王 鐸

（山東省冶金設(shè)計院股份有限公司，山東 濟(jì)南 250101）

在國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)穩(wěn)步增長的宏觀背景下，社會各領(lǐng)域?qū)︿摬牡男枨罅颗c日俱增，同時對鋼材產(chǎn)品的生產(chǎn)精度與質(zhì)量也提出了更高的要求，計算機仿真技術(shù)給軋鋼產(chǎn)品的設(shè)計與制造提供了強大的技術(shù)支撐。過去，應(yīng)用傳統(tǒng)的軋鋼工藝時，因軋件本身質(zhì)量有著較為嚴(yán)重的分層現(xiàn)象，并且冷卻效果較差，以至于殘余應(yīng)力對構(gòu)件的變形、穩(wěn)定性、抗疲勞性能都會產(chǎn)生不利影響。此外，也很難控制軋件的厚度與精度，進(jìn)而嚴(yán)重影響了軋件質(zhì)量。應(yīng)用計算機仿真技術(shù)以后，這一狀況得到有效改善，借助于計算機仿真軟件，技術(shù)人員可以精準(zhǔn)模擬出軋鋼工藝模型，參照系統(tǒng)模型還能夠準(zhǔn)確分析出影響軋件質(zhì)量的各種因素，進(jìn)而能夠及時調(diào)整設(shè)計與制造方案，生產(chǎn)出更多高質(zhì)量的軋鋼產(chǎn)品。

1 軋鋼工藝與計算機仿真技術(shù)概述

1.1 軋鋼工藝

軋鋼工藝主要通過壓力加工流程來改變鋼坯的形狀與規(guī)格，進(jìn)而生產(chǎn)出滿足用戶需求的鋼材產(chǎn)品，包括熱軋與冷軋兩種軋制工藝。其中，熱軋工藝主要以連鑄板坯或者初軋板坯為生產(chǎn)原料，經(jīng)過加熱爐加熱、高壓水除磷、精軋與終軋等工序，得到熱軋鋼板、軋鋼卷、縱切帶等熱軋產(chǎn)品。而冷軋工藝則以熱軋鋼卷為主要原料，經(jīng)過酸洗去除氧化皮后進(jìn)行冷連軋，使鋼卷的強度、硬度、韌性、塑性指標(biāo)發(fā)生改變，進(jìn)而生產(chǎn)出一些簡單的零部件，通過冷軋工藝得到的鋼板質(zhì)量及外觀形態(tài)均優(yōu)于熱軋鋼板。近年來，隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，軋鋼工藝的自動化、智能化制造水平越來越高，尤其是計算機仿真技術(shù)在軋鋼生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用，不僅解決了軋鋼產(chǎn)品精度低的問題，同時縮短了生產(chǎn)制造周期，給鋼鐵企業(yè)創(chuàng)造了豐厚的經(jīng)濟(jì)效益[1]。

1.2 計算機仿真技術(shù)

計算機仿真技術(shù)主要是以計算機和各種物理效應(yīng)設(shè)備為工具，利用系統(tǒng)模型對實際的或設(shè)想的系統(tǒng)進(jìn)行試驗研究的一門綜合性技術(shù)，在軋鋼生產(chǎn)中應(yīng)用該技術(shù)，首先需要建立一個系統(tǒng)模型（見圖1），然后對模型當(dāng)中的各項參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行分析、評價，進(jìn)而制定一套產(chǎn)品精度高、生產(chǎn)周期短、節(jié)能效果好的鋼坯軋制方案。計算機仿真技術(shù)最為顯著的一個特征是不受外界環(huán)境因素的影響，并且能夠隨時改變時間比例尺。

圖1 計算機仿真技術(shù)系統(tǒng)模型

2 計算機仿真技術(shù)在軋鋼工藝中的具體應(yīng)用

2.1 計算機仿真軟件

科研人員結(jié)合軋鋼工藝流程，研制開發(fā)出了適用于軋鋼生產(chǎn)流程的計算機仿真軟件，其中，最為常用的仿真軟件是CIMS，即計算機集成制造系統(tǒng)，應(yīng)用該系統(tǒng)能夠?qū)Ξa(chǎn)品的設(shè)計流程及生產(chǎn)制造流程進(jìn)行仿真模擬，在應(yīng)用該系統(tǒng)前，首先需要將設(shè)計計劃及工藝路徑等內(nèi)容以表格的形式輸入到系統(tǒng)當(dāng)中，然后利用仿真模擬器，構(gòu)建一個設(shè)計與生產(chǎn)工藝仿真模型，技術(shù)人員根據(jù)這一模型，能及時對軋件的規(guī)格與尺寸參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，從而改善軋件性能，提高軋制產(chǎn)品精度。CIMS 系統(tǒng)借鑒了計算機輔助設(shè)計與計算機輔助制造的特點，通過CAD 輸出產(chǎn)品的設(shè)計信息，技術(shù)人員可以直接將這些信息傳輸?shù)接嬎銠C輔助加工工藝的規(guī)劃系統(tǒng)當(dāng)中，進(jìn)而形成一個精確的刀位軌跡文件。為了保證產(chǎn)品加工精度，在軋制過程中，每一次對鋼坯進(jìn)行切削前，都需要進(jìn)行一次試切削，這就使得研發(fā)周期大大延長，生產(chǎn)成本增加，而通過運用CAM/CAD的集成技術(shù)，能夠檢驗NC 代碼的正確性及切削加工精度，進(jìn)而無需經(jīng)過試切削便可完成產(chǎn)品的加工流程[2]。

2.2 計算機仿真技術(shù)在軋鋼生產(chǎn)節(jié)能領(lǐng)域的應(yīng)用

鋼坯在熱軋過程中，需要消耗大量的熱量，因此會造成大量資源能源的浪費，為了避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，近年來，鋼鐵企業(yè)將計算機仿真技術(shù)與軋鋼生產(chǎn)工藝融合到一起，通過對加熱爐、軋件的仿真建模，技術(shù)人員可以隨時對加熱爐的各項參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而大大減少了加熱爐的空氣耗量與煤氣燃料的消耗量，據(jù)現(xiàn)場實驗數(shù)據(jù)表明，應(yīng)用計算機仿真技術(shù)，熱軋工藝流程的能耗量將降低20%以上。

3 計算機仿真技術(shù)在軋鋼工藝中的應(yīng)用實例

3.1 小規(guī)格圓鋼冷床運動模型

目前，社會各領(lǐng)域?qū)Ζ?10 mm 小規(guī)格圓鋼產(chǎn)品的需求量變大，在這種形勢下，如果采用傳統(tǒng)的冷軋工藝，將無法滿足鋼材市場對小規(guī)格圓鋼產(chǎn)品的需求。因此，鋼鐵企業(yè)的相關(guān)技術(shù)人員通過對小規(guī)格圓鋼在冷床上的運行機理進(jìn)行分析，借助于計算機仿真技術(shù)，建立了一個小規(guī)格圓鋼冷床運動模型，通過現(xiàn)場仿真實驗，確定了利用冷床來批量生產(chǎn)小規(guī)格圓鋼的方案。

3.2 小規(guī)格圓鋼冷床運動原理

在生產(chǎn)小規(guī)格圓鋼時，主要采用步進(jìn)回轉(zhuǎn)式冷床，目前，這種類型的冷床主要包括兩種齒板，一種是V 形齒板，另一種是U 形齒板，通過這兩種齒板的交錯運動，圓鋼可以在冷床上面做步進(jìn)運動。在運動過程中，圓鋼主要圍繞自身軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。這時，V 形齒板與U 形齒板分別處于交錯的運動狀態(tài)，即V 形齒板向上運動，U 形齒板則向下運動，V 形齒板向左運動，則U 形齒板向右運動。比如主軸連動連桿的偏心值為52 mm，那么，連接V 形與U 形齒板的移動梁連桿的偏心值為37.5 mm。在該冷床當(dāng)中，移動梁連接與主軸最近的兩個同形齒板，而離主軸最遠(yuǎn)的大梁則不需要移動梁的連接，主要依靠同形齒板的協(xié)調(diào)作用即可完成整個運動過程。在主軸上面，三角形托架連桿連接的偏心與兩個移動梁的偏心始終保持垂直狀態(tài)，當(dāng)搖臂高度達(dá)到52 mm 時，此時的移動梁處于靜止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)達(dá)到37.5 mm 的最大搖臂時，兩個搖臂處于平行狀態(tài)，在這種情況下，V 形與U 形齒板的運動轉(zhuǎn)變方程可以表示成=1。當(dāng)冷床處于運動狀態(tài)時，U 形齒板比V 形齒板的位置低104 mm，在V 形齒板做向下、向前運動時，U 形齒板則做向上、向后運動?？紤]到鋼坯材料本身的自重量，當(dāng)V 形齒板與材料接觸以后，V 形齒板左壁將做下滑運動，直到觸碰到另一側(cè)壁以后，V 形齒板才停止運動。通過對小規(guī)格圓鋼冷床運動軌跡的仿真模擬可以看出，小規(guī)格圓鋼在冷床上的運動軌跡與運動方式幾乎與圓鋼的軋制流程相一致，進(jìn)而可以確定小規(guī)格圓鋼冷床運動方案。

3.3 小規(guī)格圓鋼冷床運動結(jié)果

小規(guī)格圓鋼在冷床上面運動軌跡與圓鋼本身的直徑有著密不可分的關(guān)系，尤其在滾動與滑動運動模式兼具的情況下，圓鋼冷床運動忽略了多次細(xì)小的碰撞，因此，技術(shù)人員分別針對Φ90 mm 與Φ75 mm 兩種規(guī)格的圓鋼進(jìn)行建模與仿真。正常情況下，Φ90 mm圓鋼在冷床上的運動軌跡比較穩(wěn)定，而且冷卻效果相對較好。而通過對Φ75 mm 圓鋼進(jìn)行仿真模擬發(fā)現(xiàn)，這種規(guī)格的圓鋼雖然冷卻效果好，但是其穩(wěn)定性不及Φ90 mm 圓鋼。在極限情況下，即橫向運動為48.5 mm、縱向運動為33 mm 時，Φ90 mm 圓鋼的穩(wěn)定性與冷卻效果稍差，而Φ75 mm 圓鋼的各項性能指標(biāo)則更加不穩(wěn)定，冷卻效果與正常情況下的冷卻效果相差較大。

4 結(jié)語

隨著計算機仿真技術(shù)的日漸成熟，軋鋼生產(chǎn)工藝也不斷得到優(yōu)化和改進(jìn)，尤其在節(jié)能降耗、人員培訓(xùn)、生產(chǎn)管理等方面。通過應(yīng)用計算機仿真技術(shù)，使鋼鐵企業(yè)的綜合競爭力得到大幅提升。因此，鋼鐵企業(yè)應(yīng)當(dāng)充分發(fā)揮計算機仿真技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢，在給社會各領(lǐng)域提供更多高質(zhì)量軋鋼產(chǎn)品的同時，實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益與社會效益雙豐收的美好愿景。