杜金龍，張貴杰，王立亞

（1．華北理工大學(xué)冶金與能源學(xué)院，河北唐山063009；2．華北理工大學(xué)理學(xué)院，河北唐山063009）

異步軋制對(duì)板帶變形規(guī)律的影響

杜金龍1，張貴杰1，王立亞2

（1．華北理工大學(xué)冶金與能源學(xué)院，河北唐山063009；2．華北理工大學(xué)理學(xué)院，河北唐山063009）

異步軋制；板帶；變形規(guī)律

為掌握異步軋制板帶變形規(guī)律，采用剛塑性有限元法建立了三維異步軋制有限元模型，應(yīng)用DEFORM－3D有限元軟件分析了熱軋板帶鋼生產(chǎn)過程中的變形規(guī)律，研究了不同異徑比和不同壓下量時(shí)變形區(qū)內(nèi)等效應(yīng)變、軋制方向上的應(yīng)變、剪切應(yīng)變及位移的變化規(guī)律，并通過異步軋制試驗(yàn)驗(yàn)證，得到的結(jié)果與有限元模擬結(jié)果一致，為現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)提供很好的理論依據(jù)。

異步軋制是近年來興起的一門工藝技術(shù)，具有軋制壓力小、軋薄能力強(qiáng)、軋制精度高等諸多優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)中具有廣闊的應(yīng)用空間。因此，為了得到更普遍的異步軋制板帶鋼變形規(guī)律，采用DEFORM－3D有限元分析軟件，建立熱軋窄帶鋼模型，并分別從不同異徑比和壓下量?jī)煞矫孢M(jìn)行了模擬計(jì)算，根據(jù)模擬結(jié)果分析了不同參數(shù)對(duì)板帶鋼變形規(guī)律的影響，為實(shí)踐生產(chǎn)提供理論支持。

在軋制過程中兩輥表面線速度不相等的軋制稱為異步軋制。異步軋制技術(shù)是20世紀(jì)90年代新興起的一種軋制技術(shù)，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，在壓下率不變的情況下，軋制壓力能夠減小10%以上，即可以大幅度降低軋制壓力，軋件容易發(fā)生變形；第二，在軋機(jī)剛度相同的條件下，能夠更好地控制板形與精度；第三，在軋制過程中，變形區(qū)產(chǎn)生了較大的剪切應(yīng)力，塑性加工能力非常強(qiáng)；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［1－4］。

異步軋制主要分為2種：異輥徑異步軋制，顧名思義就是軋輥直徑不同，軋輥轉(zhuǎn)速相同；異輥速異步軋制，指的是軋輥轉(zhuǎn)速不同，軋輥直徑相同的軋制方法。異步軋制的生產(chǎn)工藝與正常軋制的生產(chǎn)工藝基本上一樣［］。

當(dāng)正常軋制時(shí)，軋件在變形區(qū)的前、后滑區(qū)的摩擦力都指向中性面，方向相同，迅速增大了中性面附近的單位壓力，提高了平均單位軋制力。當(dāng)進(jìn)行不對(duì)稱軋制時(shí)，主要是橫切變形區(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。不對(duì)稱軋制技術(shù)，能大幅度降低軋制壓力，提高成材率，能控制軋機(jī)的張力與輥速，并大規(guī)模地適應(yīng)于現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中［6－8］。

1 有限元模型的確定

1．1 幾何模型的建立

軋件的尺寸為H×B×L＝10mm×100mm×500mm，軋輥直徑在144～216mm范圍內(nèi)變化，并設(shè)置了5組不同的異徑比，如表1所示。

表1 軋輥直徑

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

圖1 幾何模型圖

1．2 材料的化學(xué)成分

模型材料選用Q235B，其化學(xué)成分為：C 0．14～0．22%、Mn 0．3～0．65%、P 0．045%、S 0．05%、Si 0．3%，DEFORM材料庫(kù)中對(duì)應(yīng)的是AISI－1025［1 800～2 200F（1 000－1 200℃）］。

1．3 邊界條件和初始條件的確定

根據(jù)實(shí)際情況，軋件的熱輻射率取0．8，軋件與空氣的綜合換熱系數(shù)α＝0．17kW／（m2·℃），環(huán)境溫度T＝25℃，熱傳導(dǎo)系數(shù)取11kW／（m2·℃），剪切摩擦系數(shù)取0．2～0．5。

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。

2 模擬結(jié)果分析

2．1 不同異徑比下軋件的等效應(yīng)變

圖2所示為5種異徑比軋制后的等效應(yīng)變。

由圖2可以分析得到：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。在軋制過程中，等效應(yīng)變的值隨著時(shí)間逐漸增大，增大到一定值趨于穩(wěn)定。

圖2 5種異徑比軋制后的等效應(yīng)變

2．2 不同異徑比下軋件的應(yīng)變

采用Deform軟件后處理當(dāng)中的點(diǎn)追蹤法，在軋件XZ面上沿板坯厚度方向上取同一截面上10個(gè)點(diǎn)，軋件上10個(gè)點(diǎn)的具體位置如圖3所示，然后提取數(shù)據(jù)點(diǎn)的相應(yīng)數(shù)據(jù)，分析不同異徑比和不同壓下率下板帶的變形規(guī)律。

圖3 數(shù)據(jù)點(diǎn)的位置

圖4～圖6所示為當(dāng)壓下量為50%時(shí)的εy。

圖4 壓下量50%時(shí)的εy

圖5 壓下量50%時(shí)的εy

圖6 壓下量50%時(shí)的εy

通過對(duì)圖4～圖6分析可知：隨著異徑比的增大，軋制方向上的應(yīng)變值εy也在不斷的增大；隨著壓下量的增大，εy也隨之增大。當(dāng)同徑軋制時(shí)，即異徑比為1時(shí)，軋制方向上的應(yīng)變一開始逐漸增大，增大的速度比較緩慢，此階段為不穩(wěn)定軋制階段，進(jìn)入穩(wěn)定軋制階段時(shí)，應(yīng)變值基本上不再改變；當(dāng)異步軋制時(shí)，應(yīng)變值在整個(gè)軋制過程中逐步增大。

2．3 不同異徑比下軋件的剪切應(yīng)變

圖7所示為當(dāng)壓下量為10%時(shí)的εxy，圖8所示為當(dāng)壓下量為30%時(shí)的εxy，圖9所示為當(dāng)壓下量為50%時(shí)的εxy。

通過對(duì)圖7～圖9分析可知：隨著異徑比的增大，εxy基本上成線性增大；隨著壓下量的增大，εxy也隨之增大，當(dāng)異徑比相對(duì)應(yīng)時(shí)（即當(dāng)異徑比同為1．118），εxy隨著壓下量的增大而增大。當(dāng)同徑軋制時(shí)，εxy一開始逐漸增大，增大的速度比較緩慢，此階段為不穩(wěn)定軋制階段，進(jìn)入穩(wěn)定軋制階段時(shí)，εxy基本上不再改變；當(dāng)異步軋制時(shí)，εxy在整個(gè)軋制過程中逐步增大。

圖7 壓下量10%時(shí)的εxy

圖8 壓下量30%時(shí)的εxy

圖9 壓下量50%時(shí)的εxy

2．4 不同異徑比下的位移分布

圖10～圖12所示為不同異徑比、不同壓下量條件下，軋制方向上的位移曲線圖。

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

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(duì)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(duì)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(duì)值越來越大。

3 異步軋制試驗(yàn)與有限元模擬結(jié)果對(duì)比分析

3．1 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)是在異輥徑異步軋制條件下進(jìn)行的，在軋制過程中變形規(guī)律的實(shí)質(zhì)就是軋件的畸變規(guī)律，熱軋?jiān)囼?yàn)與冷軋?jiān)囼?yàn)，在軋制條件相似的情況下，軋件的變形規(guī)律與畸變規(guī)律反映的是相同的規(guī)律。因此，本試驗(yàn)可以用冷軋?jiān)囼?yàn)來代替熱軋?jiān)囼?yàn)，來驗(yàn)證模擬的準(zhǔn)確性。

3．2 坯料選擇與制備

試驗(yàn)用普碳鋼試樣，其化學(xué)成分（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，%）如表2所示。

表2 試驗(yàn)用普碳鋼的化學(xué)成分

把普碳鋼坯料用線切割機(jī)切至軋制試驗(yàn)所需的尺寸規(guī)格，長(zhǎng)×寬×厚為：80mm×18mm×10mm。選取5個(gè)試樣。試驗(yàn)由2種軋制方式組成，分別為正常軋制（異徑比為1）與軋輥直徑不等的異步軋制（異徑比分別為1．118、1．25、1．37、1．5）。每種軋制方式下又有5種壓下量，壓下量分別為10%、30%、50%。

3．3 試驗(yàn)設(shè)備

軋輥采用階梯輥如圖13所示，不同的輥徑對(duì)應(yīng)的軋制速度如表3所示。

表3 軋輥的軋制速度

圖13 階梯軋輥

3．4試驗(yàn)結(jié)果分析

圖14所示為試驗(yàn)結(jié)果圖。

圖14 試驗(yàn)結(jié)果圖

從圖14可知：試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果是一致的，正常軋制普碳鋼時(shí)，隨著壓下量的增加，板帶基本上不發(fā)生彎曲；異步軋制時(shí)，隨著壓下量的增大，板帶發(fā)生了彎曲，并且隨著異徑比的增大板帶的彎曲程度越來越大。

4 結(jié)論

（1）異步軋制時(shí)，板帶的等效應(yīng)變隨著軋制的繼續(xù)逐漸增大，并且隨著異徑比的增大而增大。

（2）異步軋制時(shí)，應(yīng)變值在整個(gè)軋制過程中逐漸增大，并且隨著異徑比的增大而增大，隨著壓下量的增大而增大。

（3）異步軋制時(shí)，隨著異徑比的增大，基本上成線性增大，當(dāng)異徑比不變時(shí)，的值隨著壓下量的增大而增大。

（4）異步軋制時(shí)，不同異徑比相同壓下率時(shí)，位移的值隨著異徑比的增加而減小，相同異徑比不同壓下率時(shí)，位移絕對(duì)值隨著壓下量的增大而增大。

（5）當(dāng)同步軋制時(shí)，軋制后的板帶比較平直，不會(huì)出現(xiàn)翹曲；當(dāng)異步軋制時(shí)，板帶出現(xiàn)了上翹，并且翹曲程度隨著異徑比的增大而增大，試驗(yàn)結(jié)果與模擬計(jì)算結(jié)果基本上是一致的，也就是說試驗(yàn)結(jié)果定性地反映了模擬結(jié)果。

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

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Effect of Asynchronous Rolling on Deformation Law of Strip

DU Jin－long1，ZHANG Gui－jie1，WANG Li－ya2
（1．College of Metallurgy and Energy，North China University of Science and Technology，Tangshan Hebei 063009，China；2．College of Science，North China University of Science and Technology，Tangshan Hebei 063009，China）

asynchronous rolling；strip；deformation law

In order to grasp the deformation law of strip during asynchronous rolling，the three－dimensional finite element model of the asynchronous rolling was established by using rigid－plastic finite element method．The deformation law of hot－rolled strip steel in the process of production was analyzed by using DEFORM－3Dfinite element software．The deformation area changing law of equivalent strain and the strain on the rolling direction，shear strain and displacement under different reducing ratio and different reduction was studied．The results are consistent with the results of finite element simulation through the asynchronous rolling experiment，which provides a good theoretical basis for practical production．

TG335．11

A

2095－2716（2016）04－0019－08

2016－05－18

2016－09－26