橢圓孔入口軋件高度對(duì)ER70S-6焊絲鋼粗軋褶皺的影響

供稿|陳志國(guó)，翟進(jìn)坡，史秉華，田路

作者單位：唐山市德龍鋼鐵有限公司，河北 唐山 063000

內(nèi)容導(dǎo)讀

針對(duì)ER70S-6焊絲鋼在粗軋后出現(xiàn)的褶皺缺陷，利用有限元模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究了第三道次橢圓孔入口軋件的高度對(duì)該道次應(yīng)力應(yīng)變及金屬流動(dòng)規(guī)律的影響，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明：第3架軋機(jī)軋件入口高度減小2 mm時(shí)，粗軋后褶皺平均深度由126.46 μm減小為83.47 μm。

ER70S-6低合金焊絲鋼盤條是制作CO2氣體保護(hù)焊的主要原材料，主要由鐵素體和珠光體等復(fù)相組織組成，在橋梁、鍋爐、船舶、車輛制造以及其他工業(yè)制造行業(yè)都有著廣泛的應(yīng)用，是國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的氣體保護(hù)焊絲鋼[1-2]。通過熱軋工藝來(lái)生產(chǎn)，涉及到高溫變形，表面質(zhì)量是其面臨的最主要問題[3]，其中褶皺是影響線材表面質(zhì)量的主要因素之一。作為常見的缺陷，褶皺無(wú)論出現(xiàn)在邊緣還是表面，都會(huì)對(duì)鋼坯造成損傷，導(dǎo)致生產(chǎn)成本的增加。如果表面存在褶皺缺陷，會(huì)在后續(xù)加工過程中造成傳播，最終導(dǎo)致零件失效[4-5]。因此，有必要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。目前國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者利用有限元對(duì)線材軋制進(jìn)行了模擬并分析了褶皺的產(chǎn)生原因[6-9]。喬明亮等發(fā)現(xiàn)輥縫的調(diào)整不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致線材出現(xiàn)缺陷[10-11]。韓際清等通過實(shí)驗(yàn)提出了褶皺產(chǎn)生的原因和解決方法[12-13]。

唐山德龍鋼鐵有限公司軋線采用了150 mm×150 mm坯料，粗軋孔型為：箱-箱-橢圓-圓-橢圓-圓型孔。為了適應(yīng)更廣泛的產(chǎn)品需求，現(xiàn)將150 mm×150 mm坯料改為160 mm×160 mm，并且前兩架箱型孔改為無(wú)孔型圓柱形輥。圓柱形輥身軋制雖然能夠減少換輥頻率、提高生產(chǎn)效率，但從軋件變形角度來(lái)說，經(jīng)前兩架圓柱形輥身軋制后，坯料圓角部并沒有進(jìn)行加工，試樣直接進(jìn)入第3架橢圓孔型，使得軋件圓角部變形更加劇烈，從而極易導(dǎo)致軋件變形失穩(wěn)產(chǎn)生褶皺。

因此，本文利用有限元模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，針對(duì)方形軋件進(jìn)入第三道次橢圓孔型的變形條件，模擬了變形過程中的應(yīng)力應(yīng)變分布和金屬流動(dòng)規(guī)律，通過調(diào)整進(jìn)入第三道次橢圓孔方形軋件高度，研究了橢圓孔入口軋件尺寸對(duì)軋件角部變形和應(yīng)力應(yīng)變的影響，確定了褶皺出現(xiàn)的位置，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

粗軋有限元模型

鑒于前兩架為平輥，利用Abaqus有限元軟件對(duì)第3～6架粗軋過程進(jìn)行三維實(shí)體建模，將第2架出口坯料作為工件，尺寸為131 mm×131 mm。為了提高計(jì)算效率，根據(jù)工件及邊界條件的對(duì)稱性，建立了1/4模型進(jìn)行分析，見圖1(a)。軋輥設(shè)為解析剛體，軋件設(shè)定為彈塑性各向同性材料，采用C3D8RT單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元總數(shù)為59312個(gè)，施加對(duì)稱邊界條件，限制對(duì)稱面垂直方向上的位移。軋輥與軋件間的摩擦系數(shù)為0.3。軋件表面的對(duì)流換熱系數(shù)為10 W/(m2·K)，輻射系數(shù)為0.8，熱傳導(dǎo)方式是軋件與軋輥的主要換熱方式，換熱系數(shù)為20 W/(m2·K)。軋輥溫度設(shè)置為恒溫，溫度為300 ℃；外界環(huán)境溫度為20 ℃。在軋制過程中，軋件因塑性變形生熱與摩擦生熱等原因，設(shè)定功與熱轉(zhuǎn)換系數(shù)為0.9。對(duì)軋輥施加角速度，其數(shù)值與實(shí)際生產(chǎn)相一致。

為了分析褶皺出現(xiàn)的原因，將從材料橫向流動(dòng)速度以及橫向變形程度兩個(gè)方面重點(diǎn)研究角部圓角在進(jìn)入孔型后的變形情況。節(jié)點(diǎn)從軋件左上到右下選取10個(gè)節(jié)點(diǎn)，跨越圓角處，通過對(duì)節(jié)點(diǎn)的追蹤分析，研究不同區(qū)域處各場(chǎng)量的分布情況，得到材料流動(dòng)規(guī)律，預(yù)測(cè)褶皺產(chǎn)生的位置，節(jié)點(diǎn)選擇如圖1(b)所示。

有限元模擬結(jié)果與分析

軋件變形分析

在軋制過程中，應(yīng)力應(yīng)變的分布反映了金屬變形情況[14-15]。圖2給出了第3架軋機(jī)軋制時(shí)工件的等效塑性應(yīng)變及等效應(yīng)力分布圖，等效應(yīng)變最大的部位出現(xiàn)在軋件的角部位置，角部的等效應(yīng)變最大值可達(dá)到1.26，其他位置的等效應(yīng)變值在0.3～0.7之間。同時(shí)，工件上應(yīng)力分布也是不均勻的，工件角部等效應(yīng)力較大，達(dá)到了206.5 MPa，其他位置的等效應(yīng)力在107.5～190 MPa?？梢姡M管軋件角部溫度低，但卻承受較大的壓縮變形，容易造成軋件側(cè)壁失穩(wěn)，形成褶皺缺陷。

圖1 有限元模型的建立

粗軋褶皺產(chǎn)生位置的確定與驗(yàn)證

在粗軋飛剪處取樣觀察褶皺產(chǎn)生的位置，并將其標(biāo)記在粗軋?jiān)嚇拥臋M斷面上，見圖3(a)。利用有限元軟件追蹤坯料圓角附近節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)情況，圖3(b)給出了坯料圓角與粗軋?jiān)嚇拥膶?duì)應(yīng)位置，與水平之間的夾角為35°～42°。兩者對(duì)比發(fā)現(xiàn)，褶皺主要發(fā)生在坯料圓角附近處。

軋件高度對(duì)粗軋第三道次變形時(shí)壓縮應(yīng)變的影響

圖4為第三道次入口軋件高度尺寸對(duì)軋件角部橫向?qū)捳箲?yīng)變及壓縮應(yīng)變的影響。當(dāng)軋件高度由128 mm變?yōu)?32 mm時(shí)，壓縮應(yīng)變由-0.261降為-0.293。可見，減小第三道次軋件入口高度會(huì)同時(shí)降低壓縮應(yīng)變，減輕角部變形程度，從而減輕角部變形的不均勻程度和激烈程度，降低軋件失穩(wěn)的幾率，進(jìn)而抑制褶皺的發(fā)生。

圖2 軋件變形情況

圖3 褶皺產(chǎn)生位置的確定

圖4 第三道次軋件入口高度對(duì)軋件角部壓縮應(yīng)變的影響

圖5為第3架軋機(jī)軋件入口高度對(duì)軋件角部節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度的影響。當(dāng)減小第3架軋機(jī)軋件入口高度時(shí)，圓角節(jié)點(diǎn)最大速度差由18.84 mm/s減小為14.99 mm/s，然而增大第三架軋機(jī)軋件入口高度時(shí)，則會(huì)使圓角節(jié)點(diǎn)最大速度提高到27.62 mm/s?？梢?，當(dāng)減小第三架軋機(jī)軋件入口高度時(shí)，軋件圓角附近節(jié)點(diǎn)流動(dòng)差異變小，這有利于抑制褶皺產(chǎn)生，提高表面平整度。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

圖5 第三道次軋軋件入口高度不同時(shí)圓角節(jié)點(diǎn)最大速度對(duì)比

為了驗(yàn)證第3架軋機(jī)軋件入口高度對(duì)粗軋表面缺陷的影響，在其他參數(shù)不變的情況下，僅調(diào)整第3架軋機(jī)軋件入口高度，調(diào)整量為±2 mm。通過光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡觀察表面褶皺的形貌，見圖6，并測(cè)量統(tǒng)計(jì)其平均深度，如表1所示。

表1 粗軋褶皺平均深度

結(jié)合圖6與表1可知，減小第3架軋機(jī)軋件入口高度，粗軋后軋件表面褶皺條數(shù)明顯減少，褶皺深度明顯減小。與正常軋制時(shí)軋件入口高度相比，第3架軋機(jī)軋件入口高度減小2 mm時(shí)，粗軋后軋件的表面平均褶皺深度減小約43 μm，而第3架軋機(jī)軋件入口高度增大2 mm，粗粗軋后軋件的表面平均褶皺深度則會(huì)增加約58 μm。這表明減小第3架軋機(jī)軋件入口高度能有效降低褶皺平均深度，有利于鋼種表面質(zhì)量的改善。

結(jié)束語(yǔ)

(1) 利用有限元軟件追蹤了坯料圓角節(jié)點(diǎn)的流動(dòng)情況，并與粗軋褶皺產(chǎn)生位置進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明褶皺發(fā)生在坯料圓角附近。

(2) 第3架軋機(jī)軋制時(shí)，相比其他位置，坯料角部承受較大的應(yīng)力，變形程度劇烈。

(3) 減小第3架軋機(jī)壓下量有助于降低角部所承受的變形量，從而抑制褶皺的產(chǎn)生。實(shí)驗(yàn)表明，將第3架軋機(jī)壓下量減小2 mm，粗軋?jiān)嚇悠骄薨櫳疃葟?26.46 μm降到了83.47 μm，這驗(yàn)證了有限元模擬的有效性。

圖6 粗軋?jiān)嚇玉薨櫺蚊?/p>