一种定宽压力机定宽过程狗骨截面形状预测及评价方法

1.本发明涉及连铸连轧技术技术领域，具体涉及一种定宽压力机定宽过程狗骨截面形状预测及评价方法。


背景技术：

2.随着连铸连轧技术的不断发展，在线宽度控制技术也有了极大的进展。定宽压力机作为一种常用的调宽设备，用于对板坯进行长度方向的在线宽度控制，定宽压力机调宽相对于立辊调宽，有调宽量大、定宽效率高、切头切尾损失小等优势。由于其调宽量大，横向变形深入到板坯中央，定宽后板坯整体厚度增加，但边部局部不均匀变形导致边部出现明显的鼓形，使得板坯横断面呈两端高中间低的狗骨状，在随后的平辊轧制时会产生狗骨宽展，影响定宽效率以及宽度精度和成材率。
3.在定宽压力机定宽过程中，轧线上安装的测宽仪仅仅只能测量板坯定宽前后的宽度，难以对板坯横断面形状进行测量；同时板坯处于热连轧过程中，定宽后的板坯立即进入下一阶段的轧制，将所有板坯下线来测量其截面形状并不现实。
4.有限元仿真方法由于其实用性与高效性而被广泛使用，可以得到现场难以获得的数据。目前对于定宽机的研究，中国专利“cn 1437348一种定宽压力机及其轧制控制方法”从设备方面进行研究，通过控制器，避免了夹送辊提前落下而导致的废钢和设备损坏现象。forouzan(journal of materials processing technology,2008,209(2):728
‑
736.)对定宽压力机和立辊调宽时板坯变形做了对比分析；冯宪章(轧钢,2005(03):28
‑
30.)使用有限元法研究了在定宽过程中轧制力的变化；关丽坤(锻压技术,2015,40(12):131
‑
136.)等使用ls
‑
dyna研究了定宽时板坯宽度、厚度和轧制力对狗骨高度的影响；中国专利“cn 102989784a一种定宽压力机板坯宽度控制方法”建立了定宽压力机短行程控制，针对带钢头尾产生的舌头鱼尾现象进行优化，改善了带钢头尾形状，提高成材率；中国专利“cn 105930594a一种立轧轧件狗骨形状预测方法”通过解析法，得到了立轧后轧件的狗骨数学模型。
5.以上研究中对狗骨截面形状中的关键点位置进行了研究，并未对整体的形状进行深入系统的研究，没有给出截面的模型化描述，对截面形状没有进行判定。同时，立辊轧制后的狗骨形状，由于立辊调宽与定宽压力机调宽时的工作机理有较大区别，立轧轧件的狗骨模型并不适用于定宽压力机调宽过程。


技术实现要素：

6.本发明是针对以上现有技术存在的不足，提出了一种定宽压力机定宽过程狗骨截面形状预测及评价方法。旨在通过有限元仿真得到工艺参数对狗骨截面参数的影响规律，进而对狗骨截面进行拟合，达到预测狗骨截面形状的目标；同时提出一种狗骨截面形状评价方法。
7.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种定宽压力机定宽过程狗骨截面
形状预测，包括以下步骤：
8.步骤1：建立有限元模型
9.利用现场实际数据建立启
‑
停式定宽压力机定宽过程有限元模型；
10.步骤2：有限元分析
11.步骤2.1：运用正交实验法安排工艺参数，工艺参数是指板坯初始宽度b0、板坯初始厚度h0，调宽量δb
e
，根据工艺参数的组合情况，建立多组有限元模型，利用有限元工具获得板坯定宽后的截面形状；
12.步骤2.2：根据板坯定宽后的截面形状，提取狗骨截面参数，分别为：狗骨峰厚度h
m
，与定宽机接触处的板坯厚度h
r
，中部厚度h
c
，狗骨影响区范围l
a
，狗骨峰位置l
d
(狗骨峰到边部的距离)，获得不同工艺参数下，狗骨截面参数的变化趋势；
13.步骤3：狗骨截面形状拟合
14.步骤3.1：参照有限元分析结果，建立狗骨截面参数的函数h
m
、h
r
、h
c
、l
a
、l
d
的表达式，以坯初始宽度b0、板坯初始厚度h0，调宽量δb
e
为三个输入变量，输出量为狗骨截面参数，使用有限元仿真数据进行函数拟合，求得函数表达式待定系数；
15.步骤3.2：根据实际板坯截面形状与有限元分析结果，利用狗骨截面参数对截面形状进行拟合，得到狗骨截面形状的预测曲线h(x)。
16.进一步地，所述步骤1具体包括：
17.步骤1.1：模型材料选择
18.锤头和板坯的材料属性使用材料参数进行表征；
19.步骤1.2：确定有限元建模过程中的板坯和锤头模型参数；
20.步骤1.3：有限元模型的建立
21.根据锤头与板坯的模型参数建立有限元实体模型，结合定宽压力机的定宽过程以及板坯形状的对称特性，使用1/4模型，以减少计算时间，并对所建立的有限元实体模型进行网格划分，设置边界条件和运动属性。
22.进一步地，所述步骤1.1中材料参数包括指密度、泊松比、杨氏模量、以及温度。
23.进一步地，所述步骤1.2中板坯模型参数包括板坯长度、板坯初始宽度范围、板坯初始厚度范围、调宽量范围、板坯温度以及锤头温度；锤头模型参数包括锤头倒角，锤头与板坯接触斜面长度。
24.进一步地，所述步骤1.3中板坯划分网格时，采用solid164单元，六面体网格；锤头划分网格时，采用solid168单元，四面体网格。
25.进一步地，所述步骤1.3中设置边界条件和运动属性具体为：
26.采用有限元工具对板坯与锤头设置接触，定义接触类型为面
‑
面接触；
27.采用有限元工具对板坯的边界进行设置，宽度和厚度边界均设置为对称边界；
28.采用有限元工具对锤头与板坯施加运动，锤头定义板坯宽度方向往复运动，板坯定义长度方向前进运动。
29.进一步地，所述步骤3.1建立的狗骨截面参数的函数h
m
、h
r
、h
c
、l
a
、l
d
的表达式为：
30.[0031][0032][0033][0034][0035]
其中a
1～5
、b
1～5
、c
1～5
、d
1～5
为待定系数。
[0036]
进一步地，所述步骤3.2具体包括：
[0037]
以定宽后板坯截面中心的为原点，宽度方向为x轴，厚度方向为y轴，建立直角坐标系，利用狗骨截面参数的函数表达式，得到1/4狗骨截面上的关键点系，利用狗骨截面参数的函数表达式，得到1/4狗骨截面上的关键点的坐标值，根据实际板坯截面形状与有限元分析结果，将板坯截面分为两个区域，两个区域的范围如下：
[0038]ⅰ区，
[0039]ⅱ区，
[0040]
其中b1为定宽后板坯宽度，且b1＝b0‑
δb
e
；
[0041]
对截面形状进行拟合，ⅰ区采用常数表示，ⅱ区拟合时以三次函数进行描述，得到狗骨截面形状的预测曲线h(x)。
[0042][0043]
本发明还提供了一种定宽压力机定宽过程狗骨截面形状评价方法，包括如下步骤：
[0044]
对上述获得的狗骨截面形状预测曲线h(x)进行归一化处理；计算狗骨截面形状归一化后的平均值；用归一化后的标准差来表示狗骨截面矩形度σ，依据狗骨截面矩形度σ，对狗骨截面形状进行等级评级。
[0045]
进一步地，所述归一化处理采用的方程为：
[0046][0047]
所述狗骨截面归一化后的平均值表达式为：
[0048]
所述狗骨截面矩形度的表达式为：
[0049]
进一步地，所述依据狗骨截面矩形度σ，对狗骨截面形状进行等级评级的方法为：
[0050]
如果狗骨截面矩形度0＜σ≤0.2，评价等级为一级；
[0051]
如果狗骨截面矩形度0.2＜σ≤0.4，评价等级为二级；
[0052]
如果狗骨截面矩形度0.4＜σ≤0.6，评价等级为三级；
[0053]
如果狗骨截面矩形度0.6＜σ≤0.8，评价等级为四级；
[0054]
如果狗骨截面矩形度0.8＜σ＜1，评价等级为五级；
[0055]
狗骨截面矩形度越小，狗骨截面形状等级越高。
[0056]
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
[0057]
本发明建立了定宽压力机板坯狗骨截面形数学模型，综合考虑了板坯轧制过程中工艺规程和设备参数，最大限度的还原现场实际，通过有限元仿真与函数拟合，精准的预测了定宽后板坯截面形状曲线，解决了在定宽过程中，板坯截面难以测量的难题；同时给出了一种狗骨截面形状的评价方法。本发明能够提高控制精度，为之后的宽度控制提供指导，提高生产率。
附图说明
[0058]
图1为本发明的狗骨截面形状预测流程图；
[0059]
图2为本发明中有限元模型建立步骤中的有限元模型图；
[0060]
图3为本发明中定宽前后狗骨截面形状对比图；
[0061]
图4为本发明中要拟合的1/4狗骨截面形状示意图；
[0062]
图5为本发明中现场数据验证步骤函数验证比较图；
[0063]
图6为本发明中狗骨截面形状评价流程图。
具体实施方式
[0064]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0065]
实施例
[0066]
以选取不同调宽量模型为例进行分析，利用全部数据进行拟合，流程如图1所示，按如下步骤进行：
[0067]
步骤1：建立有限元模型
[0068]
步骤1.1：模型材料选择
[0069]
板坯模型材料使用双线性随动强化模型，即使用两段式的形式来表示材料的本构关系。板坯与锤头的材料参数如表1所示：
[0070]
表1板坯与锤头的材料参数
[0071][0072]
步骤1.2：确定有限元建模过程中的板坯和锤头模型参数
[0073]
获取定宽压力机锤头尺寸与模型运动方式；板坯初始长度8000mm、板坯初始宽度范围为1200mm～2000mm、板坯初始厚度范围200mm～275mm，调宽量范围为100～350mm、板坯温度1100℃、锤头温度25℃；
[0074]
锤头倒角采用13
°
，锤头与板坯接触斜面长度为570mm。
[0075]
定宽压力机建模采用启
‑
停式定宽机，锤头沿着板坯宽度方向往复运动；
[0076]
步骤1.3：有限元模型建立
[0077]
首先建立实体模型：基于现场数据，使用ansys软件建立定宽过程的三维弹塑性有限元模型：依据定宽机定宽过程以及板坯变形的对称特性，考虑节省计算时间，采用1/4模型进行建模；同时，在不影响结果的情况下，减小板坯长度，设置为2500mm；设置宽度和厚度对称面；锤头和板坯的材料属性以材料参数为表征，材料参数包括密度ρ(kg/m)、泊松比μ、杨氏模量e(pa)、温度t(℃)；
[0078]
使用ansys网格划分工具对模型进行网格划分，板坯采用solid164单元，六面体网格；锤头采用solid168单元，四面体网格，均采用大小一致的网格；
[0079]
以1520mm
×
230mm
×
2500mm板坯为例，建立锤头和板坯的有限元模型，锤头前端与板坯齐平，为了节省计算时间，采用1/4模型，板坯的有限元模型尺寸为760mm
×
115mm
×
3500mm；划分网格时，板坯使用六面体网格，网格数为149632，锤头网格划分使用四面体网格，网格数目为17815，其有限元模型图如图2所示；
[0080]
设置锤头与板坯的接触为面
‑
面接触，动摩擦因子为0.25，静摩擦因子为0.3。在宽度和厚度对称面设置对称边界。
[0081]
设置锤头与板坯的运动，锤头定义板坯宽度方向往复运动，板坯定义长度方向前进运动。
[0082]
步骤2：有限元分析
[0083]
步骤2.1：数值模拟实验安排
[0084]
为了完整分析工艺参数对狗骨截面的影响，本文采用正交实验法选取工艺参数，采取3因素6个水平，选用l36(63)正交试验表，如表2所示。使用不同的工艺参数建立多组有限元模型，并赋予材料参数，进行网格划分，边界条件和运动属性设置等，利用ansys/ls
‑
dyna进行运算；获得板坯定宽后的截面形状。
[0085]
表2正交实验法安排的工艺参数
[0086][0087]
步骤2.2：如图3所示的定宽前后狗骨截面形状对比图，根据板坯的截面形状，提取狗骨截面参数，分别为：狗骨峰厚度函数h
m
，与定宽机接触处的板坯厚度h
r
，中部厚度h
c
，狗骨影响区范围l
a
，狗骨峰位置l
d
(狗骨峰到边部的距离)，获得不同工艺参数下，狗骨截面参数的变化趋势；
[0088]
通过前述的有限元仿真，以调宽量的变化为例进行分析，以板坯初始宽度1520mm、初始厚度230mm、长度2500mm，调宽量分别为100mm、150mm、200mm、250mm、300mm、350mm的模型为例，对调宽量的影响规律进行分析；
[0089]
在厚度和宽度相同、调宽量不同时，对稳定变形区的狗骨截面参数描点作图，得到不同调宽量下，狗骨截面参数的规律：随着调宽量的增加，金属变形增加，狗骨峰厚度增加，与定宽压力机接触的厚度增加，中部厚度增加，边部的局部不均匀变形扩大，狗骨影响区范围扩大，狗骨峰到边部的距离减小。
[0090]
步骤3：狗骨截面函数拟合分析
[0091]
步骤3.1：通过上述有限元分析，获得狗骨截面参数在不同工艺参数下的变化趋势，同时得到狗骨截面具体数据。
[0092]
狗骨截面曲线预测时，有板坯初始宽度、板坯初始厚度和调宽量三个输入变量，输出量为狗骨截面参数。设置五种狗骨截面参数：狗骨峰厚度函数h
m
，与定宽机接触处的板坯厚度h
r
，中部厚度h
c
，狗骨影响区范围l
a
，狗骨峰位置l
d
的表达式如下：
[0093][0094]
[0095][0096][0097][0098]
采用origin软件中levenberg
‑
marquardt优化算法对上述狗骨截面参数进行拟合计算，得到的函数系数如表3所示：
[0099]
表3狗骨截面参数待定系数及相关系数
[0100][0101][0102]
步骤3.2：以板坯截面中心的为原点，宽度方向为x轴，厚度方向为y轴，建立直角坐标系，通过狗骨截面参数可以得到图4中1/4狗骨截面上的关键点标系，通过狗骨截面参数可以得到图4中1/4狗骨截面上的关键点的坐标值，并对截面形状进行拟合，以函数h(x)来表示狗骨截面形状。
[0103]
根据狗骨截面形状，将截面曲线分为两个区域：ⅰ和ⅱ，其中ⅰ使用常数表示，ⅱ采用曲线形式表示。ⅱ分别使用三次函数、洛伦兹函数、sine函数进行拟合，其中三次函数和洛伦兹函数拟合度相对较高；将拟合曲线的面积与实际截面面积作对比，三次函数误差为0.34％，洛伦兹函数误差为2.05％，sine函数误差为1.08％。选择使用三次函数对ⅱ区域描述，狗骨截面的分段函数形式如下所示：
[0104][0105]
其中b1为定宽后板坯宽度，且b1＝b0‑
δb
e
；l
a
为狗骨影响区范围；
[0106]
选取初始宽度为1520mm，初始厚度为230mm，调宽量为250mm的板坯进行计算，利用狗骨截面参数的函数表达式，得到1/4狗骨截面上的关键点a、b、c、d坐标值，根据a、b、c、d坐
标值，拟合后获得狗骨截面的分段函数形式如下所示：
[0107][0108]
将函数计算得到的截面曲线与现场实测截面曲线进行对比，如图5所示，预测得到的截面曲线与实测数据重合度高，面积误差低于5％；
[0109]
步骤4：狗骨截面形状评价，评价流程如图6所示。
[0110]
步骤4.1：对狗骨截面进行归一化处理：
[0111]
步骤4.2：计算狗骨截面归一化后的平均值：
[0112]
步骤4.3：计算狗骨截面矩形度，用狗骨截面归一化后的标准差来表示：
[0113][0114]
步骤4.4：狗骨截面矩形度σ＝0.345∈(0.2,0.4)，因此狗骨截面形状评价等级为二级。
[0115]
以上技术方案阐述了本发明的技术思路，不能以此限定本发明的保护范围，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上技术方案所作的任何改动及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。