊帶鋼;分析步驟二,給帶鋼前后兩端施加張力;分析步驟三,輥轉(zhuǎn)動(dòng),摩擦力帶動(dòng)帶鋼運(yùn)動(dòng);分析步驟四,卸去載荷,停止軋制。


模型計(jì)算效果驗(yàn)證

帶鋼的軋制過(guò)程分為兩部分:第一部分為軋輥壓下,此時(shí)帶鋼逐漸進(jìn)入輥縫,作用在軋輥上的軋制力逐步增大;第二部分為穩(wěn)定軋制階段,此時(shí)帶鋼完全填充輥縫,軋制力逐漸穩(wěn)定。如圖10所示,模型計(jì)算能夠逐步達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),穩(wěn)定軋制時(shí)的軋制力為2750 kN,與現(xiàn)場(chǎng)使用的軋制力對(duì)比,軋制力的差值在50 kN以?xún)?nèi),驗(yàn)證了模型的可行性和真實(shí)性。



張力變化對(duì)板形的影響仿真分析

選取三種前后張力組合,假設(shè)三種張力分布情況:前后張力同時(shí)變化;前張力不變,后張力逐漸增大;后張力不變,前張力逐漸增大。

根據(jù)表2所列工況,利用建立的一體化有限元模型進(jìn)行計(jì)算,仿真分析不同張力條件下的板形差異。

張力變化對(duì)帶鋼凸度的影響

工況1-1至1-6有限元模擬過(guò)程中加在軋件上的前后張力相等,分別為30、40、50、60、70、80 kN,以這6個(gè)不同軋制條件建立了6個(gè)不同的光整軋制模型。光整后軋件的斷面形狀如圖11所示。


在經(jīng)過(guò)軋制后,斷面形狀為矩形的帶鋼斷面厚度從中部到邊部逐漸減小。造成該現(xiàn)象的原因是,軋件進(jìn)入輥縫后,由于軋制力的反作用,軋輥產(chǎn)生彈性撓曲和壓扁變形從而影響到軋件的出口斷面形狀。并且軋件的邊部出現(xiàn)了較為明顯的驟減的趨勢(shì),這是由于超出帶寬以外輥間的有害接觸引起的軋件邊部減薄。

無(wú)論張力如何變化,由板帶邊部到中部壓下量都是逐漸減小的。這是因?yàn)楣ぷ鬏伿前雌捷伣?,而不是按生產(chǎn)實(shí)際中凸度軋輥建模,且沒(méi)有施加彎輥力,如圖12所示,工作輥在與帶鋼相接觸的部位沿著輥身方向彈性壓扁不均勻。


如圖13所示,當(dāng)前后張力相等時(shí),張力對(duì)出口帶鋼凸度的影響基本呈線(xiàn)性變化,帶鋼的凸度隨著張力的增大而降低,減小速率平均值為0.102μm/kN,斷面的均勻性變得良好,帶鋼的邊浪趨勢(shì)逐漸減弱。


工況2-1至2-6加在軋件上的前張力相等,后張力分別為30、40、50、60、70、80 kN,以這6個(gè)不同軋制條件建立了6個(gè)不同的光整軋制模型。光整后軋件的斷面形狀如圖14所示。



如圖15所示,當(dāng)前張力不變時(shí),后張力變化對(duì)出口帶鋼凸度的影響呈線(xiàn)性變化,帶鋼的凸度隨著后張力的增大而降低,減小速率平均值為0.077μm/kN,斷面的均勻性變得良好,帶鋼的邊浪趨勢(shì)逐漸減弱。


工況3-1至3-6加在軋件上的后張力相等,前張力分別為30、40、50、60、70、80 kN,以這6個(gè)不同軋制條件建立了6個(gè)不同的光整軋制模型。光整后軋件的斷面形狀如圖16所示。


當(dāng)后張力不變時(shí),前張力變化對(duì)出口帶鋼凸度的影響如圖17所示。帶鋼的凸度隨著前張力的增大而降低,減小速率平均值為0.0318μm/kN。后張力變化對(duì)軋件變形的影響與前張力趨勢(shì)一致,但后張力影響效果比前張力影響顯著,影響能力約為前張力的2.4倍。


張力變化對(duì)帶鋼延伸差的影響

如圖18所示,在帶鋼任一位置的長(zhǎng)度lx與中心位置的長(zhǎng)度lc之間會(huì)有一個(gè)差值,也就是延伸差。如果兩邊的延伸率大于中部,則產(chǎn)生對(duì)稱(chēng)的雙邊浪。反之,如果中部延伸率大于邊部,則容易產(chǎn)生中浪。光整后的帶鋼在寬度方向上的延伸差如圖19~21所示。由于仿真工況使用平輥且沒(méi)有施加彎輥力,使得帶鋼寬度方向上的最大縱向延伸出現(xiàn)在帶鋼邊部,此時(shí)帶鋼比較容易產(chǎn)生邊浪缺陷。前張力對(duì)帶鋼延伸差的影見(jiàn)圖19。從圖19中可以看到當(dāng)后張力不變、前張力增大時(shí),帶鋼邊部與中部延伸差在不斷的減小,帶鋼的邊浪趨勢(shì)逐漸減弱。


后張力對(duì)帶鋼延伸差的影響見(jiàn)圖20,可以看到當(dāng)前張力不變、后張力增大時(shí),帶鋼邊部與中部延伸差同樣在不斷的減小,與前張力對(duì)軋件變形的影響趨勢(shì)一致,帶鋼的邊浪趨勢(shì)逐漸減弱。

前后張力對(duì)帶鋼延伸差的影響見(jiàn)圖21,可以看到當(dāng)前后張力同時(shí)增大時(shí),帶鋼邊部與中部延伸差同樣在不斷的減小,與前后張力對(duì)軋件變形的影響趨勢(shì)一致,帶鋼的邊浪趨勢(shì)逐漸減弱,而且前后張力的影響有疊加效應(yīng),影響效果更加顯著。


結(jié)束語(yǔ)

本文利用有限元模型分析了張力作用下帶鋼板形的變化規(guī)律。在相同的初始狀態(tài)下,光整軋制過(guò)程中的張力對(duì)板凸度有著比較明顯的影響:張力增大可以促進(jìn)軋件金屬的縱向流動(dòng),加大軋件的厚向變形,減小出口軋件的凸度,且后張力的作用效果比前張力更顯著,影響能力約為前張力的2.4倍。當(dāng)張力增大時(shí),帶鋼邊部與中部延伸差在不斷地減小,與前后張力對(duì)軋件厚向變形的影響趨勢(shì)一致,帶鋼向良好板形方向發(fā)展。


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