多辊矫直工艺参数与带钢塑性延伸变化规律关系研究

朱剑涛

摘要：矫直工艺有助于在改善热轧带钢板形的同时控制其残余应力，但带钢在矫直机入口会受到开卷张力的作用，受到拉伸和弯曲的综合作用，矫直过程是一个三维弹塑性变形行为。为了使矫直机在平整线发挥更大的作用，需要明确不同工艺参数下的带钢塑性延伸变化规律。本文以某厂6辊矫直机为仿真对象，运用ABAQUS有限元软件对带钢矫直过程进行二维弹塑性仿真，得出带钢的塑性延伸变化规律和矫直工艺参数之间的关系，为优化工艺参数奠定了理论基础。

Abstract： The straightening process helps to improve the shape of the hot-rolled strip while controlling its residual stress， but the strip will be affected by the uncoiling tension at the entrance of the straightening machine， and will be affected by the combined effects of stretching and bending. The straightening process is A three-dimensional elastoplastic deformation behavior. In order to make the straightening machine play a greater role in the leveling line， it is necessary to clarify the law of plastic extension of the strip under different process parameters. In this paper， a 6-roll straightening machine from a certain factory is used as the simulation object， using ABAQUS finite element software to carry out two-dimensional elastoplastic simulation of the strip straightening process， and obtain the relationship between the strip's plastic extension change law and the straightening process parameters. Laid a theoretical foundation for optimizing process parameters.

關键词：热轧带钢;多辊矫直;塑性延伸;数值仿真

Key words： hot rolled strip steel;multi-roll straightening;plastic elongation;numerical simulation

中图分类号：TG333.23                                  文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）24-0035-03

0  引言

热轧带钢经粗轧、精轧、层冷及卷取等工艺后自然冷却为成卷带钢，此时带钢还需运送到平整分卷机组进行平整分卷，进一步改善带钢的机械性能、板形和表面质量[1]。但由于热轧带钢的矫直过程是一个复杂的三维弹塑性变形行为，且矫直过程中使用的工艺参数大多依靠于实验数据[2]和生产经验数据，使得平整后的带钢在后期加工时会出现侧弯、纵弯、错层、挫伤等缺陷，这些缺陷严重影响产品质量，给企业带来经济和声誉损失。为了尽量避免此类缺陷的发生，使多辊矫直机在平整线中的发挥更大的作用，需要明确不同工艺参数下的带钢塑性延伸变化规律。但解析法求解建立在多项重要的简化假设上，导致计算结果难以与它生产中的实测数据相吻合[3]，有限元法为解决此类问题提供了一个重要的手段。因此，为了优化某钢厂6辊矫直机的使用工艺，分析解决存在的问题，借助于ABAQUS有限元软件对带钢矫直过程进行二维弹塑性仿真，得出带钢的塑性延伸变化规律和多辊矫直工艺参数之间的关系，更合理的提出目前平整线的改造方案，为优化工艺参数奠定了理论基础。

1  带钢多辊矫直过程的有限元分析

1.1 6辊张力多辊矫直机结构

某钢厂对1580平整线进行了改造，在开卷机与平整机之间放入一6辊矫直机，由于平整工艺需要一定工艺张力，带钢的矫直实际为带张力多辊矫直，此后称1580平整线的矫直机为张力多辊矫直机。6辊张力多辊矫直机矫直辊由电机经减速器驱动，若忽略矫直辊驱动的影响，在张力多辊矫直机中带钢同时受到拉伸和弯曲的作用，因此其变形及力学机理同拉弯矫直，可用研究拉弯矫直的研究思路来研究张力多辊矫直机。

1.2 几何和计算模型的建立

1.2.1 结构的简化

矫直辊实际机械参数为直径220mm、辊距280mm、辊长1750mm，在建立有限元仿真模型时对其结构进行了必要的简化，如图1所示。忽略带钢厚度，由简单的几何计算可求得OO′约为50mm，即上辊极限压下量（插入深度）为50mm，1#、2#、3#矫直辊均可单独压下。

1.2.2 基本假设

为了提高运算效率，在满足精度的条件下，提出了如下假设：①为研究带钢的变形，设置带钢为均质、各项同性的可变形体，忽略包辛格效应，忽略加工硬化效压，不考虑矫直辊的变形，矫直辊设置为离散刚体，其运动由圆心处参考点控制。②模型为二维模型，假设带钢宽度对带钢长度及厚度方向上的计算结果无影响。③忽略带钢初始板形及内应力的影响，带钢初始为一平直板。

带钢的矫直过程是典型的材料非线性、几何非线性和边界非线性的问题，而且带钢在向前的运动中产生变形，所以采用大位移的分析方法。

1.2.3 模型的构建

本研究主要针对该厂生产的510L汽车大梁钢，其屈服强度为468MPa，抗拉强度708MPa，弹性模量207075MPa，强化模量893MPa，泊松比0.3。在此矫直辊无驱动的模型中，接触设置中摩擦系数设定为0，带钢与矫直辊之间无摩擦，无能量交换。单元类型选择线性缩减积分单元（CPS4R），为较好的观察带钢上下表面及中心层塑性延伸，带钢厚度方向划分11个单元，长度方向设定带钢长度3400mm，网格长度为4mm。

2  多辊矫直工艺模拟的结果分析

多辊矫直工艺影响因素众多，本文利用所建立的有限元模型，研究了矫直过程中各辊缝值、入口张应力、屈服强度、带钢厚度等参数对带钢塑性延伸的影响规律，并对矫直机的极限矫直能力进行了分析。

对于塑性延伸的研究主要是研究带钢上表面塑性延伸率εu、中心层塑性延伸率εm、下表面塑性延伸率εd，以上塑性延伸率分别对应网格划分从上往下第1层、第6层、第11层的沿带钢方向塑性延伸率。由于模型采用绝对坐标，ABAQUS有限元软件输出的X向塑性延伸、Y向塑性延伸、Z向塑性延伸及切向塑性延伸分别为PE11、PE22、PE33、PE12，若带钢厚度截面与Y轴有夹角，则输出的PE11并不是带钢沿长度方向塑性延伸率，因此利用材料力学中应变公式计算沿带钢长度方向塑性应变，如式（1）所示：（1）

为定量描述张力多辊矫直机对带钢的矫直能力，定义带钢上表面塑性应变减下表面塑性应变为上下表面塑性延伸差Δε，其值用百分比表示。

2.1 各辊缝值对塑性延伸影响

随着总辊缝值的增大，带钢上下表面塑性延伸差也相应增大，但增长趋势减缓，随后带钢厚度各层带钢塑性应变趋于恒值。当k值较小，上下表面塑性延伸差最快达到最大值。调节区间在-0.1%到0.8%之间，除在辊缝比k为2，总辊缝为7.5mm时上下表面塑性延伸差小于0，即带钢下表面塑性延伸率大于带钢上表面塑性延伸率，其它结果都是带钢上表面塑性延伸率大于带钢下表面塑性延伸率，这表明无法通过辊缝的分配调控上下表面塑性延伸的大小关系。在图2中用虚线标出了各曲线数值差异较大区域，也说明在总辊缝较小及较大时辊缝比k的选择对上下表面塑性延伸差大小的影响较小。

输出不同辊缝比下中心层塑性延伸如图2所示，从图中可以看出，随着总辊缝的增大，即变形的增大，带钢中心层塑性延伸率增大。要使中心层产生塑性延伸，总辊缝应大于一个数值，对于当前工况，总辊缝应大于22.5mm。对比不同辊缝比曲线可以看出不同的辊缝比k下中心层塑性延伸也不同。

同时也考虑了在入口张力与辊缝比共同作用下的塑性延伸差变化规律。曲线在更大的总辊缝下达到最大，即总辊缝变化对上下表面塑性延伸差的调节区间（-0.2-0.8%）增大。同时带钢需要在更大的总辊缝值时中心层产生塑性延伸，这说明增大矫直机入口张应力可以增大带钢的塑性延伸。入口张应力对上下表面塑性延伸差的极限值影响较小。如图3所示，带钢厚度由6mm减小为3mm，上下表面延伸差随总辊缝先减小后增大，各曲线上下表面塑性延伸差变化区间在-0.2-0.6%之间，上下表面塑性延伸差区间向下偏移。由于矫直机机械结构的限制，当各曲线达到最大总辊缝值时，仅辊缝比k为0.5、0.67曲线达到极限上下表面塑性延伸差。由中心层塑性延伸曲线可以看出带钢厚度由6mm减为3mm时，无论总辊缝值取多大，带钢中心层始终无塑性延伸，说明带钢越薄，中心层越不容易产生塑性延伸，需要更大的压下量。

2.2 入口张应力对塑性延伸影响

带钢入口张应力变化对上下表面塑性延伸差的影响：在总辊缝较小时，带钢上下表面塑性延伸差随入口张应力的增大而增大;在总辊缝较大时，上下表面塑性延伸差随入口张应力的增大而减小，同时可以看出上下表面塑性延伸差的变化幅度较小，入口张应力对上下表面塑性延伸差影响较小。

带钢入口张应力σ0变化对中心层塑性延伸的影响，随着总辊缝的增大，带钢中心层塑性延伸率增大。带钢入口张应力越大，带钢中心层越容易产生塑性延伸。在總辊缝值相同情况下，入口张应力越大，带钢中心层塑性延伸越大。

2.3 屈服强度对塑性延伸影响

带钢屈服强度变化对上下表面塑性延伸差的影响：在总辊缝值较小时，屈服强度越大，带钢上下表面塑性延伸差越小，总辊缝值较大时，带钢上下表面塑性延伸差随屈服强度变化幅度较小，屈服强度对带钢上下表面塑性延伸差影响较小。

带钢屈服强度变化对中心层塑性延伸的影响，如图4、图5所示，带钢屈服强度越小，带钢中心层越容易产生塑性延伸。在相同的总辊缝下，屈服强度越大，带钢中心层塑性延伸越小。

2.4 带钢厚度对塑性延伸的影响

带钢厚度变化对上下表面塑性延伸差的影响如图6所示，带钢厚度对带钢上下表面塑性延伸差有较大的影响。当厚度较小时，上下表面塑性延伸差随总辊缝增加先减小后增加;当厚度较大时，上下表面塑性延伸差随总辊缝增加先增大后减小。当总辊缝值较小时，带钢越厚，上下表面塑性延伸差越大;当总辊缝值达到最大，各曲线上下表面塑性延伸差值趋于一致。

带钢厚度变化对中心层塑性延伸的影响：带钢越厚，中心层越容易产生塑性延伸。当总辊缝值一定时，带钢越厚，中心层塑性延伸越大。矫直机总辊缝从最小增加到最大，带钢上下表面塑性延伸差逐渐增大并达到极值，当上下表面塑性延伸差达到最大时带钢中心层开始产生塑性延伸，此时随着带钢厚度的进一步增大，上下表面塑性延伸差小幅减小，此时带钢中心层塑性延伸开始快速增大，此时带钢的上下表面及中心层塑性延伸产生一个均匀化的过程。

3  结论

通过对多辊矫直过程进行大量工况的仿真计算，对模拟所得到的矫直结果进行整理，得到了矫直过程中各辊缝值、入口张应力、屈服强度、带钢厚度等参数对带钢塑性延伸的影响规律。通过以上分析可以发现带钢入口张力及屈服强度对平整线6辊张力多辊矫直机的极限矫直能力即最大上下表面塑性延伸差影响较小;带钢厚度对上下表面塑性延伸差影响较大，带钢厚度越大，带钢上下表面塑性延伸差越大。

参考文献：

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