帶鋼生產(chǎn)過程中，調(diào)整張力是控制產(chǎn)品板形、抑制板形缺陷、保證軋制過程順利進(jìn)行的重要手段。光整軋制過程中張力的加載有著兩個(gè)重要的職能：實(shí)現(xiàn)微調(diào)帶厚和拉伸矯正板形。文章以光整機(jī)為研究對象，基于ABAQUS建立四輥光整機(jī)軋制過程仿真模型，并進(jìn)行一定長度帶鋼段的勻速連續(xù)軋制(即穩(wěn)定態(tài))過程模擬，研究了板帶平整軋制過程中張力設(shè)定值與板形之間的關(guān)系以及張力大小對板形的影響效果。結(jié)果表明：張力增大可以促進(jìn)軋件金屬的縱向流動(dòng)，加大軋件的厚向變形，減小出口軋件的凸度，且后張力的作用效果比前張力更顯著，影響能力約為前張力的2.4倍。當(dāng)張力增大時(shí)，帶鋼邊部與中部延伸差在不斷地減小，與前后張力對軋件厚向變形的影響趨勢一致，帶鋼向良好板形方向發(fā)展。
光整軋制過程是一個(gè)彈性體在摩擦力或者張力的作用下將板帶帶入輥縫中，進(jìn)行壓力加工使之在縱向和橫向上產(chǎn)生一定的延伸的過程。在實(shí)際的生產(chǎn)中，板形的調(diào)控不僅和來料板凸度、初始的輥縫形狀有關(guān)，還和張力控制有很大的關(guān)系。張力的加載有著兩個(gè)重要的職能，可以實(shí)現(xiàn)微調(diào)帶厚和拉伸矯正板形。帶鋼張力軋制可以防止軋制中帶材跑偏，同時(shí)又能降低軋制力。在帶鋼生產(chǎn)過程中，調(diào)整張力是控制產(chǎn)品板形、抑制板形缺陷、保證軋制過程順利進(jìn)行的重要的手段，因此研究張力變化對帶鋼板形的影響對于控制板形缺陷具有重要的意義。
20世紀(jì)70年代，意大利學(xué)者M(jìn). Borghesi等人就提出試用改變張力的方式改善板形，研究內(nèi)容包括研究張力輸入的不同分布形式對輸出張力分布形式的影響，結(jié)果表明張力的分布由均勻變?yōu)閽佄锞€時(shí)，帶鋼的邊浪得到改善[1]。彭鋼賢等人采用了剛塑性有限元法中的體積可壓縮法，求解了板帶軋制過程中的三維流動(dòng)問題，并研究張力、板寬、壓下量、輥徑對金屬橫向流動(dòng)的影響，以此為依據(jù)建立板形良好的前張力分布公式[2]。張樹堂等人開發(fā)了板帶軋制三維模擬系統(tǒng)，討論了改變前后張力時(shí)，軋件的三維變形特點(diǎn)。模擬結(jié)果顯示：增加張力限制金屬橫向流動(dòng)，加大厚向變形，使斷面厚度更加均勻，其中同時(shí)改變前后張力對變形的影響效果最大[3]。劉才等用彈塑性有限元法求解了平輥軋制厚板的問題，得到了金屬流動(dòng)速度和橫向?qū)捳沟冉Y(jié)果，以圖形跟蹤形式給出了大量金屬流動(dòng)信息和應(yīng)力分布信息，為板形控制過程模擬、預(yù)報(bào)以及缺陷形成機(jī)理提供了一種準(zhǔn)確而有效的分析方法[4]。張小平等通過實(shí)驗(yàn)與有限元模擬的方法研究了張力對殘余應(yīng)力的影響及殘余應(yīng)力分布與板形的關(guān)系，得到了相似的分布規(guī)律[5]。
輥系-軋件一體化有限元模型
板形控制的實(shí)質(zhì)在于對承載輥縫形狀的控制。通過有限元計(jì)算可以研究光整機(jī)承載輥縫形狀的可調(diào)控范圍，對帶鋼寬度變化、軋制力波動(dòng)及軋輥輥形變化等干擾的響應(yīng)。在該模型的基礎(chǔ)上，通過計(jì)算來獲得不同設(shè)計(jì)工況下的軋制力分布及輥間接觸壓力分布，對工作輥的彎曲變形進(jìn)行分析；通過提取帶鋼的縱向延伸率分布及橫向厚差數(shù)據(jù)，可以對軋后帶鋼的板形有更加直觀的認(rèn)識。
模型簡化
帶鋼的光整過程比較復(fù)雜，為了提高計(jì)算效率，并保持結(jié)果的精確度，對于模型的假設(shè)進(jìn)行了一定的簡化。該光整機(jī)組為四輥單機(jī)架軋機(jī)，完整模型示意圖如圖1所示。板帶上下兩部分關(guān)于板帶厚度方向的中心線對稱，所以帶鋼在垂直方向上的中間面為對稱平面，取模型上半部分，即圖1中虛線框選的部分建立1/2模型。在模型中，將帶鋼分為三個(gè)部分：入口段、中間段、出口段。帶鋼入口和出口的部分不經(jīng)過光整軋制，且長度較長；中間段的帶鋼為光整軋制段，如圖2所示。由于帶鋼在進(jìn)行光整時(shí)，帶鋼寬度遠(yuǎn)大于厚度，而且?guī)т撛趯挾确较蛏系淖冃瘟亢苄?，所以不考慮帶鋼在寬度方向上的變形。同時(shí)認(rèn)為整個(gè)變形區(qū)的摩擦規(guī)律不變，假定在整個(gè)變形區(qū)均滿足庫侖干摩擦定律，而且不考慮張力沿軋件寬度方向的不均勻分布，以及其對延伸率分布的影響。在光整軋制壓力模型的建立過程中考慮生產(chǎn)實(shí)際，設(shè)定軋件為彈塑性體，設(shè)定軋輥為彈性體，其主要結(jié)構(gòu)及工藝參數(shù)如表1所示。支撐輥、工作輥輥形為平輥。
在劃分網(wǎng)格時(shí)，由于光整軋制過程中軋輥的壓下量很小，支撐輥和工作輥之間摩擦接觸的局部區(qū)域內(nèi)，以及工作輥和帶鋼表面摩擦接觸的局部區(qū)域內(nèi)，都采用分布較密的單元。帶鋼的單元類型選為線性減縮積分單元C3D8R。軋輥的網(wǎng)格劃分如圖3所示，軋件的網(wǎng)格劃分如圖4所示。
材料屬性與運(yùn)動(dòng)過程
在金屬材料塑性成形過程中，材料塑性變形的物理過程相當(dāng)復(fù)雜，需要對塑性變形過程及材料屬性做出一些合理的假設(shè)，便于數(shù)學(xué)處理。對于剛塑性材料的基本假設(shè)：均質(zhì)各向同性體；滿足體積不可壓縮條件；不考慮慣性力和體積力。
材料的力學(xué)性質(zhì)是通過取樣目標(biāo)材質(zhì)帶鋼，然后進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)來確定的。由于試樣的尺寸與形狀對實(shí)驗(yàn)結(jié)果有很大的影響，因此根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T228—2002設(shè)計(jì)試樣尺寸如圖5所示，加工的拉伸試樣實(shí)物如圖6所示。
經(jīng)過拉伸實(shí)驗(yàn)后，試樣變形如圖7所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果即帶鋼的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線如圖8所示。由圖8可知，帶鋼的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線接近于理想彈塑性本構(gòu)關(guān)系模型，考慮到理想彈塑性本構(gòu)關(guān)系模型能夠減少計(jì)算消耗，因此在有限元建模過程中材料本構(gòu)關(guān)系選擇為理想彈塑性本構(gòu)模型。
如圖9所示，光整軋制過程采用先壓下后軋制的方式。初始狀態(tài)，帶鋼處于上下工作輥之間的承載輥縫中；分析步驟一，支撐輥、工作輥壓緊帶鋼；分析步驟二，給帶鋼前后兩端施加張力；分析步驟三，輥轉(zhuǎn)動(dòng)，摩擦力帶動(dòng)帶鋼運(yùn)動(dòng)；分析步驟四，卸去載荷，停止軋制。
模型計(jì)算效果驗(yàn)證
帶鋼的軋制過程分為兩部分：第一部分為軋輥壓下，此時(shí)帶鋼逐漸進(jìn)入輥縫，作用在軋輥上的軋制力逐步增大；第二部分為穩(wěn)定軋制階段，此時(shí)帶鋼完全填充輥縫，軋制力逐漸穩(wěn)定。如圖10所示，模型計(jì)算能夠逐步達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定軋制時(shí)的軋制力為2750 kN，與現(xiàn)場使用的軋制力對比，軋制力的差值在50 kN以內(nèi)，驗(yàn)證了模型的可行性和真實(shí)性。
張力變化對板形的影響仿真分析
選取三種前后張力組合，假設(shè)三種張力分布情況：前后張力同時(shí)變化；前張力不變，后張力逐漸增大；后張力不變，前張力逐漸增大。
根據(jù)表2所列工況，利用建立的一體化有限元模型進(jìn)行計(jì)算，仿真分析不同張力條件下的板形差異。
張力變化對帶鋼凸度的影響
工況1-1至1-6有限元模擬過程中加在軋件上的前后張力相等，分別為30、40、50、60、70、80 kN，以這6個(gè)不同軋制條件建立了6個(gè)不同的光整軋制模型。光整后軋件的斷面形狀如圖11所示。
在經(jīng)過軋制后，斷面形狀為矩形的帶鋼斷面厚度從中部到邊部逐漸減小。造成該現(xiàn)象的原因是，軋件進(jìn)入輥縫后，由于軋制力的反作用，軋輥產(chǎn)生彈性撓曲和壓扁變形從而影響到軋件的出口斷面形狀。并且軋件的邊部出現(xiàn)了較為明顯的驟減的趨勢，這是由于超出帶寬以外輥間的有害接觸引起的軋件邊部減薄。
無論張力如何變化，由板帶邊部到中部壓下量都是逐漸減小的。這是因?yàn)楣ぷ鬏伿前雌捷伣?，而不是按生產(chǎn)實(shí)際中凸度軋輥建模，且沒有施加彎輥力，如圖12所示，工作輥在與帶鋼相接觸的部位沿著輥身方向彈性壓扁不均勻。
如圖13所示，當(dāng)前后張力相等時(shí)，張力對出口帶鋼凸度的影響基本呈線性變化，帶鋼的凸度隨著張力的增大而降低，減小速率平均值為0.102μm/kN，斷面的均勻性變得良好，帶鋼的邊浪趨勢逐漸減弱。
工況2-1至2-6加在軋件上的前張力相等，后張力分別為30、40、50、60、70、80 kN，以這6個(gè)不同軋制條件建立了6個(gè)不同的光整軋制模型。光整后軋件的斷面形狀如圖14所示。
如圖15所示，當(dāng)前張力不變時(shí)，后張力變化對出口帶鋼凸度的影響呈線性變化，帶鋼的凸度隨著后張力的增大而降低，減小速率平均值為0.077μm/kN，斷面的均勻性變得良好，帶鋼的邊浪趨勢逐漸減弱。
工況3-1至3-6加在軋件上的后張力相等，前張力分別為30、40、50、60、70、80 kN，以這6個(gè)不同軋制條件建立了6個(gè)不同的光整軋制模型。光整后軋件的斷面形狀如圖16所示。
當(dāng)后張力不變時(shí)，前張力變化對出口帶鋼凸度的影響如圖17所示。帶鋼的凸度隨著前張力的增大而降低，減小速率平均值為0.0318μm/kN。后張力變化對軋件變形的影響與前張力趨勢一致，但后張力影響效果比前張力影響顯著，影響能力約為前張力的2.4倍。
張力變化對帶鋼延伸差的影響
如圖18所示，在帶鋼任一位置的長度lx與中心位置的長度lc之間會有一個(gè)差值，也就是延伸差。如果兩邊的延伸率大于中部，則產(chǎn)生對稱的雙邊浪。反之，如果中部延伸率大于邊部，則容易產(chǎn)生中浪。光整后的帶鋼在寬度方向上的延伸差如圖19~21所示。由于仿真工況使用平輥且沒有施加彎輥力，使得帶鋼寬度方向上的最大縱向延伸出現(xiàn)在帶鋼邊部，此時(shí)帶鋼比較容易產(chǎn)生邊浪缺陷。前張力對帶鋼延伸差的影見圖19。從圖19中可以看到當(dāng)后張力不變、前張力增大時(shí)，帶鋼邊部與中部延伸差在不斷的減小，帶鋼的邊浪趨勢逐漸減弱。
后張力對帶鋼延伸差的影響見圖20，可以看到當(dāng)前張力不變、后張力增大時(shí)，帶鋼邊部與中部延伸差同樣在不斷的減小，與前張力對軋件變形的影響趨勢一致，帶鋼的邊浪趨勢逐漸減弱。
前后張力對帶鋼延伸差的影響見圖21，可以看到當(dāng)前后張力同時(shí)增大時(shí)，帶鋼邊部與中部延伸差同樣在不斷的減小，與前后張力對軋件變形的影響趨勢一致，帶鋼的邊浪趨勢逐漸減弱，而且前后張力的影響有疊加效應(yīng)，影響效果更加顯著。
結(jié)束語
本文利用有限元模型分析了張力作用下帶鋼板形的變化規(guī)律。在相同的初始狀態(tài)下，光整軋制過程中的張力對板凸度有著比較明顯的影響：張力增大可以促進(jìn)軋件金屬的縱向流動(dòng)，加大軋件的厚向變形，減小出口軋件的凸度，且后張力的作用效果比前張力更顯著，影響能力約為前張力的2.4倍。當(dāng)張力增大時(shí)，帶鋼邊部與中部延伸差在不斷地減小，與前后張力對軋件厚向變形的影響趨勢一致，帶鋼向良好板形方向發(fā)展。
文章來源——金屬世界