七辊板带矫直机矫直过程有限元仿真

七辊板带矫直机矫直过程有限元仿真

目前，用户对钢板的规格、品种和质量要求越来越高。影响钢板弯曲后的直度的一个重要因素是钢板的剩余力。残余应力的存在会使矫直后的钢板产生翘曲,这种翘曲有时不是在一开始就出现,而是可能在钢板矫直后的一段时间内才产生,有时甚至在用户切割钢板的时候发生。曾有研究表明,如果矫直后钢板的残余应力过大、分布不均,则钢板可能出现中浪、边浪、单边浪等多种不同的弯曲现象,严重地影响钢板的质量。矫直工艺参数(尤其是多辊不同的压下参数)对矫直后钢板的残余应力影响极大,因此,合理地选择矫直机工艺参数,确定最佳的压下规程,对提高钢板的矫直质量有着重要的意义。为此,本文以某厂七辊矫直机为研究对象,采用有限元方法对板带矫直过程进行仿真,定量地研究不同压下参数对同一钢板矫直平直度和残余应力的影响,提出了最佳压下规程并在实际生产中得到合理应用。1矫直机各辊的组合调整七辊板带矫直机主要由工作辊、支撑辊、主传动、辊缝调整和凸度调整等系统组成。图1为矫直机的基本机构。由图1可看出,工作辊呈上三下四布置,每个工作辊配有12个支撑辊(滚柱轴承)交叉排列。上辊通过4个液压缸可实现不同的调整方式,即水平调整、倾斜调整、旋转调整及其组合调整。由于矫直机各辊的调整方式不同,因此可矫直钢板的范围比较大,相应地,其工艺参数的确定也比较复杂。在本文中,上、下各辊的压下(压上)量分别以钢板在输送辊道上运行时的上(下)表面为基准(见图2),分别用Δh1,Δh2,…,Δh7等表示。2影响残余应力与矫直机各辊压下压上量的因素钢板的矫直过程是钢板在矫直机中一个连续的正反弯曲的过程。当反弯曲率在数值上等于弹复曲率时,钢板得到矫直。钢板在矫直的过程中发生弹塑性变形,同时产生残余应力。而弹塑性变形的大小主要由矫直机各辊的压下(压上)量来决定,因此,影响残余应力与矫直效果的主要因素是矫直机各辊的压下(压上)量。矫直机钢板运动速率为0.66m/s,各辊的转动角速度为6rad/s,在矫直过程中各矫直辊的位置保持不变。第1组压下规程是2008-10-10某热轧厂现场实测H=19.87mm钢板的矫直数据。为比较各辊压下量在不同情况下对钢板矫直后残余应力的影响,同时为了找到一组所选钢板矫直效果较理想的压下规程,在参考实测H=19.87mm钢板矫直数据的基础上(由于所选的钢板与实测钢板的厚度差别不大),设计了另外4组不同的压下规程,如表1所示。3钢板单元及矫直辊单元的确定采用有限元分析法对钢板矫直过程进行仿真。被矫直钢板的材质为HG785,其屈服极限为690MPa,弹性模量为2.09×105MPa,泊松比为0.3。钢板尺寸为1000mm×2000mm×20mm,长度方向为z,宽度方向为x,厚度方向为y。钢板和矫直辊单元分别采用8节点实体单元。采用单点积分以节省计算时间,钢板单元采用双线性随动强化材料模型,矫直辊选择只绕自身轴线旋转的刚性体。因钢板沿宽向的中心线两边对称,故为减少单元数,仿真以钢板宽度方向中线的一侧为对象建模。钢板网格划分为30×30×4,共3600个。在仿真过程中,使用自动生成的PART(部件),矫直辊的旋转施加在各个矫直辊对应的PART号上,钢板的速度施加在钢板的结点上。由于钢板沿宽向的中心线对称,故设置中心面上的所有节点沿宽向的位移约束为0。图3为矫直模型图。由图3可看出,钢板与各辊的接触采用自动面接触方式,动摩擦系数为0.08,静摩擦系数为0.1。4模拟结果与分析4.1钢板的术后变形图4为矫直后钢板的平直效果图。选取图5中直线3的结点,作出这些结点y向位移的变化图,如图6所示。由图4可看出,第2组压下规程下钢板的矫直效果最好,其余4组钢板最终变形都较大,弯曲严重。其中,第3、第4组压下规程下钢板的最终变形较类似。这一点可从图6中表现出来。在图6中所选直线的结点上,第2组压下规程,其y向位移均值为0.027mm,而第1、第3～第5组压下规程,y向位移均值分别为50.91、115.81、83.04和16.6mm,并且第2组压下规程,其y向位移变化相对于其他4组小而且平稳。4.2钢板残余应力与压下章程的关系从理论上来说,矫直的最终目的是要把钢板完全矫直,并且消除轧件中的残余应力。但是由于矫直过程的复杂性,在原始残余应力得到一定消除的同时又会产生新的残余应力,故最终轧件的残余应力不会为理想状态下的0值。对于不同的压下规程,钢板矫直后的残余应力是不同的。表2为矫直后钢板残余应力最大值(绝对值)的对比。由表2可看出,第2组压下规程下钢板矫直后的残余应力最大值(绝对值)相比其他几组的数据,其值要小很多。以纵向残余应力最大值为例,第2组压下规程中σz比第1组要小86.86%,比第3组要小81.73%,比第4组要小80.13%,比第5组要小85.92%。4.3钢板纵向残余应力的分布钢板在矫直过程中主要变形量集中在板长方向。由表2可看出,在不同的压下规程下,钢板矫直后应力最大值基本上集中在z向,即板长方向,这与传统理论分析的矫直变形是一致的,其次为x向,即板宽方向。在矫直过程中,首先要考虑的就是保证长度方向的平直度。为了更进一步分析其板长方向,即纵向残余应力的变化,选取图5中3条直线上的结点,作出这些结点上的σz分布图,如图7～图9所示。由上述5组压下规程下钢板所选第1、第2条直线上的纵向残余应力分布可看出,不论在哪组压下规程下,纵向残余应力在钢板的边缘部分波动最大,发生应力突变,不利于提高钢板的质量。为此,钢板经过矫直后,其边缘部分应该切除。切除边缘宽度为30mm,钢板其他地方的应力变化比较集中,具体情况如表3所示。由表3可看出,纵向残余应力最小的是第2组压下规程。同一组压下规程下,直线1上的结点应力变化比直线2要剧烈;直线1上结点的应力值要比直线2上的结点大很多。由图9可看出,纵向应力分布沿钢板的长度方向变化波动较大。第1、第3～第5组压下规程下的应力波动趋势基本上相同。从钢板的头部开始,第1、第3～第5组压下规程下,纵向残余应力值都是增大之后再有波动,而且应力波动趋势也基本上相同。而第2组压下规程下,应力值先减小再波动,应力波动趋势也与其他4种不同。由此可知,对某组压下规程,仅改变其中某一个上辊的压下量,其长度方向上的纵向残余应力变化趋势基本上不变。根据这一点,就可以预测钢板长度方向上的纵向残余应力变化趋势。综合分析后可知,对于所选规格的钢板,不论从矫直后的平直效果,还是从矫直后的残余应力最大值,还是从矫直后的纵向残余应力分布来看,第2组压下规程相比其他几组压下规程都是最优的。因此,对于该规格的钢板,可以使用该组压下规程。5钢板残余应力的分布(1)对钢板在不同压下规程下的矫直过程进行了仿真,找到了一种使矫直后板形好且残余应力小的压下规程。(2)仿真结果表明,对某组压下规程,仅改