重軌開坯孔型系統(tǒng)優(yōu)化及有限元模擬分析

付國龍，顧雙全，趙利永，李聰穎，劉小燕

（1.邯鄲鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司 大型軋鋼廠，河北 邯鄲 056000；2.東北大學(xué) 軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點實驗室，遼寧 沈陽 110004）

現(xiàn)代重軌生產(chǎn)中，一般以連鑄矩形坯為坯料，采用萬能法進(jìn)行鋼軌的軋制，由于連鑄坯內(nèi)部存在縮孔、夾雜物等缺陷，鋼軌在從坯料到成品的軋制過程中一般需保證到9：1以上的壓縮比。因此，重軌在軋制時需首先在BD區(qū)兩輥可逆軋機(jī)上進(jìn)行開坯軋制，開坯軋制的總壓縮比可達(dá)5：1以上，其中，箱型孔軋制7道次，異型孔軋制5道次，如圖1所示。

圖1 重軌BD區(qū)開坯孔型配置圖

由于異型孔軋制過程中，軋件發(fā)生不均勻變形，孔型側(cè)壁沿徑向方向線速度差較大，造成孔型磨損快、軋制量低，尤其是BD2軋輥中的帽形孔、切深孔和延伸孔的軋制量僅為3000t～4000t，輥耗成本過高。為降低BD區(qū)軋輥成本，需對BD區(qū)開坯軋輥孔型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計和重新配置，提高軋輥軋制量。

1 軋輥孔型配置及軋制參數(shù)優(yōu)化

1.1 孔型配置優(yōu)化

由于異型孔中孔型磨損量存在差異，帽形孔、切深孔和延伸孔磨損量較大，先導(dǎo)孔和梯形孔磨損量較小，因此，將BD2軋輥中的切深孔和延伸孔進(jìn)行雙孔配置，但受輥身長度的限制，需將梯形孔及帽形孔移至BD1軋輥。

原BD1軋輥配置箱型孔3個，箱型孔軋制7道次，將BD2梯形孔及帽形孔移至BD1后存在以下問題：①BD1輥身長度不夠無法安置新增的3個孔型；②BD1軋制道次增加為9道次，與BD2的3道次嚴(yán)重不匹配，拖累軋制節(jié)奏。因此，需要將BD1中的3個箱型孔減少至2個，并將箱型孔的軋制道次由7道次減少至3道次，優(yōu)化后的軋輥孔型配置如圖2所示。

圖2 優(yōu)化后BD區(qū)開坯孔型配置圖

1.2 箱型孔軋制參數(shù)優(yōu)化

箱型孔軋制過程為展寬方向與壓下方向反復(fù)交替的過程，其主要目的是將原始坯料軋制成尺寸適合梯形孔的矩形坯料，從而保證梯形孔對軋件充分加工且不出耳子。減少軋制道次后，為達(dá)到目標(biāo)斷面尺寸，各道次壓下率顯著提高，優(yōu)化前后的各道次壓下率對比情況如圖3所示。根據(jù)張林等在400mm特厚板上進(jìn)行研究，其他條件不變，當(dāng)單道次壓下率達(dá)到一定量時，雙鼓形到達(dá)峰值[1]。在新的軋制參數(shù)中各道次壓下率為17%～25%，應(yīng)充分考慮大壓下率對軋件側(cè)面的展寬形態(tài)的影響。

圖3 優(yōu)化前后各道次壓下率對比圖

2 有限元模擬分析

近年來，剛塑性有限元法被廣泛應(yīng)用于塑性加工的變形解析，有限元模擬方法的有效性已得到充分認(rèn)可[2]，本文應(yīng)用Deform-3D有限元軟件對優(yōu)化后的60kg/m重軌的箱型孔軋制過程進(jìn)行數(shù)值模擬，對軋后軋件側(cè)面形態(tài)與孔型接觸情況進(jìn)行研究。

圖4 建立幾何模型

2.1 有限元模型建立

使用Deform-3D軟件中的shape rolling模塊，為減少運算量采用四分之一軋制模型進(jìn)行建模，軋輥為剛體，軋件為剛塑體，接觸關(guān)系采用剪切摩擦模型，軋件材質(zhì)選用材質(zhì)庫中與U75V成分相當(dāng)?shù)腁ISI-1078鋼，軋件劃分6面體網(wǎng)格，軋件長度為500mm，總劃分網(wǎng)格數(shù)45072。由于坯料通過輥道運輸和除鱗后才進(jìn)行軋制，因此需對軋件出爐至軋前的熱交換過程和軋制過程分步進(jìn)行模擬。

2.2 有限元模擬結(jié)果

模擬軋制前后的截面等溫線分布圖如圖5所示。坯料角部溫度最低為1060℃，芯部溫度最高為1250℃，芯部高溫區(qū)域占比70%以上，表面溫度為1130℃，與現(xiàn)場實際測量值誤差小于20℃。

圖5 軋制前后軋件等溫線分布圖

圖6 第二道次等效應(yīng)變分布圖

利用幾何對稱關(guān)系將軋件恢復(fù)至整體狀態(tài)，第2道次壓下率為3道次中最大值，其等效應(yīng)變及孔型填充情況分別如圖6、圖7所示。從圖中可知，最大等效應(yīng)變達(dá)到1.3，最大等效應(yīng)變區(qū)域位于軋件的上下部分，軋件中部等效應(yīng)變相對較小，軋件側(cè)面的展寬形態(tài)為雙鼓形，孔型側(cè)壁較好地限制了雙鼓形的進(jìn)一步惡化，孔型充滿情況良好，下道次翻鋼后，雙鼓形側(cè)面轉(zhuǎn)為加工面，凸底箱型孔能夠?qū)崿F(xiàn)與軋件更好地接觸關(guān)系。

圖7 第二道次孔型填充情況圖

3 結(jié)論

①通過將BD區(qū)異形孔進(jìn)行雙孔配置，并調(diào)整孔型配置方案，可實現(xiàn)BD軋輥軋制量翻倍。②開坯箱型孔軋制后，軋件側(cè)面呈雙鼓形，箱型孔底部凸度應(yīng)與軋件側(cè)面形狀相近，以實現(xiàn)與軋件更好地接觸，減少局部高應(yīng)力區(qū)。