一种钢带异步连轧过程的变形抗力计算方法与流程

本发明属于轧制生产
技术领域：
，具体涉及一种钢带异步连轧过程的变形抗力计算方法。
背景技术：
：金属的变形抗力是指单向应力状态下，金属产生塑性变形所需单位面积上的力。变形抗力的大小不仅与化学成分有关，还与变形温度和变形速率有关。变形抗力是轧制力计算公式中的重要物理参数，准确的变形抗力模型对提高轧制力计算精度尤为重要。为了对钢带异步连轧过程参数进行精准设定，亟须建立一种钢带异步连轧变形抗力计算方法。申请号为201610461127.2的中国发明专利公开了“一种冷轧新钢种变形抗力系数快速修正方法”。该方法通过计算轧制力精度系数，进而确定变形抗力系数值。但该方法仅对系数进行修改，并未对变形抗力进行建模，也未给出冷轧变形抗力模型的建模方法与具体形式。申请号为200910219603.x的中国发明专利公开了“一种在线拟合加工硬化曲线的方法”。通过实测数据反算金属变形抗力，提高了硬化曲线的拟合精度。申请号为201510524769.8的中国发明专利公开了“一种测试钢板高温变形抗力的实验方法”。该方法通过实测轧制力反算当前轧制温度时的变形抗力。实测轧制力除了与轧件变形抗力有关外，还与轧制外摩擦条件与应力状态等有关。该专利中没有确定轧制外摩擦条件与轧件应力状态，所以反算出的轧件变形抗力不准确，不能反映材料的真实特性。申请号为201610802819.9的中国发明专利公开了“一种构建材料变形抗力模型的方法”。该方法考虑了轧件不同组织的变化阶段，对变形抗力模型进行分段，提升了轧制力计算精度。申请号为201310157302.5的中国发明专利公开了“一种板坯轧制过程中变形抗力的预测方法”。该方法将变形抗力分解为四个独立的部分，并分别通过实验确定四部分的参数，简化了变形抗力实验。申请号为201210233146.1的中国发明专利公开了“一种用于轧机设计的材料变形抗力统一模型的构造方法”。该方法以热模拟实验数据为基础，通过非线性拟合分析，提高了变形抗力模型的外推能力。综上所述专利均没有考虑异步连轧过程参数对变形抗力的影响。针对钢带异步连轧过程的变形抗力计算方法目前尚无报道。技术实现要素：本发明提出了一种钢带异步连轧过程的变形抗力计算方法，根据异步冷连轧过程中轧辊的半径、轧辊的线速度、带材轧制前后的厚度等参数和钢带材料性能参数计算异步冷连轧过程各道次的变形抗力，根据异步热连轧过程中的温度、轧辊的半径、轧辊的线速度、带材轧制前后的厚度等参数和钢带材料性能参数计算异步热连轧过程各道次的变形抗力。计算出的变形抗力可以用于对异步连轧过程中张力、轧制力等重要参数的精准设定。本发明中的钢带异步连轧过程的变形抗力计算方法流程如图1所示，具体操作步骤如下：步骤1、建立钢带材料轧制变形抗力数学模型，实验确定数学模型中的回归系数，钢带材料轧制变形抗力数学模型包括热轧变形抗力模型和冷轧变形抗力模型。所述热轧变形抗力模型如下式(1)：式中，σh为热轧变形抗力；t为变形温度；为应变速率；ε为真应变；σh0为t＝1000℃、ε＝0.4时的变形抗力；ah1-ah6为与钢带材料种类相关的回归系数。所述冷轧变形抗力模型如下式(2)：式中，σc为冷轧变形抗力；σc0为未变形实验钢室温时的变形抗力；为应变速率；ε为真应变；ac1、ac2为与钢带材料种类相关的回归系数；m为应变速率敏感指数，m＝0.009823。对于常规冷轧，当轧制速度较低时(0-500m/min)，(2)式中应变速率的影响可以忽略，可用式(3)直接计算变形抗力：对于常规轧制或压缩过程，ε为加工后的真应变。按照公式ε＝ln(h/h)计算，式中h为轧前厚度或压缩前的高度，h为轧后厚度或压缩后的高度。步骤1.1、采用热模拟实验机对钢带材料试样进行热压缩实验，测得试样屈服强度作为步骤1热轧变形抗力模型式(1)中的σh0，变形温度1000℃，真应变0.4，变形速率10s-1；采用拉伸实验机对钢带材料试样进行常温单向拉伸实验测得试样屈服强度，作为步骤1冷轧变形抗力模型式(2)和式(3)中的σc0。步骤1.2、采用热模拟实验机，将多个钢带材料压缩试样以15℃/s的加热速率升温至1200℃，保温200s，以5℃/s的速度分别降温至不同温度获得对应n个不同降温温度的n组钢带材料压缩试样，再分别将不同降温温度的每组压缩试样分别以m个不同的应变速率进行热压缩实验，其中n≥4，m≥3，热压缩变形量为60～80％范围中的一个定值，得到不同温度、不同应变速率下的钢带材料屈服强度，作为不同温度和应变速率下，步骤1热轧变形抗力模型式(1)中的热轧变形抗力σh，所对应的温度和应变速率作为步骤1热轧变形抗力模型式(1)中的变形温度t和应变速率根据压缩变形量，通过公式ε＝ln(h/h)计算真应变ε，作为步骤1热轧变形抗力模型式(1)中的真应变值ε，式中h为压缩前的高度，h为压缩后的高度。优选采用900℃、950℃、1000℃、1050℃、1100℃、1150℃的不同降温温度，每种降温温度4个试样，分别进行应变速率0.01s-1、0.1s-1、1s-1和10s-1的热压缩实验。采用实验冷轧机，通过不同的冷轧压下率分别将多个钢带材料试样进行常规单机架冷轧实验，试样数量优选10个以上，轧制速度为1～5m/s，将冷轧后的钢带试样分别进行常温单向拉伸实验，得到不同冷轧压下率钢带的屈服强度，所述的不同的冷轧压下率优选采用10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％。将不同冷轧压下率的钢带屈服强度作为对应压下率下的冷轧变形抗力σc；根据公式ε＝ln(h/h)计算不同冷轧压下率的冷轧钢带材料试样的真应变ε，h为轧前厚度，h为轧后厚度。步骤1.3、根据步骤1.1中得到的实验数据σh0，步骤1.2中的热压缩实验的真应变ε、不同变形温度t和应变速率及对应的σh，利用origin软件回归式(1)得到所述钢带材料热轧变形抗力模型式(1)中的回归系数ah1-ah6；根据步骤1.1和1.2中常规单机架冷轧实验的实验数据σc0、不同冷轧压下率下的σc、根据不同冷轧压下率计算出的冷轧钢带材料试样的真应变ε，利用origin软件回归式(3)得到式(3)中的回归系数ac1、ac2，ac1、ac2也是所述钢带材料冷轧变形抗力模型式(2)中的回归系数ac1、ac2。步骤2、根据钢带异步连轧过程中的异步比得到所计算道次的剪切应变。所计算道次的异步比r与剪切应变的关系如式(4)所示：式中，εxz为钢带异步连轧中所计算道次的剪切应变，r为对应的工作轧辊半径。其中vb为下辊线速度，vu为上辊线速度。h0为钢带道次轧前厚度，h1为钢带道次轧后厚度。步骤3、获得钢带异步连轧过程中所计算道次的等效应变如式(5)所示：式中，垂直方向应变步骤4、获得钢带异步连轧过程所计算道次的等效应变速率按式(6)。步骤5、将式(5)得到的作为ε，式(6)得到的作为连同步骤1.3得到的回归系数ah1-ah6代入步骤1中的热轧变形抗力模型式(1)，即可建立钢带异步热连轧过程的变形抗力数学模型，代入所需计算道次的工作轧辊半径r、下辊线速度vb、上辊线速度vu、钢带道次轧前厚度h0、钢带道次轧后厚度h1、该道次设定的热轧变形温度t，即可计算出异步热连轧过程所计算道次钢带在设定热轧变形温度t下的变形抗力σh。将式(5)得到的作为ε，式(6)得到的作为连同步骤1.3得到的回归系数ac1、ac2代入步骤1中的冷轧变形抗力模型式(2)，即可建立钢带异步冷连轧过程的变形抗力数学模型，代入所需计算道次的工作轧辊半径r、下辊线速度vb、上辊线速度vu、钢带道次轧前厚度h0、钢带道次轧后厚度h1即可计算出钢带异步冷连轧过程所计算道次的钢带变形抗力σc。计算出的钢带热连轧或冷连轧过程中的变形抗力可以用于对异步冷连轧或热轧过程中张力、轧制力等重要参数的精准设定。本发明的有益效果：本发明计算获得的异步热连轧变形抗力和异步冷连轧变形抗力准确度高，可以用于对异步连轧过程中张力、轧制力等参数的精准设定，对于实现异步连轧过程的自动控制具有重要的指导意义。附图说明图1为本发明中一种钢带异步连轧过程的变形抗力计算方法的流程图。具体实施方式实施例1以2150mm七机架四辊热连轧机组为例，该机组的工作辊径570～750mm、支撑辊径1300～1450mm，机组最大轧制力为32mn。计算钢带异步热连轧某道次变形抗力。其中，钢带的化学成分按重量百分比(≤，％)为：c：0.09、si：0.30、mn：5.9、cr：21、ni：15、nb:0.1、p：0.045、s：0.04，异步比为1.28，轧制温度为1100℃，轧制速度为vu＝2m/s，vb＝2.56m/s，入口厚度50mm，出口厚度30mm。(1)采用热模拟实验机，将钢带材料试样以15℃/s的加热速率升温至1200℃，保温200s，以5℃/s的速度分别降温至950、1000、1050、1100、1150℃，再分别以0.01、0.1、1和10s-1的应变速率进行热压缩实验，压缩变形量70％，对应的真应变值为1.204，得到不同温度、不同应变速率下的变形抗力如表1所示。表1实施例1中不同变形条件下钢带的变形抗力值应变速率0.01s-1应变速率0.1s-1应变速率1s-1应变速率10s-1950℃246mpa352mpa373mpa408mpa1000℃228mpa271mpa301mpa378mpa1050℃167mpa202mpa255mpa317mpa1100℃109mpa169mpa232mpa281mpa1150℃94mpa142mpa204mpa260mpa(2)采用热模拟实验机进行压缩实验，变形温度1000℃，真应变0.4，变形速率10s-1，测得钢带材料式(1)中σh0＝369.7mpa。(3)根据表1中的实验数据，利用origin软件回归式(1)得到钢带材料变形抗力模型式(1)中的系数ah1-ah6，结果如表2所示。表2实施例1中钢带材料变形抗力模型回归系数系数ah1ah2ah3ah4ah5ah6值-2.253.070.34-0.380.271.51(4)将轧辊速度，轧制温度，轧制速度，入口厚度，出口厚度和轧辊半径带入式(4)计算剪切应变εxz＝-1.174。(5)将εxz＝-1.174，带入式(5)，求出异步连轧中的等效应变(6)将上、下辊线速度，入口厚度，出口厚度和轧辊半径带入式(6)，计算异步连轧等效应变速率(7)将计算得到的带入式(1)中，求出该异步热连轧过程该道次变形抗力σh＝404.45mpa。实施例2以2150mm七机架四辊热连轧机组为例，该机组的工作辊径570～750mm、支撑辊径1300～1450mm，机组最大轧制力为32mn。计算钢带异步热连轧某道次变形抗力。其中，钢带的化学成分按重量百分比(≤，％)为：c：0.3、si：0.30、mn：20、al：4、p：0.005、s：0.001，异步比为1.13，轧制温度为1000℃，轧制速度为vu＝2.5m/s，vb＝2.83m/s，入口厚度40mm，出口厚度25mm。(1)采用热模拟实验机，将钢带材料试样以15℃/s的加热速率升温至1200℃，保温200s，以5℃/s的速度分别降温至950、1000、1050、1100、1150℃，再分别以0.01、0.1、1和10s-1的应变速率进行热压缩实验，压缩变形量70％，对应的真应变值为1.204，得到不同温度、不同应变速率下的变形抗力如表3所示。表3实施例2中不同变形条件下钢带的变形抗力值应变速率0.01s-1应变速率0.1s-1应变速率1s-1应变速率10s-1950℃151mpa209mpa267mpa332mpa1000℃105mpa167mpa211mpa288mpa1050℃83mpa129mpa178mpa249mpa1100℃64mpa110mpa145mpa227mpa1150℃49mpa97mpa123mpa191mpa(2)采用热模拟实验机进行压缩实验，变形温度1000℃，真应变0.4，变形速率10s-1，测得钢带材料式(1)中σ0＝288mpa。(3)根据表3中的实验数据，利用origin软件回归式(1)得到钢带材料变形抗力模型式(1)中的系数ah1-ah6，结果如表4所示。表4实施例2中钢带材料变形抗力模型回归系数系数ah1ah2ah3ah4ah5ah6值-2.212.870.42-0.470.291.46(4)将异步比，轧制温度，轧制速度，入口厚度，出口厚度和轧辊半径带入式(4)计算剪切应变εxz＝-0.64。(5)将εxz＝-0.64，带入式(5)，求出异步连轧中的等效应变(6)将上、下辊线速度，入口厚度，出口厚度和轧辊半径带入式(6)，计算异步连轧等效应变速率(7)将计算得到的带入式(1)中，求出该异步热连轧过程该道次变形抗力σh＝323.57mpa。实施例3以2150mm七机架四辊热连轧机组为例，该机组的工作辊径570～750mm、支撑辊径1300～1450mm，机组最大轧制力为32mn。计算钢带异步热连轧某道次变形抗力。其中，钢带的化学成分按重量百分比(≤，％)为：c：0.20、si：0.20、mn：0.2、cr：0.60、ni：2.0、nb：0.03、mo：0.2、v：0.2、p：0.010、s：0.005，异步比为1.09，轧制温度为970℃，轧制速度为vu＝3m/s，vb＝3.27m/s，入口厚度30mm，出口厚度15mm。(1)采用热模拟实验机，将钢带材料试样以15℃/s的加热速率升温至1200℃，保温200s，以5℃/s的速度分别降温至950、1000、1050、1100、1150℃，再分别以0.01、0.1、1和10s-1的应变速率进行热压缩实验，压缩变形量70％，对应的真应变值为1.204，得到不同温度、不同应变速率下的变形抗力如表5所示。表5实施例3中不同变形条件下钢带的变形抗力值应变速率0.01s-1应变速率0.1s-1应变速率1s-1应变速率10s-1950℃218mpa229mpa245mpa257mpa1000℃147mpa161mpa204mpa223mpa1050℃75mpa108mpa169mpa192mpa1100℃51mpa77mpa131mpa167mpa1150℃27mpa60mpa123mpa141mpa(2)采用热模拟实验机进行压缩实验，变形温度1000℃，真应变0.4，变形速率10s-1，测得钢带材料式(1)中σ0＝195mpa。(3)根据表5中的实验数据，利用origin软件回归式(1)得到钢带材料变形抗力模型式(1)中的系数ah1-ah6，结果如表6所示。表6实施例3中钢带变形抗力模型回归系数系数ah1ah2ah3ah4ah5ah6值-1.862.370.61-0.670.381.55(4)将异步比，轧制温度，轧制速度，入口厚度，出口厚度和轧辊半径带入式(4)计算剪切应变εxz＝-0.43。(5)将εxz＝-0.43，带入式(5)，求出异步连轧中的等效应变(6)将上、下辊线速度，入口厚度，出口厚度和轧辊半径带入式(6)，计算异步连轧等效应变速率(7)将计算得到的带入式(1)中，求出该异步热连轧过程该道次σh＝323.57mpa。实施例4以2150mm五机架六辊冷连轧机组为例，该机组的工作辊径430～570mm、中间辊径580～650mm、支撑辊径1325～1485mm，机组最大轧制力为32mn。计算钢带异步冷连轧某道次变形抗力。其中，钢带的化学成分按重量百分比(≤，％)为：c：0.15、si：0.63、mn：1.66、cr：0.57、p：0.014、s：0.008，异步比为1.3，轧制速度为vu＝1.8m/s，vb＝2.34m/s，冷轧原料4mm，入口厚度4mm，出口厚度2.8mm。(1)采用实验冷轧机，将钢带材料试样按照10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％的压下率进行单次冷轧，冷轧速度1m/s，分别对冷轧后的实验钢进行常温单向拉伸实验，测得的变形抗力如表7所示。表7实施例4中不同压下率下钢带的变形抗力值压下率,％变形抗力,mpa压下率,％变形抗力,mpa压下率,％变形抗力,mpa106134076870890156454577875950206885081580988256885586585105530700608809011453570865872(2)采用拉伸实验机进行常温单向拉伸实验，测得未变形钢带材料式(2)、式(3)中σc0＝380mpa。(3)根据表7中的实验数据，利用origin软件回归式(3)得到钢带材料变形抗力模型式(3)中的系数ac1＝883.69，ac2＝0.4044，ac1、ac2也是所述钢带材料冷轧变形抗力模型式(2)中的回归系数ac1、ac2。(4)将轧制速度，入口厚度，出口厚度和轧辊半径带入式(4)计算剪切应变εxz＝-4.017。(5)将εxz＝-4.017，带入式(5)，求出异步连轧中的等效应变(6)将上、下辊线速度，入口厚度，出口厚度和轧辊半径带入式(6)，计算异步连轧等效应变速率(7)将计算得到的带入式(2)中，求出异步冷连轧该道次变形抗力σc＝735.47mpa。实施例5以2150mm五机架六辊冷连轧机组为例，该机组的工作辊径430～570mm、中间辊径580～650mm、支撑辊径1325～1485mm，机组最大轧制力为32mn。计算钢带异步冷连轧某道次变形抗力。其中，钢带的化学成分按重量百分比(≤，％)为：c：0.20、si：1.82、mn：2.43、cr：0.11、p：0.014、s：0.004，异步比为1.18，轧制速度为vu＝4.1m/s，vb＝4.84m/s，冷轧原料3mm，入口厚度2.1mm，出口厚度1.3mm。(1)采用实验冷轧机，将钢带材料试样按照10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％的压下率进行单次冷轧，冷轧速度3m/s，分别对冷轧后的实验钢进行常温单向拉伸实验，测得的变形抗力如表8所示。表8实施例5不同压下率下钢带的变形抗力值压下率,％变形抗力,mpa压下率,％变形抗力,mpa压下率,％变形抗力,mpa108564010247010961587345102675108720865501010801107259315510358511303094560105790119535986651098(2)采用拉伸实验机进行常温单向拉伸实验，测得未变形钢带材料式(2)、式(3)中σc0＝748mpa。(3)根据表8中的实验数据，利用origin软件回归式(3)得到钢带材料变形抗力模型式(3)中的系数ac1＝1177.89，ac2＝0.6499，ac1、ac2也是所述钢带材料冷轧变形抗力模型式(2)中的回归系数ac1、ac2。(4)将异步比，轧制速度，入口厚度，出口厚度和轧辊半径带入式(4)计算剪切应变εxz＝-2.925。(5)将εxz＝-2.925，带入式(5)，求出异步连轧中的等效应变(6)将上、下辊线速度，入口厚度，出口厚度和轧辊半径带入式(6)，计算异步连轧等效应变速率(7)将计算得到的带入式(2)中，求出异步冷连轧该道次变形抗力σc＝997.13mpa。实施例6以2150mm五机架六辊冷连轧机组为例，该机组的工作辊径430～570mm、中间辊径580～650mm、支撑辊径1325～1485mm，机组最大轧制力为32mn。计算钢带异步冷连轧某道次变形抗力。其中，钢带的化学成分按重量百分比(≤，％)为：c：0.15、si：0.7、mn：0.8、ni：0.35、p：0.04、s：0.03，异步比为1.07，轧制速度为vu＝5m/s，vb＝5.35m/s，冷轧原料3.5mm，入口厚度1.2mm，出口厚度0.8mm。(1)采用实验冷轧机，将钢带材料试样按照10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％的压下率进行单次冷轧，冷轧速度5m/s，分别对冷轧后的实验钢进行常温单向拉伸实验，测得的变形抗力如表9所示。表9实施例6中不同压下率下钢带的变形抗力值压下率,％变形抗力,mpa压下率,％变形抗力,mpa压下率,％变形抗力,mpa10525406737085015580457137589020598507288091525598557788596530633607589010453565865820(2)采用拉伸实验机进行常温单向拉伸实验，测得未变形钢带材料式(2)、式(3)中σc0＝365mpa。(3)根据表9中的实验数据，利用origin软件回归式(3)得到钢带材料变形抗力模型式(3)中的系数ac1＝806.15，ac2＝0.4673，ac1、ac2也是所述钢带材料冷轧变形抗力模型式(2)中的回归系数ac1、ac2。(4)将异步比，轧制速度，入口厚度，出口厚度和轧辊半径带入式(4)计算剪切应变εxz＝-2.925。(5)将εxz＝-2.925，带入式(5)，求出异步连轧中的等效应变(6)将上、下辊线速度，入口厚度，出口厚度和轧辊半径带入式(6)，计算异步连轧等效应变速率(7)将计算得到的带入式(2)中，求出异步冷连轧该道次变形抗力σc＝817.13mpa。当前第1页12