mini軋機軋制AISI1015鋼軋件溫升和應變的有限元模擬

徐樂錢，高宇波，孟曉玲

(中天鋼鐵集團，常州 213000)

0 引 言

軋制溫升是線材軋制過程中的普遍現(xiàn)象[1]，特別是在帶有減定徑(RSM)或mini軋機的產(chǎn)線。目前，RSM機組軋制溫升控制方面的研究報道較多[2-3]，而mini軋機由于軋制速度快、軋制道次少、壓下量大，其軋制溫升與RSM機組存在較大差異。在控軋控冷過程中的軋制溫升對于控制優(yōu)特鋼產(chǎn)品質(zhì)量頗為重要[4-5]。隨著特鋼線材需求量的增加，國內(nèi)鋼廠在優(yōu)轉(zhuǎn)特的趨勢下，多引進RSM機組替換原有設備進行產(chǎn)線升級；但部分鋼廠由于產(chǎn)線設備及布局限定，無法為RSM機組提供足夠的安裝空間，只能使用國產(chǎn)mini機組。相比于引進RSM機組，使用mini機組的優(yōu)勢在于產(chǎn)線原有設備利用率高、改造周期短、升級成本低。但是由于目前mini軋機的普及與推廣程度較低，該軋機在控軋方面的研究較少，而軋制溫升研究對于該軋機在特種鋼產(chǎn)線的應用非常重要，同時也是拓展該軋機軋制特種鋼能力需要解決的重要問題。Deform有限元模擬軟件因具有計算精度高、速率快等優(yōu)點，近些年在優(yōu)特鋼軋制應力、應變、溫度變化等方面應用廣泛。作者借助Deform有限元軟件建立了mini軋制機組模型，模擬了不同規(guī)格及不同初始溫度軋件軋制時的等效應變、軋制力矩、溫度的變化及分布，為mini軋機在控軋方面的應用提供理論指導。

1 mini軋機軋制模型的建立及驗證

1.1 模型的建立

按照某生產(chǎn)廠家實際mini機組軋制參數(shù)(見表1)進行建模，建立的mini軋機軋制模型如圖1所示。軋輥三維模型由原孔型圖斷面經(jīng)360°旋轉(zhuǎn)生成，軋件模型由正六面體網(wǎng)格生成。模型中軋輥為恒溫剛體，軋輥表面溫度取100 ℃，軋件初始溫度均勻，初始溫度為850 ℃。設置邊界條件：軋件與軋輥接觸面的摩擦因數(shù)取0.3，軋件表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)取0.02 kW·m-2·K-1，軋件與軋輥的接觸傳熱系數(shù)取5 kW·m-2·K-1，軋制過程中軋件與水的對流傳熱系數(shù)取0.4 kW·m-2·K-1。由于金屬變形和接觸面摩擦使軋件產(chǎn)生溫升[6]，熱功轉(zhuǎn)換系數(shù)取0.9。軋件材料選擇Deform材料庫中AISI1015鋼。

表1 實際軋制參數(shù)

圖1 mini軋機兩道次軋制模型

1.2 模擬結(jié)果及試驗驗證

利用建立的mini軋機軋制模型模擬軋機在軋制3個規(guī)格(φ8 mm，φ10 mm，φ13 mm)軋件時軋件的表面溫度分布。由圖2可以看出：不同規(guī)格軋件經(jīng)過mini軋機第一道次軋制時快速升溫，出第一道次軋輥后由于軋機的水冷措施，軋件表面溫度逐漸下降；隨后經(jīng)第二道次軋制時繼續(xù)快速升溫，出第二道次軋輥后由于出口導位無水冷措施，軋件表面受心部返溫影響，溫度小幅度上升。

圖2 模擬得到不同規(guī)格軋件在兩道次軋制過程中的表面溫度變化

為驗證模型的準確性，現(xiàn)場生產(chǎn)時在mini軋機第一道次入口處及第二道次出口導位處測定軋件表面溫度。由表2可知：模擬溫度與實測溫度的誤差較小，相對誤差在13%以內(nèi)，說明建立的mini軋機軋制模型較準確。

表2 不同規(guī)格軋件表面實測溫度與模擬溫度的對比

2 軋制時軋件溫度和應變分布模擬結(jié)果

2.1 不同規(guī)格軋件軋制時的溫度

采用mini軋機軋制模型模擬不同規(guī)格軋件在軋制過程中第一道次出軋輥和第二道次出軋輥，即軋制第一道次結(jié)束和軋制第二道次結(jié)束時的截面溫度場。由圖3可知：不同規(guī)格軋件在軋制完出軋輥時的截面溫度分布不均勻，邊緣溫度較低，心部溫度很高，并且軋件規(guī)格越小，心部溫度越高。

由圖4可以看出，規(guī)格φ8 mm，φ10 mm，φ13 mm軋件在軋制過程中的心部溫度分別升高了103，79，70 ℃，說明軋件規(guī)格越小，其心部的溫升越大。

圖3 軋制第一道次和第二道次結(jié)束時不同規(guī)格軋件截面的溫度云圖

圖4 軋制過程中不同規(guī)格軋件心部的溫度變化

2.2 不同規(guī)格軋件軋制時的等效應變及應變速率

采用mini軋機軋制模型模擬不同規(guī)格軋件在軋制過程中第一道次結(jié)束和第二道次結(jié)束時的截面等效應變場。由圖5可以看出，不同規(guī)格軋件軋制中的截面等效應變分布不均勻，心部的等效應變最大，并且規(guī)格越小，心部等效應變越大。

由圖6可知，經(jīng)過兩道次軋制，不同規(guī)格軋件的心部累積等效應變增大，并且規(guī)格越小，軋件心部累積等效應變越大。

不同規(guī)格軋件軋制時的來料尺寸不同，軋制變形量和軋制時間不同，軋制時應變速率也不相同。由圖7可以看出：隨著軋件規(guī)格的增大，第一道次軋制時軋件心部的等效應變速率降低；規(guī)格越小，軋制速度越快，軋制時間越短，因此應變速率越大。

軋制不同規(guī)格軋件時，來料尺寸和min軋機軋制速度均不同，因此軋制的開始與結(jié)束時間不同。對比圖3和圖5可以看出：同一規(guī)格軋件截面溫度分布的不均勻與變形分布的不均勻具有較好的對應關(guān)系。心部等效應變最大，對應的溫升也最大；邊緣因等效應變較小同時與外界發(fā)生對流傳熱，溫升相對較小。軋制規(guī)格越小，軋制速度越快，應變和應變速率越大，溫升也隨之增大。這與曹杰等[7]的研究結(jié)果一致。

圖5 軋制第一道次和第二道次結(jié)束時不同規(guī)格軋件截面的等效應變云圖

圖6 軋制過程中不同規(guī)格軋件心部的等效應變變化

圖7 第一道次軋制時不同規(guī)格軋件心部的等效應變速率變化

2.3 不同初始溫度軋件軋制時的溫度

在實際生產(chǎn)中，為了保證軋件質(zhì)量，需要根據(jù)鋼種特性及要求控制不同的進mini軋機溫度[8]。將軋件初始溫度分別設定為800，850，900，950 ℃，其他參數(shù)不變，使用mini軋機軋制模型模擬軋制過程中規(guī)格φ8 mm軋件的溫度分布。由圖8可以看出，不同初始溫度下軋件截面的溫度呈不均勻分布，并且軋件心部溫度均最高。

由圖9可知，規(guī)格φ8 mm軋件軋制時，隨著初始溫度的降低，軋件心部溫升變大，初始溫度分別為950，900，850，800 ℃時，心部溫升分別為78，90，103，108 ℃。

圖8 軋制第一道次和第二道次結(jié)束時不同初始溫度軋件截面的溫度云圖(規(guī)格φ8 mm)

圖9 軋制過程中不同初始溫度軋件心部的溫度變化(規(guī)格φ8 mm)

2.4 不同初始溫度軋件軋制時的等效應變和扭矩

采用mini軋機軋制模型模擬規(guī)格φ8 mm軋件在不同初始溫度條件下軋制時的截面等效應變。由圖10可以看出：隨初始溫度的降低，軋件截面等效應變變化不大，扭矩逐漸增大。

由圖11可知，不同初始溫度下，軋件心部累積等效應變在1.232～1.252。不同初始溫度、相同規(guī)格軋件軋制時的心部等效應變差異較小，不足以導致明顯的溫升差異。

參考文獻[9]，采用mini軋機軋制模型對不同初始溫度軋件軋制時的扭矩進行模擬。由圖12可知，隨著初始溫度的降低，兩道次軋制時的扭矩不斷增大。軋制扭矩的增加必然會導致軋制變形功的增大[10]。一部分軋制變形功通過轉(zhuǎn)化為位錯、晶格畸變而存儲于軋件內(nèi)部，另一部分則轉(zhuǎn)化為熱能使軋件溫度上升[11]。而在各初始溫度和變形量無明顯差異的條件下，由圖9和圖12對比可知，扭矩大小與溫升大小具有較好的對應關(guān)系[12]。軋制溫度降低，軋件的變形抗力增加[13]，軋制載荷隨之增加。因此，不同初始溫度下軋件的溫升差異與軋件的變形抗力不同有關(guān)。

圖10 軋制第一道次和第二道次結(jié)束時不同初始溫度軋件截面的等效應變云圖(規(guī)格φ8 mm)

圖11 不同初始溫度軋件心部的等效應變變化(規(guī)格φ8 mm)

圖12 不同初始溫度軋件軋制過程中的扭矩變化(規(guī)格φ8 mm)

3 結(jié) 論

(1) 采用Deform軟件建立了mini軋機軋制模型，模擬得到出軋機時AISI1015鋼軋件的表面溫度與實測結(jié)果較吻合，相對誤差在13%以內(nèi)。

(2) 軋制過程中不同規(guī)格(φ8 mm，φ10 mm，φ13 mm)AISI1015鋼軋件的溫度和等效應變分布不均勻，軋件心部的溫升和累積等效應變均最大，并且軋制規(guī)格越小，心部溫升和應變越大；軋件初始溫度越低，軋件溫升和扭矩越大，溫升的幅度跟軋制載荷具有較好的對應關(guān)系。

(3) 用mini軋機生產(chǎn)不同規(guī)格AISI1015鋼軋件時，軋件溫升不均勻主要是由等效應變分布不均導致的，不同初始溫度下軋件心部溫升的明顯差異是由軋制載荷不同造成的。