全硬彩涂薄寬鋼板熱鍍鋅工藝的有限元分析

全硬彩涂薄寬鋼板熱鍍鋅工藝的有限元分析

結(jié)合國(guó)內(nèi)外熱鉻技術(shù)自行設(shè)計(jì)和建設(shè)的中國(guó)先進(jìn)熱鉻絲制裝配廠，可以解決全硬鋼的制造問(wèn)題，如拉緊困難和板形不良，嚴(yán)重制約了該產(chǎn)品的正常生產(chǎn)。然而,全硬鋼是目前具有較大市場(chǎng)需求和較高附加值的高檔次的冷軋產(chǎn)品,因此,針對(duì)存在的問(wèn)題深入研究全硬鋼的拉矯變形過(guò)程,運(yùn)用MARC有限元仿真手段,比較研究多種不同材料,總結(jié)出全硬鋼拉矯過(guò)程中的特點(diǎn)及難點(diǎn),從而建立適合全硬鋼材料特性的拉矯工藝。1力學(xué)性能參數(shù)拉伸實(shí)驗(yàn)是評(píng)價(jià)板材基本力學(xué)性能的主要實(shí)驗(yàn)方法,這里采用100kN的CMT門式微機(jī)控制電子萬(wàn)能(拉力)試驗(yàn)機(jī)分別對(duì)退火后的普通冷軋板、DI材(多用于制罐)和全硬鋼板進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)。由此得到3種材料對(duì)應(yīng)的力學(xué)性能參數(shù),如表1和圖1所示。從拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,全硬鋼具有如下3方面的材料力學(xué)特性:屈服應(yīng)力大,屈強(qiáng)比高,達(dá)0.93;斷裂伸長(zhǎng)率小,破壞時(shí)塑性伸長(zhǎng)率只有5%。相反,DI材則屈服應(yīng)力小、屈強(qiáng)比低、斷裂伸長(zhǎng)率大,具有明顯的“軟質(zhì)易延伸”特性。因此,全硬鋼的這種力學(xué)性能必然導(dǎo)致其拉伸彎曲矯直過(guò)程中出現(xiàn)可設(shè)定的伸長(zhǎng)率范圍小、插入量以及工藝張力等工藝參數(shù)難于把握等諸多問(wèn)題,工藝參數(shù)設(shè)定不合理時(shí)甚至出現(xiàn)斷帶現(xiàn)象。這樣,深入對(duì)全硬鋼拉矯過(guò)程中特殊的變形特點(diǎn)和有針對(duì)性的工藝參數(shù)優(yōu)化的研究,最終達(dá)到改善板形的目的就顯得尤為重要。2拉矯工藝對(duì)策考慮到全硬鋼特殊的材料性能,借助有限元仿真手段,可以獲得不同材質(zhì)帶鋼關(guān)于插入深度、張應(yīng)力、伸長(zhǎng)率3者之間耦合關(guān)系在拉矯過(guò)程中的區(qū)別,從而找到適合全硬鋼的拉矯工藝對(duì)策。2.1拉矯主體模型仿真該熱鍍鋅機(jī)組的拉矯機(jī)主要由矯直單元部分(即“兩彎兩矯”)和張力輥組及其傳動(dòng)部分組成?？紤]到本文研究的重點(diǎn)在于仿真帶鋼的拉彎塑性變形,因此,張力輥及其傳動(dòng)部分以位移和張力載荷給定邊界約束,帶鋼模型全長(zhǎng)5500mm,如圖2所示。單元選用75號(hào)厚板單元,厚度方向分5層以便于對(duì)拉矯過(guò)程中上下表層以及中間層的伸長(zhǎng)率分布進(jìn)行分析。載荷增量控制選用固定時(shí)間步長(zhǎng)增量法。2.2計(jì)算噪聲根據(jù)機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)實(shí)際設(shè)定情況,有限元模型比較了各彎曲、矯直輥組不同插入量組合下3種材質(zhì)對(duì)應(yīng)的工況,如表2所示。2.3輥組插入量對(duì)拉矯過(guò)程的影響C308拉矯機(jī)中2個(gè)彎曲輥組(1號(hào)和2號(hào))和2個(gè)矯直輥組(C號(hào)和L號(hào))對(duì)應(yīng)的插入量都可以單獨(dú)設(shè)定,在仿真中固定其中3個(gè)插入量設(shè)定值,改變另一輥組插入深度,可以分別研究不同材質(zhì)對(duì)應(yīng)的4個(gè)輥組插入量對(duì)拉矯過(guò)程的影響;而固定各輥組插入量,改變拉矯入口工藝張力大小同樣可以獲得不同材質(zhì)下拉矯工藝張力與帶鋼伸長(zhǎng)率的關(guān)系。2.3.1拉矯材料各參數(shù)對(duì)伸長(zhǎng)率的影響從圖3(a)可以看出,3種材質(zhì)帶鋼的拉矯變形規(guī)律明顯不同。首先,在同樣插入量、張應(yīng)力條件下,3種材料伸長(zhǎng)率的大小是不同的,其中全硬鋼最小,DI材最大。隨著彎曲輥組插入量不斷增大,帶鋼拉矯過(guò)程中所產(chǎn)生的伸長(zhǎng)率也隨之增大(2號(hào)輥組插入量對(duì)伸長(zhǎng)率的影響規(guī)律和1號(hào)輥組近似)。但3種材質(zhì)中,全硬鋼所產(chǎn)生的伸長(zhǎng)率變化幅度最小,幾乎沒(méi)有明顯變化,而DI材所產(chǎn)生的伸長(zhǎng)率變化最顯著。2.3.2拉矯機(jī)構(gòu)中帶鋼等效抗拉剛度的影響本文定義彎曲輥組實(shí)現(xiàn)伸長(zhǎng)率與其工作張應(yīng)力水平的比值為帶鋼經(jīng)過(guò)此彎曲輥組時(shí)的等效抗拉剛度。帶鋼在拉彎矯直過(guò)程中,正是由于其等效抗拉剛度在經(jīng)過(guò)各個(gè)彎曲輥過(guò)程中不斷被降低,從而實(shí)現(xiàn)低張力狀態(tài)下矯直板形的情形。因此,帶鋼等效抗拉剛度的大小和下降斜率可以在一定程度上反映對(duì)應(yīng)拉矯參數(shù)下各種材質(zhì)帶鋼的難易拉伸狀態(tài)。如圖3(b)所示,在相同的拉矯工藝參數(shù)條件下,3種材料中全硬鋼抗拉剛度最大,DI材最小;隨著輥組插入深度的增大,帶鋼的抗拉剛度都有減小的趨勢(shì),當(dāng)插入量大于8mm時(shí),全硬鋼減小趨勢(shì)開始變得激烈(2號(hào)輥組插入量對(duì)等效抗拉剛度的影響規(guī)律和1號(hào)輥組近似)。從板形矯直的角度看,全硬鋼拉矯插入量設(shè)定值應(yīng)大于8mm,但考慮到其屈強(qiáng)比高的特點(diǎn),插入量也不宜過(guò)大,避免出現(xiàn)拉斷現(xiàn)象。從有限元仿真的結(jié)果來(lái)看,當(dāng)帶鋼插入量大于15mm后,帶鋼上下表層單元出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象就說(shuō)明了全硬鋼的這一材料特性。2.3.3各材料之間的敏感性如圖4(a)所示,3種材質(zhì)帶鋼在拉矯過(guò)程中隨著張應(yīng)力的增加所產(chǎn)生的伸長(zhǎng)率也隨之增大,而且DI材伸長(zhǎng)率對(duì)張應(yīng)力變化的敏感性最大,全硬鋼則變化最小。2.3.4等效抗拉剛度從圖4(b)3種材質(zhì)帶鋼的拉矯入口工藝張應(yīng)力與等效抗拉剛度的關(guān)系可以看出,在不同工藝張力下,全硬鋼抗拉剛度遠(yuǎn)大于其它材質(zhì)帶鋼,這也說(shuō)明了為什么全硬鋼低張力和小的插入量情況下得不到塑性延伸。2.3.5拉矯機(jī)板形矯直力作用通過(guò)上述有限元仿真分析可以看出:帶鋼材質(zhì)對(duì)拉矯過(guò)程的影響很大:①材料屈服極限越高的帶鋼其等效抗拉剛度也越大,這樣帶鋼產(chǎn)生塑性延伸需要更大的插入量和拉矯張力;②屈強(qiáng)比高和破壞時(shí)塑性伸長(zhǎng)率小,這樣在很大程度上減小了插入量和拉矯張力調(diào)控范圍,影響了拉矯機(jī)板形矯直能力的發(fā)揮。拉伸彎曲矯直過(guò)程是帶鋼在拉應(yīng)力與彎曲應(yīng)力的共同作用下,帶鋼中心層應(yīng)力超過(guò)屈服極限,進(jìn)入塑性變形狀態(tài),使帶材產(chǎn)生塑性延伸。在全硬鋼允許的塑性延伸范圍內(nèi),通過(guò)有限元仿真帶鋼厚度方向的塑性延伸情況(圖5)來(lái)看,這種材料特性對(duì)拉矯機(jī)插入量和工藝張力大小的限制只能使帶鋼厚度方向上靠近上下表面的部分產(chǎn)生塑性延伸,而帶鋼厚度方向上的中部區(qū)域只能產(chǎn)生彈性變形,使得帶鋼不能產(chǎn)生真正意義上的塑性延伸。3拉矯機(jī)裝置穩(wěn)定性的影響基于上述全硬鋼本身特殊的材料力學(xué)性能和拉矯機(jī)工作原理,在其允許的塑性延伸范圍內(nèi)應(yīng)合理地設(shè)定拉矯工藝張力和插入量,設(shè)定的工藝張力和插入量過(guò)大容易導(dǎo)致帶鋼上下表層“斷裂”,而設(shè)定值偏小又無(wú)法獲得板形改善效果。(1)據(jù)有限元仿真和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試,彎曲輥插入量在8～10mm,工藝張力70～90kN,板形矯正效果較好。(2)合理的拉矯工藝參數(shù)設(shè)定還必須結(jié)合相應(yīng)優(yōu)良的平整機(jī)板形控制性能(如采用VCR技術(shù))。采取新的工藝后,從機(jī)組出口和下游彩涂機(jī)組反饋的板形質(zhì)量信息,因板形質(zhì)量導(dǎo)致的漏涂現(xiàn)象得到有效控制,達(dá)到了研究的預(yù)期目標(biāo),使得該廠全硬彩涂鋼板的規(guī)格向更薄更寬拓展。4深度、張應(yīng)力、伸長(zhǎng)率三種通過(guò)與普通冷軋料、DI材對(duì)應(yīng)的力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)測(cè)定比較,獲得了對(duì)全硬鋼產(chǎn)品