厚板軋制過程軋件翹扣頭控制的有限元研究

關(guān)鍵詞：有限元；厚板軋制；翹扣頭控制

0 引言

厚板軋制過程中，穩(wěn)定性控制是一項極為重要的生產(chǎn)技術(shù)。特別是隨著厚板產(chǎn)品厚度的增加，經(jīng)常會出現(xiàn)軋件的異常翹扣頭現(xiàn)象。嚴(yán)重的翹扣頭會引起軋件形狀惡化，甚至因為不能進(jìn)一步軋制成板材而導(dǎo)致生產(chǎn)終止。為了消除和抵抗異常翹扣頭，在軋制過程中可以采取相應(yīng)的措施來進(jìn)行調(diào)整。

1 有限元模擬模型

在建立有限元模型時采用平直的軋件，同時，對所有模型中的軋件材料參數(shù)均導(dǎo)入Q235。通過設(shè)置不同的影響因素參數(shù)，即軋制中心線位置Hi，軋制過程的輥速差Ski，以及軋件上下表面溫度差ΔT，將軋件軋制成有一定翹扣頭的軋件，對軋制后軋件的翹扣頭量Xi進(jìn)行研究，從而得到各個影響因素對軋件翹扣頭的影響。

（1） 計算條件設(shè)置。

軋件尺寸參數(shù)：2 000 mm×1 500 mm×200 mm； 材料：Q235；軋輥直徑：1 200 mm。

（2） 邊界條件設(shè)定。

軋輥轉(zhuǎn)動角速度：3 rad/s； 軋輥摩擦因數(shù)：0.24；軋件咬入速度：1 800 mm/s。

在軋制中心線位置模型中，Hi設(shè)置成-5、5、15 mm 3個條件。

在輥速差模型中，Ski設(shè)置成-1%、-5%、-10% 3個條件。

在軋件上下表面溫度差模型中，ΔT設(shè)置成57、100、145 K 3個條件。

（3） 單元劃分。

網(wǎng)格尺寸：15 mm； 網(wǎng)格數(shù)量：172 900個；網(wǎng)格類型：C3D8R（軋制中心線位置模型、輥速差模型）；C3D8T（溫度差熱力耦合模型）。

針對上述條件，對軋制過程進(jìn)行了有限元模擬計算。對軋制后的軋件形狀進(jìn)行了對比，如圖1所示，利用Xi表征翹扣頭量，當(dāng)Xi＞0表示翹頭；Xi＜0表示扣頭。

2 有限元模擬計算結(jié)果

2.1 軋制中心線位置對軋件翹扣頭量的影響

如圖1所示，軋制中心線位置Hi為-5、5和15 mm時，Xi值分別為5.9、-7.0和-17.5 mm。表明軋制中心線位置為-5 mm時表現(xiàn)為翹頭，軋制中心線位置為5、15 mm時表現(xiàn)為扣頭。對這些數(shù)值進(jìn)行線性回歸，當(dāng)軋制中心線位置為-0.2 mm時，Xi=0，如圖5中的虛線所示。

理想條件下，軋制中心線位置為0時，軋件厚度中心線與輥縫中心線重合，對軋件的翹扣頭影響為0。當(dāng)Hi＜0時，軋件向上輥偏離中心線，產(chǎn)生翹頭。當(dāng)Hi＞0時，軋件向下偏離中心線，產(chǎn)生扣頭。軋件偏離中心線越遠(yuǎn)，產(chǎn)生的翹扣頭量越多。在本計算條件中，壓下量為30 mm， 當(dāng)Hi=15 mm時，軋件的上表面與上輥最低點(diǎn)在同一高度，所以Hi=15 mm已經(jīng)接近調(diào)整最大極限，因此，軋制中心線位置Hi對軋件翹扣頭量Xi的最大影響值為17.5 mm。

2.2 上下輥速差對軋件翹扣頭量的影響

厚板產(chǎn)線設(shè)計時，上下輥速被設(shè)計成可調(diào)節(jié)的模式，當(dāng)軋件出現(xiàn)與輥速差相關(guān)的問題時，可以通過在軋制過程中預(yù)先設(shè)置輥速差的方式來消除相關(guān)問題。在實際操作過程中，輥速差的取值一般最大為-10%。

如圖2所示，當(dāng)有限元模型中的輥速差Ski為-1%、-5%、-10%時，Xi值分別為-20.0、-91.6、-181.0 mm。表明當(dāng)下輥轉(zhuǎn)速ω2小于上輥轉(zhuǎn)速ω1時，軋件發(fā)生扣頭，輥速差值越大，扣頭量越大。因此，通過調(diào)節(jié)輥速差Ski對軋件翹扣頭進(jìn)行控制時，Xi最大控制量為-181.0 mm。

2.3 軋件上下表面溫度差對軋件翹扣頭量的影響

由于溫度是影響材料變形性能的重要參數(shù)，因此，鋼板上下表面溫度的不均勻分布也會導(dǎo)致軋制過程中上下表面的不均勻延伸，從而出現(xiàn)軋件翹扣頭現(xiàn)象。

當(dāng)軋件上下表面的溫度差ΔT分別為57、100、145 K時，Xi值分別為-16.9、-46.8和-96.3 mm。即軋件上表面溫度高于下表面時，軋制后軋件出現(xiàn)扣頭現(xiàn)象。由于溫度場的分布受到噴水量和水流速度的影響，因此，軋件上下表面溫度差可以通過調(diào)控除鱗工藝進(jìn)一步增大，進(jìn)一步帶來翹扣頭量的增加，如圖3中的虛線所示，當(dāng)ΔT達(dá)到225 K時，軋件的翹扣頭量Xi=-200.0 mm。在實際操作過程中，ΔT可以通過多道次的中間冷卻水上下水比控制，使下表面降溫速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于上表面，使Xi的控制值大于200.0 mm。

3 討論

上述分析表明，通過調(diào)整上下軋輥的輥速差和控制除鱗工藝來調(diào)整軋件上下表面溫度差是兩個較為有效的措施。這兩種措施比較來看，設(shè)置上下軋輥的輥速差時，會存在一些不可控因素的干擾，比如軋件表面局部氧化鐵皮殘留或冷卻水殘留引發(fā)局部打滑，或者軋制過程軋件咬入速度與軋輥轉(zhuǎn)速不匹配，因此這種方式不如通過控制工藝調(diào)整軋件上下表面溫度差對翹扣頭控制除鱗的穩(wěn)定性好。通過控制除鱗工藝調(diào)整軋件上下表面溫度差，可以在設(shè)備參數(shù)穩(wěn)定的條件下使鋼板自發(fā)產(chǎn)生反向翹扣頭，最終消除軋件翹扣頭現(xiàn)象。因此，控制除鱗工藝調(diào)整軋件上下表面溫度差是軋件翹扣頭控制的最佳方案，其次為調(diào)整上下軋輥的輥速差。

４ 結(jié)語

通過對厚板軋制過程進(jìn)行有限元模擬，計算了3種工藝參數(shù)對軋件翹扣頭量的影響，得出如下結(jié)論：

（1） 軋制中心線位置、上下軋輥的輥速差、軋件上下表面的溫度差對軋件翹扣頭形狀參數(shù)均有不同程度的影響。

（2） 通過控制除鱗工藝調(diào)整軋件上下表面溫度差，可以有效穩(wěn)定消除軋鋼過程的異常非人工控制翹扣頭現(xiàn)象，并且這個措施比另外兩個措施效果更明顯、更具備穩(wěn)定性。

本文摘自《寶鋼技術(shù)》2024年第期