光整機(jī)張力變化對(duì)板形影響的仿真分析

供稿|馬兵智，齊春雨，婁德誠，張佳康 / MA Bing-zhi, QI Chun-yu, LOU De-cheng, ZHANG Jia-kang

內(nèi)容導(dǎo)讀

帶鋼生產(chǎn)過程中，調(diào)整張力是控制產(chǎn)品板形、抑制板形缺陷、保證軋制過程順利進(jìn)行的重要手段。光整軋制過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))過程模擬，研究了板帶平整軋制過程中張力設(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)生一定的延伸的過程。在實(shí)際的生產(chǎn)中，板形的調(diào)控不僅和來料板凸度、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€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，求解了板帶軋制過程中的三維流動(dòng)問題，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]。張樹堂等人開發(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，通過計(jì)算來獲得不同設(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對(duì)稱，所以帶鋼在垂直方向上的中間面為對(duì)稱平面，取模型上半部分，即圖1中虛線框選的部分建立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)均滿足庫侖干摩擦定律，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。

圖1 對(duì)稱軋制模型

圖2 建模各部分示意圖

在光整軋制壓力模型的建立過程中考慮生產(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。

表1 模型幾何參數(shù)

在劃分網(wǎng)格時(shí)，由于光整軋制過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。帶鋼的單元類型選為線性減縮積分單元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。

圖3 軋輥的網(wǎng)格劃分

圖4 軋件的網(wǎng)格劃分

材料屬性與運(yùn)動(dòng)過程

在金屬材料塑性成形過程中，材料塑性變形的物理過程相當(dāng)復(fù)雜，需要對(duì)塑性變形過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)是通過取樣目標(biāo)材質(zhì)帶鋼，然后進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)來確定的。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)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228—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。

圖5 拉伸試樣尺寸

圖6 拉伸試樣實(shí)物圖

圖7 拉伸實(shí)驗(yàn)后的試樣

圖8 應(yīng)力應(yīng)變曲線

經(jīng)過拉伸實(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)系曲線如圖8所示。由圖8可知，帶鋼的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線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。

圖9 模型工作狀態(tài)

模型計(jì)算效果驗(yàn)證

帶鋼的軋制過程分為兩部分：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以內(nèi)，驗(yàn)證了模型的可行性和真實(shí)性。

圖10 有限元模型軋制過程中軋制力變化

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。

表2 張力變化仿真工況

圖11 前后張力變化時(shí)帶鋼的橫向厚度

圖12 工作輥不均勻彈性壓扁

圖13 前后張力大小與帶鋼凸度的關(guān)系

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0.102 μm/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。

圖14 后張力變化時(shí)帶鋼的橫向厚度

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0.077 μm/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0.0318 μm/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。

圖15 后張力變化時(shí)帶鋼的凸度

圖16 前張力變化時(shí)帶鋼的橫向厚度

圖17 前張力變化時(shí)帶鋼的凸度

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。

圖18 帶鋼軋制方向延伸

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。

圖19 前張力對(duì)帶鋼延伸差的影響

后張力對(duì)帶鋼延伸差的影響見圖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。

圖20 后張力對(duì)帶鋼延伸差的影響

前后張力對(duì)帶鋼延伸差的影響見圖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。

圖21 前后張力對(duì)帶鋼延伸差的影響

結(jié)束語

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。