杜金龍，張貴杰

(華北理工大學(xué) 冶金與能源學(xué)院，河北 唐山 063009)

?

異步軋制板帶變形規(guī)律的有限元模擬

杜金龍1，張貴杰2

(華北理工大學(xué) 冶金與能源學(xué)院，河北 唐山 063009)

異步軋制；等效應(yīng)變；有限元

為更好掌握異步軋制板帶變形規(guī)律，基于有限元軟件DEFORM-3D建立了熱軋板帶鋼三維異步軋制有限元模型。采用適當(dāng)?shù)倪吔绾统跏紬l件，對不同輥徑的異步軋制進(jìn)行了仿真模擬。研究了不同異徑比對軋件變形區(qū)等效應(yīng)變和位移分布的影響。該分析結(jié)果為現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)提供了理論依據(jù)。

由于當(dāng)今中國鋼材的產(chǎn)量增長的很快，出現(xiàn)了產(chǎn)量過剩，因此對產(chǎn)品的質(zhì)量提出了很高的要求?，F(xiàn)在必須對鋼鐵廠的熱軋、冷軋機(jī)組實(shí)施新的生產(chǎn)工藝，使產(chǎn)品質(zhì)量提高，并實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。研究異步軋制不同的參數(shù)對軋件變形規(guī)律的影響，能夠進(jìn)一步完善異步軋制理論，并使異步軋制理論更好地應(yīng)用到實(shí)踐中去。

在軋制過程中，軋輥的不同步使得板帶產(chǎn)生上下翹曲。為了分析異步軋制的變形特點(diǎn)，利用有限元軟件Deform對熱軋板帶的變形過程進(jìn)行模擬分析，將有利于進(jìn)一步了解不同異徑比下變形區(qū)內(nèi)等效應(yīng)力、等效應(yīng)變的影響規(guī)律，更好地指導(dǎo)實(shí)踐。

1異步軋制技術(shù)

異步軋制研究始于20世紀(jì)50年代，1958年美國通用電氣公司的Coffin發(fā)明了“CBS”軋機(jī)[1,2]。異步軋制是2個(gè)工作輥圓周速度不等，使軋制變形區(qū)產(chǎn)生一種搓軋變形的新的軋制技術(shù)。它有2種基本形式：一是輥徑相同，轉(zhuǎn)速不同(異速異步)；二是轉(zhuǎn)速相同，輥徑不同(異徑異步)。

異步軋制是為了降低軋制壓力，提高板帶加工效率而發(fā)展起來的一種新的壓力加工技術(shù)。異步軋制與同步軋制的根本區(qū)別是在軋制過程中，同步軋制變形區(qū)金屬在前滑區(qū)，后滑區(qū)上下表面摩擦力方向相同，且均指向中性面，增加了中性面附近單位壓力，使平均單位軋制壓力增大。而異步軋制變形區(qū)的特征集中表現(xiàn)在橫切變形區(qū)，軋件在變形區(qū)的前、后滑區(qū)的摩擦力方向相反，產(chǎn)生了較大的剪切變形，使軋件中心的切應(yīng)力變大，降低了變形抗力，大幅度降低了平均單位軋制壓力。改變了同步軋制時(shí)單位軋制壓力沿變形區(qū)長度方向的類似拋物線形狀的分布。應(yīng)用這種原理研制的軋機(jī)，具有軋制壓力低、效率高、輥速與張力控制簡單且適應(yīng)性較強(qiáng)等特點(diǎn)[3,4]。

與同步軋制相比，異步軋制具備了自己獨(dú)有的特點(diǎn)：第一，在軋機(jī)剛度相同的條件下，能夠更好地控制板形與精度；第二，在原料和壓下率相同的情況下，可降低軋制壓力，軋件容易變形；第三，變形區(qū)較大的剪切變形能力，具有較好的塑性加工性能；第四，在軋材寬展方向的流動(dòng)控制方面，可以采用異徑比的不同，讓中性面偏離變形區(qū)以外[5-7]。

2計(jì)算模型的確定

2.1幾何模型的確定

先初步擬定軋件的尺寸為H×B×L=10 mm×100 mm×500 mm，軋輥直徑為144～216 mm范圍內(nèi)變化，見表1。

表1　軋輥直徑

應(yīng)用三維建模軟件Pro/e建立有限元模型如圖1所示，將此模型保存成STL格式的文件導(dǎo)入到DEFORM中，如圖2所示。

圖1　Pro/e中模型圖　　　　　　　　　　　　圖2　Deform中模型圖

幾何模型建立之后，需要進(jìn)行網(wǎng)格劃分，即離散幾何模型。本模擬計(jì)算中，將幾何模型劃分成四面體單元。單元數(shù)量為10 000個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為1 219個(gè)。

2.2材料的化學(xué)成分

模型材料選用Q235B，其化學(xué)成分為：C為0.14%～0.22%、Mn為0.3%～0.65%、P為0.045%、S為0.05%、Si為0.3%。

2.3材料熱物理參數(shù)及其他相關(guān)參數(shù)

軋件材質(zhì)選用普碳鋼Q235，DEFORM自帶材料庫中已經(jīng)很好地定義了金屬比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化曲線，故直接采用軟件數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)。Q235的比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化的曲線如圖3、圖4所示。

圖3　Q235鋼比熱容　　　　　　　　　　圖4　Q235鋼導(dǎo)熱系數(shù)

彈性模量隨溫度而變化，可回歸出以下關(guān)系式：

E=221.854-0.018 29T-0.000 118 6T2

(1)

式中T——溫度，℃；

E——彈性模量，×103MPa；

對于泊松比υ，一般鋼材為0.25～0.3，本模擬材料為Q235，可取恒定值υ=0.3。

材料的流動(dòng)應(yīng)力會(huì)隨著不同的軋制溫度和軋制過程應(yīng)變值的變化而變化，根據(jù)模擬軟件DEFORM自帶材料庫中Q235在900 ℃、1 000 ℃、1 100 ℃下的流動(dòng)應(yīng)力數(shù)據(jù)得出如圖5所示流動(dòng)應(yīng)力曲線。

圖5　Q235鋼流動(dòng)應(yīng)力

2.4邊界條件和初始條件的確定

(1)熱邊界條件

軋件的自由表面存在與周圍環(huán)境的對流和輻射換熱，這2類邊界條件在傳熱學(xué)中通稱為第3類邊界條件，可統(tǒng)一為式(2)。

式中T——軋件表面溫度；

T——環(huán)境溫度；

α——綜合換熱系數(shù)，可由式(3)給出。

α=h+hr

(3)

式中h——對流換熱系數(shù)；

hr——輻射換熱系數(shù)，可由式(4)給出；

hr=Eσ(T+T)(T2+T2)

(4)

式中σ——波爾茲曼常數(shù)；5.67×10-8w/(m2·k4)

E——熱輻射率，本計(jì)算取0.8。

由式(3)和(4)可以確定軋件與空氣的綜合換熱系數(shù)α=0.17 kW/(m2·℃)，環(huán)境溫度T=25 ℃ 。

(2)熱傳導(dǎo)系數(shù)

軋件與軋輥接觸期間，軋件與軋輥互相擠壓，界面上存在熱阻力。接觸傳熱系數(shù)可通過藕合求解軋輥及軋件熱傳導(dǎo)控制方程得到。但該法比較復(fù)雜，本文采用下式確定：

(5)

式中β——修正系數(shù)；tC——接觸時(shí)間；k——傳熱系數(shù)；CP——帶鋼比熱；ρ——帶鋼密度。

本文熱傳導(dǎo)系數(shù)取11 kW/(m2·℃)。

關(guān)于接觸中摩擦條件，在DEFORM中有專門用于軋制的摩擦——軋制剪切摩擦，或者軋制庫倫摩擦。由于本模擬中主要研究了存在一定異徑比條件下對變形規(guī)律的影響，因此采用軋制剪切摩擦。

在確定接觸表面的摩擦系數(shù)時(shí)，考慮到模型在熱軋段進(jìn)行軋制，故摩擦系數(shù)取0.2～0.5。

(3)初始條件

軋件開軋溫度1 050～1 200 ℃，終軋溫度≥900 ℃。設(shè)定軋件入口溫度為1 000 ℃，并加載到軋件的所有節(jié)點(diǎn)上。

3模擬結(jié)果分析

3.1不同異徑比下的軋件變形狀態(tài)

圖6為不同異徑比下的等效應(yīng)變云圖，由圖6可以看出：隨著軋制過程的進(jìn)行，板帶在摩擦力和軋制力的作用下逐漸產(chǎn)生彎曲。并且隨著異徑比的逐漸增大，彎曲程度越嚴(yán)重，等效應(yīng)變值隨著時(shí)間逐漸增大，增大到一定值趨于穩(wěn)定。

圖6　5種異徑比軋制后變形圖

3.2不同異徑比下軋件的等效塑性應(yīng)變

利用DEFORM軟件中的點(diǎn)追蹤法，分別在軋件的變形區(qū)出口、軋制穩(wěn)定區(qū)、變形區(qū)入口的上、中、下表面取點(diǎn)，得到各位置的等效應(yīng)變值。

由圖7、圖8、圖9計(jì)算結(jié)果可以看出：(1)同步軋制過程中，變形區(qū)出口、入口與穩(wěn)定軋制區(qū)，其上下表面跟中間面的變形基本上是不變的；(2)不同異徑比下的異步軋制過程中，不管在變形區(qū)出口、入口還是穩(wěn)定軋制區(qū)，其下表面的變形總比上表面大，從而使板帶向上彎曲；(3)異步軋制中，變形區(qū)出口和穩(wěn)定軋制區(qū)中間面的變形比上下表面小，由此可知，首先在表面產(chǎn)生塑性變形；(4)異步軋制中，變形區(qū)入口中間面的變形比下表面小，但比上表面大，說明變形已趨于均勻；(5)隨著異徑比的增加，變形增大。

圖7　變形區(qū)出口的等效應(yīng)變　　　　　圖8　穩(wěn)定軋制區(qū)的等效應(yīng)變

圖9　變形區(qū)入口的等效應(yīng)變

3.3不同異徑比下的位移分布

為研究不同壓下量、不同異徑比下變形區(qū)各點(diǎn)的位移分布情況，在5種不同異徑比的基礎(chǔ)上，設(shè)置了10%、30%、50%3種壓下量，進(jìn)行交叉試驗(yàn)，然后利用DEFORM后處理中的點(diǎn)追蹤法，在軋件的某一截面上沿厚度方向上選取10個(gè)不同點(diǎn)，得到各組變形區(qū)位移分布情況。

圖10　壓下量10%時(shí)的軋制方向位移　　　圖11　壓下量30%時(shí)的軋制方向位移

圖12　壓下量50%時(shí)的軋制方向位移

圖10、圖11、圖12為不同異徑比、不同壓下量條件下，軋制方向上的位移曲線圖。從模擬結(jié)果中可以得到以下結(jié)果：當(dāng)正常軋制時(shí)，即異徑比為1的時(shí)候，沿厚度方向上同一面上的10個(gè)點(diǎn)，在軋制方向上的位移值基本上保持一定值，為一水平直線，并且從圖中還可看出，當(dāng)異徑比同為1時(shí)，隨著壓下量的增大，位移相對值越來越大；當(dāng)異步軋制時(shí)，即異徑比分別為1.118、1.25、1.37、1.5時(shí)，隨著異徑比的增大，在相同的壓下率下，軋制方向上位移相對值越來越小，且呈線性關(guān)系，傾斜角隨著異徑比的增大而增大。異徑比相同，壓下量增大時(shí)，位移的相對值越來越大。

4結(jié)論

(1)異步軋制時(shí)，隨著異徑比的增加，變形區(qū)等效應(yīng)變不斷增加，且增加到一定值后趨于穩(wěn)定。

(2)同步軋制時(shí)，變形區(qū)入口、穩(wěn)定軋制區(qū)和出口的上中下面等效應(yīng)變基本一致。

(3)異步軋制時(shí)，變形區(qū)入口、穩(wěn)定軋制區(qū)和出口的下表面應(yīng)變值均大于上表面應(yīng)變值，造成板帶上翹。

(4)相同壓下率時(shí)，位移值隨著異徑比的增大而減??；異徑比相同時(shí)，位移值隨著壓下率的增大而增大。

[1]Coffin LF, Tavemelli JF. States of Contact-bend-Srteteh Rolling Metals[J], Meatls, 1967(08):14.

[2]胡東福. 異步軋制技術(shù)[J], 金屬世界, 1997(04):15.

[3]趙林, 白光潤. 異步交叉軋制的能耗特性[J]. 東北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 1997, 18(04):366.

[4]趙林, 白光潤. 異步交叉軋制的軸向力研究[J]. 鋼鐵研究學(xué)報(bào), 1997, 09(06):13.

[5]寇祖森. 傳統(tǒng)工藝概念的突破—異徑軋制技術(shù)[J]. 金屬世界, 1994(03):8.

[6]朱泉. 異步軋制的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 鋼鐵, 1980, 15(06):01-05.

[7]趙林. 異步交叉軋制變形區(qū)應(yīng)力分布特征[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 1998, 19(06):567-570.

Slab Band on Asynchronous Rolling Transformative Rules by Finite Element Simulation

DU Jin-long1, ZHANG Gui-jie2

(College of Metallurgy and Energy,North China University of Science and Technology,Tangshan Hebei 063009,China)

asynchronous rolling;equivalent strain;finite element

To further grasp the deformation law of plate and strip in asynchronous rolling, based on finite element software Deform-3D, three-dimensional finite element model of hot rolling strip was built. Asynchronous rolling with different roll diameter was simulated in appropriate boundary and initial conditions. The effects of different diameter ratio on equivalent strain and displacement distribution in deformation zone of rolled piece were studied, and the research results provide theoretical basis for production.

2095-2716(2015)04-0021-06

TG335.11

A