冷軋過(guò)程板形翹曲行為的控制

供稿|丁榮杰,柯可力, 鄭濤, 張清東, 張曉峰, 章培成 / DING Rong-jie, KE Ke-li, ZHENG Tao,ZHANG Qing-dong, ZHANG Xiao-feng, ZHANG Pei-cheng

內(nèi)容導(dǎo)讀

翹曲作為板帶材板形缺陷之一,越來(lái)越受到專(zhuān)家和學(xué)者的重視和關(guān)注.目前對(duì)于翹曲的研究主要集中于平整與拉矯等精整工序,而對(duì)于冷軋過(guò)程中產(chǎn)生的帶鋼翹曲問(wèn)題并沒(méi)有特別好的控制和應(yīng)對(duì)改善方法.沿厚度方向的延伸不均勻是導(dǎo)致翹曲產(chǎn)生的主要原因.而軋制過(guò)程中出現(xiàn)的不對(duì)稱(chēng)是導(dǎo)致厚度方向延伸不均勻的直接原因.本文運(yùn)用有限元軟件建立了二維軋制模型,分析了在不對(duì)稱(chēng)軋制時(shí)帶鋼的力學(xué)行為變化,對(duì)翹曲的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了研究,提出了有效控制軋制過(guò)程中帶鋼翹曲的方法.

在不銹鋼的生產(chǎn)過(guò)程中,翹曲問(wèn)題日益成為制約其板形質(zhì)量提高的一個(gè)重要瓶頸[1].某鋼廠生產(chǎn)BA光亮板時(shí),將軋制后的帶鋼經(jīng)過(guò)光亮退火線中的馬弗爐時(shí),由于帶鋼存在較大的槽溝,在馬弗爐入口和出口處容易與槽口產(chǎn)生刮傷,造成馬弗爐的磨損以及帶鋼表面的刮痕,嚴(yán)重影響了光亮退火線的正常生產(chǎn),大大降低了帶鋼 表面質(zhì)量.此外軋制過(guò)程中帶鋼產(chǎn)生的翹曲加大了后續(xù)精整工序的難度,還會(huì)增加后續(xù)精整工序矯正板形的成本,如加劇了拉矯機(jī)軋輥和平整機(jī)軋輥的磨損.

帶鋼在生產(chǎn)過(guò)程中沿厚度方向的延伸不均勻是導(dǎo)致翹曲產(chǎn)生的主要原因[2-3].上下表面延伸不一致會(huì)使正、反兩面的殘余應(yīng)力也不一樣,沿正、反兩面殘余應(yīng)力的分布及大小決定了樣板彎曲的方向和程度[4].軋制過(guò)程中非對(duì)稱(chēng)軋制因素的存在是導(dǎo)致上下表面延伸不一致的直接原因[5-7].因此本文針對(duì)軋制過(guò)程中的不對(duì)稱(chēng)因素,對(duì)帶鋼表面的延伸差進(jìn)行了分析.

由于需要考慮沿帶鋼厚度的應(yīng)力應(yīng)變情況,就不能將帶鋼簡(jiǎn)化成殼單元進(jìn)行分析,進(jìn)行實(shí)體單元的分析,因此加大了分析的難度.本文通過(guò)運(yùn)用ABAQUS軟件建立的軋制過(guò)程有限元模型來(lái)進(jìn)行分析.

基于平面應(yīng)變的軋制過(guò)程有限元模型的建立

考慮到實(shí)際軋制時(shí)只有上下工作輥和帶鋼進(jìn)行接觸,工作輥直接作用于帶鋼,下壓而引起帶鋼長(zhǎng)度方向的延伸,因此將有限元模型簡(jiǎn)化為上下兩工作輥和帶鋼,如圖1.

圖1 軋制模型簡(jiǎn)化圖

實(shí)際帶鋼的長(zhǎng)度很長(zhǎng),為簡(jiǎn)化模型,減少計(jì)算.選取帶鋼的幾何尺寸為1000 mmX4 mm,沿厚度方向設(shè)置6個(gè)單元,長(zhǎng)度方向100個(gè),總共600個(gè)單元.考慮到模型中存在接觸,盡量采用一階單元,在模型中,帶鋼有較大的變形,線性縮減積分單元能夠很好地承受扭曲變形,因此本模型中單元類(lèi)型設(shè)置為平面應(yīng)變線性縮減積分4節(jié)點(diǎn)單元CPE4R.為兼顧計(jì)算的精度和速度,將工作輥靠近輥面部分進(jìn)行局部細(xì)化200X5,其余部分進(jìn)行沿徑向逐步變疏的自由網(wǎng)格劃分,單元總數(shù)為1707.單元類(lèi)型為線性縮減積分四節(jié)點(diǎn)單元CPE4R.將建立的兩個(gè)工作輥和帶鋼進(jìn)行裝配,如圖2所示.

圖 2 軋制模型

考慮到實(shí)際情況,工作輥的剛度較大,其變形為彈性變形,因此將工作輥設(shè)置為彈性體,E=210 GPa,υ=0.3;帶鋼在長(zhǎng)度方向和厚度方向具有較大的彈塑性變形,因此需要設(shè)置帶鋼的彈塑性特性.本課題研究的帶鋼材料為304鋼,采用的本構(gòu)關(guān)系曲線如圖3,E=210 GPa,υ=0.3.

圖 3 304鋼種的帶鋼單軸拉伸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

將帶鋼的軋制過(guò)程分為兩步:第一步,帶鋼頭部強(qiáng)制咬入 (帶鋼自身具有速度),直到基本咬入;第二步,去除帶鋼自身速度,完全軋輥的轉(zhuǎn)動(dòng),由于摩擦力作用使帶鋼向前運(yùn)行.

建模時(shí),需定義兩對(duì)接觸.上工作輥表面與帶鋼上表面接觸,由于上工作輥的剛性較大,因此選取上工作輥表面為主面,帶鋼上表面為從面;下工作輥表面與帶鋼下表面接觸,定義下工作輥表面為主面,帶鋼下表面為從面.

兩對(duì)接觸均采用摩擦模型:

式中,f為摩擦應(yīng)力,MPa;μ為摩擦因數(shù);p為接觸應(yīng)力,MPa.

為保證帶鋼在軋制過(guò)程中出現(xiàn)整體的剛性位移,在帶鋼端部中心節(jié)點(diǎn)添加厚度方向的約束,第一步中,在帶鋼尾部添加速度約束,在第二步時(shí)去掉.限制兩工作輥水平和垂直方向的位移,并給定轉(zhuǎn)動(dòng)速度.至此基于平面應(yīng)變的有限元模型建立完畢.

根據(jù)建模步驟進(jìn)行建模,最后得到仿真計(jì)算結(jié)果.如圖4所示為在穩(wěn)定軋制過(guò)程時(shí)帶鋼內(nèi)部的Mises應(yīng)力.從圖中可以看到變形區(qū)的應(yīng)力最大,達(dá)到了470 MPa.

圖 4 帶鋼穩(wěn)定軋制過(guò)程Mises應(yīng)力分布云圖

帶鋼的軋制過(guò)程分為頭部咬入階段也即帶鋼填充輥縫的階段和穩(wěn)定軋制階段,在頭部咬入階段,作用在軋輥上的軋制力逐步增大,此后到達(dá)穩(wěn)定軋制階段,軋制力的大小基本趨于一致,如圖5所示,穩(wěn)定軋制時(shí)的軋制力大小在4500 kN左右,與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的軋制力基本相近.因此,該二維模型分析帶鋼在軋制過(guò)程中的變形是可行的.

圖 5 軋制力隨軋制過(guò)程的變化

仿真結(jié)果分析

翹曲產(chǎn)生的根本原因:軋制過(guò)程中非對(duì)稱(chēng)因素的影響是導(dǎo)致帶鋼沿厚度方向產(chǎn)生不均勻變形的直接原因.帶鋼的塑性變形(主要是縱向延伸)在厚度方向(鉛垂方向)上的不均勻?qū)е铝松舷卤砻媸芰Σ灰恢?此不均勻的受力在厚度方向上產(chǎn)生了一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩,由于在軋制生產(chǎn)線上帶鋼在長(zhǎng)度方向上不能發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng),因而只會(huì)出現(xiàn)C翹的情況;當(dāng)帶鋼剪切后,此時(shí)長(zhǎng)度方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由,在力矩的作用下會(huì)產(chǎn)生L翹或者四角翹的情況.

軋制過(guò)程中非對(duì)稱(chēng)因素主要包括:帶鋼上下表面潤(rùn)滑不一致和工作輥粗糙度差異導(dǎo)致的上下表面摩擦因數(shù)不一致;上下二中間傳動(dòng)輥輥徑差異導(dǎo)致的上下工作輥線速度不一致;軋制線高度變化引起的傳送角的存在,導(dǎo)致上下工作輥包角不一致;上下工作輥徑差異.

圖 6 表面摩擦因數(shù)不同時(shí)帶鋼沿厚度方向的應(yīng)力應(yīng)變分布(上摩擦因數(shù)μ上=0.2,下摩擦因數(shù)μ下=0.1)

帶鋼上下表面摩擦因數(shù)不一致時(shí),上下表面沿接觸弧長(zhǎng)的軋制力的分布也會(huì)出現(xiàn)不一致,如圖6(a)所示.由于上表面的摩擦因數(shù)為0.2,下表面的摩擦因數(shù)為0.1,從圖6(b)可以明顯看出帶鋼上表面摩擦力幅值大于下表面摩擦力.由于摩擦的不一致,從圖6(c)的放大圖中可以看出,上表面的中性點(diǎn)在下表面的中性點(diǎn)的左側(cè)0.1 mm處,中性面發(fā)生傾斜,形成剪切帶,上表面的前滑區(qū)的長(zhǎng)度要比下表面大,也就是上表面受到的摩擦阻力的區(qū)域長(zhǎng)度比上表面要大,因此上表面的材料流動(dòng)受到的阻力比下表面要大,下表面材料的流動(dòng)比上表面要快,使得上表面的塑形延伸小于下表面的塑性延伸,如圖7(a)所示.又由于在軋制過(guò)程中,帶鋼受到張力作用,延伸大的部分受到的縱向應(yīng)力就小,如圖7(b)所示帶鋼沿厚度方向的縱向殘余應(yīng)力也是不均勻的,上表面的殘余應(yīng)力比下表面的殘余應(yīng)力大20 MPa左右.去除張力后,離線帶鋼呈現(xiàn)上翹.

圖 7 摩擦不同時(shí)軋后帶鋼沿厚度方向縱向應(yīng)力應(yīng)變分布

根據(jù)所建立的軋制過(guò)程有限元仿真模型,對(duì)各非對(duì)稱(chēng)軋制因素進(jìn)行工況計(jì)算,如表1所示.并對(duì)各因素對(duì)翹曲的影響規(guī)律進(jìn)行分析.

表1 非對(duì)稱(chēng)軋制因素工況表

◆ 摩擦因數(shù)

帶鋼上表面與工作輥之間的摩擦因數(shù)大于下表面之間的摩擦因數(shù),此時(shí)延伸差為負(fù)值,沿縱向的殘余應(yīng)力差為正值,帶鋼向上彎曲,且隨著上下摩擦因數(shù)差距的增大,翹曲量也隨之增大.

摩擦因數(shù)小的表面產(chǎn)生的延伸率較大,帶鋼向摩擦因數(shù)大的方向彎曲,如圖8.

◆ 上下輥速度不一致

從圖9中可以看出,上輥輥速小于下輥輥速時(shí),帶鋼上下表面延伸率差值為負(fù)值,殘余張應(yīng)力為正值,帶鋼向上彎曲,且隨著輥速差的增大,延伸差也隨之增大.

輥速高的相應(yīng)表面產(chǎn)生的延伸率大,帶鋼向輥速小的方向彎曲.

圖8 下表面摩擦因數(shù)為0.08,上表面摩擦因數(shù) 0.09、0.10和0.11

圖 9 下輥速度為290 m/min,上輥小于下輥速度1.5%、1%和0.5%

◆ 上下輥輥徑不一致

由于上下輥表面線速度一致,上輥直徑小于下輥直徑,此時(shí)上輥的壓下大于下輥的壓下,上表面的延伸率大于下表面的延伸率,帶鋼向輥徑大的方向彎曲.從圖10中可以看出,帶鋼上下表面的延伸率差值為正值,且隨著上輥直徑越來(lái)越接近下輥直徑,翹曲減小.

工作輥表面線速度一致時(shí),帶鋼向直徑大的方向彎曲,且上下輥差值越大,產(chǎn)生的翹曲值也越大.

◆ 上下輥偏移距離

負(fù)值為上輥向入口處偏移,正值為向上輥出口處偏移.

上工作輥偏向入口側(cè),帶鋼向下彎曲;上工作輥偏向出口側(cè),帶鋼向上彎曲.

如圖11所示,當(dāng)上工作輥偏向入口側(cè)時(shí),帶鋼上下表面的延伸率差為正值,殘余應(yīng)力差為負(fù)值,此時(shí)表現(xiàn)為下扣翹曲缺陷,當(dāng)偏移距離變小時(shí),延伸率差和殘余應(yīng)力差又減小,知道上下輥處于同一條垂直線上時(shí),上下對(duì)稱(chēng)差值為零;當(dāng)上工作輥偏向出口側(cè)時(shí),剛好相反,帶鋼表現(xiàn)為上翹缺陷.

圖 11 上下輥存在水平偏移

◆ 軋制線高度

軋制線高度會(huì)影響帶鋼翹曲的程度,且隨著軋制線高度的增大,其上下表面的延伸率差和上下殘余應(yīng)力差也隨之增大 (圖12).但是,從值上來(lái)看軋制線高度達(dá)到最大7 mm時(shí),上下表面延伸率差值只有0.01016%,殘余應(yīng)力差值只有-4.09 MPa,相比較其他因素而言影響較小.

圖 12 軋制線高度變化

因此,軋制線高度對(duì)帶鋼翹曲影響較小.

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

針對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中較易出現(xiàn)下扣的翹曲缺陷,結(jié)合有限元仿真分析提出了有效消除和抑制下扣的翹曲缺陷的方案.

(1) 增大上表面的摩擦因數(shù)或者減小下表面的摩擦因數(shù).減小上表面的潤(rùn)滑油噴淋量,上輥采用粗糙度較大的軋輥,以此來(lái)增大上表面的摩擦.

(2) 上工作輥向出口偏移.輥系配輥時(shí),上半輥系左側(cè)一中間輥輥徑大于右側(cè)一中間輥輥徑,或者通過(guò)支持輥側(cè)偏心刻度進(jìn)行調(diào)節(jié).

(3) 上工作輥線速度小于下工作輥.本文研究的20輥森吉米爾軋機(jī)由單電機(jī)傳動(dòng)四個(gè)二中間傳動(dòng)輥,再通過(guò)輥間摩擦將力矩傳動(dòng)到工作輥,因此可使上半輥系中的二中間輥直徑大于下半輥系來(lái)提供速度差.

(4) 上工作輥輥徑大于下工作輥的輥徑.

其中對(duì)方案 (2) 進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示.槽溝的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方法如圖13所示.根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì),正常軋制時(shí)帶鋼槽溝值在下扣40 mm左右,從表中可以看出,當(dāng)上工作輥向出口側(cè)偏移,采用奇數(shù)道次,帶鋼的翹曲有了較大的減小,軋后槽溝值在+20 mm上翹值;采用偶數(shù)道次,帶鋼的翹曲有了較大的減小,減小為-20 mm左右.因此采用奇數(shù)道次和偶數(shù)道次合理的偏移量均能減小翹曲.

圖13 現(xiàn)場(chǎng)槽溝檢測(cè)

表2 現(xiàn)場(chǎng)翹曲實(shí)驗(yàn)結(jié)果

結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)冷軋過(guò)程中產(chǎn)生的翹曲問(wèn)題,以有限元仿真為手段對(duì)軋制過(guò)程進(jìn)行了仿真建模,分析了不對(duì)稱(chēng)軋制導(dǎo)致翹曲產(chǎn)生的內(nèi)在機(jī)理,以延伸差為主要研究?jī)?nèi)容,研究了不對(duì)稱(chēng)軋制因素對(duì)翹曲的影響規(guī)律,得到以下結(jié)論:

(1) 不對(duì)稱(chēng)軋制會(huì)引起上下表面沿接觸弧長(zhǎng)摩擦應(yīng)力不一致,使中性面產(chǎn)生傾斜,形成剪切區(qū)域,從而導(dǎo)致翹曲產(chǎn)生.

(2) 帶鋼向摩擦因數(shù)大,輥速小,輥徑大的方向彎曲,向靠近出口側(cè)的軋輥方向彎曲,對(duì)于森吉米爾軋機(jī),軋制線高度對(duì)翹曲影響較小.

(3) 提出了現(xiàn)場(chǎng)消除翹曲的方法,在實(shí)際應(yīng)用中,通過(guò)調(diào)節(jié)上下軋輥偏移量有效地控制了翹曲的產(chǎn)生.

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