Optimalisatie van walsprofielontwerp voor nauwkeurige staalprofielen

Lange producten worden normaal in diverse passen gewalst, wier aantal wordt bepaald door de verhouding van het initiële invoer staalmateriaal (vierkant of rond billet of bloom) en de einddoorsnede van het eindproduct. De doorsnede-oppervlakte wordt in elke pas verminderd en de vorm en grootte van het te walzen staalmateriaal benaderen geleidelijk het gewenste profiel.

Walsen wordt uitgevoerd tussen gegolfde walsen. Twee tegenoverliggende golven in de samenwerkende walsen vormen een pas, wat overeenkomt met de verwachte doorsnede-vorm van een werkstuk na de pas. Na elke pas neemt de doorsnede af en wordt de vorm dichter bij de vorm van het eindproduct. De ontwikkeling van opvolgende pasvormen en hun juiste plaatsing op de walsen heet het walsprofielontwerp.

Belang van walsprofielontwerp

Walsprofielontwerp is een essentieel onderdeel van het lang product walsproces, aangezien lange producten tussen de gevormde walsen in de lange product walserijen gewalst worden. Walsprofielontwerp betekent doorgaans het insnijden van golven in de walslichaam door waar het te walzen staal achtereenvolgens wordt laten passeren om de gewenste contour en grootte te verkrijgen.

Het primaire doel van het walsprofielontwerp is om de productie van een product met correct profiel binnen de tolerantiegrenzen, vrij van defecten, met goede oppervlakte-kwaliteit en de vereiste mechanische eigenschappen te waarborgen. Daarnaast moet een economische conditie bereikt worden tijdens het walsen van het product, bijvoorbeeld maximale productiviteit tegen de laagste kosten, optimale energiebenutting, gemakkelijke werkomstandigheden voor het walsteam en minimale walsuitslijting.

Walsprofielontwerp is een verzameling methoden voor het bepalen van de afmetingen, vorm, aantal en type rangschikking van walserijpassen. Walsprofielontwerp omvat ook de berekening van perskrachten en hun verdeling over de walspassen. Verschillende passen worden gemaakt voor elk profiel; een vierkant of rond billet of bloom verkrijgt een gespecificeerde vorm op elke opeenvolgende pas. De walspassen zijn ontworpen om excessive spanningen in het te walzen staal te vermijden, aangezien dergelijke spanningen kunnen leiden tot de vorming van scheuren en andere gebreken.

Walsprofielontwerp is gebaseerd op de kenmerken van de initiële invoer (gewicht van billet/bloom, staalsoort, en staaltemperatuur voor en tijdens het walsen), kenmerken van het afgewerkte gewalste product (afmetingen van profiel, toleranties en specificaties betreffende mechanische eigenschappen, en oppervlakte-afwerking van gewalst product), en kenmerken van de walserij (aantal stands, walsdiameter, sterkte van walsen, wals snelheid, beschikbaar vermogen van de aandrijfmotor, en beschikbare fabriekapparatuur). Andere factoren die van belangrijke overweging zijn voor goed walsprofielontwerp zijn walsbelasting, reductie, vervorming, en snelheid van warmteoverdracht die de conditie van plastische stroom van het staalmateriaal beïnvloeden. Verder moet de vorm van een profiel in een bepaalde pas een vrije stroom van staal in de walskloof/golf garanderen. Selectie van een passende taper/golf hoek in de pas is noodzakelijk om klemming van staalmateriaal in de walsen te vermijden.

Historische ontwikkeling en moderne benadering

Traditioneel werd het walsprofielontwerp meer als kunst dan als wetenschap gezien. In 1969 werd een groot werk, dat de principes van walsprofielontwerp systematiseerde, gepubliceerd door Wusatowski. Sindsdien is de complexiteit van lange product walsprocessen toegenomen. Moderne lange product walserijen zijn gebouwd als continue of half-continue walserijen. Daarnaast zijn veel nieuwe staalsoorten ontwikkeld, wat nieuwe walsstrategieën vereist, zoals gecontroleerd walsen en gecontroleerd afkoelen, bekend als thermomechanische verwerking. Vandaag de dag is dergelijke verwerking gangbare praktijk, die de productkwaliteit verbetert door de microstructuur te optimaliseren verkregen door vervormings- en temperatuurgedreven processen, zoals herkristallisatie en korrelgroei. Daarom wordt het walsprofielontwerp nog gecompliceerder bij het optimaliseren van de eindmicrostructuur en moeten walsprofielontwerpers geavanceerde materiaal- en procesmodellen in hun werk toepassen. Gelukkig zijn in het laatste decennium computersimulaties haalbaar geworden voor zo'n benadering, wat de kostbare trial-and-error benadering voor het optimaliseren van het lange product walsproces geleidelijk vermindert.

Walsgolven

Er zijn verschillende typen golven die gebruikt worden voor het walsen van profielen. Gangbare golven zijn rechthoekige box golven, diagonaal golven zoals vierkanten en ruitvormige golven (diamanten), ronde of valse ronde golven alsook ovale golven. Golven kunnen symmetrisch, asymmetrisch en gespleten zijn. Belangrijke parameters van golven zijn hoogte (diepte), golfhoek, ontlastingsstraal, bodemstraal, breedtes aan kraag, top, en midden bodem en midden bodem deflectie. Meestal wordt een combinatie van golven gebruikt in het walsprofielontwerp. Typische tekeningen van enkele symmetrische, asymmetrische en gespleten pasgolven zijn getoond in Figuur 1.

Duimregels

Enkele duimregels gebruikt in walsprofielontwerp voor golfhoek, ontlastingsstraal, bodemstraal, en passing zijn gegeven in Tabel 1.

Basisvereisten voor correct walsprofielontwerp

• Het aantal en de rangschikking van passen in een bepaalde walsstand moeten de zo uniform mogelijke exploitatie van alle passen in elke stand garanderen. Hogere aantallen passen resulteren in lagere uitvoer van de walsstand terwijl een kleiner aantal passen excessieve walsuitslijting veroorzaakt. Ook als het aantal passen niet optimaal is, is er gevaar van walsdefecten of mogelijkheid van walsbreuk.
• Er moet een uniforme reductie in de laatste passen en verschillende reductie in de vroege vormende passen van het profiel zijn, waar het profiel groot is en het staal warm is.
• Reductie moet verdeeld worden zodat zover mogelijk uniforme uziijting van de pas gewaarborgd is en overbelasting van de aandrijvingen en de walsen vermeden wordt.

Kenmerken van een goed walsprofielontwerp

• Het moet een profiel met een glad oppervlak en correcte afmetingen binnen de in de betreffende norm gespecificeerde grenzen garanderen.
• Het moet minimaal specifiek verbruik van energie, vermogen en wals garanderen.
• Het moet vervorming aan het walsmateriaal geven op een zodanige manier en in dergelijke stadia zodat er minimale interne spanningen in het eindproduct zijn.
• Het moet een eenvoudige en gemakkelijke werkcultuur aan de stand creëren, de handmatige operatie tot het minimum mogelijke beperken en het moet mogelijk zijn om de automatisering van het technologische proces in te voeren.
• Het moet het aantal benodigde passen voor walsen optimaliseren om de totale walscyclus-tijd te verminderen, met minimale tijd besteed aan wisselen en afstellen van walsen.

Berekingen in het walsprofielontwerpproces

Het walsprofielontwerpproces omvat de volgende berekeningen:

• Bepaling van de afmetingen van het eindproduct. Afmetingen worden berekend als een functie van geometrie, staalmateriaal, temperatuur en spanning. Berekeningen worden gemaakt met spreidingsformule wat meestal de Wusatowski spreidingsformule is toegepast op de methode van Lendl.
• Berekening van factor voor staalkrimp. De koude afmeting is de warme afmeting gedeeld door de expansiefactor wat gebaseerd is op de werkelijke temperatuur en werkelijke vloeispanning.
• Warmwalsen is een compressieproces. De walskracht, wat de kracht is die op de walsen wordt uitgeoefend door het verwerkte metaal tijdens warmwalsen, is een belangrijk ontwerpvraagstuk. Walscheidingkracht en moment beïnvloeden het hele proces van walsprofielontwerp. De berekening van walskracht is nodig om te garanderen dat de walserij niet overbelast is en er voldoende vermogen beschikbaar is voor de walsreductie te maken.
• Berekening van gemiddelde uitrekking en aantal benodigde passen.
• Berekeningen van benodigd walsvermogen en belasting op mechanische apparatuur. De berekeningen van belasting, moment en vermogen worden gedaan op basis van de Sims formule van billet/bloom tot afwerkingsafmeting als een functie van geometrie, staalsoort, temperatuur en spanning. De berekening van temperatuur is een functie van vermogen, afmeting en warmteoverdrachtscoëfficiënt.
• Bepaling van pasprogressie en familiestamboom.
• Tekenen van gedetailleerde pasvormen.

Ook voor controle van tussenstandspanning is het belangrijk om een nauwkeurige snelheid en motoromwenteling controle relaties in te stellen tussen de stands/motoren in een continue walserij. Berekening van snelheid en motoromwenteling wordt gemaakt vanaf de afwerkingsuitsnelheid upstream van de billet/bloom volgens het principe van constante massastroom. De snelheidsberekening is een functie van afwerkingsnelheid, staaloppervlak, walsdiameter, spanning, en voorwaartse glijding.

Walsprofielontwerp streeft niet alleen naar verbetering van de grootte, vorm en mechanische eigenschappen van de gewalste producten maar het zoekt ook de walspasproces zelf te optimaliseren. Hoewel walsprofielontwerp voor profielwalsen meestal gebaseerd is op de empirische kennis van menselijke experts, geven de meeste empirische formules alleen goede resultaten binnen een beperkt bereik van toepassingen. Profielwalsen heeft altijd de meest gecompliceerde walsproces voor optimalisatie voorgesteld.

Het is nog steeds moeilijk om te beslissen over de optimale oplossing voor een gegeven walsprofielontwerp probleem. Deel van het probleem is dat er geen vooraf bepaalde specifieke regels zijn voor walsprofielontwerp, zodat wanneer een probleem optreedt het moeilijk is om de exacte oorzaak te weten. Ook wordt het probleem gecompliceerder wanneer er hiërarchische concurrerende doelen zijn.

De oude kunst van walsprofielontwerp verandert in een moderne technologie gebaseerd op wetenschappelijke vooruitgang. De taak van warmwalsontwerp vandaag de dag vereist het gebruik van moderne ontwerphulpmiddelen en methodologie. Met de snelle ontwikkeling van computerhardware en software, zijn de volgende methodologieën ontwikkeld:

• Elementenmethode (FEM) voor het ontwerp van walspas in profielwalsen.
• Hiërarchische vormconfiguratie is met succes gebruikt om ontwerpproblemen in walsprofielontwerp te classificeren en te benadrukken. Het is gedemonstreerd dat een hiërarchisch classificatiesysteem gerealiseerd kan worden door gebruik te maken van een cascaderend menusysteem.
• Matrix-gebaseerde warm walsprofielontwerpmethode. Er is gezien dat walsprofielontwerp gedomineerd wordt door de berekening van diverse parameters. Deze parameters zoals walskracht, moment, spreiding, uitrekking, en reductie etc. omvatten ingewikkelde berekeningsprocessen. Alle formules en methoden zijn geïntegreerd in het matrix-gebaseerde walsprofielontwerpsysteem.

Het gecompliceerde ontwerpproces van warmwalsen van lange producten is geïntegreerd in het matrix-gebaseerde walsontwerpsysteem. Omdat de beschikbare ontwerpmethoden en informatie, zoals empirische, experimentele, theoretische en FE methoden in de matrix gevonden kunnen worden, heeft de benadering het potentieel om hogere kwaliteit gewalste producten te produceren door gebruik te maken van de geoptimaliseerde walsprofielontwerpmethode vergeleken met diegenen die de toepassingscondities van de bestaande ad-hoc methoden gebruiken. Daarom wordt het matrix-gebaseerde walsprofielontwerpsysteem dezer dagen populairder.