利用DEFORM模擬和預(yù)判H型鋼軋制力能

解 瓊 徐 勇 徐 峰 孫建國(guó)

引言

H型鋼也稱寬平行邊工字鋼或?qū)捯砭壒ぷ咒?，是典型的?jié)能環(huán)保型“綠色鋼材”。H 型鋼生產(chǎn)工藝主要是通過(guò)四輥萬(wàn)能軋機(jī)和二輥軋邊機(jī)熱軋實(shí)現(xiàn)。H型鋼萬(wàn)能軋制過(guò)程是一個(gè)非常繁瑣的非線性變形過(guò)程，傳統(tǒng)的解析方法需要進(jìn)行大量的物理模擬和實(shí)驗(yàn)研究，并需要對(duì)一些復(fù)雜的條件進(jìn)行許多的簡(jiǎn)化。

近年來(lái)，有限元理論不斷成熟和完善以及許多大型有限元軟件的出現(xiàn)，使得利用有限元軟件對(duì)軋制過(guò)程進(jìn)行模擬以實(shí)現(xiàn)對(duì)軋制工藝的優(yōu)化成為可能。崔振山[1][2][3][4][5]、卜勇力[6]劉才[7]等人采用大變形彈塑性有限元分析方法對(duì)H型鋼軋制過(guò)程中的變形情況進(jìn)行了數(shù)值模擬，成功的實(shí)現(xiàn)了立輥被動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，并對(duì)軋件的應(yīng)力、應(yīng)變狀況進(jìn)行了分析。KazutakeKomo等人[8]模擬了H型鋼多道次軋制過(guò)程。劉相華[9][10][11][12]用2.7維剛塑性有限元求解了萬(wàn)能孔型中帶張力軋制H型鋼，并分析了H型鋼軋制力、寬展等工藝參數(shù)。通過(guò)有限元模擬分析金屬塑性變形過(guò)程中的形變規(guī)律和力能參數(shù)，對(duì)軋制過(guò)程進(jìn)行預(yù)判，可大大縮短新孔型工藝的研究開(kāi)發(fā)時(shí)間，降低生產(chǎn)成本，提高企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

1.H型鋼軋制模擬有限元模型構(gòu)建

1.1 模型基本原則

本研究主要采用彈塑性有限元 DEFORM 軟件，對(duì)H型鋼萬(wàn)能連軋過(guò)程中精軋連軋過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬。在進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)，材料參數(shù)的選擇，軋件與軋輥的幾何配輥模型，軋件網(wǎng)格劃分的細(xì)密程度軋件網(wǎng)格劃分的細(xì)密程度邊界條件的設(shè)置都對(duì)模擬結(jié)果的計(jì)算精度起著至關(guān)重要的作用，所以我們要適當(dāng)?shù)剡x擇和處理上述參數(shù)。下面介紹有限元建模的主要方法和萬(wàn)能連軋的模擬步驟。

對(duì)塑性加工過(guò)程進(jìn)行模擬仿真，最關(guān)鍵的是要保證模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性。因此，首先要建立合適的幾何模型。本文在建立有限元模型時(shí)遵守的原則是：在計(jì)算機(jī)性能允許的前提下，盡量不簡(jiǎn)化模型，由于H型鋼橫截面為左右上下對(duì)稱面，為利用現(xiàn)有計(jì)算能力最大化模擬效果，采用1/4尺寸進(jìn)行模擬計(jì)算。對(duì)坯料的尺寸采用實(shí)際開(kāi)坯軋制最后一道次孔型尺寸。

H型鋼軋制時(shí)，開(kāi)坯機(jī)組采用單道次可逆軋制，精軋機(jī)組采用連續(xù)式軋制，本研究在盡量保證各道次初始條件為前一道次出口條件的基礎(chǔ)上，采取分開(kāi)獨(dú)立單道次模擬計(jì)算研究。

在軋制模擬過(guò)程中，對(duì)于軋件長(zhǎng)度的選定無(wú)特定要求。本研究為保持軋件受應(yīng)力影響范圍內(nèi)軋件連續(xù)，且不會(huì)過(guò)長(zhǎng)而增加不必要的計(jì)算量，通常選取約等于軋輥直徑的長(zhǎng)度。

1.2 邊界及初始條件

軋件與軋輥接觸時(shí)，存在接觸熱傳導(dǎo)，軋件與軋輥之間的接觸換熱系數(shù)取5N/(s·mm·℃)，熱功轉(zhuǎn)換系數(shù)取0.9。軋輥的初始表面溫度為60℃，環(huán)境溫度為20℃。此外，軋件還與周圍環(huán)境中的空氣存在對(duì)流換熱，換熱系數(shù)取 0.02N/(s·mm·℃)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)軋制情況，主要設(shè)置三個(gè)工具的邊界條件：

（1）水平輥：水平輥為主動(dòng)輥，定義其轉(zhuǎn)動(dòng)中心坐標(biāo)和轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，軋輥轉(zhuǎn)動(dòng)的線速度方向與軋件運(yùn)動(dòng)方向相同且具有相同的數(shù)值，將水平輥與坯料定義從屬關(guān)系，即剛體與柔體的接觸，同時(shí)定義合適的摩擦系數(shù)；

（2）立輥：立輥定義為從動(dòng)輥，靠與坯料之間的摩擦力帶動(dòng)其轉(zhuǎn)動(dòng)，在前處理器中把立輥與坯料的接觸定義為剛-柔接觸，輸入相應(yīng)的摩擦系數(shù)，定義軋輥的轉(zhuǎn)動(dòng)中心，對(duì)它的旋轉(zhuǎn)中心軸施加相應(yīng)的約束；

（3）推板：為了便于鋼坯咬入軋機(jī)中，給推板一個(gè)低于水平輥切向速度的線速度；推板定義為剛體，靠摩擦力帶動(dòng)坯料咬入軋機(jī)；

H 型鋼的萬(wàn)能連軋變形過(guò)程非常復(fù)雜，在有限元模擬中常采用速度控制法，設(shè)定推板的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)低于軋輥驅(qū)動(dòng)的軋制速度，保證一旦軋件進(jìn)入軋機(jī)，則脫離推板，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)軋制后，軋件以一定的勻速直線運(yùn)動(dòng)。

設(shè)定精軋初始溫度低于950℃，高于900℃，符合近終溫軋制而的提高軋件組織性能需求，但這同時(shí)也提高了對(duì)軋機(jī)的力能要求。

不同的材料參數(shù)對(duì)模擬的分析結(jié)果的影響也不同，在應(yīng)用有限元 DEFORM 軟件進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬時(shí)，軟件前處理器自帶大量的材料模型參數(shù)供用戶選擇。依托現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)情況，本文在模擬 H 型鋼連續(xù)軋制時(shí)，軋輥均定義成剛性體，依照材料參數(shù)選擇合適的剛性材料模型，軋件材料模型選擇彈塑性材料模型，鋼種選用Q235 鋼。

1.3 軋制規(guī)程表與軋機(jī)模型

對(duì)于100×100規(guī)格的H型鋼，某鋼鐵廠使用的軋制程序表設(shè)計(jì)產(chǎn)量為100t/h，對(duì)軋制序列、軋機(jī)輥型、輥徑、按照截面積計(jì)算的每道次收縮率、軋件運(yùn)行速度、軋制力、軋制扭矩和軋制功率等參數(shù)給予詳細(xì)表述，本研究中選取第8、11和15道，分別為X型軋制、軋邊（E）和H型軋制。模擬計(jì)算用設(shè)計(jì)軋制規(guī)程表見(jiàn)表1。

表1 軋制規(guī)程表

2.計(jì)算結(jié)果與討論

中小H型鋼的精軋流程多采用多機(jī)架連軋的流程，其中包含用于增加四輥萬(wàn)能軋機(jī)和雙輥水平軋機(jī)。H 型鋼的萬(wàn)能軋機(jī)軋制由主動(dòng)的上下一對(duì)水平輥及左右一對(duì)無(wú)驅(qū)動(dòng)縱軋輥而進(jìn)行，且水平軋輥比立軋輥的外徑要大。依照現(xiàn)場(chǎng)軋制規(guī)程，即機(jī)架間張力為零的情況下，利用 DEFORM 軟件對(duì) H 型鋼軋制過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬。

本研究首先進(jìn)行了同軋制程序表設(shè)計(jì)相同的100t/h力能計(jì)算，將獲得的軋制力、扭矩和功率等參數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，復(fù)現(xiàn)率較高，且軋件規(guī)格與設(shè)計(jì)一致。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了160t/h軋制能力的力能計(jì)算，并對(duì)該計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析討論。

圖1是利用DEFORM模擬計(jì)算軋件軋制過(guò)程中產(chǎn)生的軋制力隨軋制時(shí)間變化的曲線圖，其中(a)、(b)和(c)分別為X型萬(wàn)能軋制道次、E型水平軋邊道次和H型萬(wàn)能軋制道次，本研究中將萬(wàn)能道次水平輥的受力和水平道次進(jìn)行對(duì)比。

圖1 各軋制道次軋制力計(jì)算結(jié)果

從圖1（a）和（c）萬(wàn)能軋制道次中可以看出，軋制力隨軋件咬入迅速增大至最大值，而后保持相對(duì)穩(wěn)定，在軋件脫離軋輥時(shí)軋制力迅速下降。這是由于萬(wàn)能道次中軋件咬入過(guò)程中，在極短時(shí)間內(nèi)即達(dá)到最大軋制力。

從圖1（b）中可以看出，對(duì)于水平輥軋邊道次，隨著軋件的咬入過(guò)程，軋制力逐漸增大到最大值，而后呈現(xiàn)波動(dòng)狀態(tài)保持在最大軋制力，直至軋件脫離軋輥時(shí)軋制力迅速下降。這是由于軋邊道次中咬入過(guò)程中軋件的翼緣最先與軋輥接觸，隨著軋件前進(jìn)過(guò)程中軋制力是逐漸增大的過(guò)程，所以增速較緩慢。

在生產(chǎn)能力為160t/h的條件下，X型軋制的軋制力較大，可達(dá)308t，而第E型兩輥水平軋邊道次的軋制力遠(yuǎn)低于萬(wàn)能道次，僅為39.8t。這一變化規(guī)律與設(shè)計(jì)的生產(chǎn)能力為100t/h時(shí)一致；

圖2是利用DEFORM模擬計(jì)算軋件軋制過(guò)程中產(chǎn)生的軋制扭矩隨軋制時(shí)間的曲線圖，其中(a)、(b)和(c)分別為X型萬(wàn)能軋制道次、E型水平軋邊道次和H型萬(wàn)能軋制道次，本研究中將萬(wàn)能道次水平輥的軋制扭矩和水平道次進(jìn)行對(duì)比。

圖2 各道次軋制扭矩

圖2（a）和（c）萬(wàn)能道次的扭矩存在兩種變化規(guī)律。對(duì)于X型軋制道次，扭矩是隨著軋件的咬入和脫出迅速增大和減小的，在穩(wěn)定的軋制過(guò)程中扭矩保持再一相對(duì)穩(wěn)定值。對(duì)于H型軋制道次，扭矩在軋件咬入過(guò)程中存在跳躍，而后穩(wěn)定直至軋件脫離軋輥，扭矩迅速減小為0。對(duì)于E型軋邊道次，扭矩隨著軋件的咬入過(guò)程逐漸增大，在完全咬入后迅速下降至一穩(wěn)定值，直至軋件脫離軋輥，扭矩迅速減小為0。

在生產(chǎn)能力為160t/h的條件下，軋制扭矩的變化規(guī)律與軋制力相近，X型軋制道次的軋制扭矩最大，可達(dá)27837kg·m，E型軋邊道次扭矩最低，僅為4053 kg·m。扭矩在各道次的分配規(guī)律與設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為100t/h時(shí)一致

圖3是利用DEFORM模擬計(jì)算軋件軋制過(guò)程中產(chǎn)生的軋制功率隨軋制時(shí)間的曲線圖，其中(a)、(b)和(c)分別為X型萬(wàn)能軋制道次、E型水平軋邊道次和H型萬(wàn)能軋制道次，本研究中將萬(wàn)能道次水平輥的功率和水平道次進(jìn)行對(duì)比。

圖3 各道次軋制功率

在生產(chǎn)能力為160t/h的條件下，E型軋邊道次的軋制功率是最低的，為374kW，X型軋制功率為945kW，H型軋制功率為558kW。對(duì)比產(chǎn)能為100t/h時(shí)三道次的功率可知，各電機(jī)的增長(zhǎng)比例并非線型。說(shuō)明在提高產(chǎn)能，但不改變孔型設(shè)計(jì)和軋制道次布置條件下，各道次所需電機(jī)功率并非同比例增大，需要對(duì)產(chǎn)能提升的軋線電機(jī)能力引起注意。模擬計(jì)算結(jié)果匯總見(jiàn)表2。

為考察模擬計(jì)算的可靠性，在生產(chǎn)中，對(duì)比了該中小H型鋼軋線在產(chǎn)能達(dá)160t/h情況下電機(jī)的實(shí)際功率值，其第8、11和15架功率范圍分別為900 kW -960 kW、340 kW -390 kW和510 kW -560kW。DEFORM模擬計(jì)算值同生產(chǎn)實(shí)踐值的偏差最大值分別為4.8%、8.8%和8.6%。

表2 Deform模擬計(jì)算力能參數(shù)

3.結(jié)論

本研究通過(guò)有限元計(jì)算軟件DEFORM數(shù)值模擬研究了H型鋼軋制過(guò)程中精軋道次，其中軋輥形式包括萬(wàn)能模式和二輥模式，獲得了軋件形貌、軋制力、扭矩和功率等參數(shù)，并得出如下結(jié)論：

使用DEFORM-3D有限元軟件，可實(shí)現(xiàn)對(duì)H型鋼軋制變形的快速預(yù)判，獲得的翼緣寬展等重要參數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)復(fù)現(xiàn)率較高，且可通過(guò)對(duì)某一孔型參數(shù)的調(diào)整，獲得較直觀的軋制成型效果對(duì)比；

在生產(chǎn)能力由100t/h提升為160t/h時(shí)，在孔型及道次分配不變的條件下，模擬計(jì)算得E型兩輥軋邊道次的軋制力提升較小，僅為16%，而萬(wàn)能軋制的X型和H型道次分別可達(dá)239%和236%，在產(chǎn)量提升過(guò)程中要關(guān)注萬(wàn)能軋機(jī)的受力強(qiáng)度，以保障生產(chǎn)設(shè)備和人員安全；

在生產(chǎn)能力由100t/h提升為160t/h時(shí)，計(jì)算得二輥和萬(wàn)能軋制扭矩的提升均小于61%；萬(wàn)能軋制模式功率提升分別為61%和65%，而模擬計(jì)算得二輥軋制模式功率提升了172%，在產(chǎn)量提升過(guò)程中要關(guān)注二輥軋機(jī)的傳動(dòng)電機(jī)功率改變，以保障軋制能力。

本研究模擬計(jì)算所得H型鋼軋制功率同生產(chǎn)實(shí)際偏差小于8.8%，為產(chǎn)能升級(jí)過(guò)程中軋制規(guī)程和設(shè)備選型提供參考依據(jù)。