熱軋H型鋼端部舌形數(shù)值分析

張健，徐樹成，李紅斌

（1.河北理工大學(xué) 冶金與能源學(xué)院，河北 唐山063009；2.唐山市工業(yè)和信息化局，河北 唐山063000）

0 引 言

近年來，H型鋼由于具有側(cè)向剛度大、抗彎能力強、構(gòu)造方便、易再加工等優(yōu)良性能得到了越來越廣泛的應(yīng)用[1,2]。但在熱軋 H型鋼生產(chǎn)過程中，由于變形復(fù)雜，經(jīng)常造成腹板和翼緣的延伸不均勻，出現(xiàn)了所謂“舌形端部”，在軋制完成之后需要將該端部切除。從目前實際生產(chǎn)情況中我們了解到，該端部畸變較大，切損嚴(yán)重，造成了極大的浪費。

本文應(yīng)用彈塑性有限元法，采用顯式動力學(xué)有限元軟件ANSYS/LS-DYNA對熱軋H型鋼的萬能軋制變形過程進行有限元模擬，針對H型鋼的舌形端部建立應(yīng)力場和位移場，分析端部變形的特點，以便找到舌形端部的成因和控制方法。

1 萬能軋機軋制H型鋼的工藝?yán)碚?/h2>

首先將異型或者矩形連鑄坯在二輥深切孔型中開坯軋制，形成狗骨形坯料，如圖1a，之后進入由萬能粗軋機和軋邊機構(gòu)成的萬能粗軋過程，反復(fù)軋制多個道次，形成X形的軋件，最后進入萬能精軋機軋成H型鋼并進行切頭切尾處理。萬能粗軋機由兩側(cè)帶有斜度的水平輥和輥身帶有錐度的立輥構(gòu)成“X”孔型，如圖1b，軋邊機是由上下水平輥構(gòu)成，對翼緣端面進行軋制，如圖1c。萬能精軋機的的水平輥兩側(cè)垂直，立輥輥身呈柱形，構(gòu)成“H”孔型，如圖1d。[3,4]

圖1 熱軋H型鋼生產(chǎn)

可以看出萬能軋制法軋制H型鋼過程中，金屬的變形非常復(fù)雜。腹板的變形在上下兩個水平輥輥縫中完成，翼緣的變形是在水平輥側(cè)面與立輥輥面之間組成的輥縫中完成。在軋制過程中，腹板和翼緣同時變形并且相互影響牽制，兩者之間存在金屬的流動交換，另外，由于水平輥側(cè)面沿輥徑方向上各點線速度在軋制方向上的分量不同，使得翼緣內(nèi)側(cè)的變形成為搓軋變形[5,6]?？傊?H型鋼的變形過程中金屬流動復(fù)雜，從而導(dǎo)致“舌形端部”的形成因素復(fù)雜，所以我們采用數(shù)值模擬方法對金屬的流動規(guī)律進行研究，以求找到控制“舌形端部”大小的方法。

2 有限元模型的建立

2.1 構(gòu)建幾何模型

采用七個道次軋制法對成品尺寸為200 mm×200 mm×12 mm×8 mm的H型鋼成型過程進行模擬。坯料尺寸采用某鋼鐵廠經(jīng)BD機開坯后的坯料尺寸294 mm×218 mm×59 mm×32 mm。用Pro/ENGINEER軟件建立實體模型，如圖2所示，將模型導(dǎo)入有限元軟件ANSYS/LS-DYNA中。為了避免計算量過大，取橫截面的1/4建模，軋件長度取100 mm，以保證軋件有一段穩(wěn)定的軋制長度。水平輥直徑1000 mm，立輥直徑600 mm。

圖2 H型鋼軋制模型

模型中，兩個水平輥是主動輥，立輥是被動輥，依靠翼緣外側(cè)與立輥之間的摩擦力帶動其轉(zhuǎn)動。軋件初始咬入時，在軋件的后端設(shè)置一剛性面，給軋件一個初始速度，推動軋件進行強迫咬入。當(dāng)軋件與水平輥接觸后，軋件靠他們之間產(chǎn)生的切向摩擦力被拖進輥縫，開始穩(wěn)態(tài)軋制過程。

2.2 模擬參數(shù)設(shè)定

設(shè)軋輥為剛性材料，采用殼單元Shell163，具體參數(shù)如表1所示。軋件采用彈塑性材料模型，采用實體單元Solid164，具體參數(shù)如表2所示。模擬壓下規(guī)程采用某鋼鐵廠現(xiàn)場實際的壓下規(guī)程，各道次的輥縫值如表3所示。

表1 軋輥材料參數(shù)

表2 軋件材料參數(shù)

表3 軋制壓下規(guī)程

3 模擬結(jié)果分析

3.1 軋件端部咬入分析

以第一道次為例，對熱軋H型鋼咬入過程的端部變形進行分析，圖3所示為在t=0.058s的時候坯料Z方向的位移分布，從圖中可以看出，第一道次中，軋件的腹板和翼緣的交接處軋制方向的Z向位移位移較大，變形較為嚴(yán)重。這是由于在第一道次的軋制時，軋件在首次咬入過程中軋件的翼緣內(nèi)側(cè)首先與水平輥的側(cè)面相接觸，并發(fā)生變形，然后再與立輥相接觸，這就導(dǎo)致了在翼緣和腹板的連接處的圓角發(fā)生了較大的變形。

圖3 t=0.058s時軋件的Z方向上的位移云圖

圖4所示為軋件在t=0.058s的時候軋件上的等效應(yīng)力分布狀況，雖然軋件還沒有完全變形，但是由于模型為連續(xù)實體，導(dǎo)致整個軋件表面已經(jīng)有應(yīng)力存在了，這實際的軋制情況相符合。從圖中可以看到變形嚴(yán)重的腹板和翼緣的交接處的等效應(yīng)力最大，同時翼緣的內(nèi)側(cè)也存在著較大的應(yīng)力，這正是由于該部位發(fā)生較大變形的結(jié)果。

圖4 t=0.058s時軋件的等效應(yīng)力分布狀況

3.2 端部舌形結(jié)果分析

H型鋼的變形過程中可以看做三塊板材的同時變形，但是它們之間互相制約，互相影響，所以在熱軋H型鋼的生產(chǎn)過程中，必須考慮腹板和翼緣延伸的協(xié)調(diào)性。圖6是多道次軋制結(jié)束后得到的翼緣端部舌形長度模擬值在中心線兩側(cè)的分布情況，同理可以得到腹板的舌形分布，如圖7所示。

圖6 翼緣端部舌形分布

圖7 腹板端部舌形分布

由圖6和圖7中可以看到，翼緣和腹板的端部形狀類似，均為拋物線形，但分布情況又有很大區(qū)別，這是由于腹板和翼緣的變形機制不同。腹板靠兩個主動水平輥的軋制力產(chǎn)生延伸變形，而翼緣則是靠水平輥的側(cè)表面和立輥輥面與金屬產(chǎn)生的軋制力進行延伸，并且立輥是被動的，類似搓軋，所以就變形的動力來說不如腹板，這就造成腹板中部變形較大，兩端受翼緣拖拉變形較小，使腹板生成“舌形端部”。同時，變形大的腹板對變形小的翼緣有一個牽拉的作用，使得兩者中心線部位最大值相近，從而翼緣和腹板均形成“舌形端部”。

同時，我們考慮到在熱軋H型鋼生產(chǎn)過程中，除最后一道次精軋機外，萬能軋機的立輥都帶有一定錐度，其角度一般為 3°～5°，這就導(dǎo)致了立輥的中間部位直徑大，線速度大，而立輥的端部直徑小，線速度小，造成翼緣遠離中心線的部位變形較小，而中部變形較大，使得翼緣的端部呈現(xiàn)拋物線形狀的“舌形端部”。

3.3 Z向應(yīng)力云圖分析

圖5 t=0.14s時軋件斷面的Z向應(yīng)力分布云圖

軋件軋制后在內(nèi)部都會殘留一部分殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)力的大小直接影響到鋼材產(chǎn)品的力學(xué)性能。圖 5是第一道次軋制完成后的Z向應(yīng)力云圖，可以看到由于翼緣邊緣部分變形不夠，殘余應(yīng)力很大，而在翼緣和腹板的交接處即過渡區(qū)域應(yīng)力次之，而在腹板和翼緣的中間部位沒有什么殘余應(yīng)力。其余各道次及軋制完成后的應(yīng)力分布與第一道次類似。應(yīng)力分布的不均是變形不均的體現(xiàn)，當(dāng)翼緣和腹板變形均勻后，舌形端部減小的同時殘余應(yīng)力必然減小，材料的力學(xué)性能必然增強。

4 結(jié) 論

本文以分析H型鋼軋制過程中端部金屬流動為出發(fā)點，根據(jù)某鋼鐵廠壓下規(guī)程，運用彈塑性有限元法對熱軋H型鋼的軋制過程進行了七道次模擬，建立了較為精確實用的仿真模型。根據(jù)模擬和分析結(jié)果可以得出如下結(jié)論：

（1）對軋件的咬入過程進行分析，發(fā)現(xiàn)腹板和翼緣的交接處變形嚴(yán)重，同時等效應(yīng)力很大，翼緣的內(nèi)側(cè)也存在著較大的應(yīng)力。

（2）得到軋制完成后翼緣和腹板端部舌頭長度模擬值在中心線兩側(cè)的分布情況，均為拋物線形，但分布情況又有很大區(qū)別。

（3）得到 Z向（軋制方向）的殘余應(yīng)力分布狀況，翼緣邊緣部分殘余應(yīng)力大，翼緣和腹板的交接過渡區(qū)應(yīng)力次之，而在腹板和翼緣的中間部位沒有殘余應(yīng)力。

以上結(jié)論對分析和控制舌形端部，提高成材率有一定的參考價值。

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