破鳞拉矫机工艺参数在线设定方法

王建兵 常铁柱

（中冶京诚工程技术有限公司 北京 100176）

1 前言

合理的破鳞拉矫机工艺参数设定是解决酸洗线带钢破鳞和板材板形的基本前提条件，这也是酸洗、镀锌等生产线上拉矫机设计的理论依据［1－2］。为解决破鳞拉矫机设计和现场调试过程中遇到的工艺参数设定问题，本文探讨一种可行的破鳞拉矫机工艺参数在线设定方法。

2 有限元建模

破鳞拉矫机的弯曲辊组（1＃辊和2＃辊）和矫直辊组（L辊）按相对位置分布示意如图1所示。其中1＃和2＃弯曲辊组的工作辊直径为80mm，L辊组工作辊直径为80mm。

图1 某厂酸洗线破鳞拉矫机结构图

通过对破鳞拉矫机图纸的实际尺寸计算和初步分析，建立有限元模型如下：

2.1 模型约束

带钢右端：制定位移；

带钢左端：施加载荷（张力）；

1＃辊和2＃辊组的下辊以及L辊向上位移：给定出入深度；

所有辊与带钢施加接触约束。

2.2 模型参数

模型参数设定如下：

考虑到弯曲辊和矫直辊都有支撑辊支撑，因此，所有辊组给定为刚性，不考虑弹性变形；

时间表参数：辊组先压下，然后带钢运行依次通过各个辊组进行拉伸弯曲矫直；

材料取普碳钢：弹性模量200GPa，屈服应力350MPa，柏松比0.3，抗拉强度为550MPa，断裂延伸率为21%，材料为各向同性材料；

考虑到板宽对带材延伸率和张应力并无显著影响，因此，宽度方向仅分布三个节点；

单元大小为4mm×5mm（长×宽），单元厚度方向分5层以便分析延伸率沿厚度的分布规律。

2.3 有限元模型

采用通用有限元软件建立的有限元模型如图2所示。

图2 有限元几何模型

2.4 带材上下表面延伸率分布

模型中，将带材厚度方向布置5层，取出第1层和第5层结点的延伸率历史变形，如图3所示。从图3可以看出，带材上下表面材料随着其蛇形穿行过各个弯辊辊组和矫直辊组时发生了交替延伸和压缩，这也解释了破鳞拉矫机的拉矫延伸原理和破鳞机制。即破鳞拉矫机在张力拉伸作用和弯辊矫直辊的强制弯辊作用下使得带材断面上延伸零点层偏离厚度几何中心（拉弯组合使带材受延伸的厚度大于受压缩的厚度），从而获得带材截面整体延伸，而上下带材表面在穿行弯辊辊组时延伸率的交替变化更容易破裂带材表面的氧化铁皮，起到去除和剥离氧化铁皮的效果。

图3 带材上下表面延伸率历史变形

3 破鳞拉矫机工艺参数设定研究

拉伸弯曲矫直是使带钢在远小于材料屈服极限的张应力作用下通过相互交错的辊子而产生塑性变形，从而实现板形矫正、破鳞和消除材料屈服平台等目的的带钢处理工艺。对于酸洗拉矫机而言，破除带钢表面氧化层是其首要的工艺需求，因此，破鳞是主要考虑的技术要求；其次就是板形的矫正能力。在现有破鳞拉矫机结构条件下，如何合理的设定拉矫工艺参数（包括延伸率、张力、插入量）达到破鳞和消除板形的工艺目的就成为了破鳞拉矫机应用技术研究的关键。

采用破鳞拉矫机进行带钢表面氧化铁皮处理时，带钢在拉伸和弯曲作用下使得氧化铁皮层中较疏松的组织脱落，而使得较致密的氧化层组织产生裂纹。一般而言，随着带钢延伸率的增加，带钢表面的氧化铁皮破碎的程度也增加，从而提高了酸洗的效率。然而，延伸率的增加对破鳞效果存在一个饱和点，即延伸率增加到某一水平后，破鳞效果将不再明显，因此，盲目的增加延伸率不仅造成了破鳞拉矫机前后张力辊电机能力的浪费，还将容易引起带钢打滑而对设备安全构成威胁。相关文献研究了延伸率合理的设定值［3－6］。刘现翠等［5］对现场酸洗带钢的跟踪观测发现，当拉矫机延伸率达到0.4%时，成品钢板表面的氧化铁皮已经消除，且无表面凹坑和氧化铁皮嵌入钢板等缺陷，因此，保证拉矫延伸率达到0.4%时就可以满足产品的表面质量要求。

一般认为，破鳞拉矫机原始设计延伸率愈高愈有利于满足机组的工作要求，上述理论研究及实测分析表明，这种看法是片面的。根据破鳞效果来看，1%的延伸率设定值已经达到饱和值，而从现场使用情况来看，0.4%的延伸率已能达到产品表面质量要求。因此，兼顾设备安全性和电机能力的合理利用方面考虑，对于屈服点较高的“硬”材质和厚规格带钢（厚规格带钢张力设计值较小）保证0.4%的延伸率即可获得良好的破鳞效果；对于屈服点较高的“软”材质和薄规格带钢拉矫延伸率达到1%即可，这样既能保证难拉矫带材的破鳞效果，又兼顾了设备的经济性问题。

3.1 工艺参数设定范围

根据上述分析和现场破鳞拉矫机使用经验，初步确定酸洗线拉矫机的主要工艺参数设计值范围，如表1所示。

表1 酸洗拉矫主要工艺参数确定表

3.2 工艺参数关系模型的建立

为节省有限元计算机时间，同时又能合理、科学的建立破鳞拉矫机各主要工艺参数之间的关系模型，根据拉矫机主要工艺参数的设定范围，采用正交实验对有限元计算工况进行优化处理。

由于本次实验有6个因素，每个因素有三个水平，所以拟用L18（36）正交表，如表2所示。

表2 实验因素水平表

对应表2的正交实验安排，通过有限元计算了48组数据，获得了延伸率与其他拉矫工艺参数列表。选择逐步回归法建立因变量和自变量的回归系数。

通过这些影响带材延伸率的强相关因素分析可知：因变量为带钢在拉伸弯曲矫直过程中所获得的延伸率ε，自变量为1＃弯曲辊组设定的插入深度δ1、2＃弯曲辊组设定的插入深度δ2、入口带钢平均张应力σ1、带钢的厚度h、带钢的屈服应力σs以及它们对延伸率的可能影响形式为：

通过回归得到带钢延伸率和其他参数的关系式：

式中：δ1—1＃弯曲辊组设定的插入深度，mm；

δ2—2＃弯曲辊组设定的插入深度，mm；

δ3—L矫直辊组设定的插入深度，mm；

σ1—对带钢所施加的张应力，MPa；

σs—材料屈服应力，MPa；

h—带钢的厚度，mm。

该数学模型的回归系数平方值为R2=0.82（R相关系数），在工程上，此误差是可以接受的，因此，所得到的回归关系是可信的。

同样，用这种方法也可以建立张应力的预测模型。

4 结论

通过破鳞拉矫机工艺参数设定分析获得了如下几点主要结论：

1）根据破鳞拉矫机现场实践经验和理论分析，对拉矫机破鳞所需延伸率、矫正板形所需延伸率、弯曲辊辊径和插入量、矫直张力范围等主要工艺参数的使用范围进行了总结和归纳，确定了破鳞拉矫机主要工艺参数的合理区域，为破鳞拉矫机的选型和结构设计提供了参考依据。

2）通过正交实验原则和有限元分析获得不同带钢规格、材质、插入量、张力和延伸率的关系数据，并采用回归分析手段建立了破鳞拉矫机延伸率和张应力预测数学模型，该模型可作为现场在线工艺参数设定的数学模型，同样对拉矫设备的设计具有重要的参考价值，如根据极限规格带材的拉矫张力损失确定拉矫设备的电机扭矩参数等。