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,越來越受到專家和學(xué)者的重視和關(guān)注.目前對于翹曲的研究主要集中于平整與拉矯等精整工序,而對于冷軋過程中產(chǎn)生的帶鋼翹曲問題并沒有特別好的控制和應(yīng)對改善方法.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.而軋制過程中出現(xiàn)的不對稱是導(dǎo)致厚度方向延伸不均勻的直接原因.本文運用有限元軟件建立了二維軋制模型,分析了在不對稱軋制時帶鋼的力學(xué)行為變化,對翹曲的產(chǎn)生機理進行了研究,提出了有效控制軋制過程中帶鋼翹曲的方法.

在不銹鋼的生產(chǎn)過程中,翹曲問題日益成為制約其板形質(zhì)量提高的一個重要瓶頸[1].某鋼廠生產(chǎn)BA光亮板時,將軋制后的帶鋼經(jīng)過光亮退火線中的馬弗爐時,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,還會增加后續(xù)精整工序矯正板形的成本,如加劇了拉矯機軋輥和平整機軋輥的磨損.

帶鋼在生產(chǎn)過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].軋制過程中非對稱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].因此本文針對軋制過程中的不對稱因素,對帶鋼表面的延伸差進行了分析.

由于需要考慮沿帶鋼厚度的應(yīng)力應(yīng)變情況,就不能將帶鋼簡化成殼單元進行分析,進行實體單元的分析,因此加大了分析的難度.本文通過運用ABAQUS軟件建立的軋制過程有限元模型來進行分析.

基于平面應(yīng)變的軋制過程有限元模型的建立

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

圖1 軋制模型簡化圖

實際帶鋼的長度很長,為簡化模型,減少計算.選取帶鋼的幾何尺寸為1000 mmX4 mm,沿厚度方向設(shè)置6個單元,長度方向100個,總共600個單元.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型設(shè)置為平面應(yīng)變線性縮減積分4節(jié)點單元CPE4R.為兼顧計算的精度和速度,將工作輥靠近輥面部分進行局部細化200X5,其余部分進行沿徑向逐步變疏的自由網(wǎng)格劃分,單元總數(shù)為1707.單元類型為線性縮減積分四節(jié)點單元CPE4R.將建立的兩個工作輥和帶鋼進行裝配,如圖2所示.

圖 2 軋制模型

考慮到實際情況,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

將帶鋼的軋制過程分為兩步:第一步,帶鋼頭部強制咬入 (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,由于摩擦力作用使帶鋼向前運行.

建模時,需定義兩對接觸.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程中出現(xiàn)整體的剛性位移,在帶鋼端部中心節(jié)點添加厚度方向的約束,第一步中,在帶鋼尾部添加速度約束,在第二步時去掉.限制兩工作輥水平和垂直方向的位移,并給定轉(zhuǎn)動速度.至此基于平面應(yīng)變的有限元模型建立完畢.

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

圖 4 帶鋼穩(wěn)定軋制過程Mises應(yīng)力分布云圖

帶鋼的軋制過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)定軋制時的軋制力大小在4500 kN左右,與現(xiàn)場實測的軋制力基本相近.因此,該二維模型分析帶鋼在軋制過程中的變形是可行的.

圖 5 軋制力隨軋制過程的變化

仿真結(jié)果分析

翹曲產(chǎn)生的根本原因:軋制過程中非對稱因素的影響是導(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)生了一個轉(zhuǎn)動力矩,由于在軋制生產(chǎn)線上帶鋼在長度方向上不能發(fā)生轉(zhuǎn)動,因而只會出現(xiàn)C翹的情況;當帶鋼剪切后,此時長度方向的轉(zhuǎn)動自由,在力矩的作用下會產(chǎn)生L翹或者四角翹的情況.

軋制過程中非對稱因素主要包括:帶鋼上下表面潤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,上下表面沿接觸弧長的軋制力的分布也會出現(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,上表面的中性點在下表面的中性點的左側(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)域長度比上表面要大,因此上表面的材料流動受到的阻力比下表面要大,下表面材料的流動比上表面要快,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)所建立的軋制過程有限元仿真模型,對各非對稱軋制因素進行工況計算,如表1所示.并對各因素對翹曲的影響規(guī)律進行分析.

表1 非對稱軋制因素工況表

◆ 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),此時延伸差為負值,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,帶鋼上下表面延伸率差值為負值,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越接近下輥直徑,翹曲減小.

工作輥表面線速度一致時,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,當上工作輥偏向入口側(cè)時,帶鋼上下表面的延伸率差為正值,殘余應(yīng)力差為負值,此時表現(xiàn)為下扣翹曲缺陷,當偏移距離變小時,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,上下對稱差值為零;當上工作輥偏向出口側(cè)時,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,從值上來看軋制線高度達到最大7 mm時,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,軋制線高度對帶鋼翹曲影響較小.

現(xiàn)場應(yīng)用

針對實際生產(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).減小上表面的潤滑油噴淋量,上輥采用粗糙度較大的軋輥,以此來增大上表面的摩擦.

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

(3) 上工作輥線速度小于下工作輥.本文研究的20輥森吉米爾軋機由單電機傳動四個二中間傳動輥,再通過輥間摩擦將力矩傳動到工作輥,因此可使上半輥系中的二中間輥直徑大于下半輥系來提供速度差.

(4) 上工作輥輥徑大于下工作輥的輥徑.

其中對方案 (2) 進行了現(xiàn)場相關(guān)實驗,實驗結(jié)果如表2所示.槽溝的現(xiàn)場檢測方法如圖13所示.根據(jù)現(xiàn)場統(tǒng)計,正常軋制時帶鋼槽溝值在下扣40 mm左右,從表中可以看出,當上工作輥向出口側(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)場槽溝檢測

表2 現(xiàn)場翹曲實驗結(jié)果

結(jié)束語

本文針對冷軋過程中產(chǎn)生的翹曲問題,以有限元仿真為手段對軋制過程進行了仿真建模,分析了不對稱軋制導(dǎo)致翹曲產(chǎn)生的內(nèi)在機理,以延伸差為主要研究內(nèi)容,研究了不對稱軋制因素對翹曲的影響規(guī)律,得到以下結(jié)論:

(1) 不對稱軋制會引起上下表面沿接觸弧長摩擦應(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,對于森吉米爾軋機,軋制線高度對翹曲影響較小.

(3) 提出了現(xiàn)場消除翹曲的方法,在實際應(yīng)用中,通過調(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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