破鱗拉矯機工藝參數在線設定方法

王建兵 常鐵柱

（中冶京誠工程技術有限公司 北京 100176）

1 前言

合理的破鱗拉矯機工藝參數設定是解決酸洗線帶鋼破鱗和板材板形的基本前提條件，這也是酸洗、鍍鋅等生產線上拉矯機設計的理論依據［1－2］。為解決破鱗拉矯機設計和現場調試過程中遇到的工藝參數設定問題，本文探討一種可行的破鱗拉矯機工藝參數在線設定方法。

2 有限元建模

破鱗拉矯機的彎曲輥組（1＃輥和2＃輥）和矯直輥組（L輥）按相對位置分布示意如圖1所示。其中1＃和2＃彎曲輥組的工作輥直徑為80mm，L輥組工作輥直徑為80mm。

圖1 某廠酸洗線破鱗拉矯機結構圖

通過對破鱗拉矯機圖紙的實際尺寸計算和初步分析，建立有限元模型如下：

2.1 模型約束

帶鋼右端：制定位移；

帶鋼左端：施加載荷（張力）；

1＃輥和2＃輥組的下輥以及L輥向上位移：給定出入深度；

所有輥與帶鋼施加接觸約束。

2.2 模型參數

模型參數設定如下：

考慮到彎曲輥和矯直輥都有支撐輥支撐，因此，所有輥組給定為剛性，不考慮彈性變形；

時間表參數：輥組先壓下，然后帶鋼運行依次通過各個輥組進行拉伸彎曲矯直；

材料取普碳鋼：彈性模量200GPa，屈服應力350MPa，柏松比0.3，抗拉強度為550MPa，斷裂延伸率為21%，材料為各向同性材料；

考慮到板寬對帶材延伸率和張應力并無顯著影響，因此，寬度方向僅分布三個節點；

單元大小為4mm×5mm（長×寬），單元厚度方向分5層以便分析延伸率沿厚度的分布規律。

2.3 有限元模型

采用通用有限元軟件建立的有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元幾何模型

2.4 帶材上下表面延伸率分布

模型中，將帶材厚度方向布置5層，取出第1層和第5層結點的延伸率歷史變形，如圖3所示。從圖3可以看出，帶材上下表面材料隨著其蛇形穿行過各個彎輥輥組和矯直輥組時發生了交替延伸和壓縮，這也解釋了破鱗拉矯機的拉矯延伸原理和破鱗機制。即破鱗拉矯機在張力拉伸作用和彎輥矯直輥的強制彎輥作用下使得帶材斷面上延伸零點層偏離厚度幾何中心（拉彎組合使帶材受延伸的厚度大于受壓縮的厚度），從而獲得帶材截面整體延伸，而上下帶材表面在穿行彎輥輥組時延伸率的交替變化更容易破裂帶材表面的氧化鐵皮，起到去除和剝離氧化鐵皮的效果。

圖3 帶材上下表面延伸率歷史變形

3 破鱗拉矯機工藝參數設定研究

拉伸彎曲矯直是使帶鋼在遠小于材料屈服極限的張應力作用下通過相互交錯的輥子而產生塑性變形，從而實現板形矯正、破鱗和消除材料屈服平臺等目的的帶鋼處理工藝。對于酸洗拉矯機而言，破除帶鋼表面氧化層是其首要的工藝需求，因此，破鱗是主要考慮的技術要求；其次就是板形的矯正能力。在現有破鱗拉矯機結構條件下，如何合理的設定拉矯工藝參數（包括延伸率、張力、插入量）達到破鱗和消除板形的工藝目的就成為了破鱗拉矯機應用技術研究的關鍵。

采用破鱗拉矯機進行帶鋼表面氧化鐵皮處理時，帶鋼在拉伸和彎曲作用下使得氧化鐵皮層中較疏松的組織脫落，而使得較致密的氧化層組織產生裂紋。一般而言，隨著帶鋼延伸率的增加，帶鋼表面的氧化鐵皮破碎的程度也增加，從而提高了酸洗的效率。然而，延伸率的增加對破鱗效果存在一個飽和點，即延伸率增加到某一水平后，破鱗效果將不再明顯，因此，盲目的增加延伸率不僅造成了破鱗拉矯機前后張力輥電機能力的浪費，還將容易引起帶鋼打滑而對設備安全構成威脅。相關文獻研究了延伸率合理的設定值［3－6］。劉現翠等［5］對現場酸洗帶鋼的跟蹤觀測發現，當拉矯機延伸率達到0.4%時，成品鋼板表面的氧化鐵皮已經消除，且無表面凹坑和氧化鐵皮嵌入鋼板等缺陷，因此，保證拉矯延伸率達到0.4%時就可以滿足產品的表面質量要求。

一般認為，破鱗拉矯機原始設計延伸率愈高愈有利于滿足機組的工作要求，上述理論研究及實測分析表明，這種看法是片面的。根據破鱗效果來看，1%的延伸率設定值已經達到飽和值，而從現場使用情況來看，0.4%的延伸率已能達到產品表面質量要求。因此，兼顧設備安全性和電機能力的合理利用方面考慮，對于屈服點較高的“硬”材質和厚規格帶鋼（厚規格帶鋼張力設計值較?。┍ＷC0.4%的延伸率即可獲得良好的破鱗效果；對于屈服點較高的“軟”材質和薄規格帶鋼拉矯延伸率達到1%即可，這樣既能保證難拉矯帶材的破鱗效果，又兼顧了設備的經濟性問題。

3.1 工藝參數設定范圍

根據上述分析和現場破鱗拉矯機使用經驗，初步確定酸洗線拉矯機的主要工藝參數設計值范圍，如表1所示。

表1 酸洗拉矯主要工藝參數確定表

3.2 工藝參數關系模型的建立

為節省有限元計算機時間，同時又能合理、科學的建立破鱗拉矯機各主要工藝參數之間的關系模型，根據拉矯機主要工藝參數的設定范圍，采用正交實驗對有限元計算工況進行優化處理。

由于本次實驗有6個因素，每個因素有三個水平，所以擬用L18（36）正交表，如表2所示。

表2 實驗因素水平表

對應表2的正交實驗安排，通過有限元計算了48組數據，獲得了延伸率與其他拉矯工藝參數列表。選擇逐步回歸法建立因變量和自變量的回歸系數。

通過這些影響帶材延伸率的強相關因素分析可知：因變量為帶鋼在拉伸彎曲矯直過程中所獲得的延伸率ε，自變量為1＃彎曲輥組設定的插入深度δ1、2＃彎曲輥組設定的插入深度δ2、入口帶鋼平均張應力σ1、帶鋼的厚度h、帶鋼的屈服應力σs以及它們對延伸率的可能影響形式為：

通過回歸得到帶鋼延伸率和其他參數的關系式：

式中：δ1—1＃彎曲輥組設定的插入深度，mm；

δ2—2＃彎曲輥組設定的插入深度，mm；

δ3—L矯直輥組設定的插入深度，mm；

σ1—對帶鋼所施加的張應力，MPa；

σs—材料屈服應力，MPa；

h—帶鋼的厚度，mm。

該數學模型的回歸系數平方值為R2=0.82（R相關系數），在工程上，此誤差是可以接受的，因此，所得到的回歸關系是可信的。

同樣，用這種方法也可以建立張應力的預測模型。

4 結論

通過破鱗拉矯機工藝參數設定分析獲得了如下幾點主要結論：

1）根據破鱗拉矯機現場實踐經驗和理論分析，對拉矯機破鱗所需延伸率、矯正板形所需延伸率、彎曲輥輥徑和插入量、矯直張力范圍等主要工藝參數的使用范圍進行了總結和歸納，確定了破鱗拉矯機主要工藝參數的合理區域，為破鱗拉矯機的選型和結構設計提供了參考依據。

2）通過正交實驗原則和有限元分析獲得不同帶鋼規格、材質、插入量、張力和延伸率的關系數據，并采用回歸分析手段建立了破鱗拉矯機延伸率和張應力預測數學模型，該模型可作為現場在線工藝參數設定的數學模型，同樣對拉矯設備的設計具有重要的參考價值，如根據極限規格帶材的拉矯張力損失確定拉矯設備的電機扭矩參數等。