拉矯應(yīng)用基礎(chǔ)理論的再認(rèn)識(shí)

拉矯應(yīng)用基礎(chǔ)理論的再認(rèn)識(shí)

1拉矯機(jī)在生產(chǎn)生產(chǎn)工藝中應(yīng)用的現(xiàn)狀及其不足隨著生產(chǎn)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，鋼產(chǎn)量問(wèn)題已成為影響產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的主要因素。為了從總體上提升帶鋼的質(zhì)量水平,人們的研究眼光已逐步由軋制技術(shù)的本身而逐步擴(kuò)展到軋機(jī)前后的相關(guān)工序。酸洗拉伸彎曲矯直機(jī)作為銜接熱軋、冷軋生產(chǎn)的關(guān)鍵單體設(shè)備,在改善板形及除鱗方面起到極其重要的作用,但生產(chǎn)實(shí)踐表明,如何適應(yīng)來(lái)料狀態(tài)的波動(dòng)而對(duì)拉矯機(jī)工藝作出相應(yīng)調(diào)控尚無(wú)理性依據(jù)。與此同時(shí),拉矯機(jī)在使用過(guò)程中亦暴露出許多問(wèn)題而難以解決,極大的影響了生產(chǎn)的順行,而所有這些問(wèn)題的實(shí)質(zhì)歸根結(jié)底仍在于人們對(duì)拉矯理論及其應(yīng)用存在認(rèn)識(shí)上的不足。拉矯應(yīng)用基礎(chǔ)理論涉及拉彎變形的機(jī)理,拉矯變形過(guò)程力學(xué)行為描述,拉矯過(guò)程中拉應(yīng)力與彎應(yīng)力的相互影響以及拉矯機(jī)各工藝參數(shù)的調(diào)控機(jī)理等相關(guān)層面。拉彎矯直理論研究的首要問(wèn)題便是拉彎矯直變形的機(jī)理,隨著矯直機(jī)械的不斷發(fā)展,人們對(duì)此的認(rèn)識(shí)也在不斷的深入。眾所周知,拉矯機(jī)的根本特點(diǎn)便是能在張應(yīng)力水平遠(yuǎn)低于材料屈服極限的情況下(Tf=0.1σs～0.3σs)而使帶材產(chǎn)生了塑性延伸,因此如何合理的解釋這一變形現(xiàn)象便成為拉矯理論研究的基礎(chǔ)。2拉彎變形機(jī)的研究2.1拉矯矯直時(shí)板材剩余變形率的計(jì)算彈塑性拉彎矯直理論是隨著人們認(rèn)識(shí)的不斷的深化而逐步建立起來(lái)的,最初的研究結(jié)果著重指出彈塑性拉彎矯直理論是建立在一個(gè)定律和五條假設(shè)之上的。一個(gè)定律是虎克定律,五條假設(shè)分別是:彎曲變形前后的平面假設(shè);彎曲變形的纖維間沒(méi)有作用力假設(shè);彎曲應(yīng)力與到中性層的距離成正比假設(shè);拉伸(壓縮)變形率與彎曲變形率是線性函數(shù)可以相加減假設(shè);材料的塑性變形按線性強(qiáng)化假設(shè)。圖1所示為拉矯變形過(guò)程的解釋,圖2表明了各種相對(duì)變形率的關(guān)系,由此可計(jì)算帶材的剩余相對(duì)變形率CA:CA=AlAl+h/2(CRq+Cl)(1)式中h——帶鋼厚度;Al——中性層的偏移量;CRq——強(qiáng)制彎曲相對(duì)曲率,Cr0+Cρ;Cr0——帶材原始相對(duì)曲率;Cl——相對(duì)伸長(zhǎng)率,εl/εs。張力卸去時(shí),板帶材各縱向纖維還要彈復(fù)縮短一個(gè)相對(duì)彈復(fù)率Clt,Clt按彈復(fù)內(nèi)力等于拉伸外力的原理求得。拉彎矯直后,板帶材的剩余相對(duì)伸長(zhǎng)率Clc為:Clc=CA-Clt(2)暫且不論其最終導(dǎo)出的帶材剩余伸長(zhǎng)率是否與帶材實(shí)際獲得的延伸率相符,該推導(dǎo)中一個(gè)致命的缺陷是其原始定義中曾明確表示:CRc=Cρ-Cρt(3)式中CA——相對(duì)變形率;CRC——剩余相對(duì)曲率;Cρ——矯直彎曲相對(duì)曲率;Cρt——彈復(fù)相對(duì)曲率。于是根據(jù)圖2所示,便可直接推出Cl=CA,這樣其隨后的推導(dǎo)便已毫無(wú)意義了。由此可見(jiàn),將拉彎過(guò)程考慮成彎曲變形與拉伸變形的簡(jiǎn)單線性迭加是行不通的。2.2中性層偏移量與其它變形結(jié)構(gòu)的平衡關(guān)系隨著研究的深入,人們逐步認(rèn)識(shí)到早期研究忽略彈塑性拉彎和純彈性拉彎的區(qū)別導(dǎo)致計(jì)算存在較大的誤差,于是在外力和內(nèi)力的平衡關(guān)系中,考慮了彎曲半徑變化所造成的影響,并拋棄了彎曲變形和拉伸變形簡(jiǎn)單迭加的方法,推導(dǎo)出了中性層偏移量及其變形量同外力、彎曲程度的相對(duì)關(guān)系。為推導(dǎo)方便及公式表述簡(jiǎn)單,特將本部分公式推導(dǎo)中帶材厚度定義為2h。2.2.1帶鋼/鋼拉伸應(yīng)變應(yīng)變計(jì)算根據(jù)圖3所示力學(xué)關(guān)系,由軸向力平衡導(dǎo)出中性層偏移量e并進(jìn)而推導(dǎo)出中性層應(yīng)力應(yīng)變,即σl=Fl2Bh=eR′-eE=εeE=σe(4)式中B——帶鋼寬度;E——帶鋼彈性模量;R′——帶鋼實(shí)際彎曲半徑。εl=Fl/(2hBE)=e/(R′-e)=εe(5)式中εl——張力拉伸應(yīng)變。最終結(jié)果表明,彈性拉彎時(shí),原中性層的應(yīng)力σe和應(yīng)變?chǔ)舉分別與純拉伸應(yīng)力σl和純拉伸應(yīng)變?chǔ)舕相同。2.2.2中性層應(yīng)變特征同理?yè)?jù)軸向力平衡導(dǎo)出中性層偏移量并進(jìn)而求出圖4,圖5所示情況下中性層應(yīng)變?yōu)?由圖4有:εe=8Ehσl+R′σ2tR′σt(6E+σt)-8Ehσl-R′σ2t(6)由圖5有:εe=FlBσt2R′-FlBσt(7)2.2.3待于參之分歧如圖6所示,據(jù)軸向力平衡推導(dǎo),結(jié)果表明兩側(cè)塑性變形時(shí),e、εe的計(jì)算式同圖5所示情況相同。上述研究盡管得到了一些有價(jià)值的結(jié)論,但其推導(dǎo)過(guò)程仍有待于商榷。事實(shí)上根本無(wú)須把問(wèn)題搞得如此復(fù)雜化,以圖4為例,可做簡(jiǎn)單推導(dǎo)如下:由于εt=htR′-e且ht=2h′=2(h-e)所以εt(R′-e)=2(h-e)由此可得e=2h-εtR′2-εt(8)同理對(duì)于圖5可得e=εtR′-hεt-1(9)由此得出的結(jié)論與原來(lái)得出的結(jié)論相差甚遠(yuǎn),因?yàn)榇藭r(shí)中性層偏移量將與張力σl無(wú)關(guān),進(jìn)而中性層的變形量亦與σl無(wú)關(guān),但這顯然與實(shí)際情況不符,因此,上述對(duì)拉彎變形關(guān)系的假設(shè)尚需做進(jìn)一步的探討。2.3拉彎疊加后的力學(xué)性能盡管上述研究并沒(méi)有體現(xiàn)拉矯理論研究的全部,但其是有代表性的。文獻(xiàn)總結(jié)表明,雖然在研究的側(cè)重點(diǎn)上不同,但在解釋拉矯變形原理的過(guò)程中,絕大多數(shù)文獻(xiàn)均與上述研究結(jié)果一樣,將其歸結(jié)為圖7所示。但以寶鋼酸洗拉矯機(jī)為例,其原始設(shè)計(jì)延伸率為3%,現(xiàn)場(chǎng)投入使用時(shí)最高設(shè)定延伸率為2%,而現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的帶鋼實(shí)際延伸率亦可達(dá)1%左右。這樣圖7就無(wú)法合理的對(duì)這一變形現(xiàn)象作出解釋,因?yàn)榇藭r(shí)中心層的伸長(zhǎng)量將小于εs(以寶鋼工藝設(shè)計(jì)材料屈服極限σs為300MPa,εs=0.14%)。由于拉矯機(jī)矯平單元只用來(lái)矯直縱向彎曲,再考慮張力卸載后的彈復(fù),因此即使有反復(fù)彎曲也不可能使帶鋼產(chǎn)生如此大的變形。由此可見(jiàn),對(duì)于拉彎疊加后的帶鋼應(yīng)力分布而言,要想有1%甚至更高的延伸率,其原始中心層的應(yīng)力必須超過(guò)材料的屈服應(yīng)力σs,換而言之,只有中心層發(fā)生了塑性流動(dòng)才能真正達(dá)到改善帶鋼板形的作用,因此拉彎變形的原理應(yīng)按圖8所示考慮。事實(shí)上對(duì)于這一點(diǎn)盡管某些文獻(xiàn)曾有類似的圖示,但遺憾的是并未見(jiàn)到相應(yīng)的理論研究及論述。3殘余延伸率小拉伸彎曲矯直狀態(tài)下帶材通過(guò)每個(gè)輥?zhàn)佣伎赡墚a(chǎn)生或大或小的殘余延伸率。帶鋼彈塑性彎曲時(shí),一面具有拉伸塑性層,另一面具有壓縮塑性層,而拉力作用使得壓縮層變薄或消除,即可分為有壓縮塑性層和無(wú)壓縮性層兩種狀態(tài)。3.1理想的彈塑料3.1.1心層彈塑性應(yīng)變量此時(shí)Ζoi≤h2-Ai,即σiiσs≤1-2Ζoih此時(shí)中心層彈塑性應(yīng)變量為εi=AiRi=σlih2ΖoiE式中Ri——帶材實(shí)際彎曲半徑。假設(shè)卸載時(shí)張力均布,則中性層剩余延伸率為δi=εi-σliE=σliE(h2Ζ0-1)(10)3.1.2-li21-oih/22,2中心層應(yīng)變]libh帶材中心層殘余延伸率計(jì)算此時(shí)Zoi≥h/2-Ai根據(jù)內(nèi)力和外力在水平方向上的平衡條件:∫Ζoih2-AiExσsΖoiEBdx+∫h2+AiΖoiσsBdx=σliBh解之得Ai=h2+Ζoi-√2(-σliσshΖoi+hΖoi)即σliσs≤1-Ζoih/2∫h2+Aih2-Ai[σs+E1(xρ-εs)]Bdx=σliBh帶材中心層應(yīng)變?yōu)?εi=AiRi=h2+Ζoi-√2(-σliσshΖoi+hΖoi)εΖoiσs則中心層剩余延伸率為δi=εi-σliE=σsE[h2Ζoi+1-2√h2Ζoi(1-σliσs)-σliσs](11)3.2非理想的彈塑料3.2.1帶鋼強(qiáng)化彈性模量此時(shí)Zoi≤h/2-Ai根據(jù)帶鋼水平方向力的平衡條件∫h2+Aih2-Ai[σs+E1(xρ-εs)]Bdx=σliBh式中ρ——帶鋼曲率半徑,ρ=ZoiE/σs。解之得Ai=σlih2(σs-σsE1E)+E1hσs/(EΖoi)式中E1——帶鋼強(qiáng)化彈性模量;σs——帶鋼屈服極限。此時(shí)中心層應(yīng)變?yōu)棣舏=AiRi=σshσli2EΖoiσs[1σliσs+(1-σliσs)E1E]則中心層剩余延伸率為δi=σliE[1σliσs+(1-σliσs)E1E-1](12)3.2.2輥?zhàn)映跏紡埩p耗分析此時(shí)Zoi≥h/2-Ai同理可得σliσs≥(1-2Ζoih)[1+(h2Ζoi-1)E1E]根據(jù)帶鋼水平方向力平衡條件:∫h2-AiΖoiE?xσsΖoiEBdx+∫Ζoih2+Ai[σsE1(xσsΖoiE-σsE)]Bdx=σliBh解之有:Ai=(2E1EΖoi-h-2Ζoi-E1Eh)/[2(E1E-1)]-(h+2Ζoi-2E1EΖoi+E1Eh)2-4(E1E-1)(Ζoih-h24-Ζoi2-E1EΖoih+E1EΖoi2+E1h24E-2σliσshΖoi)[2(E1E-1)]中心層應(yīng)變?yōu)棣舏=Ai/Ri則中心層剩余延伸率為:δi=εi-σli/σs綜合上述分析,考慮到中性層偏移后對(duì)帶鋼曲率半徑的影響,帶鋼最終獲得的實(shí)際塑性延伸率為:ε=∑i=12(Aiρi+h2-Ai-ΤiE)(13)式中Ai——第i次彎曲時(shí)中性層偏移量;ρi——第i次彎曲時(shí)帶鋼彎曲曲率半徑;Ti——第i次彎曲時(shí)帶鋼的前張力。由(13)推導(dǎo)過(guò)程可知,帶材實(shí)際延伸率的大小將與每次彎曲的彎曲半徑及張力密切相關(guān)。(注:如無(wú)特指,本文帶材延伸率均指其原始中心層的應(yīng)變)事實(shí)上金屬帶材在輥?zhàn)由限D(zhuǎn)向時(shí),如果變形程度超過(guò)一定限度并產(chǎn)生了塑性變形,則其所需變形功將奪去張力,這時(shí)在輥?zhàn)尤肟趥?cè)張力將變小,也就是出現(xiàn)了張力損耗。正是由于張力損耗的存在,對(duì)拉矯機(jī)延伸率的計(jì)算必須分步進(jìn)行,籠統(tǒng)的將拉矯機(jī)出口張力作為兩次彎曲計(jì)算的基礎(chǔ)將帶來(lái)較大的誤差。因此張力損耗的計(jì)算精度不僅直接影響工藝參數(shù)的設(shè)定,同時(shí)對(duì)于拉矯機(jī)原始設(shè)備條件的設(shè)計(jì)亦是極為重要的。4拉矯變形過(guò)程理論的應(yīng)用研究通過(guò)以上拉彎矯直理論的研究,得出如下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí):1)拉矯機(jī)變形原理的研究是拉矯機(jī)應(yīng)用理論的基礎(chǔ),只有對(duì)拉矯變形的機(jī)理作出符合實(shí)際的辨析,才有可能對(duì)其應(yīng)用理論做進(jìn)一步的研究。正確的辨析模型才能使得對(duì)拉彎變形的全過(guò)程作出正確的力學(xué)解析;2)拉矯變形過(guò)程中的張力損耗問(wèn)題實(shí)際上反映了拉矯變形時(shí)拉應(yīng)力與彎曲應(yīng)力的相互影響關(guān)系,長(zhǎng)期以來(lái)這一直是拉矯應(yīng)用理論中最為薄弱的環(huán)節(jié),只有深入分析了張力損耗的問(wèn)題,才可能深入到拉矯理論的實(shí)質(zhì);3)如何使酸洗拉矯機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中更好的兼顧改善板形與破鱗的雙重功能,這實(shí)際上便是一個(gè)拉矯機(jī)工藝性能的優(yōu)化問(wèn)題,這一問(wèn)題的解決有賴于拉矯應(yīng)用理論研究的深度。5優(yōu)化酸壓機(jī)工藝參數(shù)的方法基于以上認(rèn)識(shí),針對(duì)寬帶鋼酸洗拉矯機(jī)性能優(yōu)化進(jìn)行了以下幾方面的重點(diǎn)研究:1)在重新闡釋拉矯變形原理的基礎(chǔ)上,從理論上對(duì)拉矯變形的力學(xué)行為進(jìn)行了全面的、定量的分析描述,建立張力損耗的數(shù)學(xué)模型,并明確變形過(guò)程中拉伸應(yīng)力與彎曲應(yīng)力的交互影響關(guān)系及其各自對(duì)帶材延伸率的貢獻(xiàn),解決長(zhǎng)期以來(lái)困擾拉矯機(jī)實(shí)際應(yīng)用的理論問(wèn)題,并以此作為優(yōu)化酸洗拉矯機(jī)工藝性能的第一個(gè)方面;2)全面解析拉矯機(jī)設(shè)定延伸率的構(gòu)成,區(qū)分了設(shè)定延伸率與帶鋼實(shí)際延伸率的差別,對(duì)拉矯機(jī)延伸率損失問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)的理論研究,并據(jù)此對(duì)拉矯機(jī)的設(shè)計(jì)使用作出檢討,指出拉矯機(jī)是一種費(fèi)功省力的設(shè)備,拉矯機(jī)的實(shí)質(zhì)是以能量損耗作為代價(jià)保證帶材實(shí)際延伸率的獲得;3)