带钢冷连轧工艺的非线性有限元建模与仿真

带钢冷连轧工艺的非线性有限元建模与仿真

为了提高板、管、棒的产量和产量，解决板、管、杆材料连压工艺的理论问题，本文采用非线性有限作为内核，通过选择模型、系统仿真、工艺决策等措施，提出了确定最佳工艺体系的理论和方法。1连绵材料的模拟1.1板形控制新技术的板带u带钢冷连轧机型分为四辊轧机和六辊轧机两种,近年来,诞生了一系列采用板形控制新技术的板带轧机,如HC轧机、CVC轧机、PC轧机等,其机架数量一般为5个。带钢冷连轧机机列布置主要有以下几种:①传统五机架四辊轧机;②CVC四辊轧机;③HC六辊轧机;④混合型连轧机(见图1)。1.2冷连机板型在线控制模拟系统1.2.1方案建立的仿真计算轧制后的板面凸度和板形决定于轧件在辊缝中的三维变形情况。本文在对所建立的轧件三维弹塑性变形模型、轧辊弹性变形模型、轧辊热凸度和磨损凸度模型耦合的基础上建立了完整的板形计算模型。针对某冷连轧机组工况进行仿真计算,给出各机架的出口厚度分布、带材前张应力分布、工作辊与带钢及轧辊与轧辊间的负荷分布、压扁分布、工作辊温度凸度和磨损凸度的计算结果。第五机架出口处带钢板形测量值与计算值对比如图2所示。从图2中可以看出,板形测量值与有限元计算值的分布规律一致,表明所建立的板形计算模型准确可靠。1.2.2带钢宽度对带钢调节功效的影响CVC六辊轧机三维有限元模型如图3所示。不同板宽下的板形调控效果如图4所示,图中B为带钢宽度。采用非线性弹塑性有限元法,建立多种机型的三维非线性有限元板形分析模型,利用所建立的有限元模型,研究不同轧制工艺条件下板形调控手段对板形调节的影响规律。从图4中可以看出,随着带钢宽度的增大,3种调节手段调控功效的幅值均增大,其板形调节的有效区域也越大。带钢宽度为1200mm时,工作辊弯辊、中间辊弯辊以及中间辊横移的调控功效曲线呈近似抛物线分布。但随着板宽的减小,中间辊弯辊和中间辊横移的调节功效呈高次曲线分布,工作辊弯辊调控曲线也有微小变化。以板形实测值和有限元计算值为样本库,建立BP神经网络训练模型。1.2.3板形调节功效系数计算板形闭环反馈控制模型用于板形调控执行机构最优调节量的计算,从而消除板形实测值与目标值间的偏差,其目标函数为U=∑i=1n[dev(i)−∑j=1mFjeff(i,j)]2U=∑i=1n[dev(i)-∑j=1mFjeff(i,j)]2(1)式中:dev(i)为第i个测量区段上的板形偏差;i为辊缝宽度方向上离散化的单元编号,i=1～n;j为板形调控机构的个数,j=1～m;Fj为第j个板形调控机构所需的调节量;eff(i,j)为第j个板形调控机构对第i段上的板形调节功效。根据板形偏差,利用有限元法计算得到的板形调节功效系数可以快速计算出工作辊弯辊力、中间辊弯辊力、中间辊横移等板形调节参数。板形闭环控制系统结构如图5所示。2端部壁厚超标切除热轧无缝钢管张力减径过程中,常常由于头尾两端出现非稳态轧制而引起端部壁厚超标被切除。为了减少头尾切损,需对张力减径机相关机架的电机转速进行调整。2.1保持今后文理论在后续起重机后,既图6为稳态轧辊转速曲线。如图6所示,管坯头端被咬入时,保持第1架机架轧辊转速基本不变,适量提高其他相邻机架轧辊的转速,以增大管坯头端的张力,随着管坯进入后续机架,轧辊速度曲线逐渐由陡变平,轧辊转速差逐渐变小,最后轧辊速度曲线接近稳态设定曲线。在抛钢阶段,必须保持最后一架机架轧辊转速基本不变,并不断降低前一机架轧辊出口转速,从而增大轧辊转速差,使管坯尾端张力变大。随着抛钢的继续进行,轧辊转速越来越低,速度曲线越来越陡,直至管坯尾端离开最后一架机架。2.2动态转速变化实施管端增厚CEC控制必须精确计算钢管头端和尾端到达各机架的时间,以确定钢管端部在轧制线上的准确位置,并根据检测信号对工艺参数进行适时修正;此外,还需准确掌握各机架动态转速分布,计算出各机架咬钢、抛钢时电机转速的变化值,制定CEC速降因子表。各机架轧辊转速分为稳态转速和动态转速两部分,即nq=nqs+Δnqi(2)nq=nsq+Δniq(2)式中:nq为第q机架轧辊转速;nqssq为第q机架稳态轧制转速;Δnqiiq为第q机架的第i级转速下降率;i为下降级数;q为参加速降的机架号。2.3非线性方程的非线性数值模拟2.3.1速度制度的模型模拟分析根据尾端转速下降率可得到尾端增厚控制的各机架轧辊转速,表1所示为尾端各调控机架轧辊转速。按照表1中的轧辊速度制度进行有限元模拟分析,动态调节各机架转速,模拟结束后,对管尾每隔一定位置进行壁厚测量,对尾端CEC控制前后的纵向壁厚进行比较,结果如图7所示。从图7中可以看出,按照产品壁厚公差要求(±8%),对管尾进行CEC控制轧制后,需要切除200mm左右,与实测值相比,管尾增厚段长度减少约280mm。2.3.2u3000出/转速保持稳态根据头端转速下降率可得到头端增厚控制的各机架的轧辊转速,表2所示为头端各调控机架轧辊转速(其他未控机架的轧辊转速保持稳态)。调速过程完成后,各受控机架轧辊恢复稳态轧制转速。按照表2中的轧辊速度制度进行有限元模拟分析,对管头不同位置进行壁厚测量,结果如图8所示。从图8中可以看出,按照产品壁厚公差要求(±8%),与无CEC控制相比,管头增厚段长度减少约300mm,证明CEC控制对于减少管端切损有效。3模拟的杆结构3.1孔型配置图图2图9为ϕ22mm圆钢、ϕ14mm×3(三线切分)、ϕ20mm×2(两线切分)典型品种的孔型配置图(孔型图右下方的数字为孔型号)。图10为CARD系统的孔型参数设计界面。3.2节省螺钉的切割和制造过程是真实的3.2.1场取样试验验证对ϕ20mm×2螺纹钢切分轧制过程进行有限元建模与仿真,获得切分孔型内轧件断面形状,与现场取样试件进行对比,结果表明轧件形变仿真精度良好。模拟过程发现,当轧件在预切分孔型的两个槽内充满程度不一时,轧件横断面内金属流动差别较大,其结果必将导致两个孔槽内轧件轴向延伸量不同而使轧件向延伸量较小的一侧弯曲,从而引起轧件偏斜,以致进入导位装置时发生撞击、堆积等事故。3.2.2mm3螺纹钢的有限元模型ϕ14mm×3螺纹钢轧制线由粗轧、中轧和精轧段组成,其中,粗轧段与圆钢轧制孔型相同,中轧段为四机架连轧,精轧段由平辊、箱孔、预切分孔、切分孔型、成品前孔型和成品孔型构成。对ϕ14mm×3螺纹钢切分轧制过程进行有限元建模与数值模拟仿真,获得了切分孔型内轧件断面形状,图11和图12分别为预切分孔型和切分孔型轧件断面形状。对比图11和图12发现,轧件两侧的“缺肉”情况基本一致,说明有限元模拟结果非常可靠。3.3预测模型建立高温奥氏体在塑性变形作用下将发生以动态再结晶等过程为主的软化行为,而在道次间隔处又将可能出现动态回复、亚动态再结晶、静态再结晶等过程,因而构成了棒材轧制过程复杂的微观组织演变行为。CARD系统中嵌入了高温奥氏体晶粒微观组织演变数学模型有限元程序,实现了动态再结晶尺寸、动态再结晶比率、平均晶粒尺寸等预报功能。本文利用CARD系统建立了ϕ22圆钢连轧过程中晶粒度尺寸的预测模型。原始方坯尺寸为165mm×165mm×2000mm,材质为15号钢,坯料温度为1050℃。图13为粗轧段机架轧件出口断面平均晶粒尺寸分布。从图13中可以看出,轧件断面均呈现表面晶粒尺寸较细、芯部晶粒尺寸较粗的特点。这主要是因为,轧件表面在轧制过