熱軋帶鋼圓盤剪剪切過程中廢邊受力研究

張康武，景群平，李 偉，董航喆，呂陽陽

(1.中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032；2.遼寧忠旺集團有限公司設備部，遼寧 遼陽 111003；3.燕山大學，河北 秦皇島 066004)

0 前言

在熱軋帶鋼的生產過程中，帶鋼邊部經常會由于金屬流動特性的原因造成邊部減薄問題，圓盤剪作為熱軋帶鋼生產線上的關鍵設備之一，通常設置在帶鋼的剪切線上，用來剪切帶鋼邊部，改善帶鋼的邊部質量[1-4]，而剪下的那一部分帶鋼則被稱為廢邊。廢邊通過圓盤剪剪刃下面的溜槽進入碎邊剪，經剪碎后再通過導槽進入廢料倉。廢邊的運行通常是不規律的，不但會造成溜槽磨損嚴重，而且還容易在圓盤剪與溜槽銜接處或在溜槽內部造成不同程度的堵倉現象，甚至需要停機修理，影響工作效率和企業效益。傳統現場對于熱軋帶鋼圓盤剪的研究主要集中于剪切力、剪切功率的計算以及間隙與重疊量的設置等[5-8]，而對廢邊受力的研究則較少。本文采用分析廢邊的運行機理與有限元模擬結合的方法，對廢邊在剪切過程中的受力展開研究。

1 熱軋帶鋼圓盤剪剪切過程中廢邊運行機理分析

熱軋帶鋼圓盤剪是依靠上下兩個圓盤形剪刃在連續旋轉中，對帶鋼邊部進行滾動剪切，帶鋼速度等于剪刃做圓周運動的速度，隨著帶鋼的運行，上下刀刃的帶鋼不斷被擠壓切入，使板帶材料發生塑性變形直至切斷[9-10]，剪切狀態如圖1、圖2所示。為了保證板邊的脆性切斷，上下剪刃必須有足夠的重疊量Δ，Δ一般以帶鋼的厚度h的1/3左右為宜。由于Δ的存在，板邊剪切中產生向前下方的作用力，邊部斷裂時由于剪切應力作用，板邊會伴有向外側及下側彎曲[11]。

圖1 板邊切斷時的狀態

圖2 廢邊運行狀況

熱軋帶鋼經圓盤剪切邊后，為了有效快速的收集廢邊，剪下的廢邊會隨著帶鋼的運行，進入與圓盤剪剪刃相配合的溜槽，通過碎邊剪剪碎后進入料倉。廢邊在溜槽內會先與溜槽上板發生滑動摩擦，在受到的合力的作用下首先發生彈性變形，當達到帶鋼的屈服強度后，廢邊會發生塑性變形，帶鋼不斷的重復發生形變，圖3為應力應變曲線。之后廢邊通過碎邊剪，碎邊剪將廢邊連續切碎，然后再通過溜槽底部，進入廢料倉，圓盤剪與溜槽的位置關系如圖4所示。

圖3 應力應變曲線

圖4 圓盤剪與溜槽的位置關系

在圓盤剪的剪切過程中，廢邊從開始接觸溜槽上導板到被傳送到碎邊剪會經歷兩個階段。撞擊階段和彎曲變形階段，撞擊階段如圖5所示。

圖5 撞擊階段受力示意圖

經過圓盤剪剪下的廢邊頭部是微微向下彎曲的，隨著帶鋼的運行，廢邊頭部率先碰到溜槽頂部，在溜槽的任意一點，廢邊受到溜槽對其的推力和溜槽導板對其的作用力，隨著廢邊向后移動，上導板對廢邊的作用力逐漸增大，并向廢邊的反方向轉移，而合力的方向則逐漸偏離廢邊的運動方向，指向溜槽底部，廢邊在合力的作用下發生彈性變形。彎曲變形階段，如圖6所示，廢邊由于剛度小，在不斷前進的過程中受到的作用力不斷增大，隨著變形量的不斷積累，如果達到帶鋼的屈服強度，就會發生塑性變形；隨著帶鋼不斷運行，廢邊產生塑性變形的彎曲部位與溜槽的上表面繼續接觸受力，然后不斷的在溜槽內發生彈性變形，進而產生塑性變形，就會產生波形折疊，然后隨著帶鋼的運行，廢邊被傳送到碎邊剪處[12-14]。

圖6 彎曲變形階段受力示意圖

2 典型規格熱軋帶鋼剪切過程受力模擬

本節利用有限元分析軟件ANSYS[15]對帶鋼剪切過程及剪切下的廢邊在溜槽內的受力和變形進行模擬，并對模擬結果進行詳細分析。

帶鋼材料在剪切過程中包含彈性變形過程和塑性變形過程，而且還伴隨著剪切斷裂過程，本文采用非線性彈性模型中的隨動塑性材料模型[16-17]。為了縮短時間，簡化分析過程，本文將刀軸何刀盤視為剛體，因此在建模過程中只需建立上下刀盤的模型[18-19]，材料為合金工具鋼Cr12MoV[20]，設置帶鋼速度為2 000 mm/s,刀盤圓周速度為95.5 r/min。簡化模型如圖7所示。

圖7 圓盤剪剪切簡化模型

為了縮短計算時間，因此將帶鋼尺寸減小，本文模擬所用帶鋼尺寸為1 000 mm×100 mm的兩個典型規格產品進行模擬。其中，1#典型規格產品的厚度為2.1 mm；2#典型規格產品厚度為4 mm。兩個典型規格產品所剪下的廢邊寬度均為10 mm，帶鋼材料均為45#鋼，其材料參數見表1。

表1 45#鋼的材料參數

2.1 典型規格熱軋帶鋼廢邊剪切過程受力模擬

如圖8、圖9所示，分別給出1#及2#典型規格的帶鋼在不同時段廢邊的力學狀態。

圖8 1#典型規格產品廢邊剪切過程受力圖

圖9 2#典型規格產品廢邊剪切過程受力圖

從圖8及圖9所示的典型規格產品在剪切過程中廢邊的等效應力分布云圖可以看出：塑性應變只出現在剪切區范圍內，離剪縫較遠的邊部未發現塑性變形，剪切斷面縫隙處的等效應力達到最大值，隨著剪切的進行，最大應力向前擴展，始終在與剪刃接觸處，剪切結束后帶鋼及剪切斷面依然存在著一定的殘余應力，這也同實際的剪切過程的帶鋼受力情況一致，應力由剪縫向兩邊逐漸減小，帶鋼邊部的等效應力最小。由圖可以看出帶鋼被剪刃剪切后，帶鋼向上翹曲，在實際剪切過程中由于有壓輥的存在會抵消掉帶鋼向上翹曲的力[20]。剪切后的廢邊向下運動，隨著剪切時間和廢邊長度的增加，由于自身重力的原因，廢邊頭部會出現輕微的向下彎曲，與圓盤剪實際剪切現象基本類似。

2.2 典型規格熱軋帶鋼廢邊溜槽內的受力模擬

為了模擬出不同厚度的典型規格產品在剪切過程中廢邊進入溜槽之后的狀態，如圖10～圖15所示，給出1#、2#典型規格產品的廢邊進入溜槽內的三個典型位置的應力應變狀態及接觸狀態。在模擬過程中，為了減少計算容量對溜槽只建立接觸部分，設定溜槽參數：溜槽兩板間的距離為80 mm，長度為2 000 mm，與水平面的角度為30°；設定廢邊參數：長1 000 mm，寬10 mm，只建立初始進入溜槽的部分；設定圓盤剪剪刃參數：剪刃直徑為400 mm，剪口距離溜槽30 mm。

圖10 1#典型規格產品廢邊剛接觸到溜槽時的應力及應變圖

圖11 1#典型規格產品廢邊與溜槽接觸后前端向下位移為70 mm時的應力及應變圖

圖12 1#典型規格產品廢邊與溜槽上板出現較大程度的貼合時的應力及應變圖

圖13 2#典型規格產品廢邊剛接觸到溜槽時的應力及應變圖

圖15 2#典型規格產品廢邊與溜槽上板出現較大程度的貼合時的應力及應變圖

對于1#典型規格產品而言，如圖10所示，廢邊頭部接觸到溜槽，先撞擊溜槽上板，產生了較大的碰撞力為48 MPa；由圖11可以看出，廢邊頭部在力的作用下，出現彎曲變形，此時變形為彈性變形，廢邊頂端在溜槽內摩擦滑行，對上板的作用力降為30 MPa；從圖12可以看出，廢邊與溜槽接觸增大，出現貼合，對溜槽上板的作用力穩定在8 MPa左右，隨著廢邊繼續接觸溜槽，廢邊達到屈服后，發生了塑性變形，此時貼合長度為210 mm，并且隨著過程進行，貼合長度增加。與此同時，對于2#典型規格產品而言，如圖13所示，運行的廢邊頭部撞擊到溜槽上板，產生了較大的碰撞力為94 MPa；從圖14可以肯出，廢邊頭部在合力的作用下產生彈性變形，出現彎曲現象，然后廢邊頂端在溜槽上板摩擦滑行，對上板的作用力降為56 MPa；從圖15可以看出，廢邊與溜槽接觸增大，出現貼合，對溜槽上板的作用力穩定在16 MPa左右，隨著廢邊繼續接觸溜槽，廢邊達到屈服后，發生了塑性變形，此時貼合長度為163 mm，并且隨著過程進行，貼合長度增加。

2.3 模擬結果分析

通過有限元法對兩種典型規格產品的廢邊在溜槽內應力應變及接觸狀態的模擬，根據模擬出的等效應力應變云圖，分析總結出以下幾點結論：

(1)廢邊在溜槽內的受力主要集中在剛接觸到溜槽上板的時候，反之，溜槽前段容易受到撞擊和磨損。

(2)隨著被剪切帶鋼厚度的增加，廢邊頭部對溜槽上板的撞擊力增加，增大了對溜槽上板的的磨損；

(3)隨著被剪切帶鋼厚度的增加，廢邊剛度增大，在溜槽反作用力下不易產生形變，廢邊與內壁的貼合程度減小。

3 結論

(1)通過對熱軋帶鋼圓盤剪剪切過程中廢邊受力的分析，得到了帶鋼在剪切斷裂過程中和廢邊在溜槽內運行過程中的應力及應變的變化，以及廢邊的運動規律，為圓盤剪關鍵技術的研究提供理論依據，也為實際生產中剪切工藝參數的制定和優化提供科了學依據；

(2)圓盤剪剪切帶鋼過程中，剪切應力最大的部位是剪縫附近，且應力由剪縫向兩邊逐漸減??；

(3)廢邊對溜槽最大的作用力發生在剛碰撞到溜槽上板的位置，在發生一系列的彈性變形和塑性變形后，廢邊在溜槽內貼合，并摩擦滑行，作用力處于穩定狀態；隨著被剪切帶鋼厚度的增加，廢邊剛度增大，廢邊頭部對溜槽上板的撞擊力增加，貼合長度減小，且對溜槽上板的磨損增加。