關(guān)鍵詞：熱軋帶鋼；層間摩擦力；卷取過(guò)程；脹徑；層數(shù)

中圖分類號(hào)：TG333．2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1 0449—749X(2008)03—0057—04

熱軋帶鋼屬于應(yīng)用廣泛的一類鋼材。它被廣泛地用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的諸多領(lǐng)域，如造船、建筑、化工、汽車工業(yè)，機(jī)械及電器制造，軍工、輕工及食品工業(yè)等諸多領(lǐng)域。因此世界各國(guó)都極為重視帶鋼的生產(chǎn)，帶鋼生產(chǎn)技術(shù)水平及其在軋材中所占比例，往往被認(rèn)為是一個(gè)國(guó)家軋鋼生產(chǎn)水平的標(biāo)志之一。

地下卷取機(jī)是現(xiàn)代軋鋼車間的一種重要輔助設(shè)備，熱軋帶鋼卷取是熱連軋生產(chǎn)的最后一道工序，卷取機(jī)的用途是收集超長(zhǎng)軋件，將其卷取成卷以便于貯存和運(yùn)輸。軋鋼生產(chǎn)實(shí)踐證明，卷取機(jī)的工作狀態(tài)直接影響著軋機(jī)，特別是連軋機(jī)組生產(chǎn)能力的發(fā)揮。因此，對(duì)強(qiáng)力、高速卷取設(shè)備的研究一直受到國(guó)內(nèi)外科研工作者的重視^[1~3]。

熱軋帶鋼在卷取過(guò)程的初時(shí)階段，由于熱軋帶鋼頭部的彈復(fù)作用使得鋼層間不夠緊密，為獲得層間緊密的帶卷，在熱軋帶鋼初始卷取階段的某一時(shí)刻，卷筒進(jìn)行脹徑，然后加速卷取直至勻速穩(wěn)定的正常卷取。因此確定卷筒何時(shí)脹徑和帶卷間層間摩擦力分布就凸現(xiàn)得非常重要^[4,5]。

本文主要借助非線性有限元軟件Marc對(duì)卷筒的脹徑過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值分析，較為詳細(xì)地研究了熱軋帶鋼在厚度不同和卷取層數(shù)不同的前提下，模擬了熱軋帶鋼層間摩擦力的分布和最內(nèi)層帶鋼與卷筒接觸節(jié)點(diǎn)的位移波動(dòng)規(guī)律。該研究結(jié)果為確定熱軋帶鋼卷取過(guò)程的最佳的脹徑時(shí)刻和研究熱軋帶鋼層問(wèn)摩擦力的分布提供了理論依據(jù)。

1 卷取機(jī)工作原理分析

地下卷取機(jī)組的主要功能體現(xiàn)對(duì)連軋機(jī)組的出口張力控制和將熱軋帶鋼卷取成卷，三輥式地下卷取工作過(guò)程如圖1所示。

由圖1知，當(dāng)熱軋帶鋼的頭部離開精軋機(jī)組時(shí)，卷取機(jī)已處于工作狀態(tài)。此時(shí)，上張力輥執(zhí)行壓下指令，助卷輥環(huán)抱卷筒，張力輥和助卷輥在各自輥縫調(diào)整機(jī)構(gòu)控制下，在上。、下張力輥之間、助卷輥與卷筒之間都保持有與熱軋帶鋼厚度相適應(yīng)的輥縫值。帶剛進(jìn)入卷取機(jī)時(shí)，張力輥前導(dǎo)尺正確導(dǎo)向，借助導(dǎo)板裝置，在張力輥和卷筒之間形成封閉路徑，使熱軋帶鋼能順利地卷上卷筒。待熱軋帶鋼卷上一定的圈數(shù)后，熱軋帶鋼在卷筒和軋機(jī)之間即能建立穩(wěn)定的張力。此時(shí)上張力輥放松，傳動(dòng)電機(jī)采用“零電流"控制，助卷輥全部打開，卷筒和軋機(jī)一起加速到最高軋制速度，進(jìn)入正常卷取狀態(tài)。帶尾即將離開軋機(jī)時(shí)，卷取機(jī)進(jìn)入收卷狀態(tài)。軋機(jī)與卷取機(jī)同時(shí)降速，助卷輥合攏，壓住外層帶卷。熱軋帶鋼脫離末架軋機(jī)時(shí)張力輥壓緊，傳動(dòng)電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，使熱軋帶鋼在張力輥與卷筒之間建立張力，避免帶卷跑偏或帶卷外層松散。卸卷時(shí)助卷輥打開，卸卷小車上升托住帶卷，待卷筒收縮后，可將鋼卷移出。此后卷取機(jī)又恢復(fù)準(zhǔn)備工作狀態(tài)。

在熱軋帶鋼的初時(shí)卷取階段，熱軋帶鋼的速度不宜過(guò)高，否則既不利于帶鋼咬人張力輥，也不利于卷上卷筒。輥道的速度高于軋機(jī)的速度(即末架軋機(jī)速度)，可防止堆鋼。張力輥速度高于軋件速度，便于軋件咬人。卷筒助卷輥的速度高于(即超前于)張力輥的速度，有利于熱軋帶鋼卷上卷筒。正常卷取時(shí)，由卷筒與軋件之間的速度差保持張力。卷取機(jī)應(yīng)具有足夠的加速能力，盡快達(dá)到最高速度，以發(fā)揮最大的生產(chǎn)能力。收卷時(shí)張力輥速度低于(即滯后于)卷筒速度以維持收卷張力，降低輥速度可以增加熱軋帶鋼前進(jìn)阻力，防止帶尾跳動(dòng)。收卷時(shí)應(yīng)以較低的速度卷取，以避免帶尾脫離軋機(jī)后劇烈甩動(dòng)，造成事故。

2 卷取過(guò)程有限元模型的建立

卷筒正常卷取直徑為762mm。卷取帶材材質(zhì)為A3鋼，彈性模量為170GPa，泊松比為0．292，帶卷之間的摩擦因數(shù)為0．35，帶卷和卷筒間摩擦因數(shù)為0．225。卷取過(guò)程的有限元模型如圖2所示。

由于熱軋帶鋼的寬度1550mm遠(yuǎn)大于其厚度20mm，寬度方向上不受外載作用，可作為平面應(yīng)變問(wèn)題進(jìn)行求解，單元的類型為平面四節(jié)點(diǎn)。

2．1 帶鋼邊界條件的確定

假定熱軋帶鋼頭部首先與卷筒接觸的一個(gè)單元在脹徑前，該單元和卷筒為一整體，脹徑過(guò)程中取消該限制，重新定義二者為接觸狀態(tài)。帶鋼和卷筒在接觸過(guò)程中，兩者之間的摩擦因子取0．25。

熱軋帶鋼尾部單元在y方向無(wú)位移，在x相反方向上施加大小為100N張力。

2．2 卷筒邊界條件確定

卷筒在熱軋帶鋼卷取過(guò)程中視為剛體，用四段圓弧來(lái)近似(參考圖2)，脹徑前卷筒轉(zhuǎn)速為100r／min，脹徑過(guò)程中，BD和AB段圓弧分別沿x和y方向上移動(dòng)8．5 mm，AC和CD段圓弧分別沿x和y方向上的移動(dòng)為－8．5 mm。

3 結(jié)果分析

3．1 卷筒脹徑過(guò)程摩擦力分布

取熱軋帶鋼的厚度分別為5 mm、10mm和20mm時(shí)，當(dāng)卷取層數(shù)分別為2、3、4、5時(shí)，對(duì)卷筒進(jìn)行脹徑分析，以熱軋帶鋼層間摩擦力的分布為研究對(duì)象，根據(jù)有限元模型計(jì)算結(jié)果，獲得摩擦力沿卷筒的弧長(zhǎng)方向的分布如圖3所示。

圖3中摩擦力的分布都有突變的現(xiàn)象，這與地下卷取機(jī)的工作狀態(tài)有一定的關(guān)聯(lián)，由于卷筒脹徑過(guò)程為分段同步進(jìn)行，在其過(guò)渡的區(qū)域，必然導(dǎo)致應(yīng)力集中等現(xiàn)象，正是這種卷筒結(jié)構(gòu)和脹徑的特殊性，導(dǎo)致了摩擦力分布的突變性。分析熱軋帶鋼卷取的全過(guò)程，隨著熱軋帶鋼層數(shù)的增加，層間的摩擦力分布應(yīng)趨于穩(wěn)定。

為了較為詳細(xì)的分析層間節(jié)點(diǎn)沿弧長(zhǎng)方向上的分布規(guī)律，以卷筒脹徑過(guò)程為主要分析過(guò)程，以熱軋帶鋼的不同厚度和卷筒脹徑時(shí)不同層數(shù)為研究?jī)?nèi)容，以穩(wěn)定的摩擦力分布為研究對(duì)象。分析熱軋帶鋼厚度在5 mm至20mm的范圍內(nèi)變化時(shí)，由于卷筒脹徑的作用，必然導(dǎo)致內(nèi)層熱軋帶鋼和卷筒之間的相對(duì)滑動(dòng)，尤其熱軋帶鋼的頭部區(qū)域處在彈塑性變形的狀態(tài)，使得熱軋帶鋼頭部的摩擦力明顯大于其它區(qū)域的摩擦力，隨著熱軋帶鋼厚度的增加摩擦力有增大的趨勢(shì)。在熱軋帶鋼同一厚度的前提下，隨著脹徑時(shí)熱軋帶鋼卷取層數(shù)的增加，熱軋帶鋼頭部摩擦力有增大的趨勢(shì)，這是因?yàn)槠渌鼦l件不變時(shí)，隨著熱軋帶鋼層數(shù)的增加，熱軋帶鋼層間的壓力有增大的趨勢(shì)，最終導(dǎo)致摩擦力的增大。在其它區(qū)域如果保證熱軋帶鋼可正常卷取，而不發(fā)生松卷等事故，則在該區(qū)域內(nèi)熱軋帶鋼和卷筒間的壓力和相對(duì)滑動(dòng)趨勢(shì)減弱。

3．2 卷筒脹徑過(guò)程卷取層數(shù)的確定

為了更進(jìn)一步分析熱軋帶鋼層間的位移場(chǎng)的分布規(guī)律，取其脹徑過(guò)程為主要的研究對(duì)象，由于熱軋帶鋼的脹徑過(guò)程中卷筒為分段進(jìn)行，因此在分段脹徑的過(guò)渡區(qū)域位移有突然增大的現(xiàn)象，可在圖3中摩擦力峰值突變現(xiàn)象驗(yàn)證。

為了確定脹徑時(shí)熱軋帶鋼的最小層數(shù)，以熱軋帶鋼生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)常用的規(guī)格即厚度為5 mm的熱軋帶鋼為主要的研究對(duì)象，取熱軋帶鋼最內(nèi)層所有節(jié)點(diǎn)位移為判據(jù)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)，尤其是熱軋帶鋼頭部節(jié)點(diǎn)相對(duì)卷筒的位移較大時(shí)，視為卷取機(jī)和連軋機(jī)組不能建立穩(wěn)定的卷取狀態(tài)，若熱軋帶鋼的位移相對(duì)變化較小，視為熱軋帶鋼脹徑過(guò)程帶卷不會(huì)產(chǎn)生松卷，熱軋帶鋼可在卷筒和精軋機(jī)組間建立穩(wěn)定張力卷取狀態(tài)。分析熱軋帶鋼卷取的有限元模型的計(jì)算結(jié)果，取卷取層數(shù)分別為2～5層時(shí)，對(duì)卷筒進(jìn)行脹徑分析，則熱軋帶鋼最內(nèi)層節(jié)點(diǎn)沿卷筒內(nèi)表面的位移如圖4所示。

圖4中，當(dāng)熱軋帶鋼卷取的圈數(shù)為2～3層進(jìn)行脹徑，熱軋帶鋼的頭部都有較大的位移波動(dòng)，當(dāng)熱軋帶鋼卷取的層數(shù)為4和5層時(shí)進(jìn)行脹徑，則熱軋帶鋼頭部位移的波動(dòng)穩(wěn)定在一個(gè)較小的范圍內(nèi)，該狀態(tài)下可認(rèn)為卷筒脹徑時(shí)熱軋帶鋼不會(huì)出現(xiàn)松卷事故，卷筒和連軋機(jī)組也可建立穩(wěn)定的卷取過(guò)程。考慮到其它因素，如熱軋帶鋼溫度波動(dòng)、張力波動(dòng)和熱軋帶鋼間摩擦影響等諸多因素的作用，當(dāng)熱軋帶鋼厚度為5 mm，熱軋帶鋼卷取到第5層時(shí)進(jìn)行脹徑較為可靠。

4 結(jié)論

(1)利用有限元技術(shù)，再現(xiàn)了熱軋帶鋼卷取全過(guò)程，詳細(xì)地研究了熱軋帶鋼不同厚度和不同層數(shù)脹徑時(shí)，層問(wèn)摩擦力分布和最內(nèi)層節(jié)點(diǎn)的相對(duì)位移波動(dòng)。

(2)隨著脹徑時(shí)熱軋帶鋼層數(shù)的增加，摩擦力有增大的趨勢(shì)。熱軋帶鋼頭部摩擦力峰值明顯大于其它區(qū)域摩擦力的峰值，隨著層數(shù)的增加，摩擦力峰值的波動(dòng)趨于穩(wěn)定的范圍。熱軋帶鋼卷取到第5層時(shí)脹徑，在精軋機(jī)組和卷取機(jī)之間可建立穩(wěn)定張力的卷取狀態(tài)。

(3)通過(guò)確定熱軋帶鋼層間摩擦力的分布和卷筒脹徑時(shí)熱軋帶鋼的最小層數(shù)，對(duì)提高熱軋帶鋼卷取生產(chǎn)的產(chǎn)量和減少助卷輥的磨損有一定的指導(dǎo)意義。