（材料加工工程专业论文）中厚板矫直模拟与残余应力研究.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 近年来，我国钢铁工业发展迅速，中厚板作为重要的钢材产品，应用范围不断扩大， 用户对中厚板的质量要求也在不断提高。中厚板重要的质量指标之一是板型问题，因此中 厚板轧后一般都要进行强力矫直以提高板型质量。由于中厚板钢种的复杂性以及t m c p 技术的广泛使用，对中厚板矫直设定模型提出了更高的要求，强力矫直机在线矫直规程应 能适应不同强度级别的钢种以及各种不良的原始曲率以保证矫后板型平直，残余应力最 小。 本文以武钢中厚板生产线九辊强力矫直机为研究对象，研究了矫直过程力能参数数学 模型，对矫直过程的影响因素特别是轧板残余应力的变化规律进行了深入分析，根据矫直 工艺制度的要求，编制了矫直工艺参数计算软件。 通过热模拟实验，应用o r i g i l l 软件进行非线性回归，建立了如下q 3 4 5 钢变形抗力数 学模型。模型计算值和实测值吻会较好，误差百分数范围在0 0 1 6 7 1 ，可见模型精 度较高。 q _ 1 8 筋6 6 2 e x p ( 2 加8 2 3 丁+ 1 6 4 1 7 ) 嚆) 4 5 5 9 1 卜o 3 9 1 黔 4 4 6 6 4 4 8 嚆) n 嬲一( 4 4 6 6 4 4 8 1 ) 孟】 在合理假设的基础上，应用a b a q u s 软件建立了中厚板矫直过程有限元模型，研究了 钢板矫直过程中参数的变化规律，包括应力场、应变场、温度场、矫直力变化、平直度、 残余应力等，探索压下量、矫直速度、变形温度对残余应力大小和分布的影响。得到轧件 残余应力平均值模型为： 盯2 - 2 3 14 4 9 + 1 0 25 6 万1 + 4 10 5 6 2 万2 + 0 0 2 395 丁 + 9 7 6 071 占 本文通过分析研究并从现场实际操作出发，采用m a t l a b 应用软件，编制了中厚板九 辊强力矫直工艺参数计算软件，为实现中厚板矫直规程优化创造了条件。 关键词：中厚板，辊式矫直机，压下量，有限元，残余应力 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n t y e a r s ，c l l i n c s es t e e lm d u s | 时i sd e v e l 叩i i l gr 印i d l y a s 1 ei m p o r t a n ts t e e l p r o d u c t s ，m ep l a t ea p p l i c a t i o nr a i l g ei se x p a n d i n ga n dt l l eq 诚时r e q u h m e n ti s a 王s or i s i n g t h es h 印eo f p l a t ei sa i li m p o r t a n tq 瑚l 时i i l d i c a t o r ，s oap o w e r f ms 缸a i g h t e i l i n gi sn e e dm e rt 1 1 e p l a t er o l l i n gt oi i n p r o v e 此删蛔o fs h a p eo f p l a t e b e c a u s eo f m ec o m p l e x 时o f m e 帅eo f s t e e la i l dm e 谢d eu s eo ft m c p t e c l l o l o g y ，t l l ed e m a i 【do nt 1 1 ep l a t es 仃矾如i l i n gs e tm o d e l i s 1 1 i g h e r p o 删s 仃a i g h t e n i n gm a c l l i n eo i l l i n es 仃a i g h t e l l i n gp r o c e d u r e ss h o u l db ea b l et oa d a p t t om ed i 船r e n tl e v e lo fi n t e i l s 竹o fs t e e la n da l lk i l l d so fb a d o r i g i n a l c u r v a t u r e t oe l l s u r em es h 印eo fp l a t es 仃a j g h t 趾1 d 1 er e s i d u a ls 协e s sm 证m l u mm e rt l l es 砌g h t e m n g t l l i sp a p e r sr e s e a r c ho b j e c ti si l i n e r o l l e r p o 、c r 如ls 仃a i g h t e m n gm a c h i n e i i l p l a t e p r o d u c t i o n l i i l eo fm s c o t h ef o r c e 趾de n e 啊p 删n e t e r sm a t h e m a t i c a lm o d e lo f m e s 仕a i g h t e m n gp r o c e s sh a sb e e nr e s e a r c h e d t h es t r a i g h t e n i n gp r o c e s so fi n n u e n c i l l gf a c t o r s ， e s p e c i a l l ym ev 撕a t i o no f 也er e s i d u a l s 仃e s so ft h er 0 1 l e d p l a t e h a sb e e n a i l a l y z e d a c c o r d i l l gt on l er e q u i r e m e m so f 也es 乜面g h t e i 】_ i n gp r o c e s ss y s t e m ，t h es 乜a i g h t e i l i n gp r o c e s s p a r a m e t e rc a l c u l a t i o nh a sb e e nd e v e l o p e d b a s e do nm eh o tt e n s i l et e s td a t at h em a mm o d e lf o rd e f o m a t i o nr e s i s t a i l c eo fs t e e lq 3 4 5 i se s t a b l i s h e db yu s i i l go r i g i l ls o 胁a r ew i mm u l t i v a r i a t en o m i n e a rr e g r e s s i o n 7 1 1 l em o d e l c a l c u l a t e dv a l u et a l l i e sw i 血t ：h em e a s l 玳dv a l u ew e l l ，a i l dm er e l a t i v ee r r o ro fc a l c u l a t e dr e s u l t s a r eo 0 1 6 1 7 ，s on l em o d e lh a sb j 曲a c c u r a c y _ 1 8 3 5 6 6 2 e x p ( 2 2 0 8 2 3 n 1 6 4 1 7 ) 嚆) 4 5 5 9 1 m 3 9 1 8 5 m 6 6 4 4 8 0 n 嬲一( 牝6 6 4 4 8 _ 1 ) 寺 b a s e do nr e a s o n a b l ea u s s m n p t i o n s ，af i i l i t ee l e m e n tm o d e lo f p l a t es 俩g h t e n j n gp r o c e s sh a s b e e nb u i h 、 ，i t h 舭h e l po fs o 觚忸r ea b a q u s t h ev a r i a t i o no f t l l ep a r a m e t e ri n c l u d i n gs t r e s s f i e l d ，s 仃a i nf i e l d ，t e 加【p e r a t u 】旧f i e l d ，s 仃a i g h t e 芏l i n gf o r c ec h a r 培e ，s 仃a i g h 恤e s sa n dr e s i d u a ls 仃e s s h a u sb e e ns t i l d i e d t 1 1 ei n n u e n c eo f r e d u c t i o n ，s 删g h t e m n gv e l o c 时 a n dd e f o n n a t i o nt e m p e r a _ t u r eo n 也es i z ea n dd i s t r i b u t i o no fr e s i d u a ls t r e s sh a sb e e ne ) 【p l o r e d t h em a ：c hm o d e lo fa v e r a g er e s i d u 砒s 仃e s so fq 3 4 5s t e e lh a sb e e i le s 切l b h s h e d 1 km a m _ m o d e l o fa v e r a g er e s i d 砌s 仃e s so fq 3 4 5s t e e li s ： 盯2 - 23 1449 + 1 o256 万l + 4 10562 万2 + 0 02395 丁+ 9 76 07ls t l l r o u 曲a r 】m y s i sa n dr e s e a r c h ，a n dc o n s i d e r i n g 也ea c t u a lo p e r a t i n g ，t 1 1 ep l a t ei l i n e - r o i l e r p o 、) l ，e r m ls 删g h t e n i n gp r o c e s sp a r i n n e t e r sc a l c u la _ t i o ns o 盆、 ，a r eh a sb e e nd e v e l o p e db yu s i i l g m a t l a bs o 金m w e t l l i ss o r w a r ec a nc r e a t et l l ec o l l d i t i o n sf - 0 rt 1 1 er e a l i z a t i o n o f 也ep l a t es 佩g h t e i l i n gp r o c e d u r e so p t h i z a t i o n k e yw o r d s ：p l a t e ，r 0 l ls t r a i 出e 血gm a c l l i n e ，r 0 l l i n gr e d u c t i o n ，f i 血ee l e m e n t ，r e s i d l l a l s 仃e s s 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 第一章文献综述 1 1 研究背景、课题来源及研究内容 1 1 1 研究背景 中厚板在轧制过程中，由于板温不均匀性、压下横向不均匀性和轧后的强制冷却等原 因，均会造成轧制钢板常有的瓢益和起浪缺陷。因此，中厚板轧制后一般都要经过矫直机 矫平这些瓢曲和波浪缺陷以满足产品标准规定和用户的要求【1 1 。衡量矫直板形的重要标准 是轧件平直度，平直度越高，表明矫直效果越好。 矫直技术近些年取得了巨大的进展，相应的矫直理论也得到一些完善。为了适应不断 开发的新钢种的要求，矫直理论、矫直工艺还需要进一步的优化。其中，矫直理论中最为 关键的就是矫直机矫直力数学模型，用以确定矫直辊的压下量，并计算相应的矫直力和矫 直力矩。根据广泛查阅现有资料【2 3 】，钢铁材料多以常温下( 2 0 ) 或高温( 8 0 0 ) 的 应力应变关系作为计算基础，但以此进行热矫过程的变形抗力、弹性模量参数设定则存在 较大误差。为准确计算矫直机的压下量、矫直过程中矫直力的大小，特别是温度范围4 0 0 7 0 0 的中高温矫直数学模型的研究，必须通过实验确定材料在这一温度区间内的应力 应变关系，以达到精确计算矫直参数的目的。为此，本文研究了辊式热矫直机矫直数学模 型。同时，钢板在矫直中发生弹塑性变形，内部应力和应变状态复杂且难于精确计算分析。 本文运用a b a q u s 软件进行了有限元的模拟，分析钢板矫直过程中的位移变化、应力应变场， 温度场，矫直力变化，矫后平直度，矫后残余应力等参数的变化规律并进行了合理分析。 伴随着中厚板规格多样化、材料屈服强度提高、轧件矫直温度下降等众多因素影响， 要求矫直设备在刚度、自动化程度方面更进一步提高 3 】。材质为q 3 4 5 厚度为6 皿n 宽度为 3 0 0 0 l 姗的钢板在同板厚、同原始曲率下，矫直5 0 0 板材的矫直力比矫直6 0 0 的板材增 加3 0 左右。因此，确定在不同矫直温度下钢材的应力应变关系，进而确定材料在矫直中 的弹复能力，对于精确计算矫直参数具有重要意义【4 】。 矫直参数计算中包含压下量即辊缝的设定。矫直压下量设定作为中厚板矫直模型中的 重要部分，直接决定矫直效率和质量，所以一直是人们研究的重点【5 】。压下量设定的研究 及应用已比较成熟【6 咧，中厚板热矫直弯曲变形压下量小且载荷分布多样，压下量设定的大 小对矫直的影响直观体现为矫直力的大小，而变形区内的应力、应变大小，很难通过试验 得到，导致很难精确探究矫直过程【1 0 】。所以，近几年，国内外研究人员一般通过有限元软 件模拟热矫直过程，研究矫直规律，来设定合适的压下量并同时对矫后残余应力进行相应 的分析 1 1 1 。随着计算机应用水平的提高，仿真模拟逐渐有效的成为解决矫直研究中难题的 手段。从文献看出【1 2 14 1 ，目前国外大多采用数值模拟方法对中厚板矫直过程进行仅限于定 性分析的探究。利用先进的数值模拟有限元软件a b a u q u s e x p l i c i t 模块对矫直过程进行有限 元模拟，研究矫后残余应力等的影响规律，分析压下量、矫直速度、矫直温度对所对应的 残余应力分布与水平的影响，同时建立矫后平均残余应力模型，可以有效反映产生板形缺 陷的可能性，将为进一步优化中厚板矫直工艺提供依据。 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 1 1 2 课题来源 本课题来源于武钢中厚板分厂，结合该厂九辊强力矫直机矫直生产现状，进行矫直板 形研究和矫直参数计算软件开发，用于热矫直工艺参数的优化确定。 武钢中厚板分厂是由前苏联设计和提供成套设备，于1 9 5 8 年开始动工修建，于1 9 6 6 年 8 月建成投产，是我国主要的中厚板生产基地之一。其中主要的设备包括三座连续式加热炉， 一台九辊矫直机和一台十一辊矫直机，2 8 0 0 轧机一套，两台切边机、一台横切机和一台纵 切机，一台精整机和多个冷床等设备，在国内中厚板业占有举足轻重的地位。 武钢九辊强力矫直机由德国s i e m e n z 公司制造，其中部分设备由国内配套，设备结构 图及其重要矫直技术参数如图1 和表1 1 所示 图1 1 热矫直设备结构图 表1 1 矫直机技术参数 名称 技术参数 矫直机型式 四重九辊强力矫直机 矫直机压下方式液压压下( a g c ) 矫直钢板规格( 厚宽长) 衄 8 8 0 1 2 0 0 2 8 0 0 3 0 0 0 2 2 0 0 0 钢板屈服强度m p a 1 5 0 1 0 0 0 最大矫直力l ( n 3 1 0 0 0 矫直温度 2 0 0 8 0 0 工作辊规格唧 3 6 0 3 2 0 0 工作辊间距姗 4 2 5 3 8 0 工作辊数量 上4 ，下5 工作辊硬度 h r c5 4 5 6 支撑辊规格咖 3 6 0 7 1 6 ( 长)中3 6 0 4 5 7 ( 短) 支撑辊间距姗 3 8 0 支撑辊数量上排4 4 下排3 4 ( 短) + 2 3 ( 长) 支撑辊硬度 h r c4 6 4 8 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 工作辊和支承辊材质 合金锻钢( 表面硬化处理) 主传动电机转速r m i n 一18 0 0 1 8 0 0 接轴 通用类型花键型轴套 1 1 3 研究内容 近几年来，随着控轧控冷技术的应用，轧后板温下降，板厚需求范围增大，新建热矫 直机要求矫直能力大，残余应力小且分布均匀，普遍采用计算机模型控制，根据钢板厚度、 宽度，矫直温度设定压下量【1 5 】。 根据武钢中厚板分厂的九辊强力矫直机实际情况，在合理假设的前提下，进行矫直数 学模型的建立和矫直机参数的计算。首先，九辊强力矫直机存在的最主要的问题就是矫直 时出现过万向接轴断裂和矫直后板形不平直的问题，从而确定了分析矫直力大小和残余应 力分布导致不平的研究方向；其次，建立中高温区间矫直数学模型来计算矫直力和通过有 限元模拟矫直工艺来探究残余应力大小和分布；最后完成包含矫直力参数计算的软件设 计，来实时了解矫直力的大小情况。通过本研究设计，对矫直设定参数包括压下量、矫直 速度、温度对残余应力的影响进行了分析，找到和残余应力之间的数学关系，为提高板形 提供了依据。 本文利用g l e e b l e 一1 5 0 0 热模拟试验机试验数据，建立变形抗力的数学模型，为有限元 分析提供理论基础和数据支持，并利用a b a q u s 有限元软件建立了中厚板热矫直有限元模 型，模拟的主要研究内容如下： ( 1 ) 以传统静态梁为分析对象，计算矫直辊压下量、矫直力及矫直力矩。变形抗力数 学模型的建立是根据g k 曲l e 1 5 0 0 热模拟试验【1 6 】得到的试验数据回归出的函数。 ( 2 ) 在已经建立q 3 4 5 中厚板矫直过程变形抗力数学模型基础上，对矫直机模型进行合 理简化，利用有限元软件a b a q u s ，并确定相应的边界条件和接触，对矫直机矫直过程进 行动态仿真，得到钢板矫直力和残余应力等参数。将矫直力和矫直温度计算结果和现场实 测数据进行对比，对残余应力分布规律进行分析，探索压下量、矫直速度与残余应力水平 之间的关系，建立轧件平均残余应力模型，为优化矫直工艺提供基础。 ( 3 ) 利用m a t i a b 软件，开发计算压下量和矫直力等工艺参数的软件。 1 2 中厚板辊式矫直机介绍 1 2 1 辊式矫直机在生产中的作用 中厚板轧制中，由于轧件上下表面存在着温度差，精轧阶段负荷分配不合理，轧钢机 控制精度差，轧后控制冷却不当等原因，常出现轧件纵向纤维在厚度或宽度方向存在小的 长度差，从而纵向纤维的不相等造成轧件内部的内应力，当内应力大于了临界屈服应力， 就会导致轧件纵向弯曲或横向弯曲，造成各种形状缺陷，如图1 2 所示。为消除这些平直 缺陷，必须进行矫直。辊式矫直机应用弹塑性弯曲理论为基础，主要用来消除热轧后的弯 曲和浪形缺陷，减小残余应力以提高平直度，辊式矫直机是中厚板工艺线上必备的辅助设 各【1 7 1 9 1 。 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 乏：；一 ( 乏t ) e _ )i ( d 图1 2 板材的各种缺陷( a ) 纵向弯曲；( b ) 横向弯曲；( c ) 边缘浪形；( d ) 中间浪形 矫直机作为中厚板生产的主要设备，性能高低直接决定着产品的外观质量、残余应力 消除水平，因而中厚板生产中越来越需要先进的矫直设备【2 0 】。武钢热矫直机装备在1 号 冷床后，轧制生产线如图1 3 所示。伴随控轧控冷t m c p 工艺的应用，为满足层流冷却后 钢板的低温高强度矫直要求和进一步提高产品的平直度，需要加宽矫直机的矫直范围并同 时做到矫直后的轧件内部残余内应力尽量小，因此要求新式矫直机的性能更高。 秘戮罐簸蕊 图1 3 中厚板生产工艺流程图 1 2 2 辊式矫直机分类 钢板矫直机分为压力矫直机和辊式矫直机两种。压力矫直机结构简单，用于矫直特厚 板，辊式矫直机的矫直厚度通常小于1 0 0 r n m 。 辊式矫直机按钢板温度分为热矫直机和冷矫直机。热矫直机位于精轧机之后，轧后热 钢板经空冷、层流水冷降温后进行矫直，矫直温度通常在4 5 0 7 5 0 之间。矫直温度 过高，之后冷却可能会产生翘曲、波浪等变形；矫直温度过低，轧件材料屈服强度上升， 矫直力增大，会产生较大的残余应力。辊式矫直机通常为四重九辊矫直机或四重十一辊矫 直机，钢板经矫直辊多次交变弯曲变形，以减小原始曲率，同时满足残余应力小且均匀i 2 i j 。 辊式矫直机主要是在型钢车间和板带材车间得到广泛使用，辊式矫直机的特点是压下 量可以精确调整 2 2 。辊式矫直机主要由机架、横梁、预应力杆、入出口导辊和辊台、上 下辊系、液压缸、传动装置、万向接轴、换辊装置等部件组成。 辊式矫直机有压下量设定和动态调整功能，可通过轧制工序传递的钢板信息( 钢种、 温度、厚度和宽度) ，对压下量进行设定，在钢板进行矫直的过程中，也可对压下量进行 动态修正。压下量常用调整方式主要有：平行、纵向倾动、横向倾动调整上辊系的位置或 进行弯辊调整【2 3 j 。 1 3 中厚板矫直的发展概况 1 3 1 国外中厚板矫直机的发展 国外矫直机己开发到了第三代，见表1 2 f 2 4 】。为适应t m c p 工艺，高水平的中厚板 矫直机制造厂家如日本的三菱重工、奥钢联、德马克、西马克等陆续转向生产第三代矫直 机【2 5 】。宝钢5m 宽厚板辊式矫直机，就是西马克生产的第三代矫直机，结构更合理先进， 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 国外第3 代矫直机采用上辊系倾斜消除单边浪；采用矫直辊预弯，来消除中间瓢曲或 边浪；矫直辊倾动调整压下量；采用计算机模型控制提高矫后轧件品质。最近1 0 年，德国 和日本生产了变辊数和辊距的矫直机，可以加大矫直的板厚范围。 国外新建矫直机调整方式现多采用模型自动控制方式，如s u n d g 公司的高精度矫 直机，d e m a g 、s m s 公司的h p l 矫直机，使矫直过程走向精确定量，从经验控制走向自 动控制，很大的减少了成品质量波动。 1 3 2 国内中厚板矫直机的发展 国内研究矫直技术开展于7 0 年代，主要研究单位有太原、西安一些研究所和企业以 及部分高校。其中，崔甫详尽的探索和研究了矫直理论，编著了诸多矫直理论与参数计算 有关的书籍【2 6 】。 起初，国产中厚板热矫直机在制造研究中，受矫直理论和当时技术水平还不高的限制， 有设计黝过大；矫直机自动化控制水平低等问题，无法有效发挥矫直机实际矫直能力。 生产出的老式矫直机在矫直过程中，机身弹跳导致钢板无法满足所要求的矫平效果，甚至 会发生传动系统损坏或立柱拉断等 2 7 j 。 我国中厚板厂热矫直机大多为四重式恒辊距矫直机，这种恒辊距且无法完成弯辊功能 的矫直机缺点是：辊距不能发生变化，传动装置和矫直辊系强度薄弱，矫直厚度和强度相 对受限【2 羽。 随着对矫直过程工艺的研究，国内中厚板生产厂家对多台矫直机进行了改造，这些矫 直机的特点是：可快速换辊；运用变辊数、变辊距的技术，加大矫直厚度范围，矫直能力 加大；先进的自动化控制，准确调整所需压下量值，矫直质量提高例。 如今，国内中厚板矫直设备厂积极引进矫直技术，其设备制造的水平正在不断提高。 国内沈阳重型机械集团和太原重型机械集团有限公司研发出自己的第三代中厚板矫直机， 还进一步研究了自动化模型设定系统【3 0 】。与此同时，入、出口矫直辊压下量矫直模型的 研究，也进一步推动着新一代矫直机的国产化【3 1 1 。 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 1 3 3 中厚板矫直机的发展方向 为提高生产效率，改良轧件矫直质量，中厚板矫直机还需要进一步的研究和发展。总 体上，希望矫后轧件无板形缺陷而且残余应力均匀分布且最小化，以此目标，具体中厚板 矫直设备的研究方向如下： ( 1 ) 矫直机装备弯辊装置，消除矫直辊的挠度。矫直过程中，弯曲的矫直辊沿钢板宽度 方向施加不同大小的压弯量，钢板纵向纤维承受应力不同，短纤维受拉，长纤维受压，使 轧件延伸一致，矫直质量变好【3 2 】。弯辊作用示意图如图1 4 所示。 矫勤，有弯辊 汀叮阿汀酽上矫直辊 e 丽扳 图1 4 弯辊作用示意图 ( 2 ) 矫直机辊系运用变辊数变辊距技术，即同一套辊系调整其中的部分工作辊不参与矫 直过程，来实现辊数及辊距的变化，提高钢板的矫直厚度范围。 ( 3 ) 上排矫直辊或下排矫直辊可整体倾动，矫直机进、出口辊能单独调整；上矫直辊组 有液压过载安全装置，防止断辊和断接轴的情况【蚓；矫直辊入口处安装弯头压直机，来消 除头部钢板翘曲 3 4 】；上部框架或矫直辊内部设置冷却系统，减轻温度产生的应力影响，可 以矫直更长的轧件【3 引。 ( 4 ) 液压辊缝自动调节系统随时对矫直过程进行压下量的调节，实现矫直过程的自动 化。 1 3 4 中厚板矫直技术的研究概况 在矫直理论数值模拟方面一般有四个方向：接触解析理论；弹塑性梁理论；实 验；f e m 有限元模拟。利用接触解析理论，可分析辊缝的设置对钢板矫后残余曲率的影 响；弹塑性梁理论，可得到简化的压弯和力学模型；通过实验的方法，可得到近似实际生 产的模型；有限元模拟的方向，可以很好的模拟实际加工过程。 矫直过程主要是利用材料弹塑性变形的特性，即在较大的矫直弯曲后，无论轧件的原 始曲率如何，在矫直机中经过多次反向弯曲，曲率各处慢慢均一，原始曲率逐渐减小，从 而达到矫平的目的。 早期，矫直理论研究大多以弹塑性力学为基础，寻找矫直结果和工艺参数、材料属性 之间的数学解析式，分析中迸行大量简化假设，影响了结果的精度。 目前，对矫直过程的研究从对静止或单段研究转向连续的整个矫直变形过程的研究， 从纯力学计算向利用数值解析方法的方向发展。随着计算机技术的快速发展，人们开始利 用有限元模拟的方法，获得更精确的分析结果。伴随着有限元法的发展，利用各种有限元 软件模拟中厚板矫直过程得到重视，日本伊丹等人运用有限元方法对中厚板矫直变形进行 了研究，计算值与实测值吻合很好。运用计算机模拟代替现场矫直生产，不仅可减少费用， 辊下 r秘品静i t l 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 还可缩短确定最佳矫直工艺的时间，提高经济效益【3 6 】。j m i s c h l 【e 和j j o n c a 【3 7 】利用基于有 限元的计算机数值模拟技术研究了矫直变形过程。有限元模型可以很好的模拟矫直过程中 复杂的变形、轧件曲率变化、残余应力大小与分布等【3 8 】。 同时，伴随工业控制水平的提高，矫直过程的研究方向是开发研制出高精度、自动化 的低能耗矫直机，研究主要集中在计算机控制水平和矫直精度提升，对参数优化、变形机 理理论研究也在深入。同时注重开发中厚板矫直仿真软件，以矫直变形过程的力学行为为 基础，研究矫直过程中的材料模型、矫直力学模型，选用适合的曲率积分模型，完成对矫 直工艺参数的准确计算，提高自动化水平。 1 4 矫后残余应力 在塑性成型中，因为变形或者温度的原因，会在轧件内部出现附加应力，外力消失后， 轧件内部便存在残余应力。残余应力可能是多方面引起的，如：塑性变形不均匀心部 和表层热胀冷缩情况不同，热应力的作用；温度引起的组织转变不同时。残余应力整个 体积内总和为零，有拉应力和压应力，但最大值不同_ o 各个方向残余应力是导致矫后各种 板形缺陷最主要因素。矫直后，各方向应力起的作用不同，比如横向方向残余应力大的话， 在之后的纵切过程中会导致侧弯变形。 中厚板经热矫直机矫直，轧制阶段生成的初始残余应力会得到一定的消除，但矫直中 应力分布和大小出现新变化，矫后轧件内部又会产生新的残余应力。若轧制、层流冷却等 矫直前工序产生的残余应力不能有效去除，再外加矫直产生的新的残余应力的共同作用， 潜在的轧件缺陷就生成为表面缺陷如轧件上翘或起浪。钢板存在较高残余应力，加工使用 时会产生变形。设定更合理的矫直压下量和矫直速度等参数，可有效减小矫后轧件残余应 力，从而提高板形质量。 近年来，研究人员纷纷开始利用a n s y s l s d 呵a 和a b a q u s 等有限元软件分析矫直变形 过程，研究矫直轧件弹塑性弯曲变形中的应力应变场、温度场、矫直力，揭示轧件矫直过 程的变形规律。东北大学的周存龙博士通过有限元模拟软件来模拟板材的矫直变形，分析 中厚板轧件矫后纵向残余应力和横向残余应力分布情况，分析应力分布可能产生的矫后缺 陷，从而研究调整方案，使残余应力小且分布均匀，继而改善板形，其结果对研究中厚板 矫直过程，调整矫直辊压下量、完善矫直有关模型，提高矫直精度有着实际意义【3 9 】。 m o r r i s 和h 鲫d y 等利用有限元软件a b a q u s 进行矫直分析，模型考虑了材料包辛格效应对 于残余应力大小和分布的影响，并得出运动强化模型更接近实际结果【4 0 】。h o o n 眦1 等利用 有限元分析软件a b a u q u s ，采用弹塑性有限元法对矫直过程进行了模拟，并分析了矫直中应 力、应变的变化和矫后残余应力的大小，研究表明了压下量对应力、应变和残余应力的大 小以及分布有影响i 4 l j 。 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 第二章q 3 4 5 矫直过程变形抗力模型及在矫直力计算中的应用 中厚板轧制中，由于轧件上下表面存在着温度差，精轧阶段负荷分配不合理，轧钢机 控制精度差，轧后控制冷却不当等原因，都可能造成钢板轧后的板形缺陷，这种情况特别 是进行t m c p 工艺的钢种尤为突出，为了保证钢板的平直度符合产品规定，对热轧后的 钢板必须进行矫直。中厚板矫直过程的变形抗力与轧制过程有较大差别，矫直温度一般在 4 0 0 7 0 0 的变化范围，变形抗力是计算矫直力的重要因素，因而必然影响到矫直工艺的 精确设定【4 2 1 。本章根据中厚板矫直工艺所规定的参数范围内q 3 4 5 在中高温状态下的拉伸 热模拟试验，建立了变形抗力数学模型并根据所建立的模型进行了矫直力的计算与应用研 究。 2 1 实验过程 实验材料取自中厚板轧制并经层流冷却后的钢板，试样化学成分如表2 1 所示，q 3 4 5 试样加工成1 0 m m 3 0 m m 的拉伸试样，然后在g 1 e e b l e 1 5 0 0 热模拟试验机进行拉伸试 验。考虑到矫直温度和变形范围，以1 0 s 的加热速度将试样加热到变形温度，保温5 分钟后开始变形。变形温度范围为4 5 0 6 5 0 ，每5 0 为一个间隔，应变速率范围分 别为0 0 0 1 、0 0 3 、0 1 s 1 ，真应变为o 1 5 。 表2 1q 3 4 5 钢的化学成分 cs i m npsc ua la l sn ic r i im ovn bc ab 0 1 5 l0 3 3 41 3 4 90 0 2 1o 0 2 40 0 3 9o 0 20 0 1 80 0 1 2 0 0 2 40 0 0 7o 0 0 3o 0 0 50 0 0 40 0 0 0 20 0 0 0 1 2 2 实验结果与分析 2 2 1 变形温度与变形速率对变形抗力的影响 由图2 1 可见，在变形量一定，不同变形速率的情况下，呈现温度升高，变形抗力减 小，这是由于温度的升高，降低了金属原子间的结合力，并且发生回复，可减轻由于塑性 变形产生的加工硬化，从而变形阻力下降。虽然在该低温区，变形速率较小，但随着变形 速率的增加，变形抗力仍增大，如图2 - 2 所示。因为变形速率的增加缩短了变形的时间， 塑性变形中位错运动的发生与发展的时间不充足，使变形抗力提高。另外，应变速率增加， 缩短了软化过程的时间，使其来不及充分进行，因而加剧加工硬化，使变形抗力增加【4 3 】。 由图2 1 还可看出，当温度由6 5 0 下降到5 5 0 时，变形抗力呈线性增加较快，但 当下降到5 5 0 4 5 0 的低温区后，变形抗力值变化不大。出现这种情况是由于变形温度 处于蓝脆区，碳氮原子的扩散速度接近变形作用下位错的运动速度，碳氮原子更有利在位 错周围动态偏聚，形成柯氏气团，对位错产生较强的粘附、钉扎和束缚作用，从而造成位 错阻力明显增加l 4 4 j 。 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 旧 童 r 螺 陕 制 图2 1 温度对变形抗力的影响，变形量一( a ) o 0 6 ；( b ) 0 0 8 日 臭 r 蟮 蛰 制 图2 2 变形速率对q 3 4 5 b 钢变形抗力的影响：( a ) 5 5 0 ；( b ) 6 5 0 2 2 2 变形程度对变形抗力的影响 随变形程度的加大，q 3 4 5 钢的变形抗力逐渐增大，如图2 3 所示。变形程度较小时， 变形抗力增加得比较显著，当变形程度较高时，随着变形程度的加大，变形抗力的增大速 率减小。这是因为随着塑性变形的增加，位错密度增大，位错交割加剧，产生位错缠结、 固定割阶等阻碍，位错运动阻力增加，从而变形抗力增加。 同时在塑性变形中，金属材料内产生大量的位错和空位，引发点阵畸变，会阻碍滑移 的进行。点阵畸变越严重，塑性变形越难进行，呈现变形抗力越大。随着变形程度的增大， 滑移带将产生严重的弯曲。在滑移带中，晶体将碎化为微晶块，同时产生裂纹，这就进一 步使金属的变形阻力增大塑性降低。 第1 0 页武汉科才支大学硕士学位论文 图2 3 变形程度与q 3 4 5 钢变形抗力的关系：变形速率s 1 ( a ) 0 1 ；( b ) 0 0 3 ；( c ) 0 0 0 1 2 3q 3 4 5 钢变形抗力数学模型 金属的弹塑性变形抗力主要影响因素是变形温度t 、变形速率占、变形程度e ，据此 选取q 3 4 5 钢变形抗力数学模型结构如式( 2 1 ) 。 吒= c r oe x p ( q 丁+ 呸) ( 孟) 沁n “ 口s ( 孟) 沁) 一( 一1 ) 志 ( 2 1 ) 式中：r2 静，k ；t - 变形温度；。o 基准变形抗力，即仁1 0 0 0 、= o 4 和毒= 1 0 s 1 时的变形抗力a ；占变形速率s ；占变形程度( 对数应变) ；a 1 a 6 - 回归系数，其值 取决于钢种。 根据热模拟试验所确定的自变量观测值和公式( 2 。1 ) ，用o r i g i i l 软件，进行非线性回 归拟合，回归系数如表2 2 所示。 表2 2 低碳钢q 3 4 5 变形抗力数学模型的回归系数 由此得到变形抗力数学模型为： 吒_ 1 8 3 蹴吲2 凇3 州蒯吒) ( 0 彻一1 8 封畔删吒) 0 粥5 4 卅觯8 - 1 ) a ( 2 2 ) 该变形抗力数学模型相关系数为o 9 6 3 5 ，拟合程度较好，误差小于5 。用模型计算 结果与试验结果进行比较检验，可以看出模型计算与试验数据吻合得较好，如图2 4 。 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 变形程度 图2 4 试验值与变形抗力模型计算值的比较( a ) 5 5 0 ，0 0 0 1 s ；( b ) 6 0 0 ，o 1 s ： 2 4 轧件矫直变形速率的计算 取武钢现场矫直数据，厚3 0 i 衄，入口出口辊缝2 9 3 1 l m ，矫直温度5 4 3 ，轧制总 时间为2 0 s ，板长9 2 m 。假设原始曲率半径为1 0 m ，算得各辊处轧件的变形速率如表2 3 所示。可看出，变形速率是在实验的0 0 0 1 0 0 3 范围内，证明变形抗力模型的变形速率 范围是合适的，模型是有实际意义的。 表2 3 各辊处轧件的变形速率 2 5 中厚板中高温矫直数学模型的研究 2 5 1 反弯曲率与压下量的关系 如图2 5 所示，矫直机入呈三角形布置，矫直辊根据所需的表面层反弯曲率1 pw ， 可得压下量s ，与反弯曲率的关系： 鼠= 2 p 。+ 厅一厄i 而 其中h 板厚。 图2 5 压下量与反弯曲率半径的关系图 ( 2 3 ) 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 榭m 卺壶 2 汜4 ) 式中：o 。- 变形抗力m p a ；e 弹性模量忡a ；s 矩形断面的塑性断面系数，52 丁；i 对矩形断面的轧制惯性矩，。2 币一；h - 钢板厚度n h n ；b 一板宽n l i n ；r o 原始曲率半径m m ； 三：土一土( 2 5 ) 一一一 、j u 铲魄：吉：善 ，0p w几 ( 2 6 ) m = 竿等) 汜7 ， 昱= 导( 2 m ：+ 鸠) b = 导似：+ 2 m 。+ m 。) 只= 3 + 2 m 4 + m 5 ) 手h + 2 m ，+ m + 。) ( 2 8 ) 钢板在矫直过程中矫直辊的受力如图2 6 所示，矫直力是根据各矫直辊压力p i 之和求 得的，作用在上、下排辊子上的矫直力总和为： 24 ( 2 9 ) 图2 6 作用在矫直辊上的压力 通过q 3 4 5 中高温变形抗力回归模型所求得的矫直力值和生产线实测值进行比较检 验，得出模型计算值和实测值吻合较好，误差百分数范围在0 0 1 6 7 1 ( 表2 4 ) ，因此 计算过程中应用的变形抗力模型( 式2 2 ) 精度较高，适用于实际矫直工艺力能参数计算。 表2 4 矫直力计算值与实测值对比 温度前辊缝后辊缝 板厚 通过变形抗力模型实测矫直力误差 ( ) ( 咖)( 衄) ( 舳) 计算的矫直力( i ( n )( k n ) 5 5 4 72 12 22 2 3 6 0 0 4 4 3 5 3 3 61 8 9 1 5 5 5 0 3 5 5 l 5 6 4 8 5 5 0 5 1 9 2 5 0 0 7 5 1 8 4 5 1 7 5 3 4 8 5 2 2 9 5 1 4 6 1 1 6 0 8 6 2 9 1 6 2 7 6 1 9 7 2 1 2 1 2 1 2 l 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 3 9 4 3 9 4 3 9 4 3 9 3 3 9 3 6 2 4 1 9 3 6 2 0 3 5 3 4 9 0 6 8 3 6 2 5 7 4 5 2 8 6 8 5 2 7 3 2 5 2 8 7 1 5 2 8 6 9 5 2 6 3 9 5 2 8 5 2 5 2 8 6 3 5 5 2 2 5 5 5 2 4 8 5 5 4 7 4 6 3 9 9 3 8 4 6 6 6 3 4 4 1 6 3 4 3 2 3 2 7 1 2 3 4 0 0 5 1 9 2 5 1 9 2 5 1 9 6 8 5 2 0 8 5 1 6 0 5 3 5 2 5 3 9 2 5 3 7 6 5 4 9 6 5 2 4 8 6 4 0 0 8 3 4 4 5 3 0 5 5 4 8 8 6 7 1 6 6 4 1 8 2 6 1 5 6 4 1 7 3 8 1 5 1 5 2 0 1 4 1 2 4 8 1 9 6 2 7 2 5 0 0 5 2 5 7 0 5 0 0 1 1 1 1 4 6 m 州： o o f = p q 。 = p 毖 毖 毖 毖 孔 孔 孔 孔 孔 丛 丝 如 如 如 毖 毖 毖 毖 孔 孔 孔 丛 纵 丛 以 如 如 如 如 们 第1 4 页 2 5 5 矫直功率计算 武汉科技大学硕士学位论文 = 尥o c 肿升茜 旺 式中：n 辊式矫直机的电动机功率，w ；n 机械传动效率，取0 9 ；f 辊子与轧件的滚动 摩擦系数，取o o 0 0 5 m ；v - 矫直速度，取o 5 州s ；u 辊子轴承的摩擦系数，滚动轴承u = o 0 0 4 ， 滑动轴承u = 0 0 6 ；d 辊径，取3 6 0 i i l l n ；d 辊子轴承处直径，1 9 0 h u n ；m k _ 矫直扭矩，n 。i 眦； p 作用在矫直辊的压力总和，n ； 武汉科技大学硕士学位论文第1 5 页 第三章辊式热矫直机矫直原理 3 1 辊式矫直机矫直原理 在中厚板生产中，大多数被矫直钢板的原始曲率大小和方向是随机的，是多值原始曲 率轧件的矫直问题。采用的一般矫直规则是交变弯曲变形法矫平轧件，轧件在交错排列的 矫直辊间受压，产生正反向的弹塑性弯曲变形，弹复后变平直使原始曲率逐渐减小，进而 获得所需的平直度。辊式矫直机矫直原理示意图如图3 1 所示。 钢板行进方向 图3 1 辊式矫直机矫直原理示意图 3 2 辊式矫直机压下方案 在辊式矫直机上，按照每个矫直辊使轧件产生的变形程度和最终消除残余曲率方法的 不同，可分为多种矫直方案。常用的有大变形矫直方案、小变形矫直方案和整体倾斜矫直 方案三种矫直方案【4 5 】： ( 1 ) 大变形矫直方案 存在不同原始曲率的轧件，经过矫直机前几个矫直辊几次大的反弯，使轧件原始曲率 的不均匀程度得到消除，形成单值曲率。然后按照矫直单值曲率轧件的方法，再经过几次 反弯，轧件趋于平直，可矫平一定的横向瓢曲，见图3 2 。 ( 2 ) 小变形矫直方案 图3 2 大变形矫直时轧件的矫直过程 第1 6 页武汉科技大学硕士学位论文 该方案的矫直原则是：假设矫直机上排矫直辊可单独调节每个辊的压下量，矫直辊压 下量的选择原则是：只消除轧件在前一辊上产生的最大残余曲率，即进入本辊时的最大原 始曲率，由于此方案轧件总变形曲率较小，因此矫直轧件所需能量也少，见图3 3 。 图3 3 小变形矫直时轧件的矫直过程 ( 3 ) 整体倾斜矫直方案 该矫直方案主要是调整首、尾端的压下量，使矫直