貨叉扁鋼精軋過程金屬流動規(guī)律的數(shù)值模擬

杜金龍，張貴杰，王立亞

(1. 華北理工大學(xué) 冶金與能源學(xué)院，河北 唐山 063009 ;2. 華北理工大學(xué) 理學(xué)院，河北 唐山 063009)

?

貨叉扁鋼精軋過程金屬流動規(guī)律的數(shù)值模擬

杜金龍1，張貴杰1，王立亞2

(1. 華北理工大學(xué) 冶金與能源學(xué)院，河北 唐山 063009 ;2. 華北理工大學(xué) 理學(xué)院，河北 唐山 063009)

扁鋼；精軋；金屬流動規(guī)律；寬展系數(shù)；數(shù)值模擬

為了更好地控制貨叉扁鋼的尺寸精度，省去后續(xù)加工，根據(jù)某鋼廠生產(chǎn)貨叉扁鋼的軋制工藝，建立了貨叉扁鋼的熱連軋模型，利用有限元軟件DEFORM對扁鋼精軋過程進(jìn)行數(shù)值模擬。根據(jù)模擬結(jié)果分析了不同溫度和摩擦系數(shù)對金屬流動規(guī)律的影響，并通過曲線擬合的方式，得到了貨叉扁鋼寬展系數(shù)的數(shù)學(xué)模型，為制定合理的工藝參數(shù)，提高產(chǎn)品的尺寸精度提供可靠的理論依據(jù)。

用軋制方法生產(chǎn)的鋼材，具有多品種、高生產(chǎn)率、易于實現(xiàn)機(jī)械自動化、生產(chǎn)連續(xù)性強(qiáng)等特點。隨著市場競爭日趨激烈，以及經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和科學(xué)水平的迅猛提高，對鋼材的要求已經(jīng)向著質(zhì)量高、成本低、品種多方向轉(zhuǎn)化。軋鋼生產(chǎn)技術(shù)的研究和開發(fā)的主導(dǎo)思想也向著利于市場競爭的方向發(fā)展。因此，鋼鐵研究和生產(chǎn)部門所要面臨的重要課題就是如何擴(kuò)大產(chǎn)品規(guī)格、優(yōu)化生產(chǎn)工藝和提高產(chǎn)品質(zhì)量[1,2]。

1 扁鋼的高精度軋制

扁鋼高精度軋制能有效地提高產(chǎn)品的尺寸精度，提升產(chǎn)品的合格率，為企業(yè)創(chuàng)造更高效益，在工業(yè)生產(chǎn)中有著非常廣泛的應(yīng)用空間[3,4]。貨叉扁鋼在精軋過程中的寬展系數(shù)是影響產(chǎn)品尺寸精度的重要參數(shù)，而寬展系數(shù)又受到溫度、摩擦系數(shù)、壓下率、軋制速度、軋輥輥徑、孔型尺寸和形狀等多種工藝參數(shù)的影響[5]。因此，如果能掌握這些因素對軋件變形區(qū)寬展方向金屬流動規(guī)律和寬展系數(shù)的影響，將對提高產(chǎn)品精度和優(yōu)化生產(chǎn)工藝參數(shù)起到至關(guān)重要的作用[6]。

依據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)的實際情況，利用DEFORM有限元數(shù)值模擬軟件，建立了扁鋼軋制模型，設(shè)置了不同的初始條件和邊界條件，通過正交法對扁鋼高精度軋制過程進(jìn)行了模擬計算。根據(jù)模擬結(jié)果分析不同工藝參數(shù)對金屬流動規(guī)律和寬展系數(shù)的影響，為現(xiàn)場生產(chǎn)提供理論支持。

2 計算模型的確定

2.1幾何模型的建立

依據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)時采用的軋制工藝和參數(shù)建立有限元模型，貨叉扁鋼精軋過程采用450軋機(jī)5道次連軋的方式進(jìn)行。奇數(shù)道次為平輥軋制，偶數(shù)道次為箱型孔立軋，箱型孔尺寸如圖1所示。由于扁鋼軋制為對稱模型，所以為節(jié)約計算時間，建立1/4軋制模型，軋件XY和XZ面為對稱面，-X向為軋制方向。軋件尺寸H×B×L=35 mm×62.5 mm×500 mm。各道次軋輥尺寸、轉(zhuǎn)速等如表1所示，利用DEFORM軟件建立的扁鋼軋制模型如圖2所示。

圖1　箱型孔尺寸

道次輥縫/mm壓下率/%軋輥外徑/mm工作直徑/mm軋輥轉(zhuǎn)速/rpm15521.43425425.8355.492129.02480372.8267.2234521.05435435.0569.094105.16480372.1584.38540.412.17445444.8177.29

圖2　軋制模擬圖形

2.2材料選取及基本屬性

在DEFORM仿真過程中，選取與某鋼廠現(xiàn)場軋制時所選用材料屬性相似的35號鋼進(jìn)行模擬試驗，在DEFORM材料庫中選取對應(yīng)材料為AISI-1 035[1 300-2 000F(700-1 100 ℃)]。

化學(xué)成分：C—0.32%～0.40%，Si—0.17%～0.37%，Mn—0.50%～0.80%，S—0.035%，P—0.035%，Cr—0.25%，Ni—0.25%，Cu—0.25%。

機(jī)械性能：抗拉強(qiáng)度≥530 MPa，屈服強(qiáng)度≥315 MPa，伸長率≥20%，斷面收縮率≥45%。

流動應(yīng)力曲線：為保證高精度軋制，在模擬計算過程中考慮了材料流動應(yīng)力隨著溫度和應(yīng)變值的變化，由DEFORM材料庫得到35號鋼的流動應(yīng)力參數(shù)曲線如圖3所示。

圖3　35號鋼的流動應(yīng)力

2.3初始條件和邊界條件的設(shè)置

初始條件：現(xiàn)場生產(chǎn)時采用加熱爐對扁鋼加熱，出爐后經(jīng)過大概15 s的時間開始連軋。對初始加熱溫度設(shè)置為850 ℃、900 ℃、950 ℃、1 000 ℃、1 050 ℃。為保證高精度軋制，按照軋件開軋時的實際溫度分布對軋件進(jìn)行初始溫度設(shè)置。以加熱到950 ℃時為例，開軋時軋件內(nèi)部和外部溫度分布如圖4所示。

圖4　軋件內(nèi)部溫度分布

邊界條件：由于軋件為1/4模型，軋件XZ和XY2個面為對稱面，其余4個自由面與周圍環(huán)境產(chǎn)生的對流和輻射換熱，設(shè)置軋件與空氣的綜合換熱系數(shù)α=0.17 kW/(m2·℃)，設(shè)置軋件與軋輥之間的熱傳遞系數(shù)為11 kW/(m2·℃)。

接觸條件：本文采用庫倫摩擦，數(shù)值取0.3、0.35、0.4、0.45、0.5。

3 模擬結(jié)果分析

因為在平輥軋制和孔型軋制時金屬流動規(guī)律不一致，所以在分析平輥軋制道次金屬流動規(guī)律時選擇第1道次為研究對象，分析孔型軋制時選擇第2道次為研究對象。

3.1平輥軋制道次速度場的分布

(1)第1道次軋制時的Y向速度云圖

第1道次軋制時變形區(qū)橫截面上的Y向速度如圖5所示。

圖5　第1道次Y向速度云圖

由圖5可以得到：軋件Y向速度均為正值，即軋制變形區(qū)各點向軋件外側(cè)流動，且各點的Y向速度由對稱面到兩外側(cè)逐漸增大。隨著溫度的升高，變形區(qū)相同區(qū)域Y向速度和最大速度均逐漸增大。不同摩擦系數(shù)時的速度分布也是如此，但是隨著摩擦系數(shù)的增大，變形區(qū)相同區(qū)域的Y向速度和最大速度均逐漸減小。

(2)第1道次軋制時的Y向速度曲線圖

利用DEFORM軟件后處理當(dāng)中的點追蹤法，在軋件XY對稱面的中心軸上，沿軋件的寬度方向由中心向外側(cè)間隔相等距離依次選取10個數(shù)據(jù)點，收集數(shù)據(jù)點的Y向速度值。數(shù)據(jù)點位置如圖6所示。

圖6　數(shù)據(jù)點位置

圖7　平輥軋制道次Y向速度

圖7所示為第1道次軋制時的Y向速度曲線圖。由圖7可以得到：相同溫度或相同摩擦系數(shù)時，第1道次軋制時P1～P10各點的Y向速度逐漸增大，由于軋件心部溫度較高，金屬流動性能好，所以靠近軋件心部的P1～P7的速度呈直線增長。軋件外側(cè)溫度低于軋件心部，所以外側(cè)區(qū)P8～P10的Y向速度增長緩慢；由圖7(a)得到，隨著溫度的升高，選取各點的Y向速度和相鄰兩點的速度差均逐漸增大；由圖7(b)得到，隨著摩擦系數(shù)的增大，各點的Y向速度和相鄰兩點的速度差均逐漸減小。

3.2箱型孔軋制道次速度場的分布

(1)第2道次軋制時Z向速度云圖

與平輥軋制道次不同，箱型孔軋制道次Z向為寬展方向。第2道次軋制時Z向速度如圖8所示。由圖8可以得到：在箱型孔軋制時，軋件呈現(xiàn)明顯的雙鼓形，各點Z向速度均為正值，即變形區(qū)各點由中心向軋件的上下兩側(cè)流動，流動速度由中心到上下兩側(cè)逐漸增大。隨著溫度的升高，變形區(qū)相同位置區(qū)域的Z向速度和Z向速度的最大值均逐漸增大。

在不同摩擦系數(shù)條件下軋件變形區(qū)的速度分布也是如此，且隨著摩擦系數(shù)的增大，變形區(qū)相同位置區(qū)域的Z向速度和Z向速度的最大值均逐漸減小。

圖8　第2道次Z向速度云圖

(2)第2道次軋制時Y向速度云圖

圖9　第2道次Y向速度云圖

由圖9可以得到：在箱型孔軋制時，變形區(qū)的各點Y向速度均為負(fù)值，即變形區(qū)各點由兩側(cè)向中心流動，并且流動速度由中心到兩側(cè)逐漸減小；隨著溫度的升高，變形區(qū)相同區(qū)域的Y向速度和Y向速度的最小值均逐漸減小。

在不同摩擦系數(shù)條件下軋件變形區(qū)的速度分布也是如此，且隨著摩擦系數(shù)的增大，變形區(qū)相同位置區(qū)域的Y向速度和Y向速度的最大值均增大。

3.3寬展系數(shù)的擬合公式

通過測量軋件在不同參數(shù)下各道次的寬度尺寸，計算軋件的寬展系數(shù)，并通過曲線擬合的方式，分別給出軋件在模擬參數(shù)范圍內(nèi)寬展系數(shù)關(guān)于溫度和摩擦系數(shù)的計算公式，為現(xiàn)場優(yōu)化工藝參數(shù)提供依據(jù)。

(1)溫度對尺寸精度的影響

選取摩擦系數(shù)為0.4，溫度為850 ℃、900 ℃、950 ℃、1 000 ℃、1 050 ℃的數(shù)據(jù)組，測量不同溫度下經(jīng)過第1道次軋制后軋件的寬度尺寸，然后根據(jù)寬展系數(shù)公式(1)計算出不同溫度下第1道次軋件的寬展系數(shù)，然后進(jìn)行曲線擬合，如圖10所示，得到寬展系數(shù)關(guān)于溫度的擬合曲線公式(2)。

(1)

式中：

ω—寬展系數(shù)；

b—軋件變形后尺寸；

B—軋件變形前尺寸。

ω=0.253 06+0.001 43T-6.285 7×10-7T2

(2)

式中：

ω—寬展系數(shù)；

T—軋制溫度。

圖10　不同溫度下的寬展系數(shù)擬合曲線　　　　圖11　不同摩擦系數(shù)下的寬展系數(shù)擬合曲線

(2)摩擦系數(shù)對尺寸精度的影響

選取溫度為950 ℃，摩擦系數(shù)分別為0.3、0.35、0.4、0.45、0.5的數(shù)據(jù)組，將不同摩擦系數(shù)下的第1道次寬展系數(shù)進(jìn)行擬合，如圖11所示，得到寬展系數(shù)關(guān)于摩擦系數(shù)的擬合曲線公式(3)。

ω=1.134 11-0.341 43μ+0.314 29μ2

(3)

式中：

ω—寬展系數(shù)；

μ—摩擦系數(shù)。

4 結(jié)論

(1)無論是平輥軋制還是箱型孔軋制道次，軋件變形區(qū)寬展方向的速度均呈圓弧形分布，且均為正值，并由中心區(qū)域向兩側(cè)逐漸增大。在箱型軋制時軋件出現(xiàn)明顯的雙鼓形狀，符合軋制變形的一般規(guī)律。

(2)變形區(qū)相同區(qū)域各點的寬展方向速度和最大寬展速度隨著溫度的升高均逐漸增大，隨著摩擦系數(shù)的增大均逐漸減小。

(3)對不同參數(shù)下的寬展系數(shù)曲線進(jìn)行擬合，在模擬參數(shù)范圍內(nèi)分別得到了寬展系數(shù)關(guān)于溫度和摩擦系數(shù)的擬合公式，作為現(xiàn)場生產(chǎn)計算各道次軋件寬度的依據(jù)。

[1]丁文華, 李淼泉, 姜中行, 等. 中厚板軋制過程的數(shù)值模擬[J]. 軋鋼, 2010, 27(6):15-21.

[2]趙陽, 楊荃, 何安瑞, 等. 高精度中厚板平面形狀預(yù)測模型的研究及應(yīng)用[J]. 鋼鐵, 2011, 09:55-58+63.

[3]姚世澤. 扁鋼精軋過程數(shù)值模擬仿真與分析[D]. 浙江：浙江工業(yè)大學(xué), 2013.

[4]趙章風(fēng), 姚世澤. 扁鋼精軋過程數(shù)值模擬仿真與分析[J]. 機(jī)電工程, 2014, 31(3):271-282.

[5]董連超. 變厚度軋制金屬流動規(guī)律[D]. 燕山大學(xué), 2013.

[6]劉恩洋. 板帶鋼熱連軋高精度軋后冷卻控制的研究與應(yīng)用[D]. 遼寧:東北大學(xué), 2012.

Numerical Simulation of Metal Flow Law of Fork Flat Steel during Finishing Rolling Process

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)

flat steel; finishing rolling; metal flow law; spread coefficient; numerical simulation

To better control the dimensional accuracy of fork flat steel and eliminate subsequent processing, the hot continuous rolling model of fork flat steel was built according to the process of a rolling factory. The model of hot continuous rolling of fork flat steel was established and the finishing rolling process of flat steel was simulated based on finite element software DEFORM. The effects of different temperature and friction coefficients on metal flow law were studied on basis of simulation results, and the mathematical models of spread coefficient of fork steel were obtained by means of curve-fitting. These models provide reliably theoretical basis for the establishment of reasonable process parameters and the improvement of dimensional accuracy of the product.

2095-2716(2016)03-0038-09

TG335.11

A