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

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行均勻加熱,再通過厚板軋機對坯料進行軋制,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,起著至關重要的作用[2-3]。

當前,在厚板產(chǎn)品軋制工藝設計時,一般會提及到壓縮比,即板坯厚度與鋼板目標厚度的比值。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,進一步輔助判斷軋后鋼板的性能是否能達到設計要求。然而,厚板在軋制過程中,受限于坯料尺寸和軋機能力,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,需要更進一步對厚板軋制過程軋件內(nèi)部變形量的分布規(guī)律進行研究。

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注和研究[4-7]。與不同時期的科研條件和手段相關,目前為止,這些研究方法大致可以分為兩類:

(1) 第一類方法,也是最早開始進行的方式,即通過傳統(tǒng)的實驗室試驗,如在軋件邊部打孔作好標記位置,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進行分析,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,則是隨著計算機和計算軟件高速發(fā)展所產(chǎn)生,即通過有限元模擬仿真計算軟件,針對厚板軋制工藝,建立相應的有限元模型,可以對一定工藝條件下的厚板軋制過程進行模擬計算,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雜,在工藝變動的條件下,上述方法常常跟不上工藝設計的效率要求。

通過查詢,尚未有相關軟件可以解決厚板軋制過程中變形滲透的快速計算問題。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算為目標,開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權的計算用工藝設計輔助軟件。開展了實現(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)值模擬計算為基礎,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制。進一步,將數(shù)值研發(fā)結果導入到厚板PIDAS系統(tǒng),完善PIDAS系統(tǒng)針對厚板變形滲透的設計輔助功能,可以為厚板產(chǎn)品進行軋制工藝設計優(yōu)化,也開啟了對自主工藝設計軟件領域進行探索。

2 研究方案

2.1 數(shù)值模擬計算

針對寶鋼5 m厚板廠的軋制工藝參數(shù)范圍,設定軋輥輥徑為φ1 200 mm,軋輥轉動速度為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)值模擬仿真軟件進行模擬,可以計算出厚度范圍為50～750 mm,每50 mm為一個步長,共計15個厚度;道次壓下量范圍為10～50 mm,每10 mm為一個步長,共計5個壓下量,在厚度方向獲得變形量分布(真應變)。

中國乳制品進口價格的由乳制品的進口數(shù)量和乳制品的進口金額獲得。其選取的樣本區(qū)間為2006—2016年，記作ln P。

圖1 有限元軋制模型示意圖

圖2為有限元仿真模型計算鋼板在軋制后軋件內(nèi)部在厚度方向獲得真應變的分布云圖。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變分布的規(guī)律。為了方便后續(xù)的數(shù)據(jù)處理,厚度進行了歸一化處理,即軋件上表面標示為0,鋼板下表面標示為1。由此可以看出,厚度550 mm的軋件在變形量為30 mm時,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變分布云圖

圖3 550 mm厚度軋件在單道次壓下量30 mm時厚度方向獲得的真應變分布

通過上述方法,計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為一個步長,共計15個軋件厚度;壓下量范圍為10～50 mm,共計5個壓下量。對所有這些參數(shù)建立相應的有限元模型,通過大量的模型計算,獲得上述工況條件下的變形分布參數(shù),并建立相應的數(shù)據(jù)庫。

2.2 python編程開發(fā)

通過python編程開發(fā),建立相關的模型,實現(xiàn)多功能計算功能。

(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)部指定位置的真應變。

(2) 可以通過輸入條件,如軋件厚度(50～750 mm)、終軋目標厚度(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軋制道次壓下量,并且計算各個道次條件下指定位置的厚度方向真應變,并且可以實現(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變量?？梢钥闯?當前的工藝條件下,在軋件厚度大于400 mm時,厚度1/2處只能獲得較小的變形量,即無法在軋件心部實現(xiàn)變形滲透;在厚度小于400 mm時,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,在初始厚度和目標厚度相同的情況下,即相同的壓縮比條件下,調整壓下工藝規(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處獲得的真應變累加

2.3 PIDAS系統(tǒng)內(nèi)鋼板生產(chǎn)實績進行變形滲透計算

通過PIDAS系統(tǒng),調取厚板廠生產(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)的程序進行計算,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算,并進行厚度方向的真應變累加。再調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)進行相關性分析。

圖6為鋼板厚度為1/2處真應變累加與道次數(shù)的關系示意圖?？梢钥闯?道次數(shù)越多,整體上各個道次的壓下量就相對越少,整個工藝條件下在鋼板厚度1/2處獲得的真應變累加就越少。因此,減少軋制道次數(shù)、增加各個道次的壓下量,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處真應變累加與道次數(shù)的關系示意圖,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7 鋼板厚度1/4處真應變累加與道次數(shù)的關系示意圖

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)實驗室試驗的方法,需要數(shù)周時間來完成一輪次試驗并獲得試驗報告。

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

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算獲得數(shù)據(jù)庫,再聯(lián)合python編程開發(fā),形成工藝設計輔助計算軟件,并實現(xiàn)相應設計輔助計算功能,從查詢條件輸入到結果輸出,1張鋼板的工藝需要幾分鐘時間即可完成。從PIDAS系統(tǒng)查詢9 000張鋼板工藝到計算結果輸出,需要2～3 h完成。

圖8為不同研發(fā)手段的時間效率比對,從上述數(shù)據(jù)分析,本數(shù)值研發(fā)成果不但實現(xiàn)了鋼板內(nèi)部厚度方向真應變的定量化計算,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)值模擬計算方法模擬了厚板軋制工藝,再結合python聯(lián)合開發(fā),對厚板軋制過程中變形滲透規(guī)律進行定量化研究,克服了以往的有限元數(shù)值模擬計算方法準確度雖高但效率低的缺點,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)即時收集到的已生產(chǎn)鋼板進行軋制變形計算,由于鋼板生產(chǎn)時間遠小于有限元計算耗時,傳統(tǒng)方法根本不可能完成即時鋼板計算任務。該研究方案可對其他高耗時計算方法與大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的結合提供參考。

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算方法,填補了原有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)品設計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)與軋制變形機理結合的知識模型。包括本文所介紹內(nèi)容在內(nèi)的產(chǎn)品設計輔助DA研發(fā)工作[1]正在取得不斷進步,PIDAS系統(tǒng)正在更精細化地為產(chǎn)品設計流程賦能,已經(jīng)可以方便地實現(xiàn)高效的虛擬試制來代替昂貴的實物試制,同時產(chǎn)品設計工程師可以非常容易地獲得豐富的細粒度的各類生產(chǎn)實際數(shù)據(jù)、數(shù)值計算數(shù)據(jù),進而快速提升自身的產(chǎn)品設計能力,加速產(chǎn)品研發(fā)流程。

4 結論

(1) 在厚板軋機的軋制參數(shù)范圍內(nèi),當軋件厚度大于400 mm時,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。當軋件厚度小于400 mm時,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,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,調取了9 000張鋼板軋制實績,計算了鋼板內(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效率。