厚板軋制過程中軋件內(nèi)部變形滲透定量化研究
——自主工藝設(shè)計(jì)輔助軟件的探索

王全勝,袁向前

(寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院,上海 201999)

1 概述

厚板產(chǎn)品工藝優(yōu)化與設(shè)計(jì)是PIDAS系統(tǒng)的重要核心應(yīng)用功能之一[1]。對產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)而言,PIDAS系統(tǒng)已經(jīng)收集到海量的細(xì)粒度生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)、工藝儀表測量數(shù)據(jù),但仍有若干重要設(shè)計(jì)參考數(shù)據(jù)因?yàn)槿鄙倏焖贉y量硬件或技術(shù)而無法獲得,比如厚板軋制過程中的軋件內(nèi)部變形滲透規(guī)律?；谟邢拊獢?shù)值模擬仿真計(jì)算,建立高效定量變形滲透計(jì)算模型,是PIDAS系統(tǒng)產(chǎn)品工藝優(yōu)化與設(shè)計(jì)功能的重要基礎(chǔ)技術(shù),助推了產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)的快速迭代開發(fā)。

厚板軋制所用的坯料,如鋼錠或連鑄坯,內(nèi)部存在較多的缺陷,尤其在厚度1/2和1/4處,比其他位置存在更多的缺陷。通過厚板加熱爐對坯料進(jìn)行均勻加熱,再通過厚板軋機(jī)對坯料進(jìn)行軋制,盡量讓軋件內(nèi)部獲得較多的變形量,以改善或消除軋件內(nèi)部的缺陷,并在后工序輔以合適的冷卻工藝或者熱處理,最終獲得性能良好、均勻的厚板。因此,厚板軋制過程中,軋件內(nèi)部獲得變形量的多少,尤其在軋件厚度1/2和1/4處的變形量,對于軋后鋼板內(nèi)部的組織性能均勻性,特別對于高鋼級的厚板產(chǎn)品,起著至關(guān)重要的作用[2-3]。

當(dāng)前,在厚板產(chǎn)品軋制工藝設(shè)計(jì)時(shí),一般會(huì)提及到壓縮比,即板坯厚度與鋼板目標(biāo)厚度的比值。通過分析壓縮比這一參數(shù)的合理性,來判斷板坯在軋制過程中其內(nèi)部獲得變形量的多少,進(jìn)一步輔助判斷軋后鋼板的性能是否能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。然而,厚板在軋制過程中,受限于坯料尺寸和軋機(jī)能力,往往在軋件表面或者近表面范圍內(nèi)獲得較多的變形量,而在軋件心部獲得較少的變形量。生產(chǎn)過程中,這種變形量分布不均勻的現(xiàn)象,通常表現(xiàn)為在軋件或者鋼板在邊部出現(xiàn)嚴(yán)重的雙鼓形狀,軋制后的鋼板在厚度1/2和1/4處的性能也比表面表現(xiàn)出較差的性能。因此,僅僅采用壓縮比來評判厚板軋制工藝的合理性是不夠的,需要更進(jìn)一步對厚板軋制過程軋件內(nèi)部變形量的分布規(guī)律進(jìn)行研究。

厚板軋制過程中,軋件內(nèi)部的變形量分布,即變形滲透,引起了較為廣泛的關(guān)注和研究[4-7]。與不同時(shí)期的科研條件和手段相關(guān),目前為止,這些研究方法大致可以分為兩類:

(1) 第一類方法,也是最早開始進(jìn)行的方式,即通過傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn),如在軋件邊部打孔作好標(biāo)記位置,或者在軋件內(nèi)部布置一些網(wǎng)格狀的金屬棒,然后對軋件進(jìn)行加熱、軋制、冷卻,再對軋后鋼板邊部打孔位置的遷移演變,或者鋼板內(nèi)部布置的金屬棒的變形和位置變動(dòng)進(jìn)行分析,以研究鋼板內(nèi)部不同厚度層面上的變形量隨著厚度的變化分布規(guī)律。

(2) 第二類方法,則是隨著計(jì)算機(jī)和計(jì)算軟件高速發(fā)展所產(chǎn)生,即通過有限元模擬仿真計(jì)算軟件,針對厚板軋制工藝,建立相應(yīng)的有限元模型,可以對一定工藝條件下的厚板軋制過程進(jìn)行模擬計(jì)算,最終分析一定工藝條件下的軋件內(nèi)部變形量的分布規(guī)律。該方法效率比第一類方法有明顯提升,對人員有較為專業(yè)的技能要求。但是,厚板軋制工藝較為復(fù)雜,在工藝變動(dòng)的條件下,上述方法常常跟不上工藝設(shè)計(jì)的效率要求。

通過查詢,尚未有相關(guān)軟件可以解決厚板軋制過程中變形滲透的快速計(jì)算問題。本文中所涉及到的工作,以大數(shù)據(jù)環(huán)境為背景,針對厚板軋制過程中變形滲透高效計(jì)算為目標(biāo),開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的計(jì)算用工藝設(shè)計(jì)輔助軟件。開展了實(shí)現(xiàn)厚板軋制過程中變形滲透的定量化研究,且能夠滿足高效迎合生產(chǎn)現(xiàn)場以及產(chǎn)品研發(fā)過程快節(jié)奏的需求。采取數(shù)值模擬計(jì)算為基礎(chǔ),再通過python聯(lián)合開發(fā),以更好地研究、理解厚板軋制過程中的變形滲透機(jī)制。進(jìn)一步,將數(shù)值研發(fā)結(jié)果導(dǎo)入到厚板PIDAS系統(tǒng),完善PIDAS系統(tǒng)針對厚板變形滲透的設(shè)計(jì)輔助功能,可以為厚板產(chǎn)品進(jìn)行軋制工藝設(shè)計(jì)優(yōu)化,也開啟了對自主工藝設(shè)計(jì)軟件領(lǐng)域進(jìn)行探索。

2 研究方案

2.1 數(shù)值模擬計(jì)算

針對寶鋼5 m厚板廠的軋制工藝參數(shù)范圍,設(shè)定軋輥輥徑為φ1 200 mm,軋輥轉(zhuǎn)動(dòng)速度為2 r/s,軋件厚度范圍為50～750 mm,道次壓下范圍為10～50 mm,軋制速度為2.4 m/s。圖1為有限元仿真軟件模擬軋制模型的建立示意圖。針對上述參數(shù)條件,采用數(shù)值模擬仿真軟件進(jìn)行模擬,可以計(jì)算出厚度范圍為50～750 mm,每50 mm為一個(gè)步長,共計(jì)15個(gè)厚度;道次壓下量范圍為10～50 mm,每10 mm為一個(gè)步長,共計(jì)5個(gè)壓下量,在厚度方向獲得變形量分布(真應(yīng)變)。

圖1 有限元軋制模型示意圖

圖2為有限元仿真模型計(jì)算鋼板在軋制后軋件內(nèi)部在厚度方向獲得真應(yīng)變的分布云圖。從云圖上可以看出,鋼板的變形集中在鋼板上下表面的紅色區(qū)域范圍,而軋件厚度中心大部分范圍內(nèi)沒有明顯的變形。

通過對軋件厚度方向真應(yīng)變數(shù)據(jù)提取,可以得出軋制后軋件內(nèi)部在厚度方向獲得真應(yīng)變分布的規(guī)律。圖3為厚度550 mm的軋件在壓下量為30 mm的條件下厚度方向獲得真應(yīng)變分布的規(guī)律。為了方便后續(xù)的數(shù)據(jù)處理,厚度進(jìn)行了歸一化處理,即軋件上表面標(biāo)示為0,鋼板下表面標(biāo)示為1。由此可以看出,厚度550 mm的軋件在變形量為30 mm時(shí),只有軋件的上下表面占全厚度20%左右的區(qū)域獲得了較大的有效變形量,其中間位置獲得變形量微乎其微,變形滲透厚度上下表面各110 mm左右。

圖2 軋制后鋼板厚度方向真應(yīng)變分布云圖

圖3 550 mm厚度軋件在單道次壓下量30 mm時(shí)厚度方向獲得的真應(yīng)變分布

通過上述方法,計(jì)算不同厚度軋件在不同壓下量范圍條件下軋件內(nèi)部在厚度方向獲得的真應(yīng)變,并建立數(shù)據(jù)庫。軋件厚度范圍為50～750 mm,每間隔50 mm為一個(gè)步長,共計(jì)15個(gè)軋件厚度;壓下量范圍為10～50 mm,共計(jì)5個(gè)壓下量。對所有這些參數(shù)建立相應(yīng)的有限元模型,通過大量的模型計(jì)算,獲得上述工況條件下的變形分布參數(shù),并建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫。

2.2 python編程開發(fā)

通過python編程開發(fā),建立相關(guān)的模型,實(shí)現(xiàn)多功能計(jì)算功能。

(1) 用戶通過輸入條件,如軋件厚度(50～750 mm)、道次壓下量(0～50 mm)、軋件厚度方向指定位置(0～1.0),可以查詢指定軋件厚度和指定道次壓下量條件下,軋件內(nèi)部指定位置的真應(yīng)變。

(2) 可以通過輸入條件,如軋件厚度(50～750 mm)、終軋目標(biāo)厚度(5～360 mm)、軋件厚度方向指定位置(0～1.0),程序可以自行分配各個(gè)軋制道次壓下量,并且計(jì)算各個(gè)道次條件下指定位置的厚度方向真應(yīng)變,并且可以實(shí)現(xiàn)各道次變形量的累加。

圖4為軋件從700 mm厚度軋制到100 mm厚度鋼板過程中,厚度1/2處在各道次獲得厚度方向的真應(yīng)變量?？梢钥闯?當(dāng)前的工藝條件下,在軋件厚度大于400 mm時(shí),厚度1/2處只能獲得較小的變形量,即無法在軋件心部實(shí)現(xiàn)變形滲透;在厚度小于400 mm時(shí),變形才逐漸滲透到厚度1/2處。

圖4 軋制過程中軋件厚度1/2處在各道次獲得厚度方向的真應(yīng)變量

圖5為同一鋼種、采用相同厚度的坯料,在四種不同的軋制規(guī)程下軋制后得到相同厚度的4塊鋼板在厚度1/2和1/4處獲得的真應(yīng)變累積的情況?？梢钥闯?壓下工藝編號3的鋼板,其工藝條件下可以使得鋼板在內(nèi)部獲得較好的變形滲透,而壓下工藝編號1的鋼板,其工藝條件下在鋼板內(nèi)部獲得最少的變形滲透。由此證明,在初始厚度和目標(biāo)厚度相同的情況下,即相同的壓縮比條件下,調(diào)整壓下工藝規(guī)程,可以在軋件內(nèi)部獲得不同的變形量累積分布。

圖5 同一鋼種在不同壓下工藝條件下厚度1/4和1/2處獲得的真應(yīng)變累加

2.3 PIDAS系統(tǒng)內(nèi)鋼板生產(chǎn)實(shí)績進(jìn)行變形滲透計(jì)算

通過PIDAS系統(tǒng),調(diào)取厚板廠生產(chǎn)9 000張鋼板的歷史軋制規(guī)程記錄,坯料的初始厚度為同一規(guī)格,即360 mm厚度的連鑄坯,軋制目標(biāo)鋼板厚度為50～100 mm,壓下量范圍比較接近。采用本文所開發(fā)的程序進(jìn)行計(jì)算,這些鋼板在其軋制規(guī)程條件下對鋼板厚度1/2和1/4處位置的變形滲透開展計(jì)算,并進(jìn)行厚度方向的真應(yīng)變累加。再調(diào)取這些鋼板的壓下道次數(shù),把每張鋼板的厚度1/4處和1/2處的變形累加量和道次數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析。

圖6為鋼板厚度為1/2處真應(yīng)變累加與道次數(shù)的關(guān)系示意圖?？梢钥闯?道次數(shù)越多,整體上各個(gè)道次的壓下量就相對越少,整個(gè)工藝條件下在鋼板厚度1/2處獲得的真應(yīng)變累加就越少。因此,減少軋制道次數(shù)、增加各個(gè)道次的壓下量,可以增加鋼板厚度1/2處的變形滲透。

圖7為鋼板厚度1/4處真應(yīng)變累加與道次數(shù)的關(guān)系示意圖,可以得出與圖6相近的規(guī)律。通過對比圖4和圖5,可以看出鋼板在厚度1/4處獲得的變形量明顯高于厚度1/2處所獲得的變形量。

圖6 鋼板厚度1/2處真應(yīng)變累加與道次數(shù)的關(guān)系示意圖

圖7 鋼板厚度1/4處真應(yīng)變累加與道次數(shù)的關(guān)系示意圖

2.4 效率提升分析

針對厚板軋制過程中變形滲透規(guī)律研究,最早通過傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的方法,需要數(shù)周時(shí)間來完成一輪次試驗(yàn)并獲得試驗(yàn)報(bào)告。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展以及相應(yīng)的商用計(jì)算軟件的推出,通過單純有限元計(jì)算的方法,根據(jù)工藝復(fù)雜性,從問題的提出到分析結(jié)果,需要數(shù)天來完成一輪次的模擬計(jì)算工作。

本數(shù)值研發(fā)工作是屬于大數(shù)據(jù)背景下所誕生的成果,通過前期建立大量的有限元仿真計(jì)算獲得數(shù)據(jù)庫,再聯(lián)合python編程開發(fā),形成工藝設(shè)計(jì)輔助計(jì)算軟件,并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)設(shè)計(jì)輔助計(jì)算功能,從查詢條件輸入到結(jié)果輸出,1張鋼板的工藝需要幾分鐘時(shí)間即可完成。從PIDAS系統(tǒng)查詢9 000張鋼板工藝到計(jì)算結(jié)果輸出,需要2～3 h完成。

圖8為不同研發(fā)手段的時(shí)間效率比對,從上述數(shù)據(jù)分析,本數(shù)值研發(fā)成果不但實(shí)現(xiàn)了鋼板內(nèi)部厚度方向真應(yīng)變的定量化計(jì)算,而且效率得到了很大的提升。

圖8 不同研發(fā)手段的效率比對

3 討論

采用有限元數(shù)值模擬計(jì)算方法模擬了厚板軋制工藝,再結(jié)合python聯(lián)合開發(fā),對厚板軋制過程中變形滲透規(guī)律進(jìn)行定量化研究,克服了以往的有限元數(shù)值模擬計(jì)算方法準(zhǔn)確度雖高但效率低的缺點(diǎn),大幅度地提升了用戶使用效率。如果采用傳統(tǒng)的有限元數(shù)據(jù)模擬方法對PIDAS系統(tǒng)即時(shí)收集到的已生產(chǎn)鋼板進(jìn)行軋制變形計(jì)算,由于鋼板生產(chǎn)時(shí)間遠(yuǎn)小于有限元計(jì)算耗時(shí),傳統(tǒng)方法根本不可能完成即時(shí)鋼板計(jì)算任務(wù)。該研究方案可對其他高耗時(shí)計(jì)算方法與大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的結(jié)合提供參考。

另一方面,本文介紹的厚板軋制過程軋件內(nèi)部變形滲透定量化計(jì)算方法,填補(bǔ)了原有PIDAS系統(tǒng)在鋼板產(chǎn)品虛擬試制功能上的缺失環(huán)節(jié),使PIDAS產(chǎn)品設(shè)計(jì)的虛擬試制功能從基于純數(shù)據(jù)的黑箱模型演化到大數(shù)據(jù)與軋制變形機(jī)理結(jié)合的知識模型。包括本文所介紹內(nèi)容在內(nèi)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)輔助DA研發(fā)工作[1]正在取得不斷進(jìn)步,PIDAS系統(tǒng)正在更精細(xì)化地為產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程賦能,已經(jīng)可以方便地實(shí)現(xiàn)高效的虛擬試制來代替昂貴的實(shí)物試制,同時(shí)產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師可以非常容易地獲得豐富的細(xì)粒度的各類生產(chǎn)實(shí)際數(shù)據(jù)、數(shù)值計(jì)算數(shù)據(jù),進(jìn)而快速提升自身的產(chǎn)品設(shè)計(jì)能力,加速產(chǎn)品研發(fā)流程。

4 結(jié)論

(1) 在厚板軋機(jī)的軋制參數(shù)范圍內(nèi),當(dāng)軋件厚度大于400 mm時(shí),只能在距離鋼板表面110 mm左右厚度范圍內(nèi)獲得較為明顯的變形滲透,軋件心部無法獲得明顯的變形滲透。當(dāng)軋件厚度小于400 mm時(shí),可以在軋件心部獲得厚度方向的變形滲透,且隨著軋制規(guī)程的推進(jìn),軋件厚度越小,在軋件心部獲得變形量越大。

(2) 針對同一鋼種,在相同壓縮比的情況下,施加不同的壓下工藝規(guī)程,可以明顯提高鋼板內(nèi)部的變形滲透,從而在鋼板厚度1/2和1/4處獲得較多的變形量。

(3) 通過PIDAS平臺(tái),調(diào)取了9 000張鋼板軋制實(shí)績,計(jì)算了鋼板內(nèi)部獲得變形滲透的變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)鋼板內(nèi)部獲得變形量的多少與道次數(shù)成反比例關(guān)系。

(4) 本數(shù)值研發(fā)成果可以快速提升厚板軋制過程中變形滲透的工藝評價(jià)效率。