基于有限元的圓盤剪堵邊預控系統

王立兵，王曉晨，何海楠，彭修各

（1馬鞍山鋼鐵股份有限公司 四鋼軋總廠，安徽 馬鞍山243000；2北京科技大學 國家板帶生產先進裝備工程技術研究中心，北京100083）

1 前言

熱軋來料作為冷軋產品的基礎原材料，熱軋產品質量的好壞直接影響著冷軋生產效率和質量的提高。例如，熱軋生產過程中會產生帶鋼的窄尺以及鐮刀彎等缺陷，在進入到冷軋時，會因熱軋原料的缺陷而發生圓盤剪堵邊等事故，嚴重影響了冷連軋機組的穩定性運行，對最終的冷軋產品質量也造成了不良的影響。

從國內外文獻資料來看，已經有一些學者嘗試用實驗或仿真的方法對圓盤剪的堵邊過程進行研究，但由于圓盤剪剪切過程較為復雜，目前未深入了解其剪切機理及相關參數對剪切堵邊的影響規律。另外，由于熱軋和冷軋工序之間的壁壘，熱軋帶鋼質量數據無法在冷軋生產環節中有效利用，造成了無法利用熱軋有效數據在冷軋進行有效預控?；诖?，本研究選擇有限元仿真軟件ABAQUS對用于酸軋生產的Φ407圓盤剪剪切過程進行研究，通過有限元仿真得到帶鋼的運行速度、邊絲寬度以及材料參數對圓盤剪剪切邊絲堵邊的影響規律，并且得到了基于有限元的邊絲余量規則表，通過數據平臺與邊絲余量規則表相結合制定了堵邊風險區域預報模型。通過QMS數據采集系統，貫通熱軋與冷軋之間的工序壁壘，建立熱-冷軋數據采集平臺，在帶鋼進入酸軋生產過程中，提前對帶鋼風險區域進行預報，并對風險區域進行降速預控。

2 邊絲堵邊生成因素

2.1 有限元模型的建立

針對理想狀態進行建模，將上下刀盤處理為剛性刀盤，使用解析性剛體建立其輪廓，將板帶處理為可變形體。依據此鋼廠使用情況，將刀盤的直徑取為350 mm，厚度為30 mm，刀盤的圓角半徑為0.05 mm；圓盤剪上下刀盤的側隙設為0.3 mm，重疊量為0.25 mm，板帶尺寸為70 mm（長）×50 mm（寬）×3 mm（厚）。由于圓盤剪的剪切過程操作側與傳動側對稱，所以只需要對其中一側建模就可以，圓盤剪剪切模型如圖1所示。

圖1 剪切過程幾何模型

為上下刀盤及壓輥設置2 r/s的轉速，并使上下刀盤繞各自中心軸相對旋轉；為板帶定義110 m/min的初速度，使其向刀盤方向運動直至刀盤能咬入帶鋼；在模型中，約束板帶本體一側側邊沿寬度方向的位移。對于切邊圓盤剪而言，板帶另一側，即廢邊側為自由邊，而對于分條圓盤剪而言，另一側應同樣約束沿寬度方向的位移。

采用C3D8R八結點線性六面體線性縮減積分單元對帶鋼進行網格劃分。另外，為了保證計算的順利進行以及計算結果的精度達到要求，在帶鋼邊緣易出現較大的塑性變形區域進行網格細密劃分，對帶鋼邊緣進行沙漏控制，并在處理的過程中使用了網格自適應技術進行調整，以此來提高運算效率。板帶網格模型如圖2所示。

圖2 板帶整體網格模型

2.2 模擬結果分析

圖3為利用有限元得到的邊絲堵邊示意圖。由圖3可以看出，帶鋼的塑性變形主要發生在剪切區域，帶鋼的塑性變形量隨著離剪切區域距離的增大而逐漸減小，帶鋼沿著剪切斷面發生了彈性變形，然后隨著剪切程度的增加，帶鋼逐漸發生了一定程度的塑性變形。由于塑性變形量未達到材料斷裂時的變形程度，故帶鋼的剪切邊絲只是發生了彎曲變形，由于并沒有達到材料斷裂時的等效塑性應變值，故并沒有剪切掉。

圖3 邊絲堵邊示意圖

通過分析圓盤剪剪切時上表面單元格的等效塑性應變。正常情況下，上單元格的最大等效應變為0.04；而在邊絲堵邊情況下，上單元格的最大等效應變為0.02左右，沒有達到材料斷裂時的等效應變量，故邊絲沒有剪切掉，圓盤剪發生了邊絲堵邊。

2.3 生成影響因素研究

為了研究圓盤剪剪邊過程中不同材料參數及工藝參數對帶鋼的邊絲堵邊的影響，分別針對不同帶鋼厚度、不同抗拉強度以及不同寬展余量條件下的帶鋼剪切過程進行了數值模擬。具體方案見表1。

表1 不同工藝參數條件下圓盤剪剪切過程數值模擬方案

通過以上有限元ABAQUS模擬仿真，當帶鋼厚度、抗拉強度不同時此時應該設置合理的邊絲余量是保證圓盤剪能夠正常剪切帶鋼的關鍵因素。為了保證剪切過程的順利進行，防止剪切過程中堵邊的出現，應該對不同厚度、強度的帶鋼設置合理的剪切寬度，具體如表2所示。

表2 基于有限元的邊絲余量設定準則 mm

3 圓盤剪邊絲堵邊預控

3.1 圓盤剪堵邊預控策略

通過有限元數值模擬和現場數據分析得到的預控策略：剪切區域的等效塑性應變主要與被剪切帶鋼的邊絲余量、厚度以及軟硬程度有關；邊絲余量越小，帶鋼發生的彎曲變形越小，帶鋼剪切過程中越容易發生邊絲堵邊；帶鋼的厚度越小，帶鋼的相對壓下量越小，此時帶鋼越容易發生邊絲堵邊；圓盤剪在剪切軟鋼時，由于較軟的帶鋼會發生較大的彈塑性變形，會黏附于帶鋼的斷面，此時會造成邊絲堵邊，當圓盤剪剪切高強鋼時，由于材料具有較大的強度，此時材料不容易被剪切掉，此時容易堵邊。

綜上所述，對于圓盤剪剪切過程，應針對不同厚度及不同軟硬程度的帶鋼選取合適的邊絲余量，以防止堵邊現象發生。圖4為圓盤剪堵邊控制策略流程。

圖4 圓盤剪堵邊控制策略流程

3.2 實際邊絲余量的計算

根據帶鋼寬度、圓盤剪設置寬度以及帶鋼中心線偏移量，計算出基于熱軋來料數據的帶鋼全長的邊絲余量，然后由基于熱軋來料數據的帶鋼邊絲余量和冷軋運行CPC調節量相結合來計算帶鋼在冷軋運行過程中的邊絲余量。

冷軋部分在生產計劃跟蹤表中有圓盤剪的設置寬度值，即為冷軋產線上圓盤剪兩個剪刃之間設定的距離。根據公式即可計算熱軋來料全長方向在4#CPC處兩側帶鋼邊部距圓盤剪的距離，即兩側的剪邊量：

3.3 風險區域預報模型的建立

依據以上所述，大部分堵邊的直接原因是由于邊絲寬度小，其中影響邊絲量值的因素有寬度、相對中心線偏移量、冷軋運行跑偏中CPC的調節量以及圓盤剪設置寬度。CPC的調節量為變化量，帶鋼相對中心線偏移量，而圓盤剪設置寬度和帶鋼的寬度實際為固定量，因此可根據圓盤剪設置寬度、帶鋼的寬度、熱軋相對中心線偏移量以及CPC的調節量，作為堵邊風險區域的識別。

當操作側或者傳動側實際的邊絲余量小于對應允許的堵邊邊絲余量規則值時，此時該區域即為堵邊風險區域。

3.4 圓盤剪堵邊預控結果

通過將預控系統投入到現場實際應用，現場操作人員按照系統的操作提示，對有風險區域的帶鋼對圓盤剪進行降速處理，在近幾個月之內，現場生產的來料厚度包括2.0～4.0 mm的帶鋼。首先當熱軋來料進入冷軋軋制計劃之后，L2級設定系統根據熱軋來料數據的帶鋼全長寬度數據、熱軋跑偏量數據、冷軋運行過程中調節量數據以及邊絲余量規則進行風險區域的識別。設置當帶鋼運行到風險區域和前后卷焊縫位置時，設置圓盤剪剪切速度為30 m/min，有利于CPC糾偏系統能夠及時糾正帶鋼的跑偏量。當堵邊狀況發生時，減少堵邊長度。圖5為系統投入前后堵邊對比情況。

圖5 系統投入前后對比

4 結 論

4.1 利用有限元ABAQUS建立圓盤剪剪切帶鋼過程的仿真模型，分析帶鋼剪切過程中應力、應變變化規律，得到了帶鋼邊絲堵邊的生成機理。

4.2 通過有限元仿真方法，調整帶鋼的邊絲余量以及運行速度的不同，得到了邊絲余量以及運行速度對等效塑性應變的影響。通過對不同厚度、不同抗拉強度帶鋼設置不同的邊絲余量進行仿真模擬，得到了基于有限元的邊絲余量設置規則表。

4.3 根據熱軋來料信息、冷軋實時調節信息以及邊絲余量規則得到了圓盤剪堵邊預控策略以及圓盤剪剪切過程中堵邊風險區域預報模型。

4.4 通過搭建數據平臺，C#編程完成預控系統的在線應用，通過提前對堵邊風險區域進行預報，當識別到風險區域時，提前對圓盤剪進行降速處理，最后將操作提示進行顯示，明顯降低了圓盤剪堵邊概率。