計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在軋鋼工藝中的應(yīng)用研究

王 鐸

（山東省冶金設(shè)計(jì)院股份有限公司，山東 濟(jì)南 250101）

在國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)步增長的宏觀背景下，社會各領(lǐng)域?qū)︿摬牡男枨罅颗c日俱增，同時對鋼材產(chǎn)品的生產(chǎn)精度與質(zhì)量也提出了更高的要求，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)給軋鋼產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制造提供了強(qiáng)大的技術(shù)支撐。過去，應(yīng)用傳統(tǒng)的軋鋼工藝時，因軋件本身質(zhì)量有著較為嚴(yán)重的分層現(xiàn)象，并且冷卻效果較差，以至于殘余應(yīng)力對構(gòu)件的變形、穩(wěn)定性、抗疲勞性能都會產(chǎn)生不利影響。此外，也很難控制軋件的厚度與精度，進(jìn)而嚴(yán)重影響了軋件質(zhì)量。應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)以后，這一狀況得到有效改善，借助于計(jì)算機(jī)仿真軟件，技術(shù)人員可以精準(zhǔn)模擬出軋鋼工藝模型，參照系統(tǒng)模型還能夠準(zhǔn)確分析出影響軋件質(zhì)量的各種因素，進(jìn)而能夠及時調(diào)整設(shè)計(jì)與制造方案，生產(chǎn)出更多高質(zhì)量的軋鋼產(chǎn)品。

1 軋鋼工藝與計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)概述

1.1 軋鋼工藝

軋鋼工藝主要通過壓力加工流程來改變鋼坯的形狀與規(guī)格，進(jìn)而生產(chǎn)出滿足用戶需求的鋼材產(chǎn)品，包括熱軋與冷軋兩種軋制工藝。其中，熱軋工藝主要以連鑄板坯或者初軋板坯為生產(chǎn)原料，經(jīng)過加熱爐加熱、高壓水除磷、精軋與終軋等工序，得到熱軋鋼板、軋鋼卷、縱切帶等熱軋產(chǎn)品。而冷軋工藝則以熱軋鋼卷為主要原料，經(jīng)過酸洗去除氧化皮后進(jìn)行冷連軋，使鋼卷的強(qiáng)度、硬度、韌性、塑性指標(biāo)發(fā)生改變，進(jìn)而生產(chǎn)出一些簡單的零部件，通過冷軋工藝得到的鋼板質(zhì)量及外觀形態(tài)均優(yōu)于熱軋鋼板。近年來，隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，軋鋼工藝的自動化、智能化制造水平越來越高，尤其是計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在軋鋼生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用，不僅解決了軋鋼產(chǎn)品精度低的問題，同時縮短了生產(chǎn)制造周期，給鋼鐵企業(yè)創(chuàng)造了豐厚的經(jīng)濟(jì)效益[1]。

1.2 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)主要是以計(jì)算機(jī)和各種物理效應(yīng)設(shè)備為工具，利用系統(tǒng)模型對實(shí)際的或設(shè)想的系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究的一門綜合性技術(shù)，在軋鋼生產(chǎn)中應(yīng)用該技術(shù)，首先需要建立一個系統(tǒng)模型（見圖1），然后對模型當(dāng)中的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行分析、評價，進(jìn)而制定一套產(chǎn)品精度高、生產(chǎn)周期短、節(jié)能效果好的鋼坯軋制方案。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)最為顯著的一個特征是不受外界環(huán)境因素的影響，并且能夠隨時改變時間比例尺。

圖1 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)系統(tǒng)模型

2 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在軋鋼工藝中的具體應(yīng)用

2.1 計(jì)算機(jī)仿真軟件

科研人員結(jié)合軋鋼工藝流程，研制開發(fā)出了適用于軋鋼生產(chǎn)流程的計(jì)算機(jī)仿真軟件，其中，最為常用的仿真軟件是CIMS，即計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，應(yīng)用該系統(tǒng)能夠?qū)Ξa(chǎn)品的設(shè)計(jì)流程及生產(chǎn)制造流程進(jìn)行仿真模擬，在應(yīng)用該系統(tǒng)前，首先需要將設(shè)計(jì)計(jì)劃及工藝路徑等內(nèi)容以表格的形式輸入到系統(tǒng)當(dāng)中，然后利用仿真模擬器，構(gòu)建一個設(shè)計(jì)與生產(chǎn)工藝仿真模型，技術(shù)人員根據(jù)這一模型，能及時對軋件的規(guī)格與尺寸參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，從而改善軋件性能，提高軋制產(chǎn)品精度。CIMS 系統(tǒng)借鑒了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)輔助制造的特點(diǎn)，通過CAD 輸出產(chǎn)品的設(shè)計(jì)信息，技術(shù)人員可以直接將這些信息傳輸?shù)接?jì)算機(jī)輔助加工工藝的規(guī)劃系統(tǒng)當(dāng)中，進(jìn)而形成一個精確的刀位軌跡文件。為了保證產(chǎn)品加工精度，在軋制過程中，每一次對鋼坯進(jìn)行切削前，都需要進(jìn)行一次試切削，這就使得研發(fā)周期大大延長，生產(chǎn)成本增加，而通過運(yùn)用CAM/CAD的集成技術(shù)，能夠檢驗(yàn)NC 代碼的正確性及切削加工精度，進(jìn)而無需經(jīng)過試切削便可完成產(chǎn)品的加工流程[2]。

2.2 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在軋鋼生產(chǎn)節(jié)能領(lǐng)域的應(yīng)用

鋼坯在熱軋過程中，需要消耗大量的熱量，因此會造成大量資源能源的浪費(fèi)，為了避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，近年來，鋼鐵企業(yè)將計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)與軋鋼生產(chǎn)工藝融合到一起，通過對加熱爐、軋件的仿真建模，技術(shù)人員可以隨時對加熱爐的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而大大減少了加熱爐的空氣耗量與煤氣燃料的消耗量，據(jù)現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，熱軋工藝流程的能耗量將降低20%以上。

3 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在軋鋼工藝中的應(yīng)用實(shí)例

3.1 小規(guī)格圓鋼冷床運(yùn)動模型

目前，社會各領(lǐng)域?qū)Ζ?10 mm 小規(guī)格圓鋼產(chǎn)品的需求量變大，在這種形勢下，如果采用傳統(tǒng)的冷軋工藝，將無法滿足鋼材市場對小規(guī)格圓鋼產(chǎn)品的需求。因此，鋼鐵企業(yè)的相關(guān)技術(shù)人員通過對小規(guī)格圓鋼在冷床上的運(yùn)行機(jī)理進(jìn)行分析，借助于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，建立了一個小規(guī)格圓鋼冷床運(yùn)動模型，通過現(xiàn)場仿真實(shí)驗(yàn)，確定了利用冷床來批量生產(chǎn)小規(guī)格圓鋼的方案。

3.2 小規(guī)格圓鋼冷床運(yùn)動原理

在生產(chǎn)小規(guī)格圓鋼時，主要采用步進(jìn)回轉(zhuǎn)式冷床，目前，這種類型的冷床主要包括兩種齒板，一種是V 形齒板，另一種是U 形齒板，通過這兩種齒板的交錯運(yùn)動，圓鋼可以在冷床上面做步進(jìn)運(yùn)動。在運(yùn)動過程中，圓鋼主要圍繞自身軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。這時，V 形齒板與U 形齒板分別處于交錯的運(yùn)動狀態(tài)，即V 形齒板向上運(yùn)動，U 形齒板則向下運(yùn)動，V 形齒板向左運(yùn)動，則U 形齒板向右運(yùn)動。比如主軸連動連桿的偏心值為52 mm，那么，連接V 形與U 形齒板的移動梁連桿的偏心值為37.5 mm。在該冷床當(dāng)中，移動梁連接與主軸最近的兩個同形齒板，而離主軸最遠(yuǎn)的大梁則不需要移動梁的連接，主要依靠同形齒板的協(xié)調(diào)作用即可完成整個運(yùn)動過程。在主軸上面，三角形托架連桿連接的偏心與兩個移動梁的偏心始終保持垂直狀態(tài)，當(dāng)搖臂高度達(dá)到52 mm 時，此時的移動梁處于靜止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)達(dá)到37.5 mm 的最大搖臂時，兩個搖臂處于平行狀態(tài)，在這種情況下，V 形與U 形齒板的運(yùn)動轉(zhuǎn)變方程可以表示成=1。當(dāng)冷床處于運(yùn)動狀態(tài)時，U 形齒板比V 形齒板的位置低104 mm，在V 形齒板做向下、向前運(yùn)動時，U 形齒板則做向上、向后運(yùn)動?？紤]到鋼坯材料本身的自重量，當(dāng)V 形齒板與材料接觸以后，V 形齒板左壁將做下滑運(yùn)動，直到觸碰到另一側(cè)壁以后，V 形齒板才停止運(yùn)動。通過對小規(guī)格圓鋼冷床運(yùn)動軌跡的仿真模擬可以看出，小規(guī)格圓鋼在冷床上的運(yùn)動軌跡與運(yùn)動方式幾乎與圓鋼的軋制流程相一致，進(jìn)而可以確定小規(guī)格圓鋼冷床運(yùn)動方案。

3.3 小規(guī)格圓鋼冷床運(yùn)動結(jié)果

小規(guī)格圓鋼在冷床上面運(yùn)動軌跡與圓鋼本身的直徑有著密不可分的關(guān)系，尤其在滾動與滑動運(yùn)動模式兼具的情況下，圓鋼冷床運(yùn)動忽略了多次細(xì)小的碰撞，因此，技術(shù)人員分別針對Φ90 mm 與Φ75 mm 兩種規(guī)格的圓鋼進(jìn)行建模與仿真。正常情況下，Φ90 mm圓鋼在冷床上的運(yùn)動軌跡比較穩(wěn)定，而且冷卻效果相對較好。而通過對Φ75 mm 圓鋼進(jìn)行仿真模擬發(fā)現(xiàn)，這種規(guī)格的圓鋼雖然冷卻效果好，但是其穩(wěn)定性不及Φ90 mm 圓鋼。在極限情況下，即橫向運(yùn)動為48.5 mm、縱向運(yùn)動為33 mm 時，Φ90 mm 圓鋼的穩(wěn)定性與冷卻效果稍差，而Φ75 mm 圓鋼的各項(xiàng)性能指標(biāo)則更加不穩(wěn)定，冷卻效果與正常情況下的冷卻效果相差較大。

4 結(jié)語

隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的日漸成熟，軋鋼生產(chǎn)工藝也不斷得到優(yōu)化和改進(jìn)，尤其在節(jié)能降耗、人員培訓(xùn)、生產(chǎn)管理等方面。通過應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，使鋼鐵企業(yè)的綜合競爭力得到大幅提升。因此，鋼鐵企業(yè)應(yīng)當(dāng)充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢，在給社會各領(lǐng)域提供更多高質(zhì)量軋鋼產(chǎn)品的同時，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益與社會效益雙豐收的美好愿景。