冷軋切邊剪薄帶鋼起筋控制策略研究

供稿|李志超 /

內(nèi)容導讀

2130冷軋帶鋼工程是馬鋼“十一五”結(jié)構(gòu)調(diào)整500萬t鋼生產(chǎn)能力系統(tǒng)項目中的重要工程之一。1#重卷線切邊剪在生產(chǎn)中存在帶鋼邊部起筋等缺陷，尤其在生產(chǎn)厚度小于0.7 mm帶鋼時，經(jīng)常在帶鋼邊部發(fā)生起筋、翻邊等缺陷，影響切邊質(zhì)量，造成經(jīng)濟損失。本文采取現(xiàn)場調(diào)研、理論解析、仿真分析和現(xiàn)場調(diào)試等開展冷軋切邊剪剪切薄帶鋼起筋控制策略研究。對剪切過程中的帶鋼進行受力分析：通過理論分析計算、有限元數(shù)值模擬以及剪刃側(cè)向間隙、剪刃重疊量等因素對剪切力的影響規(guī)律分析，明確了帶鋼切邊剪剪切過程的應力分布規(guī)律。針對造成起筋的因素提出了剪切薄帶鋼起筋控制策略，包括對間隙量、重疊量和帶鋼厚度等參數(shù)進行優(yōu)化。現(xiàn)場實測結(jié)果表明，優(yōu)化后的參數(shù)設(shè)定值可以顯著減少切邊起筋的概率。

切邊剪結(jié)構(gòu)及工作原理

切邊剪工作時，圓盤刀以與帶鋼相同的運動速度做圓周運動，形成一對無端點的剪刃[1]。切邊剪主要由機架開度調(diào)整機構(gòu)、去毛刺輥、切邊剪本體、導板架、廢邊溜槽、底座、齒輪電機等設(shè)備組成[2]，核心部分是切邊剪本體。馬鋼冷軋1#重卷線切邊剪的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要特點有：(1)切邊剪兩側(cè)的機架在導軌上線性移動，剪切不同寬度的帶鋼時調(diào)節(jié)開口度；(2)兩側(cè)機架上各有一個切邊剪本體；(3)切邊剪的側(cè)間隙 由重疊量調(diào)整電機控制，上下剪刃的重疊量按一定的關(guān)系曲線變化，在調(diào)節(jié)時以側(cè)向間隙量作為控制目標；(4)重疊量調(diào)整電機用于調(diào)節(jié)切邊剪上下剪刃的重疊量。

切邊剪剪切帶鋼時，兩對刀盤以帶鋼的運行速度為線速度做圓周運動，形成一對無端點的剪刃[3]，剪切過程如圖2所示。

圖1 馬鋼冷軋1#重卷線切邊剪的結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 切邊剪剪切過程示意圖

在切邊剪剪切過程中，隨著帶鋼的運行，上下刀盤的刃口距離逐漸減小，中間的板帶被不斷的擠壓切入，使得板帶材料發(fā)生變形，并最終被完全切斷。帶鋼的剪切過程中，帶鋼剪切區(qū)分為彈性變形階段、塑性變形階段、斷裂分離階段3個階段[4-7]。

剪切薄帶鋼起筋研究現(xiàn)狀

隨著國內(nèi)各大鋼鐵企業(yè)對薄規(guī)格帶材產(chǎn)品的研制生產(chǎn)，國內(nèi)有關(guān)帶材剪切起筋缺陷的研究才開始受到關(guān)注[7]。對薄規(guī)格帶鋼而言，隨著寬厚比的增大，帶材平直度難以保持，極易產(chǎn)生包括起筋、瓢曲、浪形等在內(nèi)的各種板形缺陷。徐國旺等[8]基于熱軋帶鋼在下工序冷軋過程中出現(xiàn)的起筋故障，針對冷軋帶鋼起筋位置分析出與熱軋帶鋼斷面局部高點、凸度和楔形之間的對應關(guān)系。閻秋生等[9]通過對熱軋工藝參數(shù)的調(diào)整，實現(xiàn)了帶鋼斷面大凸度、小楔形和適當?shù)木植扛唿c，減少了冷軋帶鋼起筋現(xiàn)象，改善了產(chǎn)品質(zhì)量。有關(guān)研究人員采用有限元軟件DEFORM-2D建立剪切過程的二維動態(tài)有限元分析模型[10]。王延薄等[11]研究了側(cè)向間隙對帶鋼斷面質(zhì)量的影響，仿真結(jié)果表明：剪切斷面形狀與剪刃側(cè)向間隙相關(guān)，剪刃側(cè)向間隙隨著帶鋼厚度的增加而增加。羅石念等[12]通過現(xiàn)場統(tǒng)計研究起筋部位的特征，系統(tǒng)地分析熱軋、冷軋工藝過程中起筋缺陷的影響規(guī)律，且發(fā)現(xiàn)熱軋帶鋼的不規(guī)則斷面會影響到后道工序。冷軋薄帶鋼起筋的原因在于該區(qū)域發(fā)生板形屈曲，研究其與熱軋帶鋼凸度和楔形值的相關(guān)關(guān)系，得出控制較大的熱卷凸度值并有效降低楔形值可抑制起筋[13]。

在有限元分析法產(chǎn)生之后，國外有學者用剛塑性有限元法對金屬剪切過程進行模擬[14]，模擬過程中將剪切區(qū)的網(wǎng)格劃分細一些，并運用生死單元法來模擬金屬斷裂時的失效情況，從而預測出斷裂過程裂紋的產(chǎn)生。除了理論解析法和有限元法外，對金屬剪切斷裂過程的研究還可以通過實驗的方法進行研究。日本的巖田一鳴等[15]利用電子顯微鏡對剪切過程進行了掃描，發(fā)現(xiàn)剪切過程裂紋主要產(chǎn)生在剪刃附近，并隨著剪切的進行沿著材料的最大剪切變形率方向進行擴展。目前對金屬材料延性斷裂進行預測的最有效方法還是根據(jù)材料的應力應變歷史進行預測并建立合理有效的斷裂準則。

馬鋼剪切起筋缺陷情況簡述

2130冷軋帶鋼工程是馬鋼“十一五”結(jié)構(gòu)調(diào)整500萬t鋼生產(chǎn)能力系統(tǒng)項目中的重要工程之一。其中1#重卷機組主要用于熱鍍鋅后或冷軋退火后的帶鋼進行重卷檢查，由意大利FIMI公司設(shè)計，年設(shè)計產(chǎn)能15.3萬t，生產(chǎn)規(guī)格為厚度：0.25～2.50 mm，寬度800～2000 mm，機組代號為CM2-05。機組主要用于完成上游工序冷軋連退和鍍鋅產(chǎn)品的開卷檢查、分卷、切頭、切尾、切邊、中間剖分、切廢、取樣、涂油、重新卷取等工藝功能。重卷工序是保證產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其中切邊剪精度對板材的切邊質(zhì)量起著關(guān)鍵作用。

自投產(chǎn)以來，生產(chǎn)線設(shè)備已經(jīng)運行了11年，由于生產(chǎn)線設(shè)備老化引起切邊剪在剪切0.7 mm厚度以下帶鋼時出現(xiàn)起筋現(xiàn)象，尤其在剪切薄帶鋼時出現(xiàn)切邊剪隔離環(huán)處起筋的現(xiàn)象很頻繁。前期對生產(chǎn)線上相關(guān)設(shè)備的精度進行檢查，對誤差偏大的設(shè)備進行了精度調(diào)整。

生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的典型起筋故障：DC04鋼(厚度0.70 mm、寬度1085 mm)，切邊剪工作側(cè)起筋，如圖3。

圖3 正常切邊時兩側(cè)起筋

帶鋼切邊過程的數(shù)值模擬

剪切過程的變形理論是十分復雜的，涉及彈塑性力學、斷裂理論等，目前ANSYS軟件中的LSDANY模塊能夠較好地實現(xiàn)剪切過程的大變形斷裂模擬。

切邊過程有限元模型

在實際生產(chǎn)中，帶鋼切邊可以看作帶鋼在切邊剪刀刃的作用下的大變形過程，帶鋼剪切的幾何模型如圖4所示。上下圓盤刀刃直徑為320 mm，厚25 mm。帶鋼尺寸為90 mm×0.6 mm。

圖4 帶鋼剪切幾何模型及網(wǎng)格劃分

由于帶鋼切邊過程大變形的區(qū)域僅僅是帶鋼與上下圓盤刀刃相接觸的部位，為合理利用計算資源，需重點關(guān)注帶鋼切邊過程大變形的區(qū)域，因此使用ANSYS的Divide功能時將帶鋼切邊過程大變形區(qū)域和其他部位的區(qū)域分割開來。選擇SOLID164單元進行數(shù)值模擬，采用單點積分算法，同時進行沙漏控制以得到正確的模擬結(jié)果。采用的切邊剪網(wǎng)格尺寸為5 mm。對帶鋼采用分區(qū)域劃分網(wǎng)格，帶鋼剪切核心區(qū)域?qū)挾仍O(shè)置為8 mm，網(wǎng)格尺寸為0.1 mm，其余部位網(wǎng)格尺寸為4 mm，如圖4所示的黑色區(qū)域為網(wǎng)格加密區(qū)域。

帶鋼切邊過程中，帶鋼的前進速度為300 m/min，即5 m/s，切邊剪的直徑為320 mm，折算為轉(zhuǎn)速為15.625 rad/s。因此，在ANSYS中為上下切邊剪施加繞Z軸的轉(zhuǎn)動。同時給帶鋼施加X軸正向的初速度5 m/s。

切邊過程受力分析

由帶鋼切邊過程的應力分布可以看出應力最大的部位主要在帶鋼，而且集中在帶鋼當前所受剪部位。圖5中Mises等效應力在剪切區(qū)域最大，剪切區(qū)域之外其他部位的等效應力逐漸減小。

圖5 帶鋼剪切過程中剪切區(qū)域的Mises等效應力分布

剪切參數(shù)模擬分析

為了研究帶鋼切邊過程的不同工藝參數(shù)對帶鋼切邊和應力分布的影響[15]，分別針對不同剪刃側(cè)向間隙、剪刃重疊量、帶材厚度和剪切速度條件下的帶鋼剪切進行了數(shù)值模擬，具體方案如表1所示。

針對剪刃側(cè)向間隙為0.03、0.06、0.09和0.12 mm條件下的帶鋼剪切進行數(shù)值模擬。其中帶鋼厚度為0.6 mm，剪刃重疊量為0.2 mm，剪切速度為300 m/min，帶鋼剪切0.2 s時的應力分布見圖6。從圖中可以看出：剪刃側(cè)向間隙不同，帶鋼在剪切區(qū)域的Mises等效應力分布不同，剪切中心區(qū)域的平均應力也不同，可見剪切區(qū)域的應力隨剪刃側(cè)向間隙變大而減小。

表1 不同工藝參數(shù)條件下的帶鋼切邊過程數(shù)值模擬方案

圖6 剪刃側(cè)向間隙對帶鋼剪切區(qū)域的平均Mises等效應力的影響

圖7～圖9分別為剪刃側(cè)向間隙為0.06、0.09和0.12 mm條件下origin、gap9、gap12模擬方案的帶鋼剪切時的Z向應力分布。在帶鋼剪切過程中，下切邊剪一側(cè)(帶鋼剪本體一側(cè))的Z向應力較另一側(cè)大，并且在偏離剪切線一定距離的部位Z向達到最大值，可以推測Z向應力分布不均衡是導致帶鋼剪切起筋的一個因素。由圖可知，剪刃側(cè)向間隙越大，Z向應力分布不均衡程度越小，帶鋼剪切后越不易起筋。

冷軋線剪切薄帶鋼起筋控制實驗

切邊剪薄帶鋼剪切控制策略

圖7 帶鋼剪切過程中的Z向應力分布，剪刃側(cè)向間隙為0.06 mm

圖8 帶鋼剪切過程中的Z向應力分布，剪刃側(cè)向間隙為0.09 mm

圖9 帶鋼剪切過程中的Z向應力分布，剪刃側(cè)向間隙為0.12 mm

運用ANSYS模擬帶鋼剪切過程中的工藝參數(shù)包括剪刃側(cè)向間隙、剪刃重疊量等因素對帶鋼剪切應力的分布影響且運用到現(xiàn)場驗證：(1)剪刃側(cè)向間隙不同，帶鋼在剪切區(qū)域的Mises等效應力分布不同。剪切區(qū)域的應力隨剪刃側(cè)向間隙變大而減?。?2)帶鋼在剪切區(qū)域的Mises等效應力分布隨剪刃重疊量變化而變化，但是變化不明顯；(3)在帶鋼剪切過程中，Z向應力分布不均衡是導致帶鋼剪切起筋的一個因素；(4)在帶鋼剪切過程中，剪刃側(cè)向間隙越大，Z向應力分布不均衡程度越小，帶鋼剪切后越不易起筋。帶鋼厚度越大，剪切過程中的Z向應力越大。

根據(jù)切邊剪剪切的實際工況，調(diào)整剪切工藝參數(shù)，將以上數(shù)據(jù)和現(xiàn)場實際情況進行系統(tǒng)分析總結(jié)，對原有的根據(jù)帶鋼厚度估算的間隙量和重疊量進行修正優(yōu)化。

最佳剪切參數(shù)的現(xiàn)場驗證

◆ 剪刃間隙量優(yōu)化

切邊剪刃側(cè)向間隙和重疊量常用的設(shè)定參數(shù)是根據(jù)經(jīng)驗得出的，其調(diào)整參考值一般側(cè)間隙量為帶鋼厚度的6%+0.2 mm；重疊量為帶鋼厚度的10%～20%。參考ANSYS數(shù)值模擬的驗證結(jié)果和基于實驗確定的正確的剪刃側(cè)向間隙，如圖10所示，顯示了剪刃側(cè)向間隙與帶鋼厚度相對應的關(guān)系，并按照帶鋼的抗拉強度進行細分，為剪刃側(cè)向間隙提供參考值。對于薄的軟鋼(抗拉強度小于1000 N/mm2)在進行剪切時將間隙量調(diào)整到帶鋼厚度的4%～12%；對于高強鋼(抗拉強度大于1000 N/mm2)，其剪刃側(cè)向間隙為帶鋼厚度的12%～20%。

圖10 剪刃側(cè)向間隙量與帶鋼厚度關(guān)系圖

◆ 剪刃重疊量優(yōu)化

采用數(shù)值模擬的方法針對帶鋼剪切過程中的工藝參數(shù)中剪刃重疊量對帶鋼剪切應力的分布影響進行了研究。根據(jù)原先經(jīng)驗值，剪切重疊量數(shù)值一般為帶鋼厚度的8%～10%。參照重卷線剪切帶鋼時起筋的圖片資料和后期的調(diào)試報告，并且考慮到帶鋼厚度的不同，給出了以下修正值：當帶鋼厚度為0.5～3.6 mm時，重疊量取正值。從圖11可以看出，帶鋼厚度小于1.4 mm時，重疊量與帶鋼厚度基本上呈正比關(guān)系；帶鋼厚度在1.4～3.6 mm之間時重疊量與帶鋼厚度基本上呈反比關(guān)系。

圖11 重疊量與帶鋼厚度關(guān)系圖

參數(shù)優(yōu)化控制效果

為了驗證帶鋼起筋優(yōu)化控制措施是否可以滿足冷軋卷起筋的控制目標并達到預期的控制效果，在實際生產(chǎn)過程中，選取帶鋼厚度為0.55～1.2 mm，陸續(xù)實測14卷不同鋼種、不同規(guī)格的薄帶鋼進行切邊現(xiàn)場驗證。經(jīng)過起筋控制參數(shù)優(yōu)化后，在1#重卷線生產(chǎn)過程中除1卷帶鋼厚度為0.55 mm起筋以外，均未發(fā)現(xiàn)薄帶鋼起筋現(xiàn)象，整體起筋控制合格率達到92.8%。就目前設(shè)備狀態(tài)判斷1#重卷剪切薄帶鋼起筋控制得到了明顯的改善。

結(jié)束語

本文對馬鋼冷軋1#切邊剪剪切薄帶鋼起筋的發(fā)生和控制進行了研究，利用有限元軟件ANSYS/LS對切邊剪剪切薄帶鋼的過程進行了數(shù)值模擬，通過帶鋼剪切過程受力的理論分析計算、帶鋼切邊過程的有限元數(shù)值模擬、剪刃重疊量、剪刃側(cè)向間隙等因素對剪切力的影響規(guī)律進行分析，明確了帶鋼切邊剪剪切過程的應力分布規(guī)律，最后通過現(xiàn)場實驗進行了驗證分析，并對現(xiàn)場帶鋼切邊剪剪切工藝參數(shù)進行了優(yōu)化控制，提高了馬鋼冷軋重卷線帶鋼切邊剪剪切質(zhì)量。

但是由于時間和實驗條件的限制，仍有很多待完善的工作，例如對涉及熱軋、冷軋、連退等多道上游工序，尤其是起筋原因與熱軋帶鋼局部高點、凸度和楔形之間的關(guān)系未進行深入的研究。今后還可以對更多不同規(guī)格、特殊鋼種的帶鋼的最佳剪切參數(shù)進行研究，收集更多的現(xiàn)場數(shù)據(jù)以進一步驗證有限元模擬效果，且考慮進一步優(yōu)化剪刃隔離環(huán)尺寸以減少對帶鋼剪切質(zhì)量的影響，提高綜合效益。

【漁舟唱晚】陳躍先 攝