計算機仿真技術在軋鋼工藝中的應用研究

王 鐸

（山東省冶金設計院股份有限公司，山東 濟南 250101）

在國民經濟持續穩步增長的宏觀背景下，社會各領域對鋼材的需求量與日俱增，同時對鋼材產品的生產精度與質量也提出了更高的要求，計算機仿真技術給軋鋼產品的設計與制造提供了強大的技術支撐。過去，應用傳統的軋鋼工藝時，因軋件本身質量有著較為嚴重的分層現象，并且冷卻效果較差，以至于殘余應力對構件的變形、穩定性、抗疲勞性能都會產生不利影響。此外，也很難控制軋件的厚度與精度，進而嚴重影響了軋件質量。應用計算機仿真技術以后，這一狀況得到有效改善，借助于計算機仿真軟件，技術人員可以精準模擬出軋鋼工藝模型，參照系統模型還能夠準確分析出影響軋件質量的各種因素，進而能夠及時調整設計與制造方案，生產出更多高質量的軋鋼產品。

1 軋鋼工藝與計算機仿真技術概述

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格，進而生產出滿足用戶需求的鋼材產品，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原料，經過加熱爐加熱、高壓水除磷、精軋與終軋等工序，得到熱軋鋼板、軋鋼卷、縱切帶等熱軋產品。而冷軋工藝則以熱軋鋼卷為主要原料，經過酸洗去除氧化皮后進行冷連軋，使鋼卷的強度、硬度、韌性、塑性指標發生改變，進而生產出一些簡單的零部件，通過冷軋工藝得到的鋼板質量及外觀形態均優于熱軋鋼板。近年來，隨著信息技術的迅猛發展，軋鋼工藝的自動化、智能化制造水平越來越高，尤其是計算機仿真技術在軋鋼生產中的廣泛應用，不僅解決了軋鋼產品精度低的問題，同時縮短了生產制造周期，給鋼鐵企業創造了豐厚的經濟效益[1]。

1.2 計算機仿真技術

計算機仿真技術主要是以計算機和各種物理效應設備為工具，利用系統模型對實際的或設想的系統進行試驗研究的一門綜合性技術，在軋鋼生產中應用該技術，首先需要建立一個系統模型（見圖1），然后對模型當中的各項參數指標進行分析、評價，進而制定一套產品精度高、生產周期短、節能效果好的鋼坯軋制方案。計算機仿真技術最為顯著的一個特征是不受外界環境因素的影響，并且能夠隨時改變時間比例尺。

圖1 計算機仿真技術系統模型

2 計算機仿真技術在軋鋼工藝中的具體應用

2.1 計算機仿真軟件

科研人員結合軋鋼工藝流程，研制開發出了適用于軋鋼生產流程的計算機仿真軟件，其中，最為常用的仿真軟件是CIMS，即計算機集成制造系統，應用該系統能夠對產品的設計流程及生產制造流程進行仿真模擬，在應用該系統前，首先需要將設計計劃及工藝路徑等內容以表格的形式輸入到系統當中，然后利用仿真模擬器，構建一個設計與生產工藝仿真模型，技術人員根據這一模型，能及時對軋件的規格與尺寸參數進行調整，從而改善軋件性能，提高軋制產品精度。CIMS 系統借鑒了計算機輔助設計與計算機輔助制造的特點，通過CAD 輸出產品的設計信息，技術人員可以直接將這些信息傳輸到計算機輔助加工工藝的規劃系統當中，進而形成一個精確的刀位軌跡文件。為了保證產品加工精度，在軋制過程中，每一次對鋼坯進行切削前，都需要進行一次試切削，這就使得研發周期大大延長，生產成本增加，而通過運用CAM/CAD的集成技術，能夠檢驗NC 代碼的正確性及切削加工精度，進而無需經過試切削便可完成產品的加工流程[2]。

2.2 計算機仿真技術在軋鋼生產節能領域的應用

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，為了避免這種現象的發生，近年來，鋼鐵企業將計算機仿真技術與軋鋼生產工藝融合到一起，通過對加熱爐、軋件的仿真建模，技術人員可以隨時對加熱爐的各項參數進行調整，進而大大減少了加熱爐的空氣耗量與煤氣燃料的消耗量，據現場實驗數據表明，應用計算機仿真技術，熱軋工藝流程的能耗量將降低20%以上。

3 計算機仿真技術在軋鋼工藝中的應用實例

3.1 小規格圓鋼冷床運動模型

目前，社會各領域對Φ110 mm 小規格圓鋼產品的需求量變大，在這種形勢下，如果采用傳統的冷軋工藝，將無法滿足鋼材市場對小規格圓鋼產品的需求。因此，鋼鐵企業的相關技術人員通過對小規格圓鋼在冷床上的運行機理進行分析，借助于計算機仿真技術，建立了一個小規格圓鋼冷床運動模型，通過現場仿真實驗，確定了利用冷床來批量生產小規格圓鋼的方案。

3.2 小規格圓鋼冷床運動原理

在生產小規格圓鋼時，主要采用步進回轉式冷床，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動，圓鋼可以在冷床上面做步進運動。在運動過程中，圓鋼主要圍繞自身軸進行旋轉。這時，V 形齒板與U 形齒板分別處于交錯的運動狀態，即V 形齒板向上運動，U 形齒板則向下運動，V 形齒板向左運動，則U 形齒板向右運動。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。在該冷床當中，移動梁連接與主軸最近的兩個同形齒板，而離主軸最遠的大梁則不需要移動梁的連接，主要依靠同形齒板的協調作用即可完成整個運動過程。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，當搖臂高度達到52 mm 時，此時的移動梁處于靜止狀態，當達到37.5 mm 的最大搖臂時，兩個搖臂處于平行狀態，在這種情況下，V 形與U 形齒板的運動轉變方程可以表示成=1。當冷床處于運動狀態時，U 形齒板比V 形齒板的位置低104 mm，在V 形齒板做向下、向前運動時，U 形齒板則做向上、向后運動。考慮到鋼坯材料本身的自重量，當V 形齒板與材料接觸以后，V 形齒板左壁將做下滑運動，直到觸碰到另一側壁以后，V 形齒板才停止運動。通過對小規格圓鋼冷床運動軌跡的仿真模擬可以看出，小規格圓鋼在冷床上的運動軌跡與運動方式幾乎與圓鋼的軋制流程相一致，進而可以確定小規格圓鋼冷床運動方案。

3.3 小規格圓鋼冷床運動結果

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

4 結語

隨著計算機仿真技術的日漸成熟，軋鋼生產工藝也不斷得到優化和改進，尤其在節能降耗、人員培訓、生產管理等方面。通過應用計算機仿真技術，使鋼鐵企業的綜合競爭力得到大幅提升。因此，鋼鐵企業應當充分發揮計算機仿真技術的應用優勢，在給社會各領域提供更多高質量軋鋼產品的同時，實現經濟效益與社會效益雙豐收的美好愿景。