谷鳳波

(上海歐冶材料技術(shù)有限責(zé)任公司)

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中型H型鋼軋制有限分析技術(shù)研究

谷鳳波

(上海歐冶材料技術(shù)有限責(zé)任公司)

通過(guò)熱力耦合有限元分析技術(shù)，對(duì)萊鋼中型生產(chǎn)線Q345E級(jí)H200×200規(guī)格H型鋼軋制過(guò)程進(jìn)行有限元仿真分析，以研究H型鋼軋制過(guò)程中各道次的應(yīng)力、溫度場(chǎng)、金屬流動(dòng)情況和軋制負(fù)荷的變化。有限元分析結(jié)果與實(shí)際軋制過(guò)程基本相符，對(duì)新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)具有一定指導(dǎo)意義。

熱力耦合有限元分析H型鋼

0　前言

近幾年海洋石油、高層建筑和大型橋梁鋼結(jié)構(gòu)的發(fā)展，像Q345E和Q460D等高性能的H型鋼新產(chǎn)品市場(chǎng)需求越來(lái)越多。然而，由于其形狀特殊，變形復(fù)雜，很難在實(shí)驗(yàn)室研究其熱軋過(guò)程中整個(gè)斷面的溫度、金屬流動(dòng)的變化，這給H型鋼新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)帶來(lái)了很大難度，因此以萊鋼型鋼廠中型線Q345E鋼種為材料模型，應(yīng)用有限元分析軟件，對(duì)H200×200規(guī)格H型鋼多道次熱軋過(guò)程進(jìn)行三維熱、力耦合分析，以獲得H型鋼軋制過(guò)程中斷面各項(xiàng)參數(shù)變化，為新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和工藝調(diào)整提供可靠依據(jù)。

1　H型鋼的生產(chǎn)工藝

萊鋼中型生產(chǎn)線H型鋼生產(chǎn)規(guī)格主要為H200×200，是以240 mm×375 mm連鑄矩形坯為原料。加熱時(shí)間為90 min～120 min，出爐溫度1200 ℃～1260 ℃。粗軋為一架二輥可逆式粗軋機(jī)，精軋是以5架萬(wàn)能軋機(jī)和兩架軋邊機(jī)組成的半連續(xù)式精軋機(jī)組。

生產(chǎn)工藝流程為：連鑄坯→加熱→高壓水除磷→開(kāi)坯軋制→切頭→二次高壓水除磷→精軋→熱鋸分段→冷床冷卻→矯直→定尺鋸切→檢查、打印、堆剁→打捆→入庫(kù)。

2　H型鋼有限元分析邊界條件、模型建立和求解

H型鋼的軋制過(guò)程中涉及很多的影響因素，比如：軋件的變形熱、軋件在空氣中的對(duì)流換熱、軋件與軋輥間的熱傳導(dǎo)、軋輥冷卻水的影響、軋制節(jié)奏等。筆者盡可能的在考慮軋制過(guò)程中影響因素的基礎(chǔ)上，從實(shí)際生產(chǎn)所用坯料取樣，利用熱模擬試驗(yàn)機(jī)獲得的Q345E的應(yīng)力應(yīng)變曲線，構(gòu)建材料模型，以此減小模擬數(shù)據(jù)結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程的偏差。

2.1坯料幾何模型建立

由于H型鋼外形尺寸具有對(duì)稱(chēng)性，孔型設(shè)計(jì)上左右兩側(cè)都是對(duì)稱(chēng)的，所以軋件采用1/2簡(jiǎn)化建立對(duì)稱(chēng)幾何模型，減少單元節(jié)點(diǎn)數(shù)量，縮短計(jì)算時(shí)間，提高工作效率。

又由于H型鋼為長(zhǎng)材軋制，軋件進(jìn)入軋機(jī)后,一般軋制500 mm至1000 mm后變形量、變形溫度等各種參數(shù)變化將趨于穩(wěn)定，所以建模時(shí)軋件的長(zhǎng)度一般取1000 mm～2000 mm。

2.2軋輥幾何模型建立

型鋼熱軋過(guò)程中，因?yàn)檐埣幱诟邷貭顟B(tài)，變形抗力較小，而軋輥有冷卻水持續(xù)冷卻，開(kāi)軋后，經(jīng)過(guò)十多支坯料連續(xù)軋制，軋輥溫度基本處于300 ℃恒定狀態(tài)，型鋼軋輥彈性變形相對(duì)較小，對(duì)產(chǎn)品外形尺寸的影響可以忽略，所以H型鋼軋制有限元分析時(shí)可將軋輥設(shè)為無(wú)溫度變化的剛性體，軋輥模型的建立如圖1和圖2所示。

圖1粗軋機(jī)軋輥模型

圖2萬(wàn)能軋機(jī)、軋邊機(jī)軋輥模型

2.3H型鋼熱軋有限元分析流程

中型生產(chǎn)線H型鋼熱軋生產(chǎn)過(guò)程中，粗軋機(jī)為二輥可逆軋制，生產(chǎn)順行時(shí)各道次間隙時(shí)間基本固定，軋件在長(zhǎng)度方向上除了頭尾1000 mm左右相差較大以外，中間部分的尺寸、變形抗力基本一致。精軋機(jī)組實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，軋件前半段進(jìn)入軋機(jī)500 mm～1000 mm后，產(chǎn)品性能和軋制負(fù)荷等各項(xiàng)參數(shù)趨于穩(wěn)定。所以模擬過(guò)程中，各道次軋件在軋制一段長(zhǎng)度進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)后即可終止計(jì)算，提取穩(wěn)態(tài)單元，進(jìn)行道次間隙溫度場(chǎng)分析和網(wǎng)格重構(gòu)，隨后轉(zhuǎn)入下一道次模擬分析。

整個(gè)過(guò)程主要可以分為三個(gè)部分：第一部分，建立第一道次軋制過(guò)程的有限元模型，并且在分析時(shí)按照事先設(shè)定的穩(wěn)態(tài)判斷條件進(jìn)行判斷，滿足條件后形成穩(wěn)態(tài)單元集；第二部分，以穩(wěn)態(tài)單元集為基礎(chǔ)構(gòu)建軋制道次間隙溫度場(chǎng)的有限元模型，進(jìn)行道次間隙溫度場(chǎng)模擬分析；第三部分，構(gòu)建分析下一道次軋制過(guò)程的有限元模型，傳遞溫度、累積塑性應(yīng)變等參數(shù)。除第一道次外，后續(xù)各道次都將重復(fù)第二和第三部分內(nèi)容，完成軋制有限模擬分析。

2.4道次間隙軋件溫度場(chǎng)有限元分析的邊界條件

H型鋼軋制道次間隙溫度場(chǎng)分析邊界條件的建立，應(yīng)考慮腹板積水對(duì)斷面溫度的影響，模擬過(guò)程中，忽略頭尾的溫度場(chǎng)，只考慮中間穩(wěn)態(tài)單元的溫度場(chǎng)變化。

分析過(guò)程中，應(yīng)用C++等軟件編寫(xiě)的程序，對(duì)道次間隙溫度場(chǎng)分析前后的軋件溫度、累計(jì)塑性應(yīng)變參數(shù)進(jìn)行傳遞。

3　有限元分析結(jié)果

3.1粗軋軋制過(guò)程有限元分析結(jié)果

3.1.1粗軋過(guò)程軋件的應(yīng)力分布云圖

H型鋼的坯料在粗軋第一、二、五、九道次的應(yīng)力分布云圖如圖3所示。

圖3粗軋第一、二、五、九道次的應(yīng)力分布云圖

從圖3可以看出，在軋輥和坯料的接觸區(qū)塑性變形大，而在坯料芯部和其它非接觸區(qū)變形相對(duì)很小。根據(jù)米塞斯屈服準(zhǔn)則，當(dāng)應(yīng)力強(qiáng)度達(dá)到靜屈服強(qiáng)度時(shí)，材料將發(fā)生不可回復(fù)的塑性變形，金屬會(huì)產(chǎn)生延伸和寬展。

3.1.2坯料的溫度分布云圖

H型鋼的坯料在粗軋第一、二、五、九道次的溫度場(chǎng)分布云圖如圖4所示。

圖4粗軋第一、二、五、九道次的溫度場(chǎng)分布云圖

由圖4可以清楚地看到，軋制過(guò)程中在坯料與軋輥接觸區(qū)，由于熱傳導(dǎo)而產(chǎn)生的熱量損失，會(huì)導(dǎo)致坯料的表面溫度迅速降低，但是接觸時(shí)熱傳導(dǎo)的影響區(qū)不大，只在10 mm(一個(gè)單元尺寸)以內(nèi)。

在軋制道次的間隙時(shí)間內(nèi)，高溫坯料要和周?chē)目諝膺M(jìn)行對(duì)流換熱，并且向外輻射而損失熱量，因此必須分析軋制道次間隙的溫度場(chǎng)變化，分析過(guò)程中對(duì)流換熱系數(shù)設(shè)定為50 W/m2℃，高溫坯料的輻射率為0.7，粗軋第一、二、五、九道的道次間隙溫度場(chǎng)云圖如圖5所示。

圖5粗軋第一、二、五、九道次間隙溫度場(chǎng)云圖

3.1.3粗軋軋制負(fù)荷分析

粗軋各道次的模擬軋制負(fù)荷與實(shí)際生產(chǎn)中Q345E和Q235B的軋制負(fù)荷測(cè)量值的對(duì)比如圖6所示。本次模擬分析的材料模型，是取中型生產(chǎn)線實(shí)際生產(chǎn)的Q345E坯料,通過(guò)Gleeble熱模擬試驗(yàn)得到應(yīng)力應(yīng)變曲線而建立的，從圖6可以看出，除個(gè)別道次以外，模擬軋制負(fù)荷與實(shí)際生產(chǎn)軋制負(fù)荷偏差較小，這對(duì)同一材料在不同規(guī)格的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)上有一定的指導(dǎo)作用。

圖6模擬軋制負(fù)荷與實(shí)際軋制負(fù)荷值對(duì)比

3.2精軋軋制過(guò)程有限元分析結(jié)果

3.2.1精軋軋件溫度的變化

E2軋邊機(jī)和U5萬(wàn)能軋機(jī)的軋件截面溫度(℃)分布云圖分別如圖7、圖8所示，左邊視圖是軋件進(jìn)機(jī)架前的溫度分布云圖，右側(cè)視圖是軋件出機(jī)架的溫度分布云圖。

(a) 軋件進(jìn)機(jī)架前的溫度分布云圖

(b) 軋件出機(jī)架的溫度分布云圖

(a) 軋件進(jìn)機(jī)架前的溫度分布云圖

(b) 軋件出機(jī)架的溫度分布云圖

根據(jù)溫度場(chǎng)分布云圖可以看出，軋制前后腹板中部溫度相差最大，這是因?yàn)檐堉七^(guò)程中腹板存在沸騰的積水，軋件的外表面存在自然對(duì)流和熱輻射等影響因素，所以散熱相對(duì)較快。

總體來(lái)說(shuō)，由于軋件腹板和翼緣邊緣處散熱面積大，溫度下降相對(duì)較快，所以溫度也最低；而腹板和翼緣連接處，由于存在自輻射，厚度大，散熱面積小，所以散熱最慢，溫度最高，在軋制結(jié)束后，仍然能夠達(dá)到950 ℃以上。

為了和有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，用紅外熱像儀得到實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，軋件出U5軋機(jī)后的表面的紅外溫度結(jié)果(如圖10所示)，同時(shí)提取軋件橫向表面的溫度數(shù)據(jù)(沿圖9中a-e方向)，與熱像儀的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比(如圖11所示)，溫度模擬分析結(jié)果和紅外測(cè)溫結(jié)果偏差較小。

圖9軋件出U5的溫度分布云圖

圖10軋件散熱分析后的溫度分布云

圖11紅外測(cè)溫結(jié)果與分析溫度對(duì)比圖

3.2.2精軋軋制負(fù)荷分析

對(duì)H200×200規(guī)格的精軋機(jī)組七架軋機(jī)軋制過(guò)程進(jìn)行了有限元模擬分析，得到各機(jī)架有限元模擬分析的軋制負(fù)荷，并與軋制規(guī)程中的軋制負(fù)荷對(duì)比，圖12和圖13分別為平輥和立輥軋制負(fù)荷對(duì)比，根據(jù)結(jié)果，有限元模擬軋制負(fù)荷與軋制規(guī)程中的軋制負(fù)荷相比較，水平輥的軋制負(fù)荷相差最大的為21.2%，平均為14.7%；萬(wàn)能軋機(jī)立輥軋制負(fù)荷相差最大的為6.76%，平均為3.75%，偏差較大的原因是現(xiàn)場(chǎng)精軋機(jī)組無(wú)軋制負(fù)荷檢測(cè)設(shè)備，而規(guī)程中也只能根據(jù)鋼種成分、道次壓下量，用計(jì)算公式換算出軋制規(guī)程參考軋制力。

圖12水平軋輥軋制負(fù)荷的對(duì)比

圖13立輥軋制負(fù)荷的對(duì)比圖

4　結(jié)論

利用有限元分析可以清楚地反映出各道次軋件不均勻變形的大小，掌握軋件的變形規(guī)律、溫度場(chǎng)變化和軋制負(fù)荷情況。根據(jù)以上分析結(jié)果，可得出如下結(jié)論：

(1)軋件和軋輥接觸時(shí)，接觸熱傳導(dǎo)對(duì)坯料表面溫度的影響比較明顯，但接觸時(shí)間短，受影響的區(qū)域僅僅集中在坯料的表層。

(2)粗軋軋制間隙期間，坯料和周?chē)h(huán)境發(fā)生對(duì)流換熱，并且向外輻射熱量導(dǎo)致坯料溫度降低。而軋件截面的溫度經(jīng)過(guò)熱傳導(dǎo)后分布會(huì)趨于均勻。

(3)精軋過(guò)程中與粗軋相比，由于軋件相對(duì)較薄，特別是出精軋后，各部位斷面溫度相差較大，軋件高溫區(qū)出現(xiàn)在翼緣和腹板連接處，低溫區(qū)出現(xiàn)在翼緣的兩端和腹板中間。

(4)各道次軋制過(guò)程中，越靠近翼緣和腹板連接的R角處溫度越高，因此越靠近R角，性能會(huì)越差。

(5)分析結(jié)果證明，本次有限元模擬分析方法和Q345E鋼種材料模型設(shè)計(jì)比較合理，可為同鋼種的其他規(guī)格新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)提供準(zhǔn)確的有限元分析模型，縮短新產(chǎn)品試制時(shí)間，提高開(kāi)發(fā)效率。

[1]賀慶強(qiáng),張勤河,劉克強(qiáng)，等.型鋼熱軋全過(guò)程有限元仿真[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2006,28(10): 118-122.

[2]崔振山,劉才,卜勇力.H型鋼熱軋過(guò)程金屬流動(dòng)的數(shù)值模擬[J].塑性工程學(xué)報(bào),1999,6(3):74-78.

[3]馬光亭,藏勇,朱國(guó)明,等.H型鋼往復(fù)開(kāi)坯軋制過(guò)程仿真分析[J].塑性工程學(xué)報(bào),2007,14(6):24-27.

STUDY ON THE FINITE ELEMENT ANALYSIS TECHNOLOGY OF MEDIUM SIZED H STEEL ROLLING

Gu Fengbo

(Shanghai Ouyeel Materials Technology Co., Ltd)

Through the thermal mechanical coupling finite element analysis technology, the rolling process ofQ345E H200×200 H-beam steel in Laiwu Steel was simulated, and the stress, temperature field, metal flow and rolling force change were studied. The result of finite element analysis was consistent with the actual rolling process, which has a certain guiding significance for the development of new products.

thermal-mechanical couplingfinite element analysisH-beam

聯(lián)系人：谷鳳波，軋鋼工程師，上海(200940)，上海歐冶材料技術(shù)有限責(zé)任公司；2016—2—25