張健，徐樹成，李紅斌

（1.河北理工大學 冶金與能源學院，河北 唐山063009；2.唐山市工業(yè)和信息化局，河北 唐山063000）

0 引 言

近年來，H型鋼由于具有側向剛度大、抗彎能力強、構造方便、易再加工等優(yōu)良性能得到了越來越廣泛的應用[1,2]。但在熱軋 H型鋼生產(chǎn)過程中，由于變形復雜，經(jīng)常造成腹板和翼緣的延伸不均勻，出現(xiàn)了所謂“舌形端部”，在軋制完成之后需要將該端部切除。從目前實際生產(chǎn)情況中我們了解到，該端部畸變較大，切損嚴重，造成了極大的浪費。

本文應用彈塑性有限元法，采用顯式動力學有限元軟件ANSYS/LS-DYNA對熱軋H型鋼的萬能軋制變形過程進行有限元模擬，針對H型鋼的舌形端部建立應力場和位移場，分析端部變形的特點，以便找到舌形端部的成因和控制方法。

1 萬能軋機軋制H型鋼的工藝理論

首先將異型或者矩形連鑄坯在二輥深切孔型中開坯軋制，形成狗骨形坯料，如圖1a，之后進入由萬能粗軋機和軋邊機構成的萬能粗軋過程，反復軋制多個道次，形成X形的軋件，最后進入萬能精軋機軋成H型鋼并進行切頭切尾處理。萬能粗軋機由兩側帶有斜度的水平輥和輥身帶有錐度的立輥構成“X”孔型，如圖1b，軋邊機是由上下水平輥構成，對翼緣端面進行軋制，如圖1c。萬能精軋機的的水平輥兩側垂直，立輥輥身呈柱形，構成“H”孔型，如圖1d。[3,4]

圖1 熱軋H型鋼生產(chǎn)

可以看出萬能軋制法軋制H型鋼過程中，金屬的變形非常復雜。腹板的變形在上下兩個水平輥輥縫中完成，翼緣的變形是在水平輥側面與立輥輥面之間組成的輥縫中完成。在軋制過程中，腹板和翼緣同時變形并且相互影響牽制，兩者之間存在金屬的流動交換，另外，由于水平輥側面沿輥徑方向上各點線速度在軋制方向上的分量不同，使得翼緣內(nèi)側的變形成為搓軋變形[5,6]?？傊?，在 H型鋼的變形過程中金屬流動復雜，從而導致“舌形端部”的形成因素復雜，所以我們采用數(shù)值模擬方法對金屬的流動規(guī)律進行研究，以求找到控制“舌形端部”大小的方法。

2 有限元模型的建立

2.1 構建幾何模型

采用七個道次軋制法對成品尺寸為200 mm×200 mm×12 mm×8 mm的H型鋼成型過程進行模擬。坯料尺寸采用某鋼鐵廠經(jīng)BD機開坯后的坯料尺寸294 mm×218 mm×59 mm×32 mm。用Pro/ENGINEER軟件建立實體模型，如圖2所示，將模型導入有限元軟件ANSYS/LS-DYNA中。為了避免計算量過大，取橫截面的1/4建模，軋件長度取100 mm，以保證軋件有一段穩(wěn)定的軋制長度。水平輥直徑1000 mm，立輥直徑600 mm。

圖2 H型鋼軋制模型

模型中，兩個水平輥是主動輥，立輥是被動輥，依靠翼緣外側與立輥之間的摩擦力帶動其轉動。軋件初始咬入時，在軋件的后端設置一剛性面，給軋件一個初始速度，推動軋件進行強迫咬入。當軋件與水平輥接觸后，軋件靠他們之間產(chǎn)生的切向摩擦力被拖進輥縫，開始穩(wěn)態(tài)軋制過程。

2.2 模擬參數(shù)設定

設軋輥為剛性材料，采用殼單元Shell163，具體參數(shù)如表1所示。軋件采用彈塑性材料模型，采用實體單元Solid164，具體參數(shù)如表2所示。模擬壓下規(guī)程采用某鋼鐵廠現(xiàn)場實際的壓下規(guī)程，各道次的輥縫值如表3所示。

表1 軋輥材料參數(shù)

表2 軋件材料參數(shù)

表3 軋制壓下規(guī)程

3 模擬結果分析

3.1 軋件端部咬入分析

以第一道次為例，對熱軋H型鋼咬入過程的端部變形進行分析，圖3所示為在t=0.058s的時候坯料Z方向的位移分布，從圖中可以看出，第一道次中，軋件的腹板和翼緣的交接處軋制方向的Z向位移位移較大，變形較為嚴重。這是由于在第一道次的軋制時，軋件在首次咬入過程中軋件的翼緣內(nèi)側首先與水平輥的側面相接觸，并發(fā)生變形，然后再與立輥相接觸，這就導致了在翼緣和腹板的連接處的圓角發(fā)生了較大的變形。

圖3 t=0.058s時軋件的Z方向上的位移云圖

圖4所示為軋件在t=0.058s的時候軋件上的等效應力分布狀況，雖然軋件還沒有完全變形，但是由于模型為連續(xù)實體，導致整個軋件表面已經(jīng)有應力存在了，這實際的軋制情況相符合。從圖中可以看到變形嚴重的腹板和翼緣的交接處的等效應力最大，同時翼緣的內(nèi)側也存在著較大的應力，這正是由于該部位發(fā)生較大變形的結果。

圖4 t=0.058s時軋件的等效應力分布狀況

3.2 端部舌形結果分析

H型鋼的變形過程中可以看做三塊板材的同時變形，但是它們之間互相制約，互相影響，所以在熱軋H型鋼的生產(chǎn)過程中，必須考慮腹板和翼緣延伸的協(xié)調性。圖6是多道次軋制結束后得到的翼緣端部舌形長度模擬值在中心線兩側的分布情況，同理可以得到腹板的舌形分布，如圖7所示。

圖6 翼緣端部舌形分布

圖7 腹板端部舌形分布

由圖6和圖7中可以看到，翼緣和腹板的端部形狀類似，均為拋物線形，但分布情況又有很大區(qū)別，這是由于腹板和翼緣的變形機制不同。腹板靠兩個主動水平輥的軋制力產(chǎn)生延伸變形，而翼緣則是靠水平輥的側表面和立輥輥面與金屬產(chǎn)生的軋制力進行延伸，并且立輥是被動的，類似搓軋，所以就變形的動力來說不如腹板，這就造成腹板中部變形較大，兩端受翼緣拖拉變形較小，使腹板生成“舌形端部”。同時，變形大的腹板對變形小的翼緣有一個牽拉的作用，使得兩者中心線部位最大值相近，從而翼緣和腹板均形成“舌形端部”。

同時，我們考慮到在熱軋H型鋼生產(chǎn)過程中，除最后一道次精軋機外，萬能軋機的立輥都帶有一定錐度，其角度一般為 3°～5°，這就導致了立輥的中間部位直徑大，線速度大，而立輥的端部直徑小，線速度小，造成翼緣遠離中心線的部位變形較小，而中部變形較大，使得翼緣的端部呈現(xiàn)拋物線形狀的“舌形端部”。

3.3 Z向應力云圖分析

圖5 t=0.14s時軋件斷面的Z向應力分布云圖

軋件軋制后在內(nèi)部都會殘留一部分殘余應力，殘余應力的大小直接影響到鋼材產(chǎn)品的力學性能。圖 5是第一道次軋制完成后的Z向應力云圖，可以看到由于翼緣邊緣部分變形不夠，殘余應力很大，而在翼緣和腹板的交接處即過渡區(qū)域應力次之，而在腹板和翼緣的中間部位沒有什么殘余應力。其余各道次及軋制完成后的應力分布與第一道次類似。應力分布的不均是變形不均的體現(xiàn)，當翼緣和腹板變形均勻后，舌形端部減小的同時殘余應力必然減小，材料的力學性能必然增強。

4 結 論

本文以分析H型鋼軋制過程中端部金屬流動為出發(fā)點，根據(jù)某鋼鐵廠壓下規(guī)程，運用彈塑性有限元法對熱軋H型鋼的軋制過程進行了七道次模擬，建立了較為精確實用的仿真模型。根據(jù)模擬和分析結果可以得出如下結論：

（1）對軋件的咬入過程進行分析，發(fā)現(xiàn)腹板和翼緣的交接處變形嚴重，同時等效應力很大，翼緣的內(nèi)側也存在著較大的應力。

（2）得到軋制完成后翼緣和腹板端部舌頭長度模擬值在中心線兩側的分布情況，均為拋物線形，但分布情況又有很大區(qū)別。

（3）得到 Z向（軋制方向）的殘余應力分布狀況，翼緣邊緣部分殘余應力大，翼緣和腹板的交接過渡區(qū)應力次之，而在腹板和翼緣的中間部位沒有殘余應力。

以上結論對分析和控制舌形端部，提高成材率有一定的參考價值。

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[3] 徐春，王全勝，張弛.型鋼孔型設計[M].北京：化學工業(yè)出版社，2009：206-210.

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