基于有限元的圓盤剪堵邊預(yù)控系統(tǒng)

王立兵，王曉晨，何海楠，彭修各

（1馬鞍山鋼鐵股份有限公司 四鋼軋總廠，安徽 馬鞍山243000；2北京科技大學(xué) 國家板帶生產(chǎn)先進(jìn)裝備工程技術(shù)研究中心，北京100083）

1 前言

熱軋來料作為冷軋產(chǎn)品的基礎(chǔ)原材料，熱軋產(chǎn)品質(zhì)量的好壞直接影響著冷軋生產(chǎn)效率和質(zhì)量的提高。例如，熱軋生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生帶鋼的窄尺以及鐮刀彎等缺陷，在進(jìn)入到冷軋時(shí)，會(huì)因熱軋?jiān)系娜毕荻l(fā)生圓盤剪堵邊等事故，嚴(yán)重影響了冷連軋機(jī)組的穩(wěn)定性運(yùn)行，對(duì)最終的冷軋產(chǎn)品質(zhì)量也造成了不良的影響。

從國內(nèi)外文獻(xiàn)資料來看，已經(jīng)有一些學(xué)者嘗試用實(shí)驗(yàn)或仿真的方法對(duì)圓盤剪的堵邊過程進(jìn)行研究，但由于圓盤剪剪切過程較為復(fù)雜，目前未深入了解其剪切機(jī)理及相關(guān)參數(shù)對(duì)剪切堵邊的影響規(guī)律。另外，由于熱軋和冷軋工序之間的壁壘，熱軋帶鋼質(zhì)量數(shù)據(jù)無法在冷軋生產(chǎn)環(huán)節(jié)中有效利用，造成了無法利用熱軋有效數(shù)據(jù)在冷軋進(jìn)行有效預(yù)控?；诖?，本研究選擇有限元仿真軟件ABAQUS對(duì)用于酸軋生產(chǎn)的Φ407圓盤剪剪切過程進(jìn)行研究，通過有限元仿真得到帶鋼的運(yùn)行速度、邊絲寬度以及材料參數(shù)對(duì)圓盤剪剪切邊絲堵邊的影響規(guī)律，并且得到了基于有限元的邊絲余量規(guī)則表，通過數(shù)據(jù)平臺(tái)與邊絲余量規(guī)則表相結(jié)合制定了堵邊風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域預(yù)報(bào)模型。通過QMS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，貫通熱軋與冷軋之間的工序壁壘，建立熱-冷軋數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，在帶鋼進(jìn)入酸軋生產(chǎn)過程中，提前對(duì)帶鋼風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行預(yù)報(bào)，并對(duì)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行降速預(yù)控。

2 邊絲堵邊生成因素

2.1 有限元模型的建立

針對(duì)理想狀態(tài)進(jìn)行建模，將上下刀盤處理為剛性刀盤，使用解析性剛體建立其輪廓，將板帶處理為可變形體。依據(jù)此鋼廠使用情況，將刀盤的直徑取為350 mm，厚度為30 mm，刀盤的圓角半徑為0.05 mm；圓盤剪上下刀盤的側(cè)隙設(shè)為0.3 mm，重疊量為0.25 mm，板帶尺寸為70 mm（長(zhǎng)）×50 mm（寬）×3 mm（厚）。由于圓盤剪的剪切過程操作側(cè)與傳動(dòng)側(cè)對(duì)稱，所以只需要對(duì)其中一側(cè)建模就可以，圓盤剪剪切模型如圖1所示。

圖1 剪切過程幾何模型

為上下刀盤及壓輥設(shè)置2 r/s的轉(zhuǎn)速，并使上下刀盤繞各自中心軸相對(duì)旋轉(zhuǎn)；為板帶定義110 m/min的初速度，使其向刀盤方向運(yùn)動(dòng)直至刀盤能咬入帶鋼；在模型中，約束板帶本體一側(cè)側(cè)邊沿寬度方向的位移。對(duì)于切邊圓盤剪而言，板帶另一側(cè)，即廢邊側(cè)為自由邊，而對(duì)于分條圓盤剪而言，另一側(cè)應(yīng)同樣約束沿寬度方向的位移。

采用C3D8R八結(jié)點(diǎn)線性六面體線性縮減積分單元對(duì)帶鋼進(jìn)行網(wǎng)格劃分。另外，為了保證計(jì)算的順利進(jìn)行以及計(jì)算結(jié)果的精度達(dá)到要求，在帶鋼邊緣易出現(xiàn)較大的塑性變形區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)密劃分，對(duì)帶鋼邊緣進(jìn)行沙漏控制，并在處理的過程中使用了網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)進(jìn)行調(diào)整，以此來提高運(yùn)算效率。板帶網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖2 板帶整體網(wǎng)格模型

2.2 模擬結(jié)果分析

圖3為利用有限元得到的邊絲堵邊示意圖。由圖3可以看出，帶鋼的塑性變形主要發(fā)生在剪切區(qū)域，帶鋼的塑性變形量隨著離剪切區(qū)域距離的增大而逐漸減小，帶鋼沿著剪切斷面發(fā)生了彈性變形，然后隨著剪切程度的增加，帶鋼逐漸發(fā)生了一定程度的塑性變形。由于塑性變形量未達(dá)到材料斷裂時(shí)的變形程度，故帶鋼的剪切邊絲只是發(fā)生了彎曲變形，由于并沒有達(dá)到材料斷裂時(shí)的等效塑性應(yīng)變值，故并沒有剪切掉。

圖3 邊絲堵邊示意圖

通過分析圓盤剪剪切時(shí)上表面單元格的等效塑性應(yīng)變。正常情況下，上單元格的最大等效應(yīng)變?yōu)?.04；而在邊絲堵邊情況下，上單元格的最大等效應(yīng)變?yōu)?.02左右，沒有達(dá)到材料斷裂時(shí)的等效應(yīng)變量，故邊絲沒有剪切掉，圓盤剪發(fā)生了邊絲堵邊。

2.3 生成影響因素研究

為了研究圓盤剪剪邊過程中不同材料參數(shù)及工藝參數(shù)對(duì)帶鋼的邊絲堵邊的影響，分別針對(duì)不同帶鋼厚度、不同抗拉強(qiáng)度以及不同寬展余量條件下的帶鋼剪切過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。具體方案見表1。

表1 不同工藝參數(shù)條件下圓盤剪剪切過程數(shù)值模擬方案

通過以上有限元ABAQUS模擬仿真，當(dāng)帶鋼厚度、抗拉強(qiáng)度不同時(shí)此時(shí)應(yīng)該設(shè)置合理的邊絲余量是保證圓盤剪能夠正常剪切帶鋼的關(guān)鍵因素。為了保證剪切過程的順利進(jìn)行，防止剪切過程中堵邊的出現(xiàn)，應(yīng)該對(duì)不同厚度、強(qiáng)度的帶鋼設(shè)置合理的剪切寬度，具體如表2所示。

表2 基于有限元的邊絲余量設(shè)定準(zhǔn)則 mm

3 圓盤剪邊絲堵邊預(yù)控

3.1 圓盤剪堵邊預(yù)控策略

通過有限元數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)分析得到的預(yù)控策略：剪切區(qū)域的等效塑性應(yīng)變主要與被剪切帶鋼的邊絲余量、厚度以及軟硬程度有關(guān)；邊絲余量越小，帶鋼發(fā)生的彎曲變形越小，帶鋼剪切過程中越容易發(fā)生邊絲堵邊；帶鋼的厚度越小，帶鋼的相對(duì)壓下量越小，此時(shí)帶鋼越容易發(fā)生邊絲堵邊；圓盤剪在剪切軟鋼時(shí)，由于較軟的帶鋼會(huì)發(fā)生較大的彈塑性變形，會(huì)黏附于帶鋼的斷面，此時(shí)會(huì)造成邊絲堵邊，當(dāng)圓盤剪剪切高強(qiáng)鋼時(shí)，由于材料具有較大的強(qiáng)度，此時(shí)材料不容易被剪切掉，此時(shí)容易堵邊。

綜上所述，對(duì)于圓盤剪剪切過程，應(yīng)針對(duì)不同厚度及不同軟硬程度的帶鋼選取合適的邊絲余量，以防止堵邊現(xiàn)象發(fā)生。圖4為圓盤剪堵邊控制策略流程。

圖4 圓盤剪堵邊控制策略流程

3.2 實(shí)際邊絲余量的計(jì)算

根據(jù)帶鋼寬度、圓盤剪設(shè)置寬度以及帶鋼中心線偏移量，計(jì)算出基于熱軋來料數(shù)據(jù)的帶鋼全長(zhǎng)的邊絲余量，然后由基于熱軋來料數(shù)據(jù)的帶鋼邊絲余量和冷軋運(yùn)行CPC調(diào)節(jié)量相結(jié)合來計(jì)算帶鋼在冷軋運(yùn)行過程中的邊絲余量。

冷軋部分在生產(chǎn)計(jì)劃跟蹤表中有圓盤剪的設(shè)置寬度值，即為冷軋產(chǎn)線上圓盤剪兩個(gè)剪刃之間設(shè)定的距離。根據(jù)公式即可計(jì)算熱軋來料全長(zhǎng)方向在4#CPC處兩側(cè)帶鋼邊部距圓盤剪的距離，即兩側(cè)的剪邊量：

3.3 風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域預(yù)報(bào)模型的建立

依據(jù)以上所述，大部分堵邊的直接原因是由于邊絲寬度小，其中影響邊絲量值的因素有寬度、相對(duì)中心線偏移量、冷軋運(yùn)行跑偏中CPC的調(diào)節(jié)量以及圓盤剪設(shè)置寬度。CPC的調(diào)節(jié)量為變化量，帶鋼相對(duì)中心線偏移量，而圓盤剪設(shè)置寬度和帶鋼的寬度實(shí)際為固定量，因此可根據(jù)圓盤剪設(shè)置寬度、帶鋼的寬度、熱軋相對(duì)中心線偏移量以及CPC的調(diào)節(jié)量，作為堵邊風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的識(shí)別。

當(dāng)操作側(cè)或者傳動(dòng)側(cè)實(shí)際的邊絲余量小于對(duì)應(yīng)允許的堵邊邊絲余量規(guī)則值時(shí)，此時(shí)該區(qū)域即為堵邊風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域。

3.4 圓盤剪堵邊預(yù)控結(jié)果

通過將預(yù)控系統(tǒng)投入到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用，現(xiàn)場(chǎng)操作人員按照系統(tǒng)的操作提示，對(duì)有風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的帶鋼對(duì)圓盤剪進(jìn)行降速處理，在近幾個(gè)月之內(nèi)，現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的來料厚度包括2.0～4.0 mm的帶鋼。首先當(dāng)熱軋來料進(jìn)入冷軋軋制計(jì)劃之后，L2級(jí)設(shè)定系統(tǒng)根據(jù)熱軋來料數(shù)據(jù)的帶鋼全長(zhǎng)寬度數(shù)據(jù)、熱軋跑偏量數(shù)據(jù)、冷軋運(yùn)行過程中調(diào)節(jié)量數(shù)據(jù)以及邊絲余量規(guī)則進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域的識(shí)別。設(shè)置當(dāng)帶鋼運(yùn)行到風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域和前后卷焊縫位置時(shí)，設(shè)置圓盤剪剪切速度為30 m/min，有利于CPC糾偏系統(tǒng)能夠及時(shí)糾正帶鋼的跑偏量。當(dāng)堵邊狀況發(fā)生時(shí)，減少堵邊長(zhǎng)度。圖5為系統(tǒng)投入前后堵邊對(duì)比情況。

圖5 系統(tǒng)投入前后對(duì)比

4 結(jié) 論

4.1 利用有限元ABAQUS建立圓盤剪剪切帶鋼過程的仿真模型，分析帶鋼剪切過程中應(yīng)力、應(yīng)變變化規(guī)律，得到了帶鋼邊絲堵邊的生成機(jī)理。

4.2 通過有限元仿真方法，調(diào)整帶鋼的邊絲余量以及運(yùn)行速度的不同，得到了邊絲余量以及運(yùn)行速度對(duì)等效塑性應(yīng)變的影響。通過對(duì)不同厚度、不同抗拉強(qiáng)度帶鋼設(shè)置不同的邊絲余量進(jìn)行仿真模擬，得到了基于有限元的邊絲余量設(shè)置規(guī)則表。

4.3 根據(jù)熱軋來料信息、冷軋實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)信息以及邊絲余量規(guī)則得到了圓盤剪堵邊預(yù)控策略以及圓盤剪剪切過程中堵邊風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域預(yù)報(bào)模型。

4.4 通過搭建數(shù)據(jù)平臺(tái)，C#編程完成預(yù)控系統(tǒng)的在線應(yīng)用，通過提前對(duì)堵邊風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行預(yù)報(bào)，當(dāng)識(shí)別到風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域時(shí)，提前對(duì)圓盤剪進(jìn)行降速處理，最后將操作提示進(jìn)行顯示，明顯降低了圓盤剪堵邊概率。