全硬彩涂薄宽钢板热镀锌工艺的有限元分析

全硬彩涂薄宽钢板热镀锌工艺的有限元分析

结合国内外热铬技术自行设计和建设的中国先进热铬丝制装配厂，可以解决全硬钢的制造问题，如拉紧困难和板形不良，严重制约了该产品的正常生产。然而,全硬钢是目前具有较大市场需求和较高附加值的高档次的冷轧产品,因此,针对存在的问题深入研究全硬钢的拉矫变形过程,运用MARC有限元仿真手段,比较研究多种不同材料,总结出全硬钢拉矫过程中的特点及难点,从而建立适合全硬钢材料特性的拉矫工艺。1力学性能参数拉伸实验是评价板材基本力学性能的主要实验方法,这里采用100kN的CMT门式微机控制电子万能(拉力)试验机分别对退火后的普通冷轧板、DI材(多用于制罐)和全硬钢板进行拉伸实验。由此得到3种材料对应的力学性能参数,如表1和图1所示。从拉伸实验结果来看,全硬钢具有如下3方面的材料力学特性:屈服应力大,屈强比高,达0.93;断裂伸长率小,破坏时塑性伸长率只有5%。相反,DI材则屈服应力小、屈强比低、断裂伸长率大,具有明显的“软质易延伸”特性。因此,全硬钢的这种力学性能必然导致其拉伸弯曲矫直过程中出现可设定的伸长率范围小、插入量以及工艺张力等工艺参数难于把握等诸多问题,工艺参数设定不合理时甚至出现断带现象。这样,深入对全硬钢拉矫过程中特殊的变形特点和有针对性的工艺参数优化的研究,最终达到改善板形的目的就显得尤为重要。2拉矫工艺对策考虑到全硬钢特殊的材料性能,借助有限元仿真手段,可以获得不同材质带钢关于插入深度、张应力、伸长率3者之间耦合关系在拉矫过程中的区别,从而找到适合全硬钢的拉矫工艺对策。2.1拉矫主体模型仿真该热镀锌机组的拉矫机主要由矫直单元部分(即“两弯两矫”)和张力辊组及其传动部分组成。考虑到本文研究的重点在于仿真带钢的拉弯塑性变形,因此,张力辊及其传动部分以位移和张力载荷给定边界约束,带钢模型全长5500mm,如图2所示。单元选用75号厚板单元,厚度方向分5层以便于对拉矫过程中上下表层以及中间层的伸长率分布进行分析。载荷增量控制选用固定时间步长增量法。2.2计算噪声根据机组现场参数实际设定情况,有限元模型比较了各弯曲、矫直辊组不同插入量组合下3种材质对应的工况,如表2所示。2.3辊组插入量对拉矫过程的影响C308拉矫机中2个弯曲辊组(1号和2号)和2个矫直辊组(C号和L号)对应的插入量都可以单独设定,在仿真中固定其中3个插入量设定值,改变另一辊组插入深度,可以分别研究不同材质对应的4个辊组插入量对拉矫过程的影响;而固定各辊组插入量,改变拉矫入口工艺张力大小同样可以获得不同材质下拉矫工艺张力与带钢伸长率的关系。2.3.1拉矫材料各参数对伸长率的影响从图3(a)可以看出,3种材质带钢的拉矫变形规律明显不同。首先,在同样插入量、张应力条件下,3种材料伸长率的大小是不同的,其中全硬钢最小,DI材最大。随着弯曲辊组插入量不断增大,带钢拉矫过程中所产生的伸长率也随之增大(2号辊组插入量对伸长率的影响规律和1号辊组近似)。但3种材质中,全硬钢所产生的伸长率变化幅度最小,几乎没有明显变化,而DI材所产生的伸长率变化最显著。2.3.2拉矫机构中带钢等效抗拉刚度的影响本文定义弯曲辊组实现伸长率与其工作张应力水平的比值为带钢经过此弯曲辊组时的等效抗拉刚度。带钢在拉弯矫直过程中,正是由于其等效抗拉刚度在经过各个弯曲辊过程中不断被降低,从而实现低张力状态下矫直板形的情形。因此,带钢等效抗拉刚度的大小和下降斜率可以在一定程度上反映对应拉矫参数下各种材质带钢的难易拉伸状态。如图3(b)所示,在相同的拉矫工艺参数条件下,3种材料中全硬钢抗拉刚度最大,DI材最小;随着辊组插入深度的增大,带钢的抗拉刚度都有减小的趋势,当插入量大于8mm时,全硬钢减小趋势开始变得激烈(2号辊组插入量对等效抗拉刚度的影响规律和1号辊组近似)。从板形矫直的角度看,全硬钢拉矫插入量设定值应大于8mm,但考虑到其屈强比高的特点,插入量也不宜过大,避免出现拉断现象。从有限元仿真的结果来看,当带钢插入量大于15mm后,带钢上下表层单元出现断裂现象就说明了全硬钢的这一材料特性。2.3.3各材料之间的敏感性如图4(a)所示,3种材质带钢在拉矫过程中随着张应力的增加所产生的伸长率也随之增大,而且DI材伸长率对张应力变化的敏感性最大,全硬钢则变化最小。2.3.4等效抗拉刚度从图4(b)3种材质带钢的拉矫入口工艺张应力与等效抗拉刚度的关系可以看出,在不同工艺张力下,全硬钢抗拉刚度远大于其它材质带钢,这也说明了为什么全硬钢低张力和小的插入量情况下得不到塑性延伸。2.3.5拉矫机板形矫直力作用通过上述有限元仿真分析可以看出:带钢材质对拉矫过程的影响很大:①材料屈服极限越高的带钢其等效抗拉刚度也越大,这样带钢产生塑性延伸需要更大的插入量和拉矫张力;②屈强比高和破坏时塑性伸长率小,这样在很大程度上减小了插入量和拉矫张力调控范围,影响了拉矫机板形矫直能力的发挥。拉伸弯曲矫直过程是带钢在拉应力与弯曲应力的共同作用下,带钢中心层应力超过屈服极限,进入塑性变形状态,使带材产生塑性延伸。在全硬钢允许的塑性延伸范围内,通过有限元仿真带钢厚度方向的塑性延伸情况(图5)来看,这种材料特性对拉矫机插入量和工艺张力大小的限制只能使带钢厚度方向上靠近上下表面的部分产生塑性延伸,而带钢厚度方向上的中部区域只能产生弹性变形,使得带钢不能产生真正意义上的塑性延伸。3拉矫机装置稳定性的影响基于上述全硬钢本身特殊的材料力学性能和拉矫机工作原理,在其允许的塑性延伸范围内应合理地设定拉矫工艺张力和插入量,设定的工艺张力和插入量过大容易导致带钢上下表层“断裂”,而设定值偏小又无法获得板形改善效果。(1)据有限元仿真和现场调试,弯曲辊插入量在8～10mm,工艺张力70～90kN,板形矫正效果较好。(2)合理的拉矫工艺参数设定还必须结合相应优良的平整机板形控制性能(如采用VCR技术)。采取新的工艺后,从机组出口和下游彩涂机组反馈的板形质量信息,因板形质量导致的漏涂现象得到有效控制,达到了研究的预期目标,使得该厂全硬彩涂钢板的规格向更薄更宽拓展。4深度、张应力、伸长率三种通过与普通冷轧料、DI材对应的力学性能实验测定比较,获得了对全硬钢产品