矩形坯開坯軋制規(guī)程設(shè)計及有限元分析

單元勝

鋼在熱軋過程的變形和力能分析歷來是國內(nèi)外普遍關(guān)注的課題。這是因為準(zhǔn)確分析軋制線上各道次的力能具有重要意義，首先可促進(jìn)軋制產(chǎn)品的尺寸精度及合格率的提高；其次可為工藝設(shè)計或設(shè)備改造時選擇軋機或電機提供依據(jù)；還可在開發(fā)新品種、新工藝（如低溫軋制等）時，使設(shè)計更為合理和可行。此外，準(zhǔn)確分析軋制負(fù)荷還能使軋制線上的力能分布更為合理，從而降低整體工序電耗、減小設(shè)備磨損；可對各架軋機（或電機）的整體負(fù)荷進(jìn)行合理布置，有效防止設(shè)備事故；可找出軋制線上力能負(fù)荷的薄弱環(huán)節(jié)，及時進(jìn)行調(diào)整，以最大限度地發(fā)揮設(shè)備潛力?？梢?，分析軋制時的力能對提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益的重要性。

本文中針對將360mm×280mm 矩形坯在850 開坯機上軋制成200mm×200mm 中間坯的軋制過程，設(shè)定軋制壓下規(guī)程，建立三維仿真模型，動態(tài)顯示分析鋼坯在開坯軋制過程中各道次的軋制力和應(yīng)變能量。

1 軋制壓下規(guī)程設(shè)計

1.1 鋼熱軋過程中所需原料的尺寸

在選擇鋼原料尺寸時應(yīng)注意盡可能采用倍尺軋制，當(dāng)?shù)贸鲈腺|(zhì)量小于最大允許原料質(zhì)量的二分之一時，應(yīng)按倍尺軋制考慮選用厚度尺寸。由于鋼板的訂貨坯料一般不大，鋼板需要編組在一起進(jìn)行軋制，所以在選擇厚板原料時要考慮的因素較多，同時這些因素相互制約，相互影響。軋制坯料主體是連鑄坯，為了保證軋制成型鋼板的綜合性能，連鑄坯與成品鋼板間的最小壓縮比需維持在6:1 以上。

1.2 壓下規(guī)程的制定

鋼軋制拋出速度、軋輥咬入速度是控制軋制速度的基礎(chǔ)。如何在較短的軋制時間確保鋼軋件的順利咬入是軋輥咬入及拋出轉(zhuǎn)數(shù)確定的原則，咬入和拋出會直接影響到純軋時間，同時還會影響到兩道次間的間隙時間。在保持轉(zhuǎn)速曲線面積相等的原則下，應(yīng)用高速咬入、拋出會使本道次純軋時間變少，所以，拋出和咬入轉(zhuǎn)速的選擇要兼顧速度規(guī)程制度。

在850 開坯機上將斷面為280mm×260mm 的坯料軋制成200mm×200mm 的方坯。得出最大壓下量、平均壓下量和軋制道次分別為：44.61、40.15、6.87。

在單機架初軋機軋制中，總的軋制道次n 應(yīng)為奇數(shù),即取n=7。在開坯軋制時，習(xí)慣于軋兩道翻鋼一次，所以此處設(shè)計翻鋼三次，分別在第三、五和七道次前。

道次變形量分配在以上確定的平均變形量基礎(chǔ)上進(jìn)行，同時結(jié)合考慮咬入、電機能力、軋輥強度、金屬塑性等不同因素。簡要的制定出壓下制度如表1 所示，其中各道次的寬展量是根據(jù)經(jīng)驗計算得出。

2 模擬仿真分析

2.1 模型的建立

2.1.1 模型的簡化和材料屬性的定義

開坯軋制過程是復(fù)雜的三維變形過程，影響該過程的因素很多，但是在建立有限元模型的過程中不能全部考慮。因此根據(jù)軋制過程的基本特點，忽略對軋制過程影響較小的因素，采用必要的假設(shè)簡化模型：

（1）二輥開坯軋機上下輥是傳動輥，在軋制過程中假定同一道次上下軋輥尺寸、孔型、轉(zhuǎn)速等完全相等。

（2）考慮到輥系結(jié)構(gòu)與受力的對稱性,取坯料的1/4進(jìn)行建模。

（3）軋輥定義為剛形體，忽略其在軋制過程中的變形及熱傳導(dǎo)，坯料為變形體。

（4）軋件材料定義為均質(zhì)材料，各向同性，屈服準(zhǔn)則采用Mises 屈服準(zhǔn)則。

根據(jù)以上假定，得到的二輥開坯軋機輥系受力簡化模型如圖1 所示。

圖1 軋制時輥系簡化模型

根據(jù)坯料的具體實際幾何尺寸，利用abaqus 建立簡化的剛塑性屈曲變形有限元模型如圖2 所示。

圖2 三維剛塑性有限元模型

該模擬采用顯式動力學(xué)有限元分析，坯料采用彈塑性材料，坯料材料選用12CrMoV，其材料屬性如表1 所示。

2.1.2 邊界條件與網(wǎng)格劃分

所建的剛塑性屈曲變形有限元模型，軋輥和鋼坯間的接觸摩擦采用庫侖摩擦，模擬開始，軋輥沿軸線以一定的線速度繞軸心轉(zhuǎn)動，鋼坯與以一定的水平速度向孔型運動；進(jìn)入孔型后，軋輥和鋼坯依靠摩擦力和夾持力帶動鋼坯完成軋制過程，具體邊界條件如表3 所示，其中，接觸邊界條件必須滿足無穿透約束條件，速度邊界條件必須滿足軋件的線速度與軋輥的角速度一致。鋼坯采用八節(jié)點線性六面體等參單元對軋件進(jìn)行網(wǎng)格離散化，局部變形較大處網(wǎng)格細(xì)化。

表2 材料屬性

表3 邊界條件

2.2 仿真結(jié)果分析

2.2.1 壓下規(guī)程的修訂

本文模擬方案來自開坯所設(shè)計的軋制規(guī)程，利用abaqus 進(jìn)行仿真模擬每道次的軋制過程，每一道次取上一次模擬分析結(jié)果的斷面做為初始斷面，以此類推，共進(jìn)行七道次模擬仿真。因軋制規(guī)程設(shè)計時的展寬量是根據(jù)經(jīng)驗計算得出，模擬分析所得結(jié)果會與前期設(shè)定值有偏差，所以在整個模擬過程中，要求根據(jù)實際仿真結(jié)果對規(guī)程進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，從而得到最終斷面尺寸。其中，軋制模擬過程的主要技術(shù)參數(shù)如表4 所示。仿真模擬后，為實現(xiàn)最終的軋制規(guī)格，按變形情況對壓下量進(jìn)行調(diào)節(jié)，修訂后的軋制規(guī)程如表1 所示。

表4 技術(shù)參數(shù)

2.2.2 各道次下Mises 應(yīng)力狀態(tài)

根據(jù)設(shè)計方案，對各道次軋制1/4 坯料的過程進(jìn)行仿真，得到各道次軋制后的Mises 應(yīng)力分布如圖3 所示，其中應(yīng)力單位為MPa。

由圖3 可知，除了材料表面有較大的應(yīng)力集中外，材料內(nèi)部的應(yīng)力比較均勻，且比表層應(yīng)力小，但軋制后坯料內(nèi)厚度方向上存在較大的應(yīng)力梯度，符合軋輥軋制的特點。鋼坯在咬鋼和甩尾時，為非穩(wěn)態(tài)狀態(tài)，軋后殘余應(yīng)力較大，軋制后最大Mises應(yīng)力約為125.7MPa，此外，因軋輥孔型設(shè)計的特點，在限制寬展處的應(yīng)力分布也較大。

圖3 各道次軋制Mises 應(yīng)力分布云圖

2.2.3 各道次下軋制力情況

在鋼坯軋制過程中，軋制力是最重要的工藝參數(shù)之一，其主要作用是用于確定軋輥的咬鋼角度及壓下量，同時對實際參數(shù)進(jìn)行核實，判斷其是否滿足工藝及設(shè)備要求，此外，還是制定工藝制度、提高產(chǎn)品質(zhì)量、擴(kuò)大產(chǎn)品范圍、充分合理挖掘設(shè)備潛力、實現(xiàn)生產(chǎn)過程計算機控制的重要原始參數(shù)。

對各道次軋制1/4 坯料的過程進(jìn)行仿真，將得到軋制力仿真數(shù)值乘以2，為各道次軋制后的軋制力。如圖4 所示，單位為N。

軋制力的大小與金屬變形抗力、壓下量及來料形狀等因素有關(guān)，如圖4 所示，在咬鋼和甩尾時，因存在自由表面，限制金屬流動的約束性小，此時雖屬于非穩(wěn)態(tài)狀態(tài)，但軋制力相應(yīng)較?。辉诜€(wěn)定軋制過程中，軋制力趨于穩(wěn)定，在軋制力曲線上表現(xiàn)的波動現(xiàn)象主要是由于軋輥接觸處的網(wǎng)格數(shù)量影響分析結(jié)果。另外，前四道坯料斷面尺寸較大，克服金屬變形所需力能較大，即軋制力較大。其中，第一道軋制穩(wěn)定時，軋制力最大約為5500KN，而第七道因壓下量相對較小，所以表現(xiàn)的軋制力最小。

圖4 各道次軋制力變化曲線

2.2.4 各道次下軋制功率情況

準(zhǔn)確分析軋制線上各道次的軋制能量，可為工藝設(shè)計或設(shè)備改造時選擇軋機或電機提供依據(jù)；可使能量分布更為合理，從而降低整體工序電耗、減小設(shè)備磨損；同時可找出軋制線上能量利用的薄弱環(huán)節(jié)，及時進(jìn)行調(diào)整，以最大限度地發(fā)揮設(shè)備潛力?？梢姡治鲕堉茣r的能量參數(shù)對提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益十分重要。

根據(jù)所設(shè)計方案，對各道次軋制1/4 坯料的過程進(jìn)行仿真，得到各道次的軋制應(yīng)變總能ALLIE 仿真數(shù)值，將該數(shù)值乘以2，如圖5 所示，單位為J。根據(jù)軋制應(yīng)變總能，計算各道次單位時間內(nèi)的應(yīng)變能變化量，即軋制功率，如圖6 所示，單位為W。

圖5 各道次應(yīng)變總能變化曲線

圖6 各道次軋制功率變化曲線

由圖5 可知，隨著軋制時間的推移，應(yīng)變能量不斷增大，當(dāng)軋制結(jié)束后，應(yīng)變總能達(dá)到最大值。同時，可知第四道的應(yīng)變總能最大，第7 道次的應(yīng)變總能最小，這是因為第四道次坯料變形量相對較大，溫度相對較低，一定時間內(nèi)所消耗能量較大，而第七道次正好相反。

圖6 是根據(jù)應(yīng)變總能計算所得，表達(dá)的是單位時間內(nèi)所需能量變化情況，即軋制功率，該數(shù)據(jù)是模擬計算所要得到的重要參數(shù)。由圖可知，軋制功率變化曲線形狀類似于軋制力曲線，在前四道軋制功率較大，這與坯料壓下量和斷面形狀有關(guān)。其中，在穩(wěn)定軋制時，第四道單位時間所耗能量最大，軋制功率約為2408.2KW。

3 總結(jié)

鋼坯軋制成形是一個復(fù)雜的三維彈塑性變形過程，即包括物理非線性，又包括幾何非線性和邊界條件非線性。通過有限元模擬，可以定量地給出與變形有關(guān)的各種物理量在鋼坯上的分布狀態(tài)及其隨成形過程的變化情況。根據(jù)仿真模擬所得主要結(jié)論為：

（1）對各道次軋制過程進(jìn)行仿真模擬，其軋后斷面展寬量與所設(shè)計規(guī)程中的理論計算值不同，為實現(xiàn)最終的軋制規(guī)格，將軋制規(guī)程進(jìn)行了修訂如表1 所示。

（2）鋼坯軋制后厚度方向上存在較大的應(yīng)力梯度。鋼坯在咬鋼和甩尾時，為非穩(wěn)態(tài)狀態(tài)，軋后殘余應(yīng)力較大，軋制后最大Mises 應(yīng)力約為125.7MPa，此外，因軋輥孔型設(shè)計的特點，在限制寬展處的應(yīng)力分布也較大。

（3）鋼坯軋制的前四道斷面尺寸較大，克服金屬變形所需力能較大，即軋制力較大。其中，第一道軋制穩(wěn)定時，軋制力最大約為5500KN，而第七道因壓下量相對較小，所以表現(xiàn)的軋制力最小。

（4）軋制功率變化曲線形狀類似于軋制力曲線，在軋制的前四道軋制功率較大，這與坯料壓下量和斷面形狀、溫度有關(guān)。其中，在穩(wěn)定軋制時，第四道單位時間所耗能量相對最大，軋制功率約為2408.2KW。