熱連軋H型鋼軋制變形數(shù)值模擬

楊業(yè)，徐樹成，郭保強

(1.河北聯(lián)合大學(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

H型鋼具有良好的抗彎、抗壓、抗扭的力學(xué)性能，具有加工制作、施工安裝工藝簡單和方便快捷等優(yōu)點，成為重要的高效節(jié)約型建筑用鋼之一［1］，其應(yīng)用前景十分廣闊［2，3］。

H型鋼的軋制過程依靠萬能軋機和軋邊機相結(jié)合實現(xiàn)，其斷面特點又使其在軋制過程中發(fā)生金屬流動［4，5］、延伸變形、應(yīng)力分布等問題，軋制工藝難度大。此外，H型鋼的腹板和翼緣在變形過程中存在很強的相互牽制作用，腹板和翼緣交界處的金屬在軋制過程的不同時刻發(fā)生雙向流動，使生產(chǎn)過程困難。由于實驗方法成本較高，很多研究者目前主要采用數(shù)值模擬技術(shù)對金屬的變形過程進行分析［6］。目前，采用數(shù)值模擬方法研究H型鋼連軋過程文獻較少，本文采用ANSYS/LS－DYNA模塊對H型鋼軋制變形進行了數(shù)值模擬，得到的H型鋼連軋變形規(guī)律為H型鋼連軋均勻變形提供理論依據(jù)。

1 熱連軋H型鋼模型建立

1.1 幾何模型的構(gòu)建

中間坯經(jīng)過9道次軋制生產(chǎn)規(guī)格為H194×150H型鋼成品，為了提高計算速度，模型選取H型鋼的四分之一，為了使軋件順利咬入，模擬初始給定軋件一個小于第一架軋機水平線速度的初始速度，其中第五道次和第八道次是軋邊軋制，其余道次是萬能軋制。H型鋼熱連軋軋制模型的建立參考津西鋼鐵有限公司的H型鋼生產(chǎn)線的工藝參數(shù)，軋制程序表如表1所示。

表1 H194×150規(guī)格精軋軋制程序表

續(xù)表

由于H型鋼采用的是X－H軋制法，立輥具有一定的錐度，模擬時選取3～5度。構(gòu)建的連軋H型鋼模型如圖1所示。

圖1 H型鋼連軋模型

1.2 模型參數(shù)設(shè)定

H型鋼軋件采用彈塑性材料，需要輸入的參數(shù)如表2所示，軋輥采用剛性材料，需要輸入的參數(shù)如表3所示。

表2 軋件材料模型

表3 軋輥材料模型

軋件密度從7850 kg/m3放大到785 000 kg/m3，目的是加快模擬運算的速度，計算結(jié)果誤差較小，可以將密度擴大100倍。

2 模擬結(jié)果分析

由于篇幅限制，以第一道次軋制情況為例對軋件變形效果進行分析。

2.1 軋件的變形效果以及等效應(yīng)變云圖

H型鋼軋制過程中，第一道次的變形效果如圖2所示，等效應(yīng)變云圖如圖3所示，X、Y和Z方向的等效應(yīng)變分別如圖4、圖5和圖6所示。

由圖2可見，翼緣的壓下量明顯大于腹板的壓下量。由圖3可見，翼緣端部(A)以及腹板與翼緣交接處(B)變形比較大。由圖4和圖5可見，翼緣端部和翼緣與腹板連接處得金屬變形方向相反。由圖6可見，與軋輥接觸的表面金屬延伸比內(nèi)部金屬延伸快。

2.2 金屬流動云圖

為了清楚分析H型鋼在軋制過程中各部位的金屬流動情況，分析了H型鋼軋制過程中沿X和Y方向的位移云圖，如圖7和圖8所示。

由圖7可見，翼緣的外部與內(nèi)部金屬流動方向相反，但是翼緣外部金屬流動大于翼緣內(nèi)部金屬流動。由圖8可見，翼緣外部與內(nèi)部金屬流動是相互搓動變形，翼緣內(nèi)側(cè)和翼緣與腹板連接處得金屬有向下的位移，而翼緣外側(cè)金屬受到立輥擠壓作用迫使金屬向上流動，這就是所謂復(fù)雜的相互搓動變形。

2.3 等效應(yīng)力云圖

在軋制過程過程中，由于H型鋼不同部位的變形不均勻性，應(yīng)力分布也不均勻，等效應(yīng)力如圖9所示。

由圖9可見，腹板與翼緣的交接處產(chǎn)生較大應(yīng)力，這主要是由于腹板與翼緣延伸受到相互限制作用，腹板與翼緣交接處均發(fā)生較大變形，在連接部位存在復(fù)雜的金屬流動和相互作用，該部位存在較大應(yīng)力。

2.4 連軋9道次后端部形狀

為了分析H型鋼的軋制效果，9道次軋制后的端部形狀如圖10所示。

有圖10可見，軋件延伸并不均勻，腹板延伸中部比較小，而腹板與翼緣交接處延伸比較大，翼緣端部延伸比較小。造成這種現(xiàn)象的原因主要是異型坯翼緣與腹板連接處R角部位相對較厚，應(yīng)力最大，前凸變形也就相對比較嚴(yán)重，隨著軋制的疊加，最終形成魚尾狀的舌頭。

3 結(jié)論

采用ANSYS/LS－DYNA模塊對H型鋼軋制變形進行了數(shù)值模擬，得到以下結(jié)論:

(1)H型鋼在軋制過程中，翼緣和腹板交接處的應(yīng)變比較大，即此部位變形比較嚴(yán)重。軋件與軋輥接觸部位延伸大于軋件內(nèi)部延伸。

(2)H型鋼在軋制變形過程中，翼緣外部與翼緣內(nèi)部金屬流動方向相反，發(fā)生復(fù)雜的相互搓動。

(3)H型鋼軋制變形過程中，翼緣與腹板交接處的應(yīng)力比較大，主要是因為連接部位存在復(fù)雜的金屬流動和相互作用。

(4)通過連軋可以看到軋件延伸不均勻，腹板中部延伸教學(xué)，腹板與翼緣交接部位延伸大，翼緣端部延伸較小，最終形成魚尾狀的舌頭。

［1］ 徐春，王全勝，張弛.型鋼孔型設(shè)計［M］.北京化工出版社，2008.

［2］ 冶金部研究總院.馬鞍山鋼鐵有限公司.熱軋H型鋼應(yīng)用手冊［M］.北京:中國計劃出版社，1998.

［3］ 徐志云，趙錫宏。世紀(jì)高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工手冊［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2006.

［4］ Zhu Guoming，Kang Yonglin，Chen Wei，et al..3D Thermal Me － chanical CoupledElasto － plastic Finite Element Analysis in theWhole Rolling Process of H － beam［J］.Materials Science Forum，2008，575:532-538.

［5］ 朱國明，康永林，陳偉..H型鋼多道次可逆開坯軋制過程的三維熱力耦合仿真分析［J］.中國機械工程，2007，18(14):1747-1751.

［6］ 王欣，王長松，尹佐勇，等.H型鋼軋制過程的計算機仿真［J］.北京科技大學(xué)學(xué)報，2003，6:561-567.