王建兵 常鐵柱

（中冶京誠(chéng)工程技術(shù)有限公司 北京 100176）

1 前言

合理的破鱗拉矯機(jī)工藝參數(shù)設(shè)定是解決酸洗線帶鋼破鱗和板材板形的基本前提條件，這也是酸洗、鍍鋅等生產(chǎn)線上拉矯機(jī)設(shè)計(jì)的理論依據(jù)［1－2］。為解決破鱗拉矯機(jī)設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試過(guò)程中遇到的工藝參數(shù)設(shè)定問(wèn)題，本文探討一種可行的破鱗拉矯機(jī)工藝參數(shù)在線設(shè)定方法。

2 有限元建模

破鱗拉矯機(jī)的彎曲輥組（1＃輥和2＃輥）和矯直輥組（L輥）按相對(duì)位置分布示意如圖1所示。其中1＃和2＃彎曲輥組的工作輥直徑為80mm，L輥組工作輥直徑為80mm。

圖1 某廠酸洗線破鱗拉矯機(jī)結(jié)構(gòu)圖

通過(guò)對(duì)破鱗拉矯機(jī)圖紙的實(shí)際尺寸計(jì)算和初步分析，建立有限元模型如下：

2.1 模型約束

帶鋼右端：制定位移；

帶鋼左端：施加載荷（張力）；

1＃輥和2＃輥組的下輥以及L輥向上位移：給定出入深度；

所有輥與帶鋼施加接觸約束。

2.2 模型參數(shù)

模型參數(shù)設(shè)定如下：

考慮到彎曲輥和矯直輥都有支撐輥支撐，因此，所有輥組給定為剛性，不考慮彈性變形；

時(shí)間表參數(shù)：輥組先壓下，然后帶鋼運(yùn)行依次通過(guò)各個(gè)輥組進(jìn)行拉伸彎曲矯直；

材料取普碳鋼：彈性模量200GPa，屈服應(yīng)力350MPa，柏松比0.3，抗拉強(qiáng)度為550MPa，斷裂延伸率為21%，材料為各向同性材料；

考慮到板寬對(duì)帶材延伸率和張應(yīng)力并無(wú)顯著影響，因此，寬度方向僅分布三個(gè)節(jié)點(diǎn)；

單元大小為4mm×5mm（長(zhǎng)×寬），單元厚度方向分5層以便分析延伸率沿厚度的分布規(guī)律。

2.3 有限元模型

采用通用有限元軟件建立的有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元幾何模型

2.4 帶材上下表面延伸率分布

模型中，將帶材厚度方向布置5層，取出第1層和第5層結(jié)點(diǎn)的延伸率歷史變形，如圖3所示。從圖3可以看出，帶材上下表面材料隨著其蛇形穿行過(guò)各個(gè)彎輥輥組和矯直輥組時(shí)發(fā)生了交替延伸和壓縮，這也解釋了破鱗拉矯機(jī)的拉矯延伸原理和破鱗機(jī)制。即破鱗拉矯機(jī)在張力拉伸作用和彎輥矯直輥的強(qiáng)制彎輥?zhàn)饔孟率沟脦Р臄嗝嫔涎由炝泓c(diǎn)層偏離厚度幾何中心（拉彎組合使帶材受延伸的厚度大于受壓縮的厚度），從而獲得帶材截面整體延伸，而上下帶材表面在穿行彎輥輥組時(shí)延伸率的交替變化更容易破裂帶材表面的氧化鐵皮，起到去除和剝離氧化鐵皮的效果。

圖3 帶材上下表面延伸率歷史變形

3 破鱗拉矯機(jī)工藝參數(shù)設(shè)定研究

拉伸彎曲矯直是使帶鋼在遠(yuǎn)小于材料屈服極限的張應(yīng)力作用下通過(guò)相互交錯(cuò)的輥?zhàn)佣a(chǎn)生塑性變形，從而實(shí)現(xiàn)板形矯正、破鱗和消除材料屈服平臺(tái)等目的的帶鋼處理工藝。對(duì)于酸洗拉矯機(jī)而言，破除帶鋼表面氧化層是其首要的工藝需求，因此，破鱗是主要考慮的技術(shù)要求；其次就是板形的矯正能力。在現(xiàn)有破鱗拉矯機(jī)結(jié)構(gòu)條件下，如何合理的設(shè)定拉矯工藝參數(shù)（包括延伸率、張力、插入量）達(dá)到破鱗和消除板形的工藝目的就成為了破鱗拉矯機(jī)應(yīng)用技術(shù)研究的關(guān)鍵。

采用破鱗拉矯機(jī)進(jìn)行帶鋼表面氧化鐵皮處理時(shí)，帶鋼在拉伸和彎曲作用下使得氧化鐵皮層中較疏松的組織脫落，而使得較致密的氧化層組織產(chǎn)生裂紋。一般而言，隨著帶鋼延伸率的增加，帶鋼表面的氧化鐵皮破碎的程度也增加，從而提高了酸洗的效率。然而，延伸率的增加對(duì)破鱗效果存在一個(gè)飽和點(diǎn)，即延伸率增加到某一水平后，破鱗效果將不再明顯，因此，盲目的增加延伸率不僅造成了破鱗拉矯機(jī)前后張力輥電機(jī)能力的浪費(fèi)，還將容易引起帶鋼打滑而對(duì)設(shè)備安全構(gòu)成威脅。相關(guān)文獻(xiàn)研究了延伸率合理的設(shè)定值［3－6］。劉現(xiàn)翠等［5］對(duì)現(xiàn)場(chǎng)酸洗帶鋼的跟蹤觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)拉矯機(jī)延伸率達(dá)到0.4%時(shí)，成品鋼板表面的氧化鐵皮已經(jīng)消除，且無(wú)表面凹坑和氧化鐵皮嵌入鋼板等缺陷，因此，保證拉矯延伸率達(dá)到0.4%時(shí)就可以滿足產(chǎn)品的表面質(zhì)量要求。

一般認(rèn)為，破鱗拉矯機(jī)原始設(shè)計(jì)延伸率愈高愈有利于滿足機(jī)組的工作要求，上述理論研究及實(shí)測(cè)分析表明，這種看法是片面的。根據(jù)破鱗效果來(lái)看，1%的延伸率設(shè)定值已經(jīng)達(dá)到飽和值，而從現(xiàn)場(chǎng)使用情況來(lái)看，0.4%的延伸率已能達(dá)到產(chǎn)品表面質(zhì)量要求。因此，兼顧設(shè)備安全性和電機(jī)能力的合理利用方面考慮，對(duì)于屈服點(diǎn)較高的“硬”材質(zhì)和厚規(guī)格帶鋼（厚規(guī)格帶鋼張力設(shè)計(jì)值較?。┍ＷC0.4%的延伸率即可獲得良好的破鱗效果；對(duì)于屈服點(diǎn)較高的“軟”材質(zhì)和薄規(guī)格帶鋼拉矯延伸率達(dá)到1%即可，這樣既能保證難拉矯帶材的破鱗效果，又兼顧了設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題。

3.1 工藝參數(shù)設(shè)定范圍

根據(jù)上述分析和現(xiàn)場(chǎng)破鱗拉矯機(jī)使用經(jīng)驗(yàn)，初步確定酸洗線拉矯機(jī)的主要工藝參數(shù)設(shè)計(jì)值范圍，如表1所示。

表1 酸洗拉矯主要工藝參數(shù)確定表

3.2 工藝參數(shù)關(guān)系模型的建立

為節(jié)省有限元計(jì)算機(jī)時(shí)間，同時(shí)又能合理、科學(xué)的建立破鱗拉矯機(jī)各主要工藝參數(shù)之間的關(guān)系模型，根據(jù)拉矯機(jī)主要工藝參數(shù)的設(shè)定范圍，采用正交實(shí)驗(yàn)對(duì)有限元計(jì)算工況進(jìn)行優(yōu)化處理。

由于本次實(shí)驗(yàn)有6個(gè)因素，每個(gè)因素有三個(gè)水平，所以擬用L18（36）正交表，如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)因素水平表

對(duì)應(yīng)表2的正交實(shí)驗(yàn)安排，通過(guò)有限元計(jì)算了48組數(shù)據(jù)，獲得了延伸率與其他拉矯工藝參數(shù)列表。選擇逐步回歸法建立因變量和自變量的回歸系數(shù)。

通過(guò)這些影響帶材延伸率的強(qiáng)相關(guān)因素分析可知：因變量為帶鋼在拉伸彎曲矯直過(guò)程中所獲得的延伸率ε，自變量為1＃彎曲輥組設(shè)定的插入深度δ1、2＃彎曲輥組設(shè)定的插入深度δ2、入口帶鋼平均張應(yīng)力σ1、帶鋼的厚度h、帶鋼的屈服應(yīng)力σs以及它們對(duì)延伸率的可能影響形式為：

通過(guò)回歸得到帶鋼延伸率和其他參數(shù)的關(guān)系式：

式中：δ1—1＃彎曲輥組設(shè)定的插入深度，mm；

δ2—2＃彎曲輥組設(shè)定的插入深度，mm；

δ3—L矯直輥組設(shè)定的插入深度，mm；

σ1—對(duì)帶鋼所施加的張應(yīng)力，MPa；

σs—材料屈服應(yīng)力，MPa；

h—帶鋼的厚度，mm。

該數(shù)學(xué)模型的回歸系數(shù)平方值為R2=0.82（R相關(guān)系數(shù)），在工程上，此誤差是可以接受的，因此，所得到的回歸關(guān)系是可信的。

同樣，用這種方法也可以建立張應(yīng)力的預(yù)測(cè)模型。

4 結(jié)論

通過(guò)破鱗拉矯機(jī)工藝參數(shù)設(shè)定分析獲得了如下幾點(diǎn)主要結(jié)論：

1）根據(jù)破鱗拉矯機(jī)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和理論分析，對(duì)拉矯機(jī)破鱗所需延伸率、矯正板形所需延伸率、彎曲輥輥徑和插入量、矯直張力范圍等主要工藝參數(shù)的使用范圍進(jìn)行了總結(jié)和歸納，確定了破鱗拉矯機(jī)主要工藝參數(shù)的合理區(qū)域，為破鱗拉矯機(jī)的選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

2）通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)原則和有限元分析獲得不同帶鋼規(guī)格、材質(zhì)、插入量、張力和延伸率的關(guān)系數(shù)據(jù)，并采用回歸分析手段建立了破鱗拉矯機(jī)延伸率和張應(yīng)力預(yù)測(cè)數(shù)學(xué)模型，該模型可作為現(xiàn)場(chǎng)在線工藝參數(shù)設(shè)定的數(shù)學(xué)模型，同樣對(duì)拉矯設(shè)備的設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值，如根據(jù)極限規(guī)格帶材的拉矯張力損失確定拉矯設(shè)備的電機(jī)扭矩參數(shù)等。