中間坯剪切壓合連接無頭軋制建模仿真研究

蘭 宇，王曉晨，何海楠，袁 雪

（1 馬鞍山鋼鐵股份有限公司四鋼軋總廠，安徽 馬鞍山243000；2 北京科技大學國家板帶生產先進裝備工程技術研究中心，北京100083）

1 前 言

無頭軋制技術的第一次工業化大量應用始于20 世紀 90 年代，經過近 30 a 的發展，ESP（Endless Strip Production）無頭連鑄連軋技術逐漸趨于成熟，因此在國內外新建該類軋線的用戶不斷增多［1］。然而，針對目前國內占據主流地位的常規熱連軋進行改造，實現半無頭軋制的中間坯連接技術，目前仍存在技術瓶頸，亟待解決。

常規熱連軋生產線上進行無頭改造的中間坯連接技術，指經過粗軋后的中間坯在進入后續精軋機組前，利用某種連接手段將各塊單獨的中間坯連接起來成為一個整體，然后再連續的進入精軋機組進行軋制［2］。其意義在于：提高生產率；提高成材率；薄規格帶材生產要求；提高熱軋潤滑效果［3-5］。

日本川崎制鋼公司千葉廠和新日鐵公司大分廠合作研發了感應焊和激光焊的焊接方法實現中間坯的連接，感應焊需加熱帶坯接頭，使接頭處形成加熱區進而實現焊接，激光焊需精確切割帶坯頭部和尾部［6］；意大利達涅利公司研究并開發了棒線材無頭軋制系統，它是世界上第一套以連鑄連軋技術為核心的軋制系統［7-9］；韓國浦項制鐵研究并應用了剪切—壓合的新型連接方式，即帶坯的瞬間固態連接可利用切頭飛剪來實現，該方式工藝簡單，生產效率高［10］；國內一些專家學者也開展了理論研究，國內康永林［11］等研究了疊軋壓合法實現帶料中間坯的連接，該方法工藝簡單，連接強度高；華中科技大學高明等發明一種用于黑卷無頭軋制中的清洗焊接一體化裝置［12］；河北鋼鐵集團有限公司發明了一種用于無頭軋制工藝中的鋼坯固態連接設備［13］。

目前國內擁有常規熱連軋（包括中寬帶）產線120 多條，產能3 億多噸，薄規格產品生產效率、成材率、質量穩定性不夠，厚度＜1.6 mm 的產比不足10%甚至更少；常規熱連軋在現有技術裝備條件下生產薄規格存在明顯瓶頸，若采用中間坯連接設備和成套工藝技術，實現無頭軋制，薄規格產比則可以提高到20%～30%以上，產品大綱拓展，經濟效益顯著［14］。因此，針對常規熱連軋的無頭改造將成為重要的發展趨勢。

現階段，國內關于無頭軋制中間坯連接技術的專門研究較少，對比分析了國內外幾種常見的中間坯連接方法，其中中間坯剪切壓合連接技術具有創新性、工藝過程穩定、效率高、成本低等特點，在國內沒有相關產線且研究不多，因此本文利用金屬塑性變形理論分析中間坯剪切壓合過程中變形及受力情況，建立影響因數及評價指標；利用ABAQUS對中間坯剪切壓合連接過程進行有限元仿真分析，通過對影響因素進行分析，為中間坯剪切壓合技術的推廣應用提供理論支撐。

2 中間坯剪切壓合連接變形過程及受力狀態理論研究

2.1 連接過程分析

金屬快速剪切擠壓連接適用于中間坯固態剪切連接，兩塊金屬板料在模具擠壓作用下發生塑性變形。在金屬的側向流動下，板料寬度方向開始產生側凸并逐漸增大，隨著兩塊板料連接為一塊板料，去頭部位和原板料間的距離逐漸減小，稱此距離為去頭端厚度。因連接后的板料將通過軋輥進行軋制，為了提高軋輥的使用壽命并且保證軋制質量和軋制效率，對于連接后板料的側凸寬度和去頭端厚度有一定的要求。由于鋼坯連接后需去除去頭端，因此在保證坯料連接質量的前提下，要求去頭端厚度越薄越好。側凸寬度過大會造成軋后板帶尺寸超差和內部裂紋，因此側凸大小需要控制在一個合理的范圍內。去頭端和側凸如圖2 a 和圖2 b所示。除此之外，由于在中間坯連接過程中，金屬會釋放大量的熱能，這就會使中間坯連接處溫度迅速升高，金屬原子擴散有助于板料的連接，因此溫度平均值比也作為一個分析指標；最大載荷值的大小決定了在連接過程中設備條件的要求，因此最大載荷也作為一個評價指標。

云游三年，紅腰帶在風影的眼前晃動了三年。他的腦海里有各種各樣的猜想，紅琴到底有沒有去那片林子里，那根紅腰帶是否還掛在樹枝上，風吹雨打，會不會爛斷。那根紅色的帶子上打有一個結，之后一直沒有打結，可他的心中早已經打了七七四十九個結，其實何止這幾個，恐怕是心有千千結了。想來，紅琴又何嘗不是如此，恐怕她比他更甚。這些年來，如果她去林子里找他，或者直接去寺院里找他，見不到他又會怎么樣，他不敢往下想。

2）在設置材料參數時，除了基本的材料參數，如密度（Density）、楊氏模量與泊松比（Elastic）、應力應變（Plastic）外，還需要設置與傳熱相關的參數，如熱導率（Conductivity）、比熱（Specific Heat）、熱膨脹率（Expansion）、產熱系數（Heat Generation），除此之外，由于板料在連接過程中，會產生很大的塑性變形，需要考慮塑性功，因此需要設置非熱彈性系數（Inelastic Heat Fraction），且由于連接過程在高溫下進行，為了增加計算的準確性，因此材料的各參數需設置為與溫度相關。

圖1 中間坯剪切壓合連接過程示意圖

中間坯剪切連接無頭軋制，是通過粗軋后相鄰的兩塊中間坯頭尾相接，通過模具快速剪切擠壓實現連接的一種獨特的連接方式。其過程大體分5個步驟：前后兩塊坯料以一定的速度在輥道上運動；高壓水除磷后，后邊的坯料追趕前邊的坯料，實現搭接；模具上下刀進行快速擠壓連接；切除連接后多余的部分；進入軋輥進行軋制。過程示意圖如圖1所示。

圖2 去頭端厚度與側凸

2.3 關鍵參數分析

如圖3所示，在平面構造等深圖氣水過渡帶內有一口直井，同時鉆遇了氣層、氣水同層和水層，井位處于圖1中的③區（圖3中陰影部分）。該井某一地層頂面海拔深度為 -5 100m，氣層頂面為G點，氣水同層頂面為F點，氣水同層底面為B點，儲層底面為H點。氣水同層頂面與氣層的底面交點D點在平面上的投影對應氣水內邊界線，該投影線與氣層頂面交點為E點，投影線的反向延長線與氣水同層底面交點為C點，氣水同層底面與氣層底面交點A點在平面上的投影對應氣水外邊界線。

根據剪切壓合連接過程，確定影響參數7 個，主要分為剪切設備參數與工藝參數，其中模具參數包括：刃口寬A（mm）、止料刃高度H（mm）、止料刃圓角R（°）等，工藝參數包括搭接量B（mm）、壓下量L、壓下速度V（mm/s）、剪切溫度T（℃），見圖3。

圖3 剪切設備參數與工藝參數示意圖

搭接量取值在3～15 mm 范圍內，隨著搭接量的增加，4個評價指標整體都有增大趨勢，其中平均溫度值和側凸值的變化幅度不大。隨著壓下量的增加，側凸和溫度逐漸增加，變化幅度較大，最大載荷逐漸增加，到20 mm 以后趨于穩定，去頭端厚度逐漸減小。隨著速度增大，最大載荷值逐漸增大，側凸值變化緩慢，去頭端厚度值先減小再增加，在速度為60 mm/s 時去頭端厚度值最小；隨著速度增加，變形總的能量增加，中間坯溫度升高明顯；隨中間坯溫度增加，側凸和去頭端厚度逐漸增大，最大載荷減小且變化幅度較大，中間坯溫度升高較小，溫升減小。

板料變形過程分為2 個階段：塑性變形階段和剪切連接階段。各階段板料變形如圖4 所示。開始時，刃口咬入板料，發生塑性變形。隨著刃口咬入加深，板料開始發生剪切變形，刃口處質點受三向壓應力狀態。之后，隨著上模刃口繼續向下運動，板料開始產生鐓粗變形，此時剪切變形和鐓粗變形同時進行。當刃口壓入一定距離后，鐓粗變形成為板料變形的主要變形方式，同時結合面與刃口的角度增大，在止料刃作用下，結合面上的質點受板料長度方向壓應力的影響，在板料長度方向的變形被抑制，而結合面處質點在兩向壓應力作用下，板料在寬度方向產生鐓粗變形。最后，隨著壓下量繼續增大，兩塊板料在剪切變形和鐓粗變形的同時作用下連接在一起。

圖4 中間坯變形過程

3 中間坯剪切壓合連接過程的有限元模型建立

為了節省材料，降低試驗成本，板料尺寸不宜過大，為了保證兩塊板料有效連接到一起且獲得良好的連接質量，本文研究所用材料為Q235鋼，中間坯尺寸為220 mm×45 mm×20 mm，連接溫度為980 ℃，其他參數如表1所示。

1）由于在板帶連接過程中，板帶與切頭均為高溫，塑性變形會產生熱量，而溫度又影響材料性能，因此必須同時求解熱-力場。同時，基于變形過程為大變形，高速沖擊的特點，模型分析步采用動力顯示的完全熱力耦合方式（Dynamic，Temp-disp，explict）。

表1 其他參數取值

根據長搭接剪切壓合連接的連接特點及實際生產條件等，建立長搭接剪切壓合的仿真計算模型。在利用ABAQUS建立該計算模型時，應該注意以下幾點：

電廠汽輪機在檢修維護中涉及了較多的作業內容，其中主要的幾類檢修維護內容為：葉輪的檢修及維護、汽輪機異響，振動現象的檢修及維護、汽輪機凝汽器的檢修及維護、汽輪機油系統的檢修及維護、汽輪機大軸的檢修及維護。

2.2 評價指標建立

3）由于網格單元數越多，則所需時間成本越高，因此在保證運算準確性的前提下，應該盡量減少網格單元數量。模型計算各階段的云圖見圖5。

圖5 中間坯連接處仿真模型計算示例

從應力云圖可以看出，兩塊中間坯的等效應力主要集中在上下剪切設備重疊區域，呈比較寬的帶狀分布，當中間坯該處的等效應力比屈服強度大時，中間坯連接區域開始進入塑性變形狀態。上下兩塊中間坯刃口部分的等效應力值與其余部分相比較，其值明顯較大，該區域是整個變形的集中區域。隨著剪切設備的繼續運動，中間坯變形進入剪切變形階段，等效應力相對于前一階段更集中。兩塊中間坯的連接面被拉長，連接面的連接面積增加，有利于連接的實現。同時伴隨著去頭端厚度值減少，中間坯連接處廢料被切斷。

4 單因素對板料連接的影響研究

處理有限元仿真結果，繪制各工藝參數對評價指標的影響規律趨勢圖，如圖6所示。

4.1 工藝參數對中間坯連接的影響

校園中心區景觀 ：圖書館是主校區景觀雙軸的交叉點，與其周邊空間所構成的空間序列，形成了校園中心區景觀，圖書館既是校園的建筑中心，又是校園景觀的核心，校園形象景觀的重點內容。

根據前期查閱相關文獻以及熱連軋生產線實際生產情況，對各工藝參數進行5 個水平的模擬，各工藝參數的取值范圍如表2所示。

表2 各工藝參數的取值范圍

為保證結合處有足夠連接強度、剪切過程容易落料且壓合處寬展不影響順利進入精軋機組，應對剪切設備參數與工藝參數進行優化設計。基于以上分析，應建立多工況有限元仿真模型，分析各影響參數對結合處中間坯的評價指標影響規律，確定最優化剪切設備參數與工藝參數，為中間坯連接方案設計提供技術支撐。

2.4.1 灰色關聯度法分析[8] 采用matlab對木香藥材中指標性成分的含量（木香烴內酯、去氫木香內酯、揮發油）進行灰色關聯分析得到各省樣品的相關度，結果如圖2所示，各樣品相對關聯度質量優劣排序結果如表2所示。由表2各樣品相對關聯度質量優劣排序結果可以看出，不同產地木香平均關聯度介于0.46～0.56，且云南＞廣東＞廣西＞湖南＞四川＞亳州＞北京＞河北，云南品質最優，符合木香藥材的道地性，收集的樣品質量有一定的差異，可能與藥材的地理環境，生長環境等有關。

圖6 各工藝參數對評價指標的影響規律

2.4 中間坯變形過程分析

4.2 剪切設備參數對中間坯連接的影響

此外，不依照所規定要求及標準，隨意使用抗生素、不控制抗生素的使用含量，不僅會使得相應細菌的耐藥性大幅度提升，也會導致相應機體倡導內的菌群不斷趨于紊亂化，進而引發二重感染，包括寄生蟲病，例如羊鉤蟲病；羊感染性傳染病，例如結核病以及口蹄疫等。其他器官的疾病，包括牙齒、肺臟等患病，也可能導致羊患胃腸炎。

根據前期查閱相關文獻以及熱連軋生產線實際生產情況，對各剪切設備參數進行5個水平的模擬，各工藝參數的取值范圍如表3所示。

表3 各模具參數的取值范圍

處理有限元仿真結果，繪制各工藝參數對評價指標的影響規律趨勢圖，如圖7所示。

某調蓄水池位于壺關縣，工程級別為Ⅲ等3級，總容積14萬m3，地面高程為970.0～975.0 m，場地地基持力層為低液限粉土，結構較松散，為弱—中等透水層，場地為自重濕陷性，地基濕陷等級為Ⅱ等（中級），濕陷土層下限深度12 m。

（1）刃口寬的影響規律：去頭端厚度與側凸值在刃口寬為30mm 時達到最小值，溫度緩慢增加，最大載荷先增加然后緩慢減小最后又逐漸增加；

（2）阻料刃高度的影響規律：止料刃高度在4～8 mm，側凸、去頭端厚度、溫度平均值以及最大載荷值的變化不明顯，因此可以認為在該取值范圍內，止料刃高度的值對中間坯連接后的評價指標影響較小，后續分析可以不考慮該指標的影響；

（3）止料刃圓角的影響規律：當止料刃圓角的取值范圍在0°～2°時，止料刃圓角的大小對中間坯連接處評價指標的影響較小，可以忽略不計。

展會還將與中國食品和包裝機械協會、中國包裝和食品機械有限公司以及上海博華國際展覽有限公司共同主辦的“上海食品加工與包裝機械展覽會聯展”以及上海博華旗下的“健康天然原料、食品配料中國展”“上海國際淀粉及淀粉衍生物展覽會”等，貫通農業生產、原材（配）料生產、加工、包裝、物流……食品全產業鏈上下游的多個細分領域專業展會同期舉辦。除此之外，以“走進美麗鄉村，體驗農游樂趣”為主題的“2019長三角休閑農業和鄉村旅游博覽會”也將與鄉村振興農技展同耀上海國家會展中心。

5 結 論

5.1 詳細說明了中間坯剪切壓合連接的連接過程，確定了影響中間坯剪切壓合連接的工藝參數與模具參數，基于塑性變形理論，將剪切連接變形過程分為塑性變形和剪切連接兩個階段，整個變形過程中剪切變形和鐓粗變形同時進行，隨壓下量增大，兩塊板料最終連接在一起。

到底為什么會有屋面曲線的設計？因為歷史上沒有文字記載，大家都在議論與猜測，如果你有更科學的解釋，請記得告訴我呀！

5.2 針對 Q235 鋼，在 980 ℃下，利用 ABAQUS 建立了中間坯剪切壓合連接的仿真計算模型，得到了中間坯連接處的應力場、溫度場，分析了中間坯連接處應力、溫度變化的原因。

圖7 各剪切設備參數對評價指標的影響規律

5.3 基于多工況有限元仿真模擬，得到各工藝參數與模具參數對中間坯連接處變形形態、溫度、去頭端厚度的影響規律。