異步軋制對板帶變形規(guī)律的影響

杜金龍，張貴杰，王立亞

（1．華北理工大學冶金與能源學院，河北唐山063009；2．華北理工大學理學院，河北唐山063009）

異步軋制對板帶變形規(guī)律的影響

杜金龍1，張貴杰1，王立亞2

（1．華北理工大學冶金與能源學院，河北唐山063009；2．華北理工大學理學院，河北唐山063009）

異步軋制；板帶；變形規(guī)律

為掌握異步軋制板帶變形規(guī)律，采用剛塑性有限元法建立了三維異步軋制有限元模型，應用DEFORM－3D有限元軟件分析了熱軋板帶鋼生產過程中的變形規(guī)律，研究了不同異徑比和不同壓下量時變形區(qū)內等效應變、軋制方向上的應變、剪切應變及位移的變化規(guī)律，并通過異步軋制試驗驗證，得到的結果與有限元模擬結果一致，為現(xiàn)實生產提供很好的理論依據。

異步軋制是近年來興起的一門工藝技術，具有軋制壓力小、軋薄能力強、軋制精度高等諸多優(yōu)點，在工業(yè)生產中具有廣闊的應用空間。因此，為了得到更普遍的異步軋制板帶鋼變形規(guī)律，采用DEFORM－3D有限元分析軟件，建立熱軋窄帶鋼模型，并分別從不同異徑比和壓下量兩方面進行了模擬計算，根據模擬結果分析了不同參數(shù)對板帶鋼變形規(guī)律的影響，為實踐生產提供理論支持。

在軋制過程中兩輥表面線速度不相等的軋制稱為異步軋制。異步軋制技術是20世紀90年代新興起的一種軋制技術，與同步軋制相比，異步軋制具備了自己獨有的特點：第一，在壓下率不變的情況下，軋制壓力能夠減小10%以上，即可以大幅度降低軋制壓力，軋件容易發(fā)生變形；第二，在軋機剛度相同的條件下，能夠更好地控制板形與精度；第三，在軋制過程中，變形區(qū)產生了較大的剪切應力，塑性加工能力非常強；第四，在軋材寬展方向的流動控制方面，可以采用異徑比的不同，讓中性面偏離變形區(qū)以外［1－4］。

異步軋制主要分為2種：異輥徑異步軋制，顧名思義就是軋輥直徑不同，軋輥轉速相同；異輥速異步軋制，指的是軋輥轉速不同，軋輥直徑相同的軋制方法。異步軋制的生產工藝與正常軋制的生產工藝基本上一樣［］。

當正常軋制時，軋件在變形區(qū)的前、后滑區(qū)的摩擦力都指向中性面，方向相同，迅速增大了中性面附近的單位壓力，提高了平均單位軋制力。當進行不對稱軋制時，主要是橫切變形區(qū)，軋件在變形區(qū)的前、后滑區(qū)的摩擦力方向相反，產生了較大的剪切變形，使軋件中心的切應力變大，降低了變形抗力，大幅度降低了平均單位軋制壓力。不對稱軋制技術，能大幅度降低軋制壓力，提高成材率，能控制軋機的張力與輥速，并大規(guī)模地適應于現(xiàn)實生產中［6－8］。

1 有限元模型的確定

1．1 幾何模型的建立

軋件的尺寸為H×B×L＝10mm×100mm×500mm，軋輥直徑在144～216mm范圍內變化，并設置了5組不同的異徑比，如表1所示。

表1 軋輥直徑

應用三維建模軟件Pro／e建立有限元模型，將此模型保存成STL格式的文件導入到Deform中如圖1所示。幾何模型建立之后，需要進行網格劃分，即離散幾何模型。本模擬計算中，將幾何模型劃分成四面體單元。單元數(shù)量為10 000個，節(jié)點數(shù)量為1 219個。

圖1 幾何模型圖

1．2 材料的化學成分

模型材料選用Q235B，其化學成分為：C 0．14～0．22%、Mn 0．3～0．65%、P 0．045%、S 0．05%、Si 0．3%，DEFORM材料庫中對應的是AISI－1025［1 800～2 200F（1 000－1 200℃）］。

1．3 邊界條件和初始條件的確定

根據實際情況，軋件的熱輻射率取0．8，軋件與空氣的綜合換熱系數(shù)α＝0．17kW／（m2·℃），環(huán)境溫度T＝25℃，熱傳導系數(shù)取11kW／（m2·℃），剪切摩擦系數(shù)取0．2～0．5。

軋件開軋溫度1 050～1 200℃，終軋溫度≥900℃。設定軋件入口溫度為1 000℃，并加載到軋件的所有節(jié)點上。

2 模擬結果分析

2．1 不同異徑比下軋件的等效應變

圖2所示為5種異徑比軋制后的等效應變。

由圖2可以分析得到：隨著軋制過程的進行，板帶在摩擦力和軋制力的作用下逐漸產生彎曲。并且隨著異徑比的逐漸增大，彎曲程度越嚴重。在軋制過程中，等效應變的值隨著時間逐漸增大，增大到一定值趨于穩(wěn)定。

圖2 5種異徑比軋制后的等效應變

2．2 不同異徑比下軋件的應變

采用Deform軟件后處理當中的點追蹤法，在軋件XZ面上沿板坯厚度方向上取同一截面上10個點，軋件上10個點的具體位置如圖3所示，然后提取數(shù)據點的相應數(shù)據，分析不同異徑比和不同壓下率下板帶的變形規(guī)律。

圖3 數(shù)據點的位置

圖4～圖6所示為當壓下量為50%時的εy。

圖4 壓下量50%時的εy

圖5 壓下量50%時的εy

圖6 壓下量50%時的εy

通過對圖4～圖6分析可知：隨著異徑比的增大，軋制方向上的應變值εy也在不斷的增大；隨著壓下量的增大，εy也隨之增大。當同徑軋制時，即異徑比為1時，軋制方向上的應變一開始逐漸增大，增大的速度比較緩慢，此階段為不穩(wěn)定軋制階段，進入穩(wěn)定軋制階段時，應變值基本上不再改變；當異步軋制時，應變值在整個軋制過程中逐步增大。

2．3 不同異徑比下軋件的剪切應變

圖7所示為當壓下量為10%時的εxy，圖8所示為當壓下量為30%時的εxy，圖9所示為當壓下量為50%時的εxy。

通過對圖7～圖9分析可知：隨著異徑比的增大，εxy基本上成線性增大；隨著壓下量的增大，εxy也隨之增大，當異徑比相對應時（即當異徑比同為1．118），εxy隨著壓下量的增大而增大。當同徑軋制時，εxy一開始逐漸增大，增大的速度比較緩慢，此階段為不穩(wěn)定軋制階段，進入穩(wěn)定軋制階段時，εxy基本上不再改變；當異步軋制時，εxy在整個軋制過程中逐步增大。

圖7 壓下量10%時的εxy

圖8 壓下量30%時的εxy

圖9 壓下量50%時的εxy

2．4 不同異徑比下的位移分布

圖10～圖12所示為不同異徑比、不同壓下量條件下，軋制方向上的位移曲線圖。

圖10 壓下量10%時的軋制方向位移

圖11 壓下量30%時的軋制方向位移

圖12 壓下量50%時的軋制方向位移

從模擬結果中可以得到以下結果：當正常軋制時，即異徑比為1的時候，沿厚度方向上同一面上的10個點，在軋制方向上的位移值基本上保持一定值，為一水平直線，并且從圖中還可看出，當異徑比同為1時，隨著壓下量的增大，位移相對值越來越大；當異步軋制時，即異徑比分別為1．118、1．25、1．37、1．5時，隨著異徑比的增大，在相同的壓下率下，軋制方向上位移相對值越來越小，且呈線性關系，傾斜角隨著異徑比的增大而增大。異徑比相同，壓下量增大時，位移的相對值越來越大。

3 異步軋制試驗與有限元模擬結果對比分析

3．1 試驗方案

本試驗是在異輥徑異步軋制條件下進行的，在軋制過程中變形規(guī)律的實質就是軋件的畸變規(guī)律，熱軋試驗與冷軋試驗，在軋制條件相似的情況下，軋件的變形規(guī)律與畸變規(guī)律反映的是相同的規(guī)律。因此，本試驗可以用冷軋試驗來代替熱軋試驗，來驗證模擬的準確性。

3．2 坯料選擇與制備

試驗用普碳鋼試樣，其化學成分（質量百分數(shù)，%）如表2所示。

表2 試驗用普碳鋼的化學成分

把普碳鋼坯料用線切割機切至軋制試驗所需的尺寸規(guī)格，長×寬×厚為：80mm×18mm×10mm。選取5個試樣。試驗由2種軋制方式組成，分別為正常軋制（異徑比為1）與軋輥直徑不等的異步軋制（異徑比分別為1．118、1．25、1．37、1．5）。每種軋制方式下又有5種壓下量，壓下量分別為10%、30%、50%。

3．3 試驗設備

軋輥采用階梯輥如圖13所示，不同的輥徑對應的軋制速度如表3所示。

表3 軋輥的軋制速度

圖13 階梯軋輥

3．4試驗結果分析

圖14所示為試驗結果圖。

圖14 試驗結果圖

從圖14可知：試驗結果與模擬結果是一致的，正常軋制普碳鋼時，隨著壓下量的增加，板帶基本上不發(fā)生彎曲；異步軋制時，隨著壓下量的增大，板帶發(fā)生了彎曲，并且隨著異徑比的增大板帶的彎曲程度越來越大。

4 結論

（1）異步軋制時，板帶的等效應變隨著軋制的繼續(xù)逐漸增大，并且隨著異徑比的增大而增大。

（2）異步軋制時，應變值在整個軋制過程中逐漸增大，并且隨著異徑比的增大而增大，隨著壓下量的增大而增大。

（3）異步軋制時，隨著異徑比的增大，基本上成線性增大，當異徑比不變時，的值隨著壓下量的增大而增大。

（4）異步軋制時，不同異徑比相同壓下率時，位移的值隨著異徑比的增加而減小，相同異徑比不同壓下率時，位移絕對值隨著壓下量的增大而增大。

（5）當同步軋制時，軋制后的板帶比較平直，不會出現(xiàn)翹曲；當異步軋制時，板帶出現(xiàn)了上翹，并且翹曲程度隨著異徑比的增大而增大，試驗結果與模擬計算結果基本上是一致的，也就是說試驗結果定性地反映了模擬結果。

［1］ 寇祖森．傳統(tǒng)工藝概念的突破—異步軋制技術［J］．金屬世界，1994，（03）：8．

［2］ 朱泉．異步軋制的試驗研究［J］．鋼鐵，1980，（6）：11．

［3］ 賀毓辛．現(xiàn)代軋制理論［M］．北京：冶金工業(yè)出版社，1993，62－89．

［4］ 趙林．異步交叉軋制的理論與試驗研究［J］．沈陽：東北大學，1997．

［5］ 王延薄，齊克敏．金屬塑性加工學－軋制理論與工藝［M］．北京：冶金工業(yè)出版社，2007：60－85．

［6］ 馬紅權．熱軋帶鋼板形控制分析［J］．昆鋼科技，2010，03（01）：14－19．

［7］ GANG Y，KENICHIRO M，KOZO O．Finite element simulation of plane－strain three－roll bending of plates［J］．Advanced Technology of Plasticity，1993，32（4）：1596－1601．

［8］ GRECHISHNIKOV V A．Calculation of metro traction power supply considering partial recuperation currents outputted by Rusich－type railway cars［J］．Russian Electrical Engineering，2010，81（5）：246－249．

Effect of Asynchronous Rolling on Deformation Law of Strip

DU Jin－long1，ZHANG Gui－jie1，WANG Li－ya2
（1．College of Metallurgy and Energy，North China University of Science and Technology，Tangshan Hebei 063009，China；2．College of Science，North China University of Science and Technology，Tangshan Hebei 063009，China）

asynchronous rolling；strip；deformation law

In order to grasp the deformation law of strip during asynchronous rolling，the three－dimensional finite element model of the asynchronous rolling was established by using rigid－plastic finite element method．The deformation law of hot－rolled strip steel in the process of production was analyzed by using DEFORM－3Dfinite element software．The deformation area changing law of equivalent strain and the strain on the rolling direction，shear strain and displacement under different reducing ratio and different reduction was studied．The results are consistent with the results of finite element simulation through the asynchronous rolling experiment，which provides a good theoretical basis for practical production．

TG335．11

A

2095－2716（2016）04－0019－08

2016－05－18

2016－09－26