馬國財 周存龍 趙培建，3 李偉娜 李中喜

(1:太原科技大學山西省冶金設(shè)備設(shè)計理論與技術(shù)重點實驗室 山西太原030024;

2:山東日照鋼鐵集團有限公司 山東日照276806;

3:山東鋼鐵集團濟南鋼鐵公司 山東濟南250001;

4:中冶東方工程技術(shù)研究院有限公司 山東青島266555)

1 前言

拉伸彎曲矯直機在帶鋼生產(chǎn)線中主要用于改善板型質(zhì)量以及除鱗，針對拉彎矯研究的文獻大部分是關(guān)于拉彎矯基本原理的簡單描述和定性分析，拉彎矯機理并未完全揭示，尤其是實際生產(chǎn)中拉彎矯直過程的描述問題還存在著難以量化的問題。由于拉彎矯過程較為復雜，準確定量地描述這一過程非常關(guān)鍵。實際生產(chǎn)中，由于拉彎矯直設(shè)備的傳感器種類和數(shù)量有限，只能采集特定位置的幾種參數(shù)，要想對拉彎矯過程進行全面分析較為困難。因此，結(jié)合設(shè)備參數(shù)和現(xiàn)場工藝參數(shù)建立全尺寸的有限元模型，對研究實際生產(chǎn)中的拉彎矯直變形機理，定量地描述各工藝參數(shù)具有重要意義。

國內(nèi)外相關(guān)學者對拉彎矯直過程的有限元建模做了大量工作，Hoon Huh等人利用Abaqus/Standard有限元分析軟件對強化彈塑性帶材的拉伸彎曲過程進行了仿真［1］，J.W.Morris等人利用Abaqus/Standard有限元分析軟件建立了一個基于實驗室拉矯機的初級有限元模型［2］，F(xiàn).Yoshida等人開發(fā)了有限元分析軟件，并利用其對金屬帶材拉伸彎曲矯直進行分析［3］，Norman Mathieu等人用Abaqus/Explicit分析了張力輥后的平直度缺陷問題［4］，L Steinwender等人用Abaqus/Explicit建立了帶鋼曲率分布和功率損失模型［5］，李天浩等人運用MARC有限元軟件對寬帶鋼拉伸彎曲矯直變形過程進行大量工況的數(shù)值仿真計算［6］。

然而，為了節(jié)省計算成本，其中大部分有限元模型經(jīng)過簡化，一般取模型的一半或四分之一進行建模，也未與實際生產(chǎn)中的生產(chǎn)參數(shù)做比較，這樣就不能較為真實地反應實際生產(chǎn)中的拉彎矯直過程。因此，依據(jù)國內(nèi)某鋼廠冷軋酸洗線拉矯設(shè)備相關(guān)生產(chǎn)參數(shù)，建立了全尺寸的拉彎矯直過程有限元模型，并與實際生產(chǎn)過程進行對比，最終建立了與實際生產(chǎn)參數(shù)吻合度較高的有限元模型，為后續(xù)進一步研究拉彎矯直過程打下基礎(chǔ)。

2 帶鋼拉伸彎曲矯直的有限元建模

2.1 拉伸彎曲矯直過程中的結(jié)構(gòu)及工藝參數(shù)

某鋼廠拉彎矯設(shè)備采用了兩彎一矯的矯直方式，輥系結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 拉彎矯直機輥系布置示意圖

張力輥:(1、2、3、4);導向輥:(5、8、9、12、13、15);彎曲輥:(6、7、10、11、14);帶鋼:(16)

如圖1示，張力部分由1#～4#張力輥組成，且四個張力輥的速度依次遞增，以此產(chǎn)生矯直所需張力。矯直部分由1#、2#兩個彎曲單元及一個矯直單元組成:1#彎曲單元包括5、6、7、8 輥，2#彎曲單元包括9、10、11、12 輥，矯直單元包括13、14、15 輥。

表1 拉矯設(shè)備參數(shù)、張力輥速度及帶材參數(shù)表

如表1所示:張力輥輥徑1250mm，輥面覆蓋聚氨酯層;彎曲輥輥徑80mm，使通過的帶材產(chǎn)生反復彎曲;導向輥輥徑250mm;輥子長度均為1900mm。經(jīng)過減速箱減速之后，四個張力輥的轉(zhuǎn)速分別為:71.3m/min，71.6m/min，72.3m/min，72.6m/min。帶鋼型號為Q315，寬度1275mm，厚度3.5mm，密度7850kg/m3，彈性模量2.06×1011Pa，泊松比0.3。

表2 拉彎矯各輥系壓下量表

某批次帶鋼的矯直過程中，根據(jù)廠內(nèi)制定的標定方法，采用的壓下量組合如表2所示:其中1#、2#彎曲單元壓下量均為50mm，矯直單元壓下量為25mm。

2.2 拉伸彎曲矯直過程的有限元建模

采用ANSYS/LS-DYNA進行有限元建模，結(jié)構(gòu)參數(shù)、工藝參數(shù)及帶鋼的材料屬性按實際生產(chǎn)參數(shù)設(shè)定。

板帶單元為Solid164，材料采用雙線性各向同性硬化，板帶厚度方向單元數(shù)為6，寬度方向單元數(shù)為10，長度方向單元長度為5mm，單元總數(shù)為317120，節(jié)點數(shù)為399069;所有張力輥、彎曲輥及矯直輥單元均選用殼體Shell163，材料均采用剛體。模擬時長0.1s，單個模型計算時間108h。拉彎矯網(wǎng)格劃分模型及有限元模型如圖2所示。

圖2 拉彎矯網(wǎng)格劃分模型及有限元模型

3 有限元計算結(jié)果與實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)的對比

采用LS-Prepost分析計算結(jié)果，并將模擬所得功率值與實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行對比。

3.1 實際功率計算

實際生產(chǎn)過程中的總功率為:

其中:P1、P2、P3、P4分別為 1#、2#、3#、4#電機的實際功率，P1=P額1× ηp1=35kW ×53.7%=18.795kW，P2=P額2×ηp2=70kW×53%=37.100kW，P3=P額3× ηp3=350kW ×25.6%=89.600kW，P4=P額4×ηp4=190kW ×25.9%=49.210kW

而:P額1、P額2、P額3、P額4為四個電機的額定功率，如表3示。

表3 電機額定功率表

圖3 現(xiàn)場電機負載比

且:ηp1、ηp2、ηp3、ηp4分別為1、2、3、4電機功率負載比，如圖3示。

η1、η2、η3、η4分別為1#、2#、3#、4#減速箱的傳動效率，由圖4和表4可知。

3.2 模擬功率計算

待運行穩(wěn)定之后，繪制一段時間內(nèi)的總能量曲線，并線性擬合。如圖5所示。

圖4 拉彎矯傳動系統(tǒng)

表4 各傳動機構(gòu)傳動效率表

圖5 能量擬合曲線

圖5中，能量擬合直線的斜率即為總功率值，可知:

直線斜率為:

k=147642.3021

即模擬總功率為:

P模=147.6423021kW

3.3 實際功率與模擬功率對比

由上述分析知，實際總功率為:

P實=157.39kW

模擬總功率為:

P模=147.6423021kW

因此，模擬功率與實際功率的差值為:

PΔ=157.39-147.64=9.75kW

由此得出模擬功率和實際功率的誤差值為:

4 結(jié)論

經(jīng)加載計算后，將模擬所得功率值與實際生產(chǎn)過程中的電機功率進行對比?？紤]到有限元模型只對拉彎矯設(shè)備輥系進行建模，且材料模型和單元類型與實際材料屬性有一定差異，還考慮到沙漏能損耗等問題，最終得出兩者誤差為6.19%。這說明所建有限元模型與實際工況吻合度較高，此有限元模型可以作為實際生產(chǎn)的參考，為之后全面分析實際生產(chǎn)中的拉彎矯過程提供了較為可靠的有限元模型。

［1］Hoon Huh，Hyoung Wook Lee，Sang Rae Park，et al.The Parametric Process Design of Tension Levelling With an Elasto-Plastic Finite Element Method［J］.Journal of Materials Processing Technology，2001，113(1-3).

［2］Morris J W，Hardy S.It Lees A W，et al.Formation of Residual Stresses Owing to Tension Levelling of Cold Rolled Strip ［J］.Ironmaking and Steel making，2001，Vol.28(1):44-52.

［3］Yoshida F，Urabe M.Computer-Aided Process Design for Tension Levelling of Clad Sheet Metal［J］.Key Engineering Materials，2000，177-180，503-508.

［4］Norman Mathieu，Régis Dimitriou，Anthony Parrico，Michel Potier-Ferry，Hamid Zahrouni.Flatness defects after bridle rolls:a numerical analysis of leveling［J］.Mater Form(2013)6:255-266.

［5］L Steinwender，A Kainz，K Krimpelst?tter，K Zeman.Computational Analysis of the Curvature Distribution and Power Losses of Metal Strip in Tension Levellers［J］.Materials Science and Engineering 10(2010)012135.

［6］LIU Tianhao，ZHANG Qingdong，ZHU Jianru.Simulation of the Wide Strip Deformatio During Tension Leveling by FEM［A］.The Chinese Society for Metals，eds.Proc of Annual Meeting，CSM 2005 ［C］.Beijing，China:Metallurgical Industry Press，2005.550-552(in Chinese).