Cr5鍛鋼支承輥不同壓下量數(shù)值模擬與分析

甘紅勝　趙　欣　李　勇(中國第二重型機(jī)械集團(tuán)公司，四川618013)

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Cr5鍛鋼支承輥不同壓下量數(shù)值模擬與分析

甘紅勝趙欣李勇
(中國第二重型機(jī)械集團(tuán)公司，四川618013)

摘要:通過DEFORM-3D數(shù)值模擬軟件，對105 t Cr5鍛鋼支承輥鍛坯進(jìn)行了兩種不同壓下量工藝方案的數(shù)值模擬，對比分析了其對拔長過程中的損傷值和等效應(yīng)變的不同影響，以及模擬了拔長后鍛坯偏析帶的分布狀況，為今后的生產(chǎn)工藝改進(jìn)提供更加合理的科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞:Cr5鍛鋼支承輥;壓下量;數(shù)值模擬

支承輥是軋鋼生產(chǎn)線中用來支承工作輥或中間輥的關(guān)鍵部件。支承輥質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響軋制產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。近十年來，高Cr支承輥在國內(nèi)普遍推廣應(yīng)用，并取得良好的效果。但采用100 t以上鋼錠生產(chǎn)該類支承輥時，在執(zhí)行熱鍛寬砧強(qiáng)力壓下( WHF法)拔長過程中坯料易開裂，特別是對Cr5鍛鋼支承輥進(jìn)行強(qiáng)壓拔長時坯料開裂愈加嚴(yán)重。不僅增加了吹氧清傷的工作量，也使得壓實(shí)效果大打折扣。為此，本文通過DEFORM-3D數(shù)值模擬軟件，對105 t Cr5鍛鋼支承輥進(jìn)行了寬砧強(qiáng)力不同壓下量的模擬對比，研究分析其對鍛坯損傷值、等效應(yīng)變的不同影響，還模擬了鍛坯偏析帶的分布，為今后生產(chǎn)工藝的改進(jìn)提供更加合理的科學(xué)依據(jù)。

1　支承輥鍛坯開裂概況

支承輥材質(zhì)為CR-5A，輥身直徑為?1600 mm，輥身長2050 mm。鍛坯開裂出現(xiàn)在熱鍛鐓拔火次。采用105 t鋼錠生產(chǎn)，鍛造工藝為鐓粗+ WHF法拔長。在水壓機(jī)上執(zhí)行WHF法拔長時，坯料料身開裂嚴(yán)重，且裂紋基本由坯料棱角邊向外表面擴(kuò)展，如圖1所示。

通過對105 t鍛鋼CR-5A 支承輥坯料分別采

用兩種不同壓下量工藝方案的數(shù)值模擬，分析其對開裂和壓實(shí)效果的影響，并探討金屬在拔長過程中偏析帶的分布規(guī)律。第一種工藝方案為F1:鐓粗+ WHF法拔長(每趟均為20%的壓下量) ;第二種工藝方案為F2:鐓粗+ WHF法改進(jìn)型拔長。

2　有限元數(shù)值模型建立

2．1鐓粗工藝數(shù)值模型的建立

這兩種方案的鐓粗工藝相同，均采用上球面鐓板+下漏盤鐓粗工藝的數(shù)值模擬。坯料鐓粗前尺寸為?1 800 mm×3 850 mm，高徑比為2．1。鐓粗后坯料尺寸約為?3 000 mm×1 360 mm，鐓粗比約為2．8，如圖2所示。

2．2拔長工藝數(shù)值模型的建立

在鐓粗工序后F1與F2方案均采用上、下寬平砧強(qiáng)力壓下拔長，最終完成壓下拔長的有效截面尺寸均為1 650 mm×1 650 mm，拔長比約為2．6。方案F1拔長方式為傳統(tǒng)的WHF法，即下壓第一趟時不翻轉(zhuǎn)，壓下量為坯料高度的20%;第二趟下壓時翻轉(zhuǎn)90°，且相對上一趟砧子位置錯砧1/2壓下，壓下量為坯料當(dāng)前高度的20%;第三趟下壓時不翻轉(zhuǎn)，且相對上一趟砧子位置錯砧1/4壓下，壓下量仍為坯料當(dāng)前高度的20%。以下的趟數(shù)以此類推，直至工藝要求的拔方尺寸。

7方案F2拔長方式基本與方案F1拔長方式相同，區(qū)別在于該方案的第一趟的壓下量為坯料高度的36%，以后每趟壓下量為當(dāng)前坯料高度的15%。圖3為拔長前的坯料模型。

3　方案F1　與F2　工藝數(shù)值模擬對比與結(jié)果分析

3．1損傷值的數(shù)值模擬對比與分析

損傷是指在各種加載條件下，材料內(nèi)凝聚力的進(jìn)展性減弱，并導(dǎo)致體積單元破壞的現(xiàn)象，是受載材料由于微缺陷(微裂紋)產(chǎn)生和發(fā)展而引起逐步裂化的具體表現(xiàn)形式。方案F1與F2損傷值的數(shù)值模擬結(jié)果見圖4。由圖4可知，隨著拔長趟數(shù)的增加，這兩種工藝方案的損傷值均逐步增

圖1　支承輥坯料開裂Figure 1　 The cracking of backup roll blank

圖2　鐓粗后的坯料模型Figure 2　 The blank model after upsetting

圖3　拔長前的坯料模型Figure 3　The blank model before drawing

圖4　兩種不同工藝方式損傷值與拔長趟數(shù)的關(guān)系Figure 4　The relationship between damage value and drawing times in two kinds of processes

大，且方案F2的第一趟拔長損傷值要大于方案F1，但從第三趟拔長開始，方案F2的損傷值都要小于方案F1。這主要是由于方案F2的第一趟拔長壓下量較大，使得鍛坯受到軸向拉應(yīng)力較大。拉應(yīng)力能夠破壞金屬體積單元的連續(xù)性，拉應(yīng)力越大，金屬受破壞裂化程度越大，故較大的拉應(yīng)力是造成首趟損傷值較大的主要原因。然而，金屬材料損傷值的增加是一個受載積累的過程，當(dāng)方案F2每趟拔長壓下量減小到15%時，鍛坯受到的拉應(yīng)力也隨之減小，即使得方案F2損傷值的增加量也就逐漸減小，最終造成方案F2拔長損傷值逐步小于方案F1。由此表明，方案F2防止損傷開裂的能力明顯要優(yōu)于方案F1。

3．2等效應(yīng)變的數(shù)值模擬對比與分析

鍛坯的主鍛造方向?yàn)閺较?。針對F1與F2的工藝方案，選取端面心部位置對鍛坯成形后的內(nèi)部變形量進(jìn)行對比。從數(shù)值模擬結(jié)果中提取壓下拔長的第一趟、第三趟和第十趟的等效應(yīng)變［1］，如圖5和表1所示。

由表1可以看出，方案F2鍛坯端面心部的等效應(yīng)變值均比方案F1中的值大，表明工藝方案F2能夠使鍛坯內(nèi)部獲得更大的變形量，且鍛坯中心區(qū)域的壓實(shí)效果也更好。由圖5的等效應(yīng)變還可知，采用工藝方案F2能夠有效的提高鍛件端面心部和附近區(qū)域的等效應(yīng)變，使金屬流動中的組織更加均勻化，不僅縮小了該剛性區(qū)域的范圍，也增強(qiáng)了鍛坯內(nèi)部晶粒細(xì)化的效果［2］。

3．3偏析帶的分布模擬與分析

鋼錠內(nèi)部的偏析帶［3］破壞了金屬基體的連續(xù)性。這些分布于基體內(nèi)的偏析帶與基體的變形能力不同，必然會影響到與基體的結(jié)合，從而導(dǎo)致偏析帶周圍產(chǎn)生應(yīng)力集中，造成鍛件整體的力學(xué)性能降低。鍛造變形時由于偏析帶分隔和阻礙的

圖5　等效應(yīng)變對比Figure 5　 Equivalent strain contrast

表1　端面心部的等效應(yīng)變值Table 1　Equivalent strain values of the end face core

作用，使其與周圍基體金屬無法接觸，因而造成裂紋無法閉合。而大的拔長變形量有可能使偏析帶打斷成多個細(xì)小的偏析碎片，使其彌散分布在金屬基體內(nèi)部。彌散化程度與變形量有關(guān)，變形量越大，彌散化程度越高。圖6為工藝方案F2假想的近似鋼錠原始偏析帶和拔長后偏析帶的分布模擬。

由圖6( a)可以看出，坯料經(jīng)過鐓粗+拔長變形工序后，水口端偏析帶被橫向拉長且較薄的附著在端面上;冒口端偏析帶被縱向拉長，且大部分向坯料心部延伸;錠身偏析帶部分被打散，呈彌散狀分布，且有向外表面擴(kuò)展的趨勢，而大部分向心

圖6　偏析帶的分布模擬Figure 6　 Simulation of segregation band distribution

部聚集。這主要是由于在鐓粗過程中，坯料內(nèi)部偏析帶是沿軸向被壓扁而相互向心部靠近的，且變形越大，偏析帶聚合程度越高。而在拔長過程中，坯料內(nèi)部偏析帶又沿延伸方向伸長，偏析帶之間的距離加大而呈分散狀，拔長變形愈大，分散程度愈高。由圖6( b)還可看出，水冒口端區(qū)域偏析帶分布較多，故在鍛造出成品的過程中，必須保證水冒口端有足夠的切除量，以避免偏析帶外露情況的發(fā)生。

4　結(jié)論

本文采用數(shù)值模擬技術(shù)完成了Cr5鍛鋼支承輥兩種不同工藝方案壓下量的模擬。通過對數(shù)值模擬結(jié)果中的損傷值和等效應(yīng)變進(jìn)行了對比與分析，以及模擬了方案F2中偏析帶的分布狀況，可以得到以下結(jié)論:

( 1)通過工藝方案F1與F2拔長損傷值數(shù)值模擬的結(jié)果表明，該材質(zhì)損傷值的增加是一個受載積累的過程。拔長趟數(shù)越多，損傷值越大，材料開裂傾向越嚴(yán)重，方案F2防止損傷開裂的能力明顯要優(yōu)于方案F1。

( 2)由等效應(yīng)變分布模擬結(jié)果可知，采用工藝方案F2能夠使鍛坯心部及附近區(qū)域獲得更大的變形量，有利于組織均勻化，達(dá)到提高鍛件壓實(shí)效果的目的。

( 3)由工藝方案F2的偏析帶分布模擬結(jié)果可知，錠身偏析帶部分被打散，且有向外表面擴(kuò)展的趨勢，大部分向心部聚集;水口端偏析帶被橫向拉長，且向端面聚集;冒口端偏析帶被縱向拉長，且大部分向心部延伸，少部分依然存在于冒口端。故需要保證足夠的水冒口切除量來避免偏析帶外露。

參考文獻(xiàn)

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編輯杜青泉

Numerical Simulation and Analysis on Different Reduction Amount of Cr5 Forged Steel Backup Roll

Gan Hongsheng，Zhao Xin，Li Yong

Abstract:The software DEFORM-3D is used to perform numerical simulation for the two kinds of process schemes with different reduction amount for 105 t forging blank of Cr5 forged steel backup roll，and compare and analyze the influence of the different processes on the damage value and equivalent strain during drawing，and simulate The distribution situation of the segregation band of forging blank after drawing，which provide more reasonable scientific reference for the process improvement in future．

Key words:Cr5 forged steel backup roll; reduction amount; numerical simulation

收稿日期:2014—10—16

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

中圖分類號:O242．1