CN114101385A - 带钢拉矫延伸率、张力损失计算方法及裂纹风险评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种带钢拉矫延伸率、张力损失计算方法及裂纹风险评估方法,属于带钢精整技术领域。带钢拉矫延伸率计算方法:获取拉矫设备的参数,所述带钢经过辊子时的形状为抛物线形,计算得到带钢经过每个辊子后的残余延伸率,累加带钢经过各个辊子后的残余延伸率。带钢拉矫裂纹风险评估方法:采用上述的带钢拉矫延伸率计算方法,计算得到带钢拉矫后的延伸率,并判断带钢拉矫过程中是否存在裂纹风险;带钢拉矫张力损失的计算方法:带钢在拉矫过程中的变形类型为单侧塑性变形或双侧塑性变形,采用上述的带钢拉矫延伸率计算方法,分别计算得到带钢经过每个辊子后的残余延伸率,得到对应辊子的张力损失,将张力损失累加,得到总的张力损失。
Description
技术领域
本发明涉及带钢精整技术领域,特别是涉及一种带钢拉矫延伸率、张力损失计算方法及 裂纹风险评估方法。
背景技术
拉矫机是采用拉伸与弯曲的联合作用,使得带钢中产生形状不平的短纤维组织和长纤维 组织同时被延伸拉长,在它们弹性收缩之后,由于张应力所产生的永久塑性变形表现为延伸 形式,造成出口板带材的纵向内应力值相同,且方向一致,从而达到矫直的目的。拉矫机用 作破鳞装置可有效降低酸液消耗并显著提高机组速度,用于带钢精整处理可有效消除瓢曲、 浪形和镰刀弯等三维形状的板形缺陷。与张力矫直机相比,拉矫机所需的张力小得多,不会 发生断带事故,也不会影响到带钢的质量,且拉矫机几乎适用于所有的带材加工作业线和各 种金属材料,所以得到了广泛的应用。
但是,目前拉矫机延伸率计算结果的误差通常都较大,其原因在于:一方面在计算时直 接将拉矫过程带钢的上下表面及中心层都当成塑性变形来处理,实际上随着压下量的不同会 发生纯弹性变形、单侧塑性变形和双侧塑性变形等不同情况,而且中心层也有可能没有发生 塑性变形,这样导致计算结果与实际误差较大;另一方面难以准确计算拉矫过程带钢的弯曲 曲率半径,认为曲率半径就是弯曲辊半径的做法与实际情况严重不符,而采用实验模型计算 曲率半径的方法则适应性极差,有时甚至会得到错误的结果;再者,很多计算模型和方法均 没有考虑拉矫过程带钢发生的弹性回复,导致计算结果不够准确。拉矫延伸率精确计算方法 的缺乏使得无法确定合理的弯曲辊和矫直辊的压下量,直接影响到拉矫破鳞机的破鳞效果和 精整拉矫机的板形控制质量,在处理强度高且塑性差的材料时,还可能由于延伸率计算不准 确导致表面应力超过了材料的强度极限而出现裂纹,不仅影响到带钢的表面质量,还会直接 造成废品。。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点,本发明的目的在于提供一种带钢拉矫延伸率、张力损失 计算方法及裂纹风险评估方法,用于解决现有技术中拉矫机延伸率计算结果误差较大的问题。
为实现上述目的及其他相关目的,本发明提供一种带钢拉矫延伸率计算方法,所述带钢 经过辊子时的形状为抛物线形,包括以下步骤:
获取拉矫设备的参数;
根据带钢经过辊子时的形状、带钢在拉矫过程中的变形类型及所述拉矫设备的参数,分 别计算得到带钢经过每个辊子后的残余延伸率;
累加带钢经过各个辊子后的残余延伸率,获得带钢拉矫后的延伸率。
可选地,根据带钢中性层曲率半径的预设求解范围及预设初始值判断所述带钢在拉矫过 程中的变形类型;
根据带钢经过辊子时的形状、所述带钢在拉矫过程中的变形类型及所述拉矫设备的参数, 计算得到带钢中性层的曲率半径;
获取所述带钢中性层曲率半径计算值与初始值之间差值的绝对值;
若所述绝对值小于等于预设求解误差,则带钢中性层的曲率半径等于所述计算值;
若所述绝对值大于预设求解误差,则根据所述计算值重新判断带钢在拉矫过程中的变形 类型,并计算带钢中性层的曲率半径的新的计算值,直至所述新的计算值与上一次计算值的 差值的绝对值小于等于预设求解误差,此时,带钢中性层的曲率半径等于所述新的计算值;
根据所述带钢中性层的曲率得到带钢经过对应辊子后的残余延伸率。
可选地,根据所述带钢中性层曲率半径确定带钢中性层的偏移量,根据所述偏移量确定 所述带钢在拉矫过程中的变形类型。
可选地,M为带钢所受的弯矩,带钢在拉矫过程中的变形类型包括纯弹性变形、单侧塑 性变形及双侧塑性变形;
对于纯弹性变形:
M=BkEh312;
对于单侧塑性变形:
对于双侧塑性变形:
其中B为带钢宽度,k为带钢曲率,E为带钢弹性模量,h为带钢厚度,λ为带钢的强化系数,λ=E1/E,E1为带钢的强化模量,zn为中性层偏移量,c为弹性核厚度。
可选地,带钢中性层的曲率半径ρ=2M/(T·sinα·tanα);
其中,T为带钢所受的张力,α为带钢所受张力作用的方向与所述抛物线顶点的切线方 向之间的夹角。
可选地,采用带钢曲率半径、中性层偏移量和弯矩计算带钢中心层弹性回复后的残余延 伸率,
残余延伸率εc=zn/ρ-znM/(EI),其中I为带钢的惯性矩。
其中P为压下量,R为对应辊子的半径,L为对应辊子在带钢运动方向上与相邻辊子之 间的辊距。
可选地,单侧塑性变形包括:
带钢的一侧发生弹塑性变形而中心层和另一侧只发生弹性变形的情况,以及
带钢的一侧和带钢的中心层均发生弹塑性变形,而带钢的另一侧发生弹性变形的情况;
双侧塑性变形包括:
带钢的两侧均发生弹塑性变形而带钢的中心层发生弹性变形的情况,以及
带钢的两侧和中心层均发生弹塑性变形的情况。
本发明还提供一种带钢拉矫裂纹风险评估方法,包括以下步骤:
采用如上所述的带钢拉矫延伸率计算方法,计算得到带钢拉矫后的延伸率;
所述带钢拉矫后的延伸率包括带钢表面的总延伸率,根据所述带钢表面的总延伸率确定 带钢拉矫时带钢的表面所受到的应力;
带钢拉矫时带钢的表面所受到的应力超过带钢的抗拉强度,则判断带钢拉矫过程中存在 裂纹风险。
本发明还提供一种带钢拉矫张力损失的计算方法,包括以下步骤:
带钢在拉矫过程中的变形类型为单侧塑性变形或双侧塑性变形;
采用如上所述的带钢拉矫延伸率计算方法,分别计算得到带钢经过每个辊子后的残余延 伸率;
根据带钢经过对应辊子后的残余延伸率,得到对应辊子的张力损失;
将各个辊子的张力损失累加,得到带钢在拉矫过程中总的张力损失。
如上所述,本发明提供的一种带钢拉矫延伸率、张力损失计算方法及裂纹风险评估方法, 具有以下有益效果:由于本法在计算过程中判断带钢在拉矫过程中的变形类型,并根据变形 类型计算获得延伸率,因此本发明的计算结果准确,为确定合理的拉矫机压下量提供依据, 可有效防止带钢表面应力超过强度极限而出现裂纹,保证带钢良好的表面质量。
附图说明
图1为本发明实施例中拉矫机的结构示意图。
图2为本发明实施例中带钢变形类型的示意图。
图3为本发明实施例中带钢通过辊子时的示意图。
图4为本发明实施例中带钢曲率半径的计算流程图。
图5为本发明实施例中带钢拉矫延伸率的计算流程图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式,本领域技术人员可由本说明书所揭露 的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加 以实施或应用,本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用,在没有背离本发明的精 神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1至图5。需要说明的是,本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明 的基本构想,遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状 及尺寸绘制,其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变,且其组件布局 型态也可能更为复杂。本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等,均仅用以配合说明 书所揭示的内容,以供熟悉此技术的人士了解与阅读,并非用以限定本发明可实施的限定条 件,故不具技术上的实质意义,任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整,在不影响 本发明所能产生的功效及所能达成的目的下,均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖 的范围内。同时,本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一” 等的用语,亦仅为便于叙述的明了,而非用以限定本发明可实施的范围,其相对关系的改变 或调整,在无实质变更技术内容下,当亦视为本发明可实施的范畴。
本实施例提供一种带钢拉矫延伸率计算方法,假设带钢在拉矫过程为抛物线形状,通过 迭代计算的方法来确定带钢的曲率半径,考虑带钢的张力损失和弹性回复,从入口到出口逐 辊计算,然后通过叠加计算后获得总的延伸率和表面延伸率,包括以下步骤:
1、获取拉矫设备的参数;
2、带钢经过辊子时的形状为抛物线形,根据带钢经过辊子时的形状、带钢在拉矫过程中 的变形类型及拉矫设备的参数,分别计算得到带钢经过每个辊子后的残余延伸率;
3、累加带钢经过各个辊子后的残余延伸率,获得带钢拉矫后的延伸率。
步骤2包括以下分步骤:
(1)根据带钢中性层曲率半径的预设求解范围及预设初始值判断得到带钢在拉矫过程中 的变形类型。
(2)根据带钢经过辊子时的形状、带钢在拉矫过程中的变形类型及拉矫设备的参数,计 算得到带钢中性层的曲率半径;
(3)获取带钢中性层曲率半径计算值与初始值之间差值的绝对值,若绝对值小于等于预 设求解误差,则带钢中性层的曲率半径等于计算值;若绝对值大于预设求解误差,则根据计 算值重新判断带钢在拉矫过程中的变形类型,并计算带钢中性层的曲率半径的新的计算值, 直至新的计算值与上一次的计算值的差值的绝对值小于等于预设求解误差,此时,带钢中性 层的曲率半径等于新的计算值。
(4)根据带钢中性层的曲率得到带钢经过对应辊子后的残余延伸率。
步骤(1)中,根据带钢中性层曲率半径确定带钢中性层的偏移量,根据偏移量确定带钢 在拉矫过程中的变形类型。
具体的,图1为两弯一矫拉矫机,该拉矫机包含两组弯曲辊4和一组矫直辊2,拉矫机的 入口和出口都配备有张力辊组1。矫直辊入口、出口及拉矫机的入口均配有导向辊3。每两个 辊子构成一组弯曲辊,在工作过程中使得带钢发生弯曲,并在张力作用下产生塑性延伸。弯 曲辊主要起到消除边浪、翘曲和中浪等板形缺陷。矫直辊与前后导向辊共同作用,主要用于 消除带钢纵向和横向弯曲,使带钢平直。
以图1所示的拉矫机为例,带钢拉矫延伸率的具体计算过程如下:
1、根据经验,给定拉矫机的张力T及预设求解范围;
2、根据张力T及预设求解范围预设带钢中性层曲率半径的初始值ρ0;
3、根据预设的曲率半径初始值判断带钢所受带钢在拉矫过程中的变形类型。
具体的,带钢在拉矫过程中,随着压下量和张力的增大,其在厚度方向上的变形会出现 以下不同的形式:
A型,纯弹性变形;
B型,带钢的一侧发生弹塑性变形而中心层和另一侧只发生弹性变形的情况;
C型,带钢的一侧和带钢的中心层均发生弹塑性变形,而带钢的另一侧发生弹性变形的 情况;
D型,带钢的两侧均发生弹塑性变形而带钢的中心层发生弹性变形的情况;
E型,带钢的两侧和中心层均发生弹塑性变形的情况。
本实施例中,若带钢的上表面发生弹塑性变形而中心层和下表面只发生弹性变形时,为B 型。若带钢上表面和中心层均发生弹塑性变形而下表面只发生弹性变形时,为C型。若带钢 上下表面均发生弹塑性变形而中心层只发生弹性变形时,为D型。若带钢上下表面和中心层 均发生弹塑性变形时,为E型。
带钢在拉矫过程中的变形类型包括纯弹性变形、单侧塑性变形及双侧塑性变形。其中,B 型及C型属于单侧塑性变形,而D型及E型属于双侧塑性变形。
带钢的中性层偏移量zn,zn=ρ×εc,其中,ρ为带钢中性层的曲率半径,εc为几何中心层的应变。
对于纯弹性变形中心层应变:
对于单侧塑性变形的中心层应变:
双侧塑性变形的中心层应变:
其中表示张力的无量纲量,表示弯矩的无量纲量。其中,Te为带材 的极限张力,即在纯拉伸情况下使得平面应变带材产生屈服的最小张力,Te=2Btσs;Me为 纯弯曲平面应变带材在弹性极限状态下的弯矩,Me=2Bσst2/3。B为带钢宽度;t为带钢的 半厚度,t=h/2;σs为带钢的屈服强度,为相对曲率,ke=σs/(Et)为最大弹性曲率, εs=σs/E。
具体的,将ρ0代入上述公式中,通过计算得到相应的zn,通过zn判断带钢的变形类型。
如图2所示:
如c≥t+zn,则带钢的变形类型为纯弹性变形分布,即A型;
如t-zn≤c≤zn,则带钢上部分全为塑性变形,下部分为弹塑性变形,即C型;
如zn≤c≤t-zn,则上下部分都发生弹塑性变形,但中心层只发生弹性变形,即D型;
M为带钢所受的弯矩。
对于纯弹性变形:
M=BkEh3/12;
对于单侧塑性变形:
对于双侧塑性变形;
其中B为带钢宽度,k为带钢曲率,E为带钢弹性模量,h为带钢厚度,λ为带钢的强化系数,λ=E1/E,E1为带钢的强化模量,zn为中性层偏移量,c为带钢的弹性核厚度。带钢 弹性模量、带钢曲率、带钢厚度、带钢的强化模量均为已知值。
拉矫过程中带钢与辊子并不是完全接触的,尤其对于强度高或厚度大的规格,接触点往 往会向出口或入口偏移,因此不能简单地把带钢的曲率半径等同于辊子的半径。如图3所示, 假设带钢受到张力T作用后变弯,成为一条抛物线形状并假定这条抛物线是表示带钢曲率变 化的函数。
如图4所示,张力T使得带钢绕弯曲辊塑性转向,原来接触点W绕着辊子圆周运动距离e 到达V点,V点是抛物线的顶点。带钢在V点的内部塑性力矩M与张力所引起的力矩相等,即 M=T·d·sinα,其中d为张力作用点U在抛物线坐标X上投影距离的一半。根据抛物线曲线 的性质可得带钢中性层的曲率半径ρ。
ρ=2M/(T·sinα·tanα)
其中,T为带钢所受的张力,α角为带钢所受张力作用的方向与抛物线顶点的切线方向 之间的夹角。
可选地,采用带钢曲率半径、中性层偏移量和弯矩计算带钢中心层弹性回复后的残余延 伸率,残余延伸率εc=zn/ρ-znM/(EI),其中I为带钢的惯性矩。
具体的,根据带钢与辊子之间的几何关系,通过推导可得到α,
α角的计算式:α=θ+δ-β。
其中,
其中,P为压下量,R为对应辊子的半径,L为对应辊子在带钢运动方向上与相邻辊子 之间的辊距。
将ρ0代入上述公式,计算得到新的带钢中性层的曲率半径ρ1。
由于作用于带钢的张力T已知,首先给定弯曲曲率半径的求解范围并初始化曲率半径ρ0, 根据ρ0按三种不同的变形情况分别求解塑性弯矩M,以初始的ρ0计算对应的β角,然后确定 α角,从而可以计算对应的带钢曲率半径ρ1,采用迭代方法不断改变初始的曲率半径ρ值, 直到|ρn+1-ρn|≤ε为止,此时的ρ即为所求。ε为求解误差,可根据实际经验设定。
对于强度高且塑性较差的材料,需要根据计算的延伸率来判断其表面是否会发生裂纹, 本实施例还提供一种带钢拉矫裂纹风险评估方法,包括以下步骤:
1、采用如上带钢拉矫延伸率计算方法,计算得到带钢拉矫后的延伸率;
2、带钢拉矫后的延伸率包括带钢表面的总延伸率,根据带钢表面的总延伸率确定带钢拉 矫时带钢的表面所受到的应力σ,σ=σs(1-λ)+E1ε0,σs为带钢的屈服强度,ε0为带钢表 面应变,ε0等于带钢表面的总延伸率;
3、σb为带钢的抗拉强度,如果σ≥σb,则判断带钢拉矫过程中存在裂纹风险,说明带钢表面应力超过了抗拉强度,有可能在带钢表面出现裂纹,这样会严重影响到产品的表面质 量,且会造成产品的直接报废。
以图1所示的两弯一矫拉矫机为例,弯曲辊和矫直辊的半径均为20mm,下表给出几种 带钢规格在不同压下量时的延伸率计算结果,其中带钢的弹性模量均为210000MPa。
以上表中序号为2的带钢规格为例,假设其抗拉强度为682MPa,保持入口张力240kN 不变,1#弯曲辊压下量25mm,2#弯曲辊压下量15mm,矫直辊压下量15mm,计算得到的带 钢中心层总延伸率为1.915%,上下表面延伸率分别为10.630%和9.992%,此时带钢上表面所 受到的应力为:
超过了抗拉强度682MPa,使得带钢表面可能发生断裂而出现裂纹,会严重影响到产品的 表面质量。
带钢离开弯曲辊时,首先发生弹性回复,这是因为储存在带钢内部的弹性势能在卸载后 被释放出来。而塑性变形是耗能变形,没有弹复能力,属于永久变形。
带钢在拉矫过程中的变形类型为单侧塑性变形或双侧塑性变形时,本实施例还提供一种 带钢拉矫张力损失的计算方法,包括以下步骤:
首先,采用如上的带钢拉矫延伸率计算方法,分别计算得到带钢经过每个辊子后的残余 延伸率;
最后,将各个辊子的张力损失累加,得到带钢在拉矫过程中总的张力损失。
根据带钢在拉矫过程中总的张力损失,可以对拉矫机的张力设定进行优化,保证产品质 量。
如上,本实施例提供的一种带钢拉矫延伸率、张力损失计算方法及裂纹风险评估方法, 具有以下有益效果:由于本法在计算过程中判断带钢在拉矫过程中的变形类型,并根据变形 类型计算获得延伸率,因此本实施例的计算结果准确,为确定合理的拉矫机压下量提供依据, 可有效防止带钢表面应力超过强度极限而出现裂纹,保证带钢良好的表面质量。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效,而非用于限制本发明。任何熟悉此技 术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下,对上述实施例进行修饰或改变。因此,举凡 所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等 效修饰或改变,仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种带钢拉矫延伸率计算方法,其特征在于:所述带钢经过辊子时的形状为抛物线形,包括以下步骤:
获取拉矫设备的参数;
根据带钢经过辊子时的形状、带钢在拉矫过程中的变形类型及所述拉矫设备的参数,分别计算得到带钢经过每个辊子后的残余延伸率;
累加带钢经过各个辊子后的残余延伸率,获得带钢拉矫后的延伸率。
2.根据权利要求1所述的带钢拉矫延伸率计算方法,其特征在于:
根据带钢中性层曲率半径的预设求解范围及预设初始值判断所述带钢在拉矫过程中的变形类型;
根据带钢经过辊子时的形状、所述带钢在拉矫过程中的变形类型及所述拉矫设备的参数,计算得到带钢中性层的曲率半径;
获取所述带钢中性层曲率半径计算值与初始值之间差值的绝对值;
若所述绝对值小于等于预设求解误差,则带钢中性层的曲率半径等于所述计算值;
若所述绝对值大于预设求解误差,则根据所述计算值重新判断带钢在拉矫过程中的变形类型,并计算带钢中性层的曲率半径的新的计算值,直至所述新的计算值与上一次计算值的差值的绝对值小于等于预设求解误差,此时,带钢中性层的曲率半径等于所述新的计算值;
根据所述带钢中性层的曲率得到带钢经过对应辊子后的残余延伸率。
3.根据权利要求2所述的带钢拉矫延伸率计算方法,其特征在于:根据所述带钢中性层曲率半径确定带钢中性层的偏移量,根据所述偏移量确定所述带钢在拉矫过程中的变形类型。
5.根据权利要求4所述的带钢拉矫延伸率计算方法,其特征在于:带钢中性层的曲率半径ρ=2M/(T·sinα·tanα);
其中,T为带钢所受的张力,α为带钢所受张力作用的方向与所述抛物线顶点的切线方向之间的夹角。
6.根据权利要求5所述的带钢拉矫延伸率计算方法,其特征在于:采用带钢曲率半径、中性层偏移量和弯矩计算带钢中心层弹性回复后的残余延伸率,
残余延伸率εc=zn/ρ-znM/(EI),其中I为带钢的惯性矩。
8.根据权利要求4所述的带钢拉矫延伸率计算方法,其特征在于:
单侧塑性变形包括:
带钢的一侧发生弹塑性变形而中心层和另一侧只发生弹性变形的情况,以及
带钢的一侧和带钢的中心层均发生弹塑性变形,而带钢的另一侧发生弹性变形的情况;
双侧塑性变形包括:
带钢的两侧均发生弹塑性变形而带钢的中心层发生弹性变形的情况,以及
带钢的两侧和中心层均发生弹塑性变形的情况。
9.一种带钢拉矫裂纹风险评估方法,其特征在于,包括以下步骤:
采用如权利要求1~8任一项所述的带钢拉矫延伸率计算方法,计算得到带钢拉矫后的延伸率;
所述带钢拉矫后的延伸率包括带钢表面的总延伸率,根据所述带钢表面的总延伸率确定带钢拉矫时带钢表面所受到的应力;
带钢拉矫时表面所受到的应力超过带钢的抗拉强度,则判断带钢拉矫过程中存在裂纹风险。
10.一种带钢拉矫张力损失的计算方法,其特征在于,包括以下步骤:
带钢在拉矫过程中的变形类型为单侧塑性变形或双侧塑性变形;
采用如权利要求1~8任一项所述的带钢拉矫延伸率计算方法,分别计算得到带钢经过每个辊子后的残余延伸率;
根据带钢经过对应辊子后的残余延伸率,得到对应辊子的张力损失;
将各个辊子的张力损失累加,得到带钢在拉矫过程中总的张力损失。
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