基于DEFORM-3D研究孔型傾角對窄帶鋼強迫寬展的影響

胡玉坤，李啟堯

（邢臺職業(yè)技術學院，河北 邢臺 054000）

隨著科學技術的飛速發(fā)展，中國鋼鐵企業(yè)的技術也隨之邁入一個新臺階，在連鑄連軋生產過程中，軋件寬度的控制精度對于降低能耗，提高產品質量有著至關重要的作用[1]。為了適應市場的變化以滿足用戶對不同寬度規(guī)格產品的需求，生產商需要小規(guī)模、多規(guī)格地進行加工生產，結果導致設備制造的成本增加而且生產效率低下。為了使用較窄的坯料生產出較寬的產品，需要對窄帶鋼進行增寬軋制，這種方法稱為強迫寬展法[2]，就是帶鋼在孔型中軋制時，使其在寬向上產生附加的增長。由于孔型的緣故使得帶鋼的寬展變得極為復雜，目前對強迫寬展過程中孔型傾角的研究較少，因此研究孔型傾角對窄帶鋼強迫寬展的影響很有意義，對生產具有一定的指導作用。

帶鋼軋制的過程是一個復雜的非線性、多變量之間強耦合的過程，單純采用實驗法研究會導致材料和設備的浪費，增加研究成本，隨著有限元理論不斷的發(fā)展與完善，采用數值模擬方法是近年來軋制理論研究的趨勢，基于有限元軟件進行數值模擬可節(jié)約實驗成本、縮短產品的研發(fā)周期[3]。本文基于DEFORM-3D軟件對孔型傾角對窄帶鋼強迫寬展的影響進行了研究。

1 有限元模型的建立

1.1 三維模型的建立

本文依據某廠強迫寬展軋制生產線的數據基于DEFORM-3D軟件，利用其中的Shape-Rolling模塊實施數值模擬，因強迫寬展軋制屬于異型輥軋制，軟件中無直接對應的模型，因此本文先利用SolidWorks進行建模，再導入DEFORM-3D軟件中實施模擬計算[4]。

模型采用四機架布置形式，第一機架采用帶孔型軋輥軋制，第二機架采用平輥軋制，第三、四機架重復第一、二機架的布置，第三、四機架的軋制過程與第一、二機架的軋制過程幾乎相同。因此，為了提高計算效率我們僅對前兩機架的軋制過程進行建模分析。其中第一機架軋輥外徑為700mm，內徑為680mm，孔型寬度為250mm，輥面長度為780mm，第二機架軋輥直徑為720mm，輥面長度為780mm。軋件為長方體，長度為800mm，寬度為500mm，厚度為150mm。

圖1 軋輥孔型

1.2 網格的劃分

經過多次模擬計算，發(fā)現采用八節(jié)點六面體單元劃分網格時，網格質量較高，準確度較高，在利用有限元法分析軋制過程時，網格生成的密度將直接決定著模擬計算的精度與速度，更會影響后續(xù)模擬計算分析結果的準確度，模型劃分的網格數越多，模擬計算結果越準確，數據越接近實際生產的情況[5]。但與此同時，模擬計算時間延長，所需存儲量加大，對電腦的計算速度提出了更高的要求。但若模型劃分的網格過于稀疏又會使模擬計算結果不夠準確。

綜上所述，考慮到計算機的性能、模擬分析的速率及計算結果的精確度，最終將軋件劃分為24000個網格，軋輥劃分為14400個網格。

1.3 模擬參數與邊界條件的設置

DEFORM-3D軟件自帶強大的材料數據庫，軋件選用常用材料Q235，在高溫軋制時，軋件的變形抗力小，并且在軋制過程中軋件的塑性變形很大，彈性變形相對塑性變形來說極小可以忽略不計，故將軋件設置成塑性材料，軋件的溫度設置為1150℃。軋輥在軋制過程中的未發(fā)生屈服現象，變形相對于軋件來說較小，不考慮軋輥的彈性壓扁和彈性撓曲，因此軋輥設置為剛性材料，軋輥的溫度設置為60℃，速度設置為20r/min。

模擬邊界條件設置，軋制過程中除了壓下量、軋制溫度、軋制速度外，摩擦因數、傳熱系數也會影響模擬計算的結果，選擇合適的參數可提高模擬計算的準確度，因高溫軋制時可能有粘結現象產生，接觸面采用剪切摩擦更為準確，根據生產中的實際情況將摩擦系數設置為0.5，傳熱系數設置為5kW·m2·K-1。因軋件的初始速度為0，為了使軋件順利咬入實現平穩(wěn)軋制，模型建立時在軋件尾部設置一剛性推板，推板具有一定的速度，該速度小于平穩(wěn)軋制的速度，在推板助力作用下，軋件順利實現咬入，然后釋放該推板，在摩擦力作用下軋件進入穩(wěn)態(tài)軋制階段。

表1 不同孔型傾角下R1寬展

為了研究孔型傾角對窄帶鋼寬度的影響，采用單一變量法，只使孔型傾角產生變化，而摩擦系數、壓下率等其它各參數均保持不變，孔型傾角分別取25°、30°、35°、40°、45°、50°、55°、60°、65°進行數值模擬。

2 模擬計算結果及分析

2.1 模型的可靠性

為了驗證模型的可靠性，采用該模型對實際生產中的數據進行模擬，通過模擬計算數據與生產中的數據對比，發(fā)現兩者在結果上吻合度較高，所以采用此模型分析孔型傾角對窄帶鋼強迫寬展的影響是可信的。

2.2 孔型傾角對第一機架孔型輥軋制寬度的影響

軋件在帶孔型的軋輥中軋制時，軋件中部的壓下量大于邊部的壓下量，所以軋件中部網格的橫向伸長大于邊部網格的橫向伸長，中部的應變明顯大于邊部，說明強迫軋制對軋件寬度的影響明顯。在不同孔型傾角的軋制下，軋件在橫向上變形的規(guī)律基本一致，但是孔型傾角不同，截面處軋制力則不同，軋機橫向應變也會隨之發(fā)生變化。模擬計算結果表明，孔型傾角對軋件的寬展影響明顯，隨著孔型傾角的增大，軋件的寬度變化規(guī)律是先增大后減小，在孔型傾角為45°時軋件的寬展達到最大值。且孔型傾角小于45°時軋件寬度增長的趨勢大于孔型傾角45°~55°時軋件寬度下降的趨勢，結果見表1。模擬計算結果說明孔型傾角為45°時，工藝設計最優(yōu)，孔型傾角小于45°時，孔型傾角對軋件的寬展作用更加顯著。

根據體積不變定理，減薄軋制時，軋件在高度方向上尺寸減少，在長度方向和寬度方向上尺寸都增加[6]，因為是對窄帶鋼實施增寬軋制，所以我們目標是讓金屬質點盡可能多的向橫向流動，增加軋件的寬度。而根據最小阻力定律可知，金屬質點的流動由軋制時所受阻力決定，阻力大的方向金屬質點流動慢，阻力小的方向金屬質點流動快[7]。綜上所述，第一機架軋件的出口寬度與變形區(qū)內金屬橫、縱向流動阻力比值和壓下量有關。當孔型傾角增大時，孔型橫截面積減小，高度方向體積縮減量增大，有利于軋件寬度的增大；但是孔型傾角增大時，作用在傾角接觸面軋制力減小，驅動金屬橫向流動的水平分力也減小，不利于軋件寬度的增加。兩方面因素綜合作用的結果決定了第一機架軋件的出口寬度。

2.3 孔型傾角對第二機架平輥出口寬度的影響

經過第一機架孔型輥軋制后，軋件呈狗骨狀，為了滿足使用要求，需用平輥將軋件壓平。以第一機架的模擬計算結果為基礎繼續(xù)進行平軋模擬，計算結果表明，經過第一機架不同孔型傾角的軋件再經平軋后，軋件截面橫向應變變化規(guī)律一致，在軋件槽頂中部和軋件四分之一處橫向應變最大，并且隨著孔型傾角的增大，軋件寬度先增大后減小。用第二機架軋件的出口寬度減去第一機架軋件的出口寬度可得第二機架軋件的寬展數據，經過計算不同孔型傾角下第二機架軋件的寬展量在36.2mm~36.7mm之間，差距僅為0.5mm，說明在增寬軋制中，孔型傾角對平輥軋制時軋件寬展的作用很小。最終第二機架軋件的出口寬度變化規(guī)律與第一機架軋件的出口寬度規(guī)律相同，軋件的寬展規(guī)律是先增大后減小，在孔型傾角為45°時軋件的寬展達到最大值為565.7mm?？仔蛢A角在40°~55°之間時，軋件的寬展變化平緩，孔型傾角在小于40°和大于55°后，軋件的寬展下降明顯，所以在生產中應保證孔型角度在40°~55°范圍內，防止孔型傾角過小或過大造成軋件寬展量不足，產生廢品。

3 結論

通過對窄帶鋼在不同孔型傾角下軋制過程的數值模擬，發(fā)現了不同孔型傾角對窄帶鋼寬度變化的影響規(guī)律，為實際生產相關工藝參數的設置提供一定的理論指導。

（1）孔型傾角對第一機架軋件的寬度影響較大，對第二機架軋件的寬度幾乎沒有影響。隨著孔型傾角的增大，第一機架軋件的出口寬展先增大后減小，孔型傾角為45°時軋件的寬展達到最大值29.1mm，而孔型傾角對第二機架軋件的寬展幾乎沒有影響，不同孔型傾角下，軋件的寬展均保持在36.2mm~36.7mm之間。

（2）孔型傾角為45°時設計最優(yōu)，軋件的寬展達到最大，且孔型傾角在40°~55°范圍內，軋件的寬展量保持在較高水平，可以滿足使用需求，但是當孔型傾角小于40°或者大于55°后，寬展量急劇減小，所以工業(yè)生產中要及時檢測孔型角度，防止偏離目標值過大導致出口寬度不足，降低成材率，增加生產成本。