计算机仿真技术在轧钢工艺中的应用研究

王 铎

（山东省冶金设计院股份有限公司，山东 济南 250101）

在国民经济持续稳步增长的宏观背景下，社会各领域对钢材的需求量与日俱增，同时对钢材产品的生产精度与质量也提出了更高的要求，计算机仿真技术给轧钢产品的设计与制造提供了强大的技术支撑。过去，应用传统的轧钢工艺时，因轧件本身质量有着较为严重的分层现象，并且冷却效果较差，以至于残余应力对构件的变形、稳定性、抗疲劳性能都会产生不利影响。此外，也很难控制轧件的厚度与精度，进而严重影响了轧件质量。应用计算机仿真技术以后，这一状况得到有效改善，借助于计算机仿真软件，技术人员可以精准模拟出轧钢工艺模型，参照系统模型还能够准确分析出影响轧件质量的各种因素，进而能够及时调整设计与制造方案，生产出更多高质量的轧钢产品。

1 轧钢工艺与计算机仿真技术概述

1.1 轧钢工艺

轧钢工艺主要通过压力加工流程来改变钢坯的形状与规格，进而生产出满足用户需求的钢材产品，包括热轧与冷轧两种轧制工艺。其中，热轧工艺主要以连铸板坯或者初轧板坯为生产原料，经过加热炉加热、高压水除磷、精轧与终轧等工序，得到热轧钢板、轧钢卷、纵切带等热轧产品。而冷轧工艺则以热轧钢卷为主要原料，经过酸洗去除氧化皮后进行冷连轧，使钢卷的强度、硬度、韧性、塑性指标发生改变，进而生产出一些简单的零部件，通过冷轧工艺得到的钢板质量及外观形态均优于热轧钢板。近年来，随着信息技术的迅猛发展，轧钢工艺的自动化、智能化制造水平越来越高，尤其是计算机仿真技术在轧钢生产中的广泛应用，不仅解决了轧钢产品精度低的问题，同时缩短了生产制造周期，给钢铁企业创造了丰厚的经济效益[1]。

1.2 计算机仿真技术

计算机仿真技术主要是以计算机和各种物理效应设备为工具，利用系统模型对实际的或设想的系统进行试验研究的一门综合性技术，在轧钢生产中应用该技术，首先需要建立一个系统模型（见图1），然后对模型当中的各项参数指标进行分析、评价，进而制定一套产品精度高、生产周期短、节能效果好的钢坯轧制方案。计算机仿真技术最为显著的一个特征是不受外界环境因素的影响，并且能够随时改变时间比例尺。

图1 计算机仿真技术系统模型

2 计算机仿真技术在轧钢工艺中的具体应用

2.1 计算机仿真软件

科研人员结合轧钢工艺流程，研制开发出了适用于轧钢生产流程的计算机仿真软件，其中，最为常用的仿真软件是CIMS，即计算机集成制造系统，应用该系统能够对产品的设计流程及生产制造流程进行仿真模拟，在应用该系统前，首先需要将设计计划及工艺路径等内容以表格的形式输入到系统当中，然后利用仿真模拟器，构建一个设计与生产工艺仿真模型，技术人员根据这一模型，能及时对轧件的规格与尺寸参数进行调整，从而改善轧件性能，提高轧制产品精度。CIMS 系统借鉴了计算机辅助设计与计算机辅助制造的特点，通过CAD 输出产品的设计信息，技术人员可以直接将这些信息传输到计算机辅助加工工艺的规划系统当中，进而形成一个精确的刀位轨迹文件。为了保证产品加工精度，在轧制过程中，每一次对钢坯进行切削前，都需要进行一次试切削，这就使得研发周期大大延长，生产成本增加，而通过运用CAM/CAD的集成技术，能够检验NC 代码的正确性及切削加工精度，进而无需经过试切削便可完成产品的加工流程[2]。

2.2 计算机仿真技术在轧钢生产节能领域的应用

钢坯在热轧过程中，需要消耗大量的热量，因此会造成大量资源能源的浪费，为了避免这种现象的发生，近年来，钢铁企业将计算机仿真技术与轧钢生产工艺融合到一起，通过对加热炉、轧件的仿真建模，技术人员可以随时对加热炉的各项参数进行调整，进而大大减少了加热炉的空气耗量与煤气燃料的消耗量，据现场实验数据表明，应用计算机仿真技术，热轧工艺流程的能耗量将降低20%以上。

3 计算机仿真技术在轧钢工艺中的应用实例

3.1 小规格圆钢冷床运动模型

目前，社会各领域对Φ110 mm 小规格圆钢产品的需求量变大，在这种形势下，如果采用传统的冷轧工艺，将无法满足钢材市场对小规格圆钢产品的需求。因此，钢铁企业的相关技术人员通过对小规格圆钢在冷床上的运行机理进行分析，借助于计算机仿真技术，建立了一个小规格圆钢冷床运动模型，通过现场仿真实验，确定了利用冷床来批量生产小规格圆钢的方案。

3.2 小规格圆钢冷床运动原理

在生产小规格圆钢时，主要采用步进回转式冷床，目前，这种类型的冷床主要包括两种齿板，一种是V 形齿板，另一种是U 形齿板，通过这两种齿板的交错运动，圆钢可以在冷床上面做步进运动。在运动过程中，圆钢主要围绕自身轴进行旋转。这时，V 形齿板与U 形齿板分别处于交错的运动状态，即V 形齿板向上运动，U 形齿板则向下运动，V 形齿板向左运动，则U 形齿板向右运动。比如主轴连动连杆的偏心值为52 mm，那么，连接V 形与U 形齿板的移动梁连杆的偏心值为37.5 mm。在该冷床当中，移动梁连接与主轴最近的两个同形齿板，而离主轴最远的大梁则不需要移动梁的连接，主要依靠同形齿板的协调作用即可完成整个运动过程。在主轴上面，三角形托架连杆连接的偏心与两个移动梁的偏心始终保持垂直状态，当摇臂高度达到52 mm 时，此时的移动梁处于静止状态，当达到37.5 mm 的最大摇臂时，两个摇臂处于平行状态，在这种情况下，V 形与U 形齿板的运动转变方程可以表示成=1。当冷床处于运动状态时，U 形齿板比V 形齿板的位置低104 mm，在V 形齿板做向下、向前运动时，U 形齿板则做向上、向后运动。考虑到钢坯材料本身的自重量，当V 形齿板与材料接触以后，V 形齿板左壁将做下滑运动，直到触碰到另一侧壁以后，V 形齿板才停止运动。通过对小规格圆钢冷床运动轨迹的仿真模拟可以看出，小规格圆钢在冷床上的运动轨迹与运动方式几乎与圆钢的轧制流程相一致，进而可以确定小规格圆钢冷床运动方案。

3.3 小规格圆钢冷床运动结果

小规格圆钢在冷床上面运动轨迹与圆钢本身的直径有着密不可分的关系，尤其在滚动与滑动运动模式兼具的情况下，圆钢冷床运动忽略了多次细小的碰撞，因此，技术人员分别针对Φ90 mm 与Φ75 mm 两种规格的圆钢进行建模与仿真。正常情况下，Φ90 mm圆钢在冷床上的运动轨迹比较稳定，而且冷却效果相对较好。而通过对Φ75 mm 圆钢进行仿真模拟发现，这种规格的圆钢虽然冷却效果好，但是其稳定性不及Φ90 mm 圆钢。在极限情况下，即横向运动为48.5 mm、纵向运动为33 mm 时，Φ90 mm 圆钢的稳定性与冷却效果稍差，而Φ75 mm 圆钢的各项性能指标则更加不稳定，冷却效果与正常情况下的冷却效果相差较大。

4 结语

随着计算机仿真技术的日渐成熟，轧钢生产工艺也不断得到优化和改进，尤其在节能降耗、人员培训、生产管理等方面。通过应用计算机仿真技术，使钢铁企业的综合竞争力得到大幅提升。因此，钢铁企业应当充分发挥计算机仿真技术的应用优势，在给社会各领域提供更多高质量轧钢产品的同时，实现经济效益与社会效益双丰收的美好愿景。