供稿|李志超 /

內(nèi)容導(dǎo)讀

2130冷軋帶鋼工程是馬鋼“十一五”結(jié)構(gòu)調(diào)整500萬(wàn)t鋼生產(chǎn)能力系統(tǒng)項(xiàng)目中的重要工程之一。1#重卷線切邊剪在生產(chǎn)中存在帶鋼邊部起筋等缺陷，尤其在生產(chǎn)厚度小于0.7 mm帶鋼時(shí)，經(jīng)常在帶鋼邊部發(fā)生起筋、翻邊等缺陷，影響切邊質(zhì)量，造成經(jīng)濟(jì)損失。本文采取現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、理論解析、仿真分析和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試等開展冷軋切邊剪剪切薄帶鋼起筋控制策略研究。對(duì)剪切過(guò)程中的帶鋼進(jìn)行受力分析：通過(guò)理論分析計(jì)算、有限元數(shù)值模擬以及剪刃側(cè)向間隙、剪刃重疊量等因素對(duì)剪切力的影響規(guī)律分析，明確了帶鋼切邊剪剪切過(guò)程的應(yīng)力分布規(guī)律。針對(duì)造成起筋的因素提出了剪切薄帶鋼起筋控制策略，包括對(duì)間隙量、重疊量和帶鋼厚度等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果表明，優(yōu)化后的參數(shù)設(shè)定值可以顯著減少切邊起筋的概率。

切邊剪結(jié)構(gòu)及工作原理

切邊剪工作時(shí)，圓盤刀以與帶鋼相同的運(yùn)動(dòng)速度做圓周運(yùn)動(dòng)，形成一對(duì)無(wú)端點(diǎn)的剪刃[1]。切邊剪主要由機(jī)架開度調(diào)整機(jī)構(gòu)、去毛刺輥、切邊剪本體、導(dǎo)板架、廢邊溜槽、底座、齒輪電機(jī)等設(shè)備組成[2]，核心部分是切邊剪本體。馬鋼冷軋1#重卷線切邊剪的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要特點(diǎn)有：(1)切邊剪兩側(cè)的機(jī)架在導(dǎo)軌上線性移動(dòng)，剪切不同寬度的帶鋼時(shí)調(diào)節(jié)開口度；(2)兩側(cè)機(jī)架上各有一個(gè)切邊剪本體；(3)切邊剪的側(cè)間隙 由重疊量調(diào)整電機(jī)控制，上下剪刃的重疊量按一定的關(guān)系曲線變化，在調(diào)節(jié)時(shí)以側(cè)向間隙量作為控制目標(biāo)；(4)重疊量調(diào)整電機(jī)用于調(diào)節(jié)切邊剪上下剪刃的重疊量。

切邊剪剪切帶鋼時(shí)，兩對(duì)刀盤以帶鋼的運(yùn)行速度為線速度做圓周運(yùn)動(dòng)，形成一對(duì)無(wú)端點(diǎn)的剪刃[3]，剪切過(guò)程如圖2所示。

圖1 馬鋼冷軋1#重卷線切邊剪的結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 切邊剪剪切過(guò)程示意圖

在切邊剪剪切過(guò)程中，隨著帶鋼的運(yùn)行，上下刀盤的刃口距離逐漸減小，中間的板帶被不斷的擠壓切入，使得板帶材料發(fā)生變形，并最終被完全切斷。帶鋼的剪切過(guò)程中，帶鋼剪切區(qū)分為彈性變形階段、塑性變形階段、斷裂分離階段3個(gè)階段[4-7]。

剪切薄帶鋼起筋研究現(xiàn)狀

隨著國(guó)內(nèi)各大鋼鐵企業(yè)對(duì)薄規(guī)格帶材產(chǎn)品的研制生產(chǎn)，國(guó)內(nèi)有關(guān)帶材剪切起筋缺陷的研究才開始受到關(guān)注[7]。對(duì)薄規(guī)格帶鋼而言，隨著寬厚比的增大，帶材平直度難以保持，極易產(chǎn)生包括起筋、瓢曲、浪形等在內(nèi)的各種板形缺陷。徐國(guó)旺等[8]基于熱軋帶鋼在下工序冷軋過(guò)程中出現(xiàn)的起筋故障，針對(duì)冷軋帶鋼起筋位置分析出與熱軋帶鋼斷面局部高點(diǎn)、凸度和楔形之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。閻秋生等[9]通過(guò)對(duì)熱軋工藝參數(shù)的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了帶鋼斷面大凸度、小楔形和適當(dāng)?shù)木植扛唿c(diǎn)，減少了冷軋帶鋼起筋現(xiàn)象，改善了產(chǎn)品質(zhì)量。有關(guān)研究人員采用有限元軟件DEFORM-2D建立剪切過(guò)程的二維動(dòng)態(tài)有限元分析模型[10]。王延薄等[11]研究了側(cè)向間隙對(duì)帶鋼斷面質(zhì)量的影響，仿真結(jié)果表明：剪切斷面形狀與剪刃側(cè)向間隙相關(guān)，剪刃側(cè)向間隙隨著帶鋼厚度的增加而增加。羅石念等[12]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)研究起筋部位的特征，系統(tǒng)地分析熱軋、冷軋工藝過(guò)程中起筋缺陷的影響規(guī)律，且發(fā)現(xiàn)熱軋帶鋼的不規(guī)則斷面會(huì)影響到后道工序。冷軋薄帶鋼起筋的原因在于該區(qū)域發(fā)生板形屈曲，研究其與熱軋帶鋼凸度和楔形值的相關(guān)關(guān)系，得出控制較大的熱卷凸度值并有效降低楔形值可抑制起筋[13]。

在有限元分析法產(chǎn)生之后，國(guó)外有學(xué)者用剛塑性有限元法對(duì)金屬剪切過(guò)程進(jìn)行模擬[14]，模擬過(guò)程中將剪切區(qū)的網(wǎng)格劃分細(xì)一些，并運(yùn)用生死單元法來(lái)模擬金屬斷裂時(shí)的失效情況，從而預(yù)測(cè)出斷裂過(guò)程裂紋的產(chǎn)生。除了理論解析法和有限元法外，對(duì)金屬剪切斷裂過(guò)程的研究還可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行研究。日本的巖田一鳴等[15]利用電子顯微鏡對(duì)剪切過(guò)程進(jìn)行了掃描，發(fā)現(xiàn)剪切過(guò)程裂紋主要產(chǎn)生在剪刃附近，并隨著剪切的進(jìn)行沿著材料的最大剪切變形率方向進(jìn)行擴(kuò)展。目前對(duì)金屬材料延性斷裂進(jìn)行預(yù)測(cè)的最有效方法還是根據(jù)材料的應(yīng)力應(yīng)變歷史進(jìn)行預(yù)測(cè)并建立合理有效的斷裂準(zhǔn)則。

馬鋼剪切起筋缺陷情況簡(jiǎn)述

2130冷軋帶鋼工程是馬鋼“十一五”結(jié)構(gòu)調(diào)整500萬(wàn)t鋼生產(chǎn)能力系統(tǒng)項(xiàng)目中的重要工程之一。其中1#重卷機(jī)組主要用于熱鍍鋅后或冷軋退火后的帶鋼進(jìn)行重卷檢查，由意大利FIMI公司設(shè)計(jì)，年設(shè)計(jì)產(chǎn)能15.3萬(wàn)t，生產(chǎn)規(guī)格為厚度：0.25～2.50 mm，寬度800～2000 mm，機(jī)組代號(hào)為CM2-05。機(jī)組主要用于完成上游工序冷軋連退和鍍鋅產(chǎn)品的開卷檢查、分卷、切頭、切尾、切邊、中間剖分、切廢、取樣、涂油、重新卷取等工藝功能。重卷工序是保證產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其中切邊剪精度對(duì)板材的切邊質(zhì)量起著關(guān)鍵作用。

自投產(chǎn)以來(lái)，生產(chǎn)線設(shè)備已經(jīng)運(yùn)行了11年，由于生產(chǎn)線設(shè)備老化引起切邊剪在剪切0.7 mm厚度以下帶鋼時(shí)出現(xiàn)起筋現(xiàn)象，尤其在剪切薄帶鋼時(shí)出現(xiàn)切邊剪隔離環(huán)處起筋的現(xiàn)象很頻繁。前期對(duì)生產(chǎn)線上相關(guān)設(shè)備的精度進(jìn)行檢查，對(duì)誤差偏大的設(shè)備進(jìn)行了精度調(diào)整。

生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的典型起筋故障：DC04鋼(厚度0.70 mm、寬度1085 mm)，切邊剪工作側(cè)起筋，如圖3。

圖3 正常切邊時(shí)兩側(cè)起筋

帶鋼切邊過(guò)程的數(shù)值模擬

剪切過(guò)程的變形理論是十分復(fù)雜的，涉及彈塑性力學(xué)、斷裂理論等，目前ANSYS軟件中的LSDANY模塊能夠較好地實(shí)現(xiàn)剪切過(guò)程的大變形斷裂模擬。

切邊過(guò)程有限元模型

在實(shí)際生產(chǎn)中，帶鋼切邊可以看作帶鋼在切邊剪刀刃的作用下的大變形過(guò)程，帶鋼剪切的幾何模型如圖4所示。上下圓盤刀刃直徑為320 mm，厚25 mm。帶鋼尺寸為90 mm×0.6 mm。

圖4 帶鋼剪切幾何模型及網(wǎng)格劃分

由于帶鋼切邊過(guò)程大變形的區(qū)域僅僅是帶鋼與上下圓盤刀刃相接觸的部位，為合理利用計(jì)算資源，需重點(diǎn)關(guān)注帶鋼切邊過(guò)程大變形的區(qū)域，因此使用ANSYS的Divide功能時(shí)將帶鋼切邊過(guò)程大變形區(qū)域和其他部位的區(qū)域分割開來(lái)。選擇SOLID164單元進(jìn)行數(shù)值模擬，采用單點(diǎn)積分算法，同時(shí)進(jìn)行沙漏控制以得到正確的模擬結(jié)果。采用的切邊剪網(wǎng)格尺寸為5 mm。對(duì)帶鋼采用分區(qū)域劃分網(wǎng)格，帶鋼剪切核心區(qū)域?qū)挾仍O(shè)置為8 mm，網(wǎng)格尺寸為0.1 mm，其余部位網(wǎng)格尺寸為4 mm，如圖4所示的黑色區(qū)域?yàn)榫W(wǎng)格加密區(qū)域。

帶鋼切邊過(guò)程中，帶鋼的前進(jìn)速度為300 m/min，即5 m/s，切邊剪的直徑為320 mm，折算為轉(zhuǎn)速為15.625 rad/s。因此，在ANSYS中為上下切邊剪施加繞Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)給帶鋼施加X(jué)軸正向的初速度5 m/s。

切邊過(guò)程受力分析

由帶鋼切邊過(guò)程的應(yīng)力分布可以看出應(yīng)力最大的部位主要在帶鋼，而且集中在帶鋼當(dāng)前所受剪部位。圖5中Mises等效應(yīng)力在剪切區(qū)域最大，剪切區(qū)域之外其他部位的等效應(yīng)力逐漸減小。

圖5 帶鋼剪切過(guò)程中剪切區(qū)域的Mises等效應(yīng)力分布

剪切參數(shù)模擬分析

為了研究帶鋼切邊過(guò)程的不同工藝參數(shù)對(duì)帶鋼切邊和應(yīng)力分布的影響[15]，分別針對(duì)不同剪刃側(cè)向間隙、剪刃重疊量、帶材厚度和剪切速度條件下的帶鋼剪切進(jìn)行了數(shù)值模擬，具體方案如表1所示。

針對(duì)剪刃側(cè)向間隙為0.03、0.06、0.09和0.12 mm條件下的帶鋼剪切進(jìn)行數(shù)值模擬。其中帶鋼厚度為0.6 mm，剪刃重疊量為0.2 mm，剪切速度為300 m/min，帶鋼剪切0.2 s時(shí)的應(yīng)力分布見圖6。從圖中可以看出：剪刃側(cè)向間隙不同，帶鋼在剪切區(qū)域的Mises等效應(yīng)力分布不同，剪切中心區(qū)域的平均應(yīng)力也不同，可見剪切區(qū)域的應(yīng)力隨剪刃側(cè)向間隙變大而減小。

表1 不同工藝參數(shù)條件下的帶鋼切邊過(guò)程數(shù)值模擬方案

圖6 剪刃側(cè)向間隙對(duì)帶鋼剪切區(qū)域的平均Mises等效應(yīng)力的影響

圖7～圖9分別為剪刃側(cè)向間隙為0.06、0.09和0.12 mm條件下origin、gap9、gap12模擬方案的帶鋼剪切時(shí)的Z向應(yīng)力分布。在帶鋼剪切過(guò)程中，下切邊剪一側(cè)(帶鋼剪本體一側(cè))的Z向應(yīng)力較另一側(cè)大，并且在偏離剪切線一定距離的部位Z向達(dá)到最大值，可以推測(cè)Z向應(yīng)力分布不均衡是導(dǎo)致帶鋼剪切起筋的一個(gè)因素。由圖可知，剪刃側(cè)向間隙越大，Z向應(yīng)力分布不均衡程度越小，帶鋼剪切后越不易起筋。

冷軋線剪切薄帶鋼起筋控制實(shí)驗(yàn)

切邊剪薄帶鋼剪切控制策略

圖7 帶鋼剪切過(guò)程中的Z向應(yīng)力分布，剪刃側(cè)向間隙為0.06 mm

圖8 帶鋼剪切過(guò)程中的Z向應(yīng)力分布，剪刃側(cè)向間隙為0.09 mm

圖9 帶鋼剪切過(guò)程中的Z向應(yīng)力分布，剪刃側(cè)向間隙為0.12 mm

運(yùn)用ANSYS模擬帶鋼剪切過(guò)程中的工藝參數(shù)包括剪刃側(cè)向間隙、剪刃重疊量等因素對(duì)帶鋼剪切應(yīng)力的分布影響且運(yùn)用到現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證：(1)剪刃側(cè)向間隙不同，帶鋼在剪切區(qū)域的Mises等效應(yīng)力分布不同。剪切區(qū)域的應(yīng)力隨剪刃側(cè)向間隙變大而減小；(2)帶鋼在剪切區(qū)域的Mises等效應(yīng)力分布隨剪刃重疊量變化而變化，但是變化不明顯；(3)在帶鋼剪切過(guò)程中，Z向應(yīng)力分布不均衡是導(dǎo)致帶鋼剪切起筋的一個(gè)因素；(4)在帶鋼剪切過(guò)程中，剪刃側(cè)向間隙越大，Z向應(yīng)力分布不均衡程度越小，帶鋼剪切后越不易起筋。帶鋼厚度越大，剪切過(guò)程中的Z向應(yīng)力越大。

根據(jù)切邊剪剪切的實(shí)際工況，調(diào)整剪切工藝參數(shù)，將以上數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行系統(tǒng)分析總結(jié)，對(duì)原有的根據(jù)帶鋼厚度估算的間隙量和重疊量進(jìn)行修正優(yōu)化。

最佳剪切參數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

◆ 剪刃間隙量?jī)?yōu)化

切邊剪刃側(cè)向間隙和重疊量常用的設(shè)定參數(shù)是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)得出的，其調(diào)整參考值一般側(cè)間隙量為帶鋼厚度的6%+0.2 mm；重疊量為帶鋼厚度的10%～20%。參考ANSYS數(shù)值模擬的驗(yàn)證結(jié)果和基于實(shí)驗(yàn)確定的正確的剪刃側(cè)向間隙，如圖10所示，顯示了剪刃側(cè)向間隙與帶鋼厚度相對(duì)應(yīng)的關(guān)系，并按照帶鋼的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行細(xì)分，為剪刃側(cè)向間隙提供參考值。對(duì)于薄的軟鋼(抗拉強(qiáng)度小于1000 N/mm2)在進(jìn)行剪切時(shí)將間隙量調(diào)整到帶鋼厚度的4%～12%；對(duì)于高強(qiáng)鋼(抗拉強(qiáng)度大于1000 N/mm2)，其剪刃側(cè)向間隙為帶鋼厚度的12%～20%。

圖10 剪刃側(cè)向間隙量與帶鋼厚度關(guān)系圖

◆ 剪刃重疊量?jī)?yōu)化

采用數(shù)值模擬的方法針對(duì)帶鋼剪切過(guò)程中的工藝參數(shù)中剪刃重疊量對(duì)帶鋼剪切應(yīng)力的分布影響進(jìn)行了研究。根據(jù)原先經(jīng)驗(yàn)值，剪切重疊量數(shù)值一般為帶鋼厚度的8%～10%。參照重卷線剪切帶鋼時(shí)起筋的圖片資料和后期的調(diào)試報(bào)告，并且考慮到帶鋼厚度的不同，給出了以下修正值：當(dāng)帶鋼厚度為0.5～3.6 mm時(shí)，重疊量取正值。從圖11可以看出，帶鋼厚度小于1.4 mm時(shí)，重疊量與帶鋼厚度基本上呈正比關(guān)系；帶鋼厚度在1.4～3.6 mm之間時(shí)重疊量與帶鋼厚度基本上呈反比關(guān)系。

圖11 重疊量與帶鋼厚度關(guān)系圖

參數(shù)優(yōu)化控制效果

為了驗(yàn)證帶鋼起筋優(yōu)化控制措施是否可以滿足冷軋卷起筋的控制目標(biāo)并達(dá)到預(yù)期的控制效果，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，選取帶鋼厚度為0.55～1.2 mm，陸續(xù)實(shí)測(cè)14卷不同鋼種、不同規(guī)格的薄帶鋼進(jìn)行切邊現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證。經(jīng)過(guò)起筋控制參數(shù)優(yōu)化后，在1#重卷線生產(chǎn)過(guò)程中除1卷帶鋼厚度為0.55 mm起筋以外，均未發(fā)現(xiàn)薄帶鋼起筋現(xiàn)象，整體起筋控制合格率達(dá)到92.8%。就目前設(shè)備狀態(tài)判斷1#重卷剪切薄帶鋼起筋控制得到了明顯的改善。

結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)馬鋼冷軋1#切邊剪剪切薄帶鋼起筋的發(fā)生和控制進(jìn)行了研究，利用有限元軟件ANSYS/LS對(duì)切邊剪剪切薄帶鋼的過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過(guò)帶鋼剪切過(guò)程受力的理論分析計(jì)算、帶鋼切邊過(guò)程的有限元數(shù)值模擬、剪刃重疊量、剪刃側(cè)向間隙等因素對(duì)剪切力的影響規(guī)律進(jìn)行分析，明確了帶鋼切邊剪剪切過(guò)程的應(yīng)力分布規(guī)律，最后通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證分析，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)帶鋼切邊剪剪切工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化控制，提高了馬鋼冷軋重卷線帶鋼切邊剪剪切質(zhì)量。

但是由于時(shí)間和實(shí)驗(yàn)條件的限制，仍有很多待完善的工作，例如對(duì)涉及熱軋、冷軋、連退等多道上游工序，尤其是起筋原因與熱軋帶鋼局部高點(diǎn)、凸度和楔形之間的關(guān)系未進(jìn)行深入的研究。今后還可以對(duì)更多不同規(guī)格、特殊鋼種的帶鋼的最佳剪切參數(shù)進(jìn)行研究，收集更多的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)以進(jìn)一步驗(yàn)證有限元模擬效果，且考慮進(jìn)一步優(yōu)化剪刃隔離環(huán)尺寸以減少對(duì)帶鋼剪切質(zhì)量的影響，提高綜合效益。

【漁舟唱晚】陳躍先 攝