傳熱系數(shù)對(duì)低碳鋼熱軋過(guò)程的影響

李啟堯，胡玉坤

（邢臺(tái)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 邢臺(tái)054000）

1 前 言

隨著社會(huì)的發(fā)展，中國(guó)鋼鐵產(chǎn)能包括熱軋帶鋼處于低端產(chǎn)品過(guò)剩，高端產(chǎn)品緊缺的狀態(tài)，各大鋼廠現(xiàn)已調(diào)整發(fā)展方向，以提質(zhì)增效為目標(biāo)，降低成本，加大科研力度，沖擊高端市場(chǎng)［1］。其中熱軋低碳鋼擁有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景，在建筑工業(yè)、汽車(chē)工業(yè)和機(jī)械裝備制造業(yè)等領(lǐng)域用量巨大［2］。在低碳鋼熱軋生產(chǎn)過(guò)程中，傳熱系數(shù)是影響軋制過(guò)程中金屬流動(dòng)性和軋制溫度的重要參數(shù)［3］。目前對(duì)熱軋過(guò)程傳熱系數(shù)的研究甚少，因此對(duì)熱軋過(guò)程中傳熱系數(shù)的研究很有意義。

軋制過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的非線性、多變量之間強(qiáng)耦合的過(guò)程，單純采用試驗(yàn)法研究，會(huì)導(dǎo)致材料和設(shè)備的浪費(fèi)，增加研究成本。近年來(lái)，有限元理論不斷發(fā)展和完善，采用有限元軟件進(jìn)行工藝模擬可以提高研發(fā)效率，降低研發(fā)成本［4］。本文利用DEFORM-3D三維有限元數(shù)值模擬軟件研究傳熱系數(shù)對(duì)低碳鋼熱軋過(guò)程的影響。

2 建立有限元模型

2.1 建立三維幾何模型

利用DEFORM-3D 軟件提供的Shape Rolling模塊實(shí)施模擬試驗(yàn)，根據(jù)某廠生產(chǎn)低碳鋼Q235 熱軋產(chǎn)線的數(shù)據(jù)，設(shè)置軋輥直徑750 mm，輥身長(zhǎng)度950 mm，軋件厚度100 mm、寬度600 mm、長(zhǎng)度700 mm。由于帶鋼軋制過(guò)程是上、下兩個(gè)軋輥對(duì)稱(chēng)軋制，且軋件與軋輥的接觸關(guān)系左右對(duì)稱(chēng)，為了減少有限元模型的節(jié)點(diǎn)數(shù)量、節(jié)省計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)容量和縮短模擬計(jì)算時(shí)間，最終對(duì)帶鋼軋制過(guò)程進(jìn)行1/4 建模。

2.2 模擬參數(shù)和邊界條件設(shè)置

DEFORM-3D 自帶強(qiáng)大的材料數(shù)據(jù)庫(kù)，軋件材料選擇常用低碳鋼Q235，因軋制過(guò)程中軋件的塑性變形大，彈性變形相對(duì)來(lái)說(shuō)很小，可忽略不計(jì)，因此將其設(shè)為剛塑性材料，軋件溫度根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際設(shè)為1 150 ℃；而軋輥在加工過(guò)程中僅發(fā)生彈性變形，變形相對(duì)于熱軋板坯來(lái)說(shuō)較小，可以忽略不計(jì)，因此軋輥設(shè)置成剛性材料，材料模型選擇DIE MATERIAL 中H-13，軋輥溫度設(shè)置為60 ℃，速度設(shè)為10 r/min。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的軋制情況，摩擦系數(shù)設(shè)0.5。為了驗(yàn)證傳熱系數(shù)對(duì)軋制過(guò)程的影響，試驗(yàn)采用單一變量法，保證其他參數(shù)不變的前提下，傳熱系數(shù)分別設(shè)置為0、10、20 kW/（m2·K）。

2.3 模擬軋制過(guò)程

低碳鋼的熱軋過(guò)程，包含軋件咬入、平穩(wěn)軋制和軋件拋出3個(gè)階段。在熱軋情況下，軋件的壓下量大，僅靠軋件與軋輥間的摩擦力很難實(shí)現(xiàn)板材的自然咬入。為了克服這種現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)粗軋過(guò)程，有限元模擬中常采用兩種方法來(lái)使軋件實(shí)現(xiàn)咬入環(huán)節(jié)。一是給軋件設(shè)置1個(gè)小于軋輥轉(zhuǎn)速的初速度，使軋件自身運(yùn)動(dòng)至輥縫實(shí)現(xiàn)咬入；二是采用強(qiáng)迫咬入法，在軋件后方設(shè)置1 個(gè)剛性材料，如1 個(gè)推板，給其適當(dāng)速度（比軋輥的線速度?。?，相當(dāng)于在實(shí)際試驗(yàn)中外加推力，強(qiáng)迫帶鋼進(jìn)入輥縫，由于軋輥速度大于推板速度，當(dāng)帶鋼咬入軋輥以后，推板將與帶鋼分離，隨后帶鋼在摩擦力作用下進(jìn)入穩(wěn)態(tài)軋制。本文采用第二種方法實(shí)現(xiàn)軋制過(guò)程。

3 模擬結(jié)果及分析

熱軋溫度對(duì)低碳鋼軋制過(guò)程有重要影響。加熱溫度越高，軋件的變形抗力越小，越有利于減小軋制過(guò)程的軋制力，增加軋輥使用壽命；但是溫度也不能過(guò)高，否則軋件氧化嚴(yán)重，氧化鐵皮增加，增加損耗的同時(shí)也會(huì)影響軋件表面質(zhì)量。合適的軋制溫度對(duì)軋件的微觀組織也有重要影響，加熱溫度高，奧氏體晶粒粗大，冷卻后形成的鐵素體和珠光體晶粒也粗大，從而導(dǎo)致力學(xué)性能變差。

3.1 傳熱系數(shù)對(duì)軋件溫度的影響規(guī)律

軋制過(guò)程中引起溫度變化是多因素共同作用的結(jié)果。一方面接觸熱傳遞，空氣對(duì)流，熱輻射使軋件溫度降低；另一方面軋制時(shí)軋輥擠壓軋件產(chǎn)生塑性變形功和軋輥與軋件的摩擦力做功使軋件溫度升高。在使軋件溫度降低的因素中，因?yàn)檐埣c軋輥溫度差大，同屬金屬材質(zhì)，傳熱系數(shù)是空氣介質(zhì)的數(shù)倍，所以軋輥與軋件接觸熱散失熱量遠(yuǎn)大于空氣對(duì)流和熱輻射。為減小計(jì)算量，忽略了空氣對(duì)流和熱輻射的作用。

根據(jù)建立的有限元模型進(jìn)行計(jì)算，接觸傳熱系數(shù)K分別設(shè)置為0、10、20 kW/（m2·K）。不同的傳熱系數(shù)下軋件溫度分布不同，根據(jù)軋件溫度變化云圖可以宏觀了解軋制過(guò)程中軋件的溫度變化。當(dāng)K設(shè)置為0 時(shí)，這是一個(gè)理想狀態(tài)，意味著軋輥與軋件之間是一個(gè)絕熱狀態(tài)，不會(huì)有熱量的傳遞，因?yàn)楹雎粤丝諝鈱?duì)流和熱輻射，所以此時(shí)軋件沒(méi)有能量損失。金屬在軋輥擠壓下發(fā)生塑性變形以及軋輥和軋件相互之間的摩擦都會(huì)產(chǎn)生大量熱量，使得軋件接觸變形區(qū)溫度升高，且表面溫度高于內(nèi)部溫度。當(dāng)K設(shè)置為10 kW/（m2·K）或20 kW/（m2·K）時(shí)，低溫軋輥與高溫軋件接觸時(shí)軋件散熱明顯，接觸區(qū)軋件溫度降低明顯。但隨著軋制過(guò)程的進(jìn)行，軋件表面溫度又有所回升。

為對(duì)軋件溫度變化進(jìn)行定量分析，在軋件同一橫截面的表面位置和心部位置取點(diǎn)，利用DEFORM-3D點(diǎn)追蹤功能獲取軋制過(guò)程中表面和心部溫度的變化，如圖1 所示。整體來(lái)看，無(wú)論表面還是心部，溫度均隨傳熱系數(shù)的增大而降低。在K=0時(shí)，軋輥接觸軋件時(shí)無(wú)散熱，隨著軋制過(guò)程的發(fā)生，軋件在塑性變形和摩擦力的作用下，溫度迅速升高，在出口處達(dá)到最高約1 165 ℃，心部溫度變化與表面基本一致，但是心部沒(méi)有摩擦力作用，所以心部溫度升高較表面處低，出口溫度約1 160 ℃。當(dāng)K=10 kW/（m2·K）時(shí)，有接觸散熱，當(dāng)?shù)蜏剀堓伵c高溫軋件接觸時(shí)，溫差較大，產(chǎn)生強(qiáng)烈的熱傳遞，軋件表面溫度迅速降低，傳熱系數(shù)越大，溫度降低越明顯，這個(gè)過(guò)程中塑性變形和相互之間的摩擦產(chǎn)生的熱量遠(yuǎn)小于接觸熱傳遞所散失的熱量，軋件瞬間溫度降至約1 090 ℃。但是隨著軋制過(guò)程的進(jìn)行，表面溫度又逐漸升高，最終穩(wěn)定在1 125 ℃附近，這是因?yàn)檐埣牟侩x表面較遠(yuǎn)，不存在與軋輥的熱傳遞現(xiàn)象，并且受到軋輥擠壓做功，溫度略有升高，此時(shí)軋件內(nèi)外溫差大，通過(guò)軋件內(nèi)部熱傳遞，使軋件內(nèi)外溫度趨于一致。當(dāng)K=20 kW/（m2·K）時(shí)，軋件溫度變化趨勢(shì)與K=10 kW/（m2·K）時(shí)一致，因傳熱系數(shù)較大，所以當(dāng)軋輥與軋件接觸時(shí)軋件溫度下降較大，軋件最低溫度約1 048 ℃，由于軋件內(nèi)外溫度差較大，內(nèi)部進(jìn)行熱量傳遞，溫度最終穩(wěn)定在1 115 ℃附近。

圖1 熱軋過(guò)程中金屬質(zhì)點(diǎn)溫度變化

3.2 傳熱系數(shù)對(duì)寬展的影響

寬度控制是熱軋過(guò)程重要參數(shù)，在制定軋制工藝和設(shè)計(jì)孔型時(shí)應(yīng)用廣泛［5］。影響寬展的因素主要有壓下率、摩擦系數(shù)、傳熱系數(shù)、軋輥直徑等［6］。本文在研究傳熱系數(shù)對(duì)溫度的作用下，進(jìn)一步結(jié)合壓下率對(duì)寬展進(jìn)行分析。

設(shè)置對(duì)照試驗(yàn)兩組：第1 組試驗(yàn)設(shè)置壓下率25%，傳熱系數(shù)分別設(shè)置0、10、20、30 kW/（m2·K）；第二組試驗(yàn)設(shè)置壓下率35%，傳熱系數(shù)分別設(shè)置0、10、20、30 kW/（m2·K）。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著傳熱系數(shù)的增大寬展量逐漸增大。傳熱系數(shù)越大，軋輥與軋件接觸散熱越多，軋件溫度越低，金屬變形阻力增大，金屬流動(dòng)困難，軋件縱橫向阻力比值增大，寬展增大。當(dāng)25%壓下量時(shí)，所有傳熱系數(shù)中K=0時(shí)，寬展最小，約為4.1 mm；K=30 kW/（m2·K）時(shí)，寬展最大，約為10.8 mm。不同壓下率下寬展的變化趨勢(shì)一致，但是寬展變化率不同，35%壓下率較25%壓下率的寬展增大速率大。壓下率增大，軋輥與軋件的接觸弧長(zhǎng)增大，熱量損失加劇，軋件變形抗力增加，金屬縱橫向流動(dòng)阻力比值增大，寬展增大。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)模擬不同傳熱系數(shù)對(duì)熱軋過(guò)程中溫度和寬展的影響，摸索出傳熱系數(shù)的作用規(guī)律，對(duì)低碳鋼的熱軋生產(chǎn)意義重大。傳熱系數(shù)越大，軋件熱量散失越嚴(yán)重，溫度下降越快；傳熱系數(shù)增大，變形抗力增大，軋制力增大，金屬縱橫向流動(dòng)阻力比值增大，軋件寬展增大，且壓下量越大寬展增大趨勢(shì)越明顯。由此可見(jiàn)，較小的傳熱系數(shù)有利于降低軋制力，節(jié)約能源，在實(shí)際生產(chǎn)中可以適當(dāng)提高軋輥溫度或是改變軋輥涂層，減小軋輥與軋件的熱量交換，提高低碳鋼的熱軋質(zhì)量。