基于數(shù)值模擬的低碳鋼熱軋金屬流動(dòng)規(guī)律研究

單慧云，張 馳，白 梅，汪 舜

(重慶理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程， 重慶 400054)

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基于數(shù)值模擬的低碳鋼熱軋金屬流動(dòng)規(guī)律研究

單慧云，張 馳，白 梅，汪 舜

(重慶理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程， 重慶 400054)

在坯料軋制過(guò)程中，坯料表層和內(nèi)部金屬流動(dòng)情況將決定最終棒材成品的尺寸形狀和產(chǎn)品的性能。通過(guò)Deform-3D有限元軟件對(duì)20A鋼熱連軋工藝進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了軋制過(guò)程中不同坯料圓角半徑和軋制溫度對(duì)軋件表層金屬流動(dòng)的影響，通過(guò)軋制過(guò)程中心部受力狀況及心部的位移大小分析了軋件心部金屬流動(dòng)規(guī)律。研究結(jié)果表明：增加坯料的圓角半徑，適當(dāng)提高軋制溫度有利于減少棒材在軋制過(guò)程中圓角處折疊的產(chǎn)生，有助于提高產(chǎn)品質(zhì)量。

數(shù)值模擬；20A鋼；金屬流動(dòng)規(guī)律；坯料圓角半徑；軋制溫度

近年來(lái)，隨著軋鋼技術(shù)的迅速發(fā)展，國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多的鋼鐵企業(yè)采用熱連軋技術(shù)生產(chǎn)棒材。熱連軋成形是一個(gè)較為復(fù)雜的塑性變形過(guò)程，軋制時(shí)，軋輥孔型前后的軋件的截面變化大，形狀復(fù)雜，且在軋制過(guò)程中軋件變形區(qū)各部分受力情況復(fù)雜，應(yīng)用傳統(tǒng)技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)軋件外形尺寸及成形過(guò)程的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)[1]。目前，應(yīng)用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)對(duì)軋制全過(guò)程進(jìn)行仿真模擬，可實(shí)現(xiàn)對(duì)棒材產(chǎn)品的可制造性和產(chǎn)品質(zhì)量的預(yù)測(cè)。本文通過(guò)Deform-3D有限元分析軟件，分析了軋制過(guò)程中不同坯料圓角半徑和軋制溫度對(duì)軋件表層金屬流動(dòng)的影響，并通過(guò)軋制過(guò)程中心部受力狀況及心部的位移大小分析了軋件心部金屬流動(dòng)規(guī)律，這對(duì)實(shí)際的棒材軋制生產(chǎn)中減少缺陷的產(chǎn)生有重要的指導(dǎo)意義。

1 軋制孔型系統(tǒng)的確定

根據(jù)軋鋼孔型系統(tǒng)的適用范圍及軋制成形特點(diǎn)，結(jié)合某軋鋼廠實(shí)際生產(chǎn)選用“橢圓—圓”孔型軋制系統(tǒng)[2-3],經(jīng)軋鋼孔型設(shè)計(jì)及相關(guān)理論計(jì)算最終得到軋制過(guò)程各道次孔型的形狀與尺寸，如圖1所示。其中第1、2道次的軋輥直徑為800 mm，第3、4道次軋輥直徑為700 mm。坯料橫截?cái)嗝娉叽缫?guī)格為200 mm×200 mm，長(zhǎng)度為1 000 mm。

2 棒材軋制數(shù)值模擬

2.1 有限元模型的建立

根據(jù)孔型的二維圖以及廠家提供的20A鋼初始坯料尺寸，在UG中建立軋制有限元幾何模型如圖2所示。將20A鋼棒材軋制的三維模型導(dǎo)入Deform-3D前處理后定義對(duì)象屬性[4-5]：將坯料20A鋼設(shè)為剛塑性材料；軋輥則選擇H13鋼并設(shè)為剛性體(不考慮模具的變形影響)。

圖2 軋制模型三維圖

2.2 有限元模擬參數(shù)的設(shè)置與網(wǎng)格劃分

本文研究的重點(diǎn)是在已建立的高溫本構(gòu)模型的基礎(chǔ)上研究坯料軋制變形的過(guò)程，根據(jù)Arrhenius方程建立低碳鋼20A鋼在800～1 000 ℃、應(yīng)變速率為0.1 s-1～20 s-1條件下變形的高溫本構(gòu)模型[6]:

exp[-299.33×103/RT]

軋制過(guò)程如圖3所示，坯料與軋輥接觸時(shí)靠摩擦力咬入軋輥中，在軋輥運(yùn)轉(zhuǎn)的帶動(dòng)下坯料以一定的速度進(jìn)入下一道次直至軋制過(guò)程完成。將本構(gòu)關(guān)系導(dǎo)入DEFROM中，對(duì)HV連續(xù)熱軋過(guò)程進(jìn)行模擬。具體參數(shù)設(shè)置如下：

1) 將軋制坯料20A鋼設(shè)為剛塑性材料，軋輥H13鋼設(shè)為剛性體，不考慮模具的變形影響；

2) 為提高計(jì)算機(jī)模擬過(guò)程的運(yùn)算速率，對(duì)實(shí)際軋鋼生產(chǎn)線中各軋輥站之間的間距進(jìn)行簡(jiǎn)化，各機(jī)架間間距縮短為1#～2#:850mm，2#～3#:900mm，3#～4#:900mm；

3) 軋制過(guò)程考慮到傳熱影響，傳熱邊界條件參數(shù)如表1所示。

圖3 軋制過(guò)程示意圖表1 傳熱邊界條件

坯料與模具間的熱交換系數(shù)/(N·(s·mm·℃)-1)11塑性變形能熱轉(zhuǎn)換系數(shù)0.90軋件與空氣間傳熱系數(shù)/N·(sec·mm·℃)-10.02環(huán)境溫度/℃20坯料的進(jìn)料速度/(m·s-1)0.06275開(kāi)軋溫度范圍/℃900～1200軋輥溫度/℃20最大壓下量<30%

4) 在前處理中對(duì)坯料進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在本次模擬中，工件設(shè)為塑性體，劃分坯料單元總數(shù)79 898，節(jié)點(diǎn)數(shù)17 372,如圖4所示。

圖4 軋件網(wǎng)格劃分及局部細(xì)化圖

在實(shí)際生產(chǎn)中，軋制過(guò)程易在粗軋道次坯料的圓角處出現(xiàn)折疊(褶皺)等缺陷。因此，在模擬時(shí)，對(duì)坯料圓角處金屬流動(dòng)不規(guī)律的位置采用局部細(xì)化網(wǎng)格法[7]，如圖4箭頭指向。以便于分析軋制過(guò)程中金屬的流動(dòng)情況，同時(shí)直觀反映出坯料圓角部在受軋輥下壓時(shí)的變形規(guī)律。在坯料圓角部位(如圖中A)采取節(jié)點(diǎn)追蹤法，用以分析圓角處連續(xù)節(jié)點(diǎn)在整個(gè)軋制變形過(guò)程中的等效應(yīng)力、X方向(寬展方向)的應(yīng)變、應(yīng)變速率及金屬流動(dòng)情況。圖5為坯料圓角過(guò)渡處連續(xù)節(jié)點(diǎn)。

圖5 追蹤節(jié)點(diǎn)位置示意圖

因軋制模型為實(shí)際軋制模型的1/4，需設(shè)置對(duì)稱邊界條件，在對(duì)稱面上分別定義X=0和Y=0的位移邊界條件。又因軋制過(guò)程中運(yùn)動(dòng)較為復(fù)雜，軋件在X、Y、Z方向都受到力的作用需限定軋件的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，根據(jù)建模的基準(zhǔn)設(shè)工件沿Z軸方向運(yùn)動(dòng)，則使其在X、Y方向的速度為0，即VX=0，VY=0。

2.3 軋制過(guò)程軋件表層金屬流動(dòng)規(guī)律分析

2.3.1 坯料圓角半徑對(duì)金屬流動(dòng)的影響

棒材在軋制階段，為掌握表面?zhèn)缺谖恢媒饘倭鲃?dòng)狀況，采用節(jié)點(diǎn)追蹤法。在坯料圓角過(guò)渡處設(shè)置13個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)追蹤點(diǎn)的應(yīng)變、應(yīng)變速率及變形速度大小進(jìn)行分析見(jiàn)圖6。

從圖6可看出坯料圓角過(guò)渡處追蹤節(jié)點(diǎn)沿寬展方向(X方向)變形速度大小的情況。由各節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的變形速度可知：軋件圓角處金屬流動(dòng)速度大于兩側(cè)面金屬。當(dāng)坯料圓角半徑R為35 mm，在軋件變形過(guò)程可看到該處金屬出現(xiàn)為凸起，反映出坯料表面的金屬流動(dòng)情況為圖中波紋曲線所示，其金屬表面流動(dòng)較為光滑并沒(méi)有凹陷現(xiàn)象，這種情況在后續(xù)的軋制過(guò)程不易引起折疊缺陷。對(duì)比其他方案可知：當(dāng)坯料圓角R過(guò)小時(shí)，軋件邊角部金屬沿寬展(X)方向變形速度波動(dòng)較大，造成圓角處各節(jié)點(diǎn)在寬展方向上變形速度形成對(duì)流，反映在圓角上呈現(xiàn)波谷凹陷的現(xiàn)象，這種狀況會(huì)在后續(xù)的軋制道次中受高向軋輥下壓，凹陷部分形成折疊缺陷如圖6(a)所示。

2.3.2 軋制溫度對(duì)金屬流動(dòng)的影響

軋件表面金屬流動(dòng)狀況不僅受坯料圓角半徑的影響，還受軋制溫度的影響。圖7所示為不同溫度軋制時(shí)追蹤節(jié)點(diǎn)沿寬展(X)方向變形速度情況。從圖中可以看出：溫度的變化對(duì)于速度梯度的變化情況影響很大，尤其是在900～1 000 ℃[8]。如圖7(a)和圖7(b)所示，軋件圓角處有一股金屬向外流動(dòng)，圓角中心部位向內(nèi)側(cè)流動(dòng)，圓角處金屬又朝外流動(dòng)，因而3股金屬流在寬展方向上形成對(duì)流。圖7(a)和圖7(b)呈現(xiàn)較深的波谷，此時(shí)速度梯度較大，從金屬表面流動(dòng)情況可以看出：該過(guò)程金屬表面較容易產(chǎn)生折皺缺陷；而在1 100 ℃時(shí)金屬表面流動(dòng)沿同一方向流動(dòng)不易形成缺陷。

2.4 軋制過(guò)程軋件心部金屬流動(dòng)規(guī)律分析

除軋件表層金屬流動(dòng)情況會(huì)影響產(chǎn)品質(zhì)量外，對(duì)軋件心部金屬流動(dòng)情況的分析同等重要。心部金屬流動(dòng)不均可能引起縮孔縮松等缺陷，這里主要對(duì)軋制過(guò)程心部受力狀況及心部的位移大小進(jìn)行分析，圖8為軋件心部應(yīng)力應(yīng)變分布云圖。

圖6 不同寬度坯料軋制區(qū)追蹤節(jié)點(diǎn)X方向變形速度及圓角金屬流動(dòng)情況

圖7 不同溫度軋制時(shí)追蹤節(jié)點(diǎn)X方向變形速度及圓角金屬流動(dòng)情況

圖8 軋制斷面應(yīng)力應(yīng)變分布

從軋件橫斷面應(yīng)力分布狀況可看出：在軋制成形過(guò)程變形區(qū)內(nèi)，心部的應(yīng)力值為負(fù)，即棒材在軋制過(guò)程心部受壓應(yīng)力作用；外圍應(yīng)力值為正即受拉應(yīng)力。且靠近表層金屬應(yīng)力值越大，說(shuō)明變形越劇烈。為定量分析軋件心部金屬沿軸向Z方向的流動(dòng)情況，將采取對(duì)心部A、C區(qū)域選取一系列節(jié)點(diǎn)追蹤心部金屬沿Z方向變形速度和位移，以判斷金屬流動(dòng)是否連續(xù)[9]。圖9為心部各節(jié)點(diǎn)流動(dòng)速度和位移大小隨時(shí)間變化的曲線圖。

從9圖中看出：軋件內(nèi)部金屬各節(jié)點(diǎn)沿Z方向變形速度較連續(xù)，且沿Z向位移大小一致，說(shuō)明心部金屬流動(dòng)呈連續(xù)變形特性，在變形過(guò)程中不易產(chǎn)生縮孔縮松缺陷。

圖9 軋件心部各追蹤節(jié)點(diǎn)沿Z方向的變形速度及位移大小

3 結(jié)論

1) 增加坯料的圓角半徑可有效減少表面折疊缺陷的產(chǎn)生。

2) 提高軋制溫度有利于金屬沿寬展方向的位移和速度波動(dòng)減緩，且流動(dòng)速度較均勻，可有效消除表面折疊缺陷。

3) 折疊的形成是由于軋件圓角部位在成形過(guò)程因應(yīng)力、應(yīng)變分布不均勻，等效應(yīng)變速率梯度較大，導(dǎo)致沿寬展方向變形速度梯度較大，使金屬在成形時(shí)流動(dòng)不均勻而形成，且折疊缺陷出現(xiàn)在軋件圓角側(cè)壁處。

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(責(zé)任編輯 何杰玲)

Numerical Simulation Study of Mental Flow Law of Low-Carbon Steel in Hot Rolling

SHAN Huiyun, ZHANG Chi, BAI Mei, WANG Shun

(College of Materials Science and Engineering,Chongqing University of Technology, Chongqing 400054， China)

In billet rolling process，the surface and internal flow of the metal will determine the final shape of the finished product and the performance of the product. In this paper, the numerical simulation of hot rolling process of 20a steel was carried out by using DEFORM-3D finite element software. It studied the influence of the rolling process of different billet radius and rolling temperature on the workpieces surface of metal flow, and also had an analysis of the center of the rolling process of displacement force condition and core. The results show that increasing the fillet radius and the rolling temperature properly could help to reduce product defects and improved the quality successfully.

numerical simulation; 20A steel; metal flow law; blanking corner radius; rolling temperature

2017-03-02

重慶理工大學(xué)研究生創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(YCX2015214)

單慧云(1992—)，女，安徽人，碩士研究生，主要從事精密體積成形方面研究,E-mail:1594029106@qq.com；通訊作者 張馳(1964—)，男，碩士，教授，主要從事金屬精密塑性成形工藝、模具及設(shè)備方面研究。

單慧云，張馳，白梅，等.基于數(shù)值模擬的低碳鋼熱軋金屬流動(dòng)規(guī)律研究[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2017(7):96-101.

format：SHAN Huiyun, ZHANG Chi, BAI Mei, et al.Numerical Simulation Study of Mental Flow Law of Low-Carbon Steel in Hot Rolling[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(7):96-101.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.07.015

TG334.9

A

1674-8425(2017)07-0096-06