ANSYS Workbench 在高鉻鋼輥環(huán)生產(chǎn)中的應(yīng)用

劉 宇，李 崇，趙海軍，高玉章

（唐山鋼鐵集團(tuán)重機(jī)裝備有限公司，河北唐山 063000）

ANSYS 作為有限元分析軟件，廣泛的應(yīng)用于各個(gè)工程領(lǐng)域，而ANSYS Workbench 是ANSYS公司近年來提出的全新版本，是其將旗下的軟件集中整合在一個(gè)工作平臺上，目的是在保持核心技術(shù)多樣化的同時(shí)建立協(xié)同仿真環(huán)境。ANSYS Workbench 特點(diǎn)是客戶化、集成性、參數(shù)化，它提供了軟件之間的數(shù)據(jù)耦合和數(shù)據(jù)傳輸[1]，展現(xiàn)了全新的項(xiàng)目視圖功能，能以簡單的操作完成復(fù)雜的有限元分析流程，已經(jīng)成為工程應(yīng)用仿真軟件發(fā)展的一個(gè)方向。高鉻鋼輥環(huán)主要應(yīng)用于板帶鋼立輥軋機(jī)，是以高鉻鋼為輥環(huán)外層材質(zhì)，以石墨鋼為內(nèi)層材質(zhì)，采用離心復(fù)合澆注工藝鑄造而成，由于高鉻鋼輥環(huán)外層的高鉻低碳的化學(xué)成分可形成分散不連續(xù)，鑲嵌在馬氏體上的細(xì)小的M7C3 型碳化物[2]，這種碳化物有較高的顯微硬度且對熱裂紋不敏感，使高鉻鋼輥環(huán)具有優(yōu)良的耐磨性和抗熱裂性，可延長軋制周期，減少磨削量，提高生產(chǎn)效率，但高鉻鋼輥環(huán)鑄造生產(chǎn)難度較高，特別是直徑較大，離心層較厚的輥環(huán)，容易產(chǎn)生結(jié)合層夾渣和裂紋質(zhì)量缺陷，所以生產(chǎn)前對每層離心時(shí)間的控制和如何減少離心層內(nèi)的熱應(yīng)力是生產(chǎn)的難點(diǎn)，也是利用ANSYS Workbench 亟需解決的問題。

本文主要研究ANSYS Workbench 應(yīng)用在高鉻鋼輥環(huán)鑄造生產(chǎn)及熱處理過程中的熱分析及熱應(yīng)力耦合分析,為高鉻鋼輥環(huán)的開發(fā)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 建模與網(wǎng)格劃分

1.1 建模原則和假設(shè)

實(shí)踐中的高鉻鋼輥環(huán)的鑄造及熱處理過程十分復(fù)雜，影響因素較多，如果利用ANSYS Workbench 有限元分析軟件進(jìn)行模擬分析，需要對其進(jìn)行建模，將實(shí)際情況轉(zhuǎn)化成模型再進(jìn)行模擬分析，建模的主要原則是在不失模擬真實(shí)性的情況下盡量簡化，主要做法是抓住影響模擬的主要因素，忽略對模擬影響小甚至略微的因素，這樣既保證了模擬接近真實(shí)性又簡化了模擬條件。

在這種建模原則下，提出以下幾點(diǎn)假設(shè)：

（1）工作層和內(nèi)層每澆注一層就作為一個(gè)獨(dú)立的模型單元，單元之間彼此為綁定對稱接觸，層與層之間相互獨(dú)立并忽略之間的互熔，而且不考慮離心凝固過程中液態(tài)鋼水的流動，只考慮傳熱。

（2）熱分析初始狀態(tài)均為穩(wěn)態(tài)，溫度場所加載荷為瞬時(shí)、線性。熱應(yīng)力耦合分析初始狀態(tài)也為穩(wěn)態(tài)，其溫度場及應(yīng)力場所加載荷也均為瞬時(shí)、線性。

（3）簡化邊界條件，將復(fù)雜的邊界條件統(tǒng)一綜合成一個(gè)邊界條件，以減少建模量和邊界條件數(shù)量。

（4）模型具有圓周和中心對稱的特性，所以可簡化成一個(gè)截面或一個(gè)點(diǎn)作為代表特征進(jìn)行熱分析和熱應(yīng)力耦合分析。

（5）在熱分析和熱應(yīng)力耦合分析時(shí)直接進(jìn)行線性迭代分析，忽略冷卻過程中的相變因素，將相變因素轉(zhuǎn)移到對高鉻鋼的材料物理特性數(shù)據(jù)的修正中。

1.2 網(wǎng)格劃分

本文以?1240mm×1500mm 高鉻鋼輥環(huán)毛坯為例，外層為高鉻鋼材質(zhì)，厚度為?1240mm～?880 mm（外層分兩次澆注為? 1240mm～? 1060mm～?880mm），內(nèi)層為石墨鋼材質(zhì)，厚度范圍為?880mm～?540mm，在Engineering Data 對材料物理特性進(jìn)行編輯，輸入高鉻鋼材質(zhì)的導(dǎo)熱率、彈性模量、線性膨脹系數(shù)、密度、比熱焓、泊松比等相關(guān)數(shù)據(jù)。

對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分越細(xì)密，收斂性越好，分析精度越高[3]，但計(jì)算量會增大，所以要選擇合理的網(wǎng)格尺寸，盡可能劃分為規(guī)格一致的網(wǎng)格，這里利用Mapped Face Meshing 對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，下圖分別為外層一次澆注+內(nèi)層和外層兩次澆注+內(nèi)層的網(wǎng)格劃分。

圖1 外層一次澆注+內(nèi)層網(wǎng)格劃分

圖2 外層兩次澆注+內(nèi)層網(wǎng)格劃分

圖3 外層軸向截面溫度場分布云圖

1.3 邊界條件

本文模擬過程有三類邊界條件，根據(jù)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別設(shè)定換熱系數(shù)。

（1）輥模與涂料及外界空氣統(tǒng)一作為一種邊界條件。

（2）外界空氣與離心外層內(nèi)表面或離心內(nèi)層內(nèi)表面直接接觸面作為邊界條件。

（3）輥模兩端端蓋與離心外層或離心內(nèi)層的接觸面作為邊界條件。

2 離心凝固過程模擬分析

先對高鉻鋼輥環(huán)外層進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析，設(shè)定初始溫度1520℃，加載熱交換邊界條件，再進(jìn)行瞬時(shí)線性迭代熱模擬分析。

大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)高鉻鋼輥環(huán)外層澆注后，當(dāng)外層內(nèi)表面溫度達(dá)到1220±20℃時(shí)，澆注石墨鋼內(nèi)層，熔合質(zhì)量最佳，因此，對高鉻鋼輥環(huán)外層內(nèi)表面溫度進(jìn)行有限元熱分析，得到溫度場分布云圖和溫降曲線。

根據(jù)溫度場分布云圖，可知輥環(huán)最低溫度處于外層內(nèi)表面，而最高溫度處于外層最外面，其溫度由外向內(nèi)逐步降低，并且外層兩端邊緣a 點(diǎn)的溫度小于中間部位b 點(diǎn)的溫度，所以在設(shè)計(jì)內(nèi)層澆注間隔時(shí)間時(shí)要兼顧兩者的溫度，既不能讓邊緣溫度太低，也不能讓中間部位的溫度過高，邊緣溫度太低，容易出現(xiàn)邊緣部位的結(jié)合不良，中間部位溫度太高，容易造成中間部位熔合較多，影響工作層厚度。

圖4 離心外層降溫曲線

通過溫降曲線可知，由于輥環(huán)邊緣a 點(diǎn)降溫速度較快，溫度較低，達(dá)到1200℃時(shí)的時(shí)間為19分45 秒，中間部位b 點(diǎn)降溫相對較慢，達(dá)到1240℃時(shí)的離心時(shí)間為19 分20 秒，為了兼顧兩者的溫度同在1200～1240℃范圍內(nèi)，所以取兩者離心時(shí)間的中間值19 分32 秒作為參考離心時(shí)間，即為內(nèi)層的澆注間隔時(shí)間，而此時(shí)b 點(diǎn)溫度為1238℃。離心內(nèi)層工藝要求的澆注溫度1490℃，所以以外層1238℃、內(nèi)層1490℃作為初始溫度，加載邊界條件，再對其進(jìn)行熱分析，當(dāng)離心內(nèi)層內(nèi)表面溫度達(dá)到950℃，可計(jì)算出輥環(huán)最小停轉(zhuǎn)時(shí)間為7400s，即高鉻鋼輥環(huán)內(nèi)層澆注后的離心下機(jī)時(shí)間。

3 離心層內(nèi)應(yīng)力模擬分析

高鉻鋼輥環(huán)生產(chǎn)的一個(gè)難點(diǎn)是容易炸裂，因?yàn)槠浜辖疠^高，線性膨脹系數(shù)較大，特別是直徑較大的輥環(huán)更為明顯，這里通過ANSYS Workbench研究高鉻鋼輥環(huán)外層一次澆注+內(nèi)層，與外層分兩次澆注+內(nèi)層的應(yīng)力對比。

按照熱分析同樣的進(jìn)行建模與網(wǎng)格劃分，考慮到輥環(huán)澆注后凝固冷卻時(shí)的實(shí)際邊界條件，設(shè)定輥環(huán)離心層受到輥模內(nèi)壁及兩個(gè)端蓋面三個(gè)方向的約束，加載之前的瞬時(shí)熱分析結(jié)果，再進(jìn)行熱應(yīng)力耦合分析。

圖5 外層一次澆注和外層兩次澆注直徑尺寸對比

外層一次澆注過程，由?1240mm 澆注到?880mm,再澆注內(nèi)層到?540mm，以外層1220℃，內(nèi)層1490℃作為初始溫度。

外層兩次澆注過程，外一層由?1240mm 澆注到?1060mm,外二層由?1060mm 澆注到?880mm,再澆注內(nèi)層到?540mm，通過熱分析可知，當(dāng)外二層內(nèi)表面溫度為1220℃時(shí)，外一層的內(nèi)表面溫度已經(jīng)降溫到1010℃時(shí)，以外一層和外二層的這兩個(gè)溫度及內(nèi)層的1490℃為初始溫度。

兩種過程按照同樣的邊界條件加載，先進(jìn)行熱分析，再進(jìn)行熱應(yīng)力耦合模擬分析，考慮到高鉻鋼輥環(huán)在25h 時(shí)容易炸裂，所以都以90000s 作為分析時(shí)間點(diǎn)，得到應(yīng)力場云圖及距離-應(yīng)力曲線。

圖6 外層一次澆注應(yīng)力場云圖

圖7 外層二次澆注應(yīng)力場云圖

通過對外層一次澆注和外層兩次澆注的兩個(gè)Equivalent Stress 應(yīng)力場云圖對比可知，外層一次澆注在距離輥環(huán)最外緣275mm 時(shí)出現(xiàn)應(yīng)力最大峰值，在325mm 出現(xiàn)次峰值。外層二次澆注在距離輥環(huán)最外緣70mm、140mm、325mm、345mm 時(shí)出現(xiàn)四個(gè)次峰值，距離265mm 時(shí)應(yīng)力峰值達(dá)到最大，由此可見，通過兩者對比，一是外層二次澆注最大峰值較外層一次澆注最大峰值明顯降低，二是外層二次澆注在距離最外緣有四個(gè)次峰值，說明外層二次澆注將應(yīng)力進(jìn)行了分?jǐn)?，避免了?yīng)力的過分集中，降低了整個(gè)離心層內(nèi)的應(yīng)力最高峰值，使應(yīng)力小于高鉻鋼材質(zhì)的抗拉強(qiáng)度，降低了開裂的風(fēng)險(xiǎn)，這就提供了一種安全可靠的鑄造生產(chǎn)工藝。實(shí)踐證明，自從生產(chǎn)采用外層二次澆注后，未出現(xiàn)因鑄造應(yīng)力造成的炸裂現(xiàn)象，所以對于大直徑的高鉻鋼輥環(huán)在工藝設(shè)計(jì)時(shí)離心外層要設(shè)計(jì)為兩次澆注，澆注間隔時(shí)間可由上述熱分析確定。

4 熱處理噴淬過程模擬分析

高鉻鋼輥環(huán)的熱處理對輥環(huán)性能的提高十分重要，高鉻鋼輥環(huán)鑄造后主要進(jìn)行噴淬火+回火熱處理，其目的是生成更多的馬氏體和Cr7C3 碳化物，以提高硬度及耐磨性，因此在噴淬冷卻時(shí)，高鉻鋼輥環(huán)從外到內(nèi)能夠降低到工藝要求的轉(zhuǎn)變溫度的外層深度決定了其淬透層厚度，即為要求的工作層厚度，在高鉻鋼輥環(huán)所要達(dá)到的淬透層內(nèi)設(shè)置A 點(diǎn)，輥環(huán)外層表面設(shè)置B 點(diǎn)作為標(biāo)記點(diǎn)，用ANSYS Workbench 對這兩點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行熱分析，模擬噴霧淬火過程。

圖8 外層一次澆注和外層二次澆注距外緣距離-應(yīng)力值對比圖

圖9 噴淬588s 時(shí)輥環(huán)溫度場云圖

圖10 噴淬時(shí)間-降溫曲線

根據(jù)熱處理工藝，輥環(huán)在熱處理爐加熱到完全奧氏體化溫度980℃，需要噴霧淬火到500℃，因此以980℃作為初始溫度，主要邊界條件為高鉻鋼輥環(huán)外層的熱交換，利用實(shí)驗(yàn)測定的換熱系數(shù)，得到噴淬時(shí)間-降溫曲線，可知當(dāng)A 點(diǎn)冷卻達(dá)到臨界點(diǎn)500℃的時(shí)間為588s，即為噴淬時(shí)間，同時(shí)可知外表面B 點(diǎn)此時(shí)的溫度為56℃。實(shí)際淬火過程中可通過測量外表面B 點(diǎn)溫度值來預(yù)知內(nèi)部A 點(diǎn)的溫降情況，從而控制整個(gè)淬火冷卻降溫過程。

5 結(jié)論

（1）利用ANSYS Workbench 對離心外層內(nèi)表面溫度進(jìn)行計(jì)算，確定內(nèi)層的澆注間隔時(shí)間和輥環(huán)的離心時(shí)間。

（2）對比外層一次澆注和外層分兩次澆注后輥環(huán)產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，得出外層二次澆注內(nèi)應(yīng)力減小，因此大直徑的輥環(huán)生產(chǎn)時(shí)可以通過外層兩次澆注以防止因內(nèi)部應(yīng)力高于抗拉強(qiáng)度而產(chǎn)生炸裂。

（3）利用ANSYS Workbench 模擬噴淬熱處理過程，當(dāng)淬透層深度的溫度降低到工藝要求的轉(zhuǎn)變溫度所對應(yīng)的時(shí)間即為噴淬時(shí)間，可根據(jù)對應(yīng)的輥環(huán)表面溫度來監(jiān)測淬透層深度的溫度。