周家林 劉惠龍 彭世丹 李 鋮 王 浩 潘成剛

(1.武漢科技大學(xué) 鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430081；2.寶鋼特鋼有限公司 長(zhǎng)材事業(yè)部，上海 200940)

優(yōu)特鋼棒材廣泛用于汽車(chē)、航空航天、船舶等機(jī)械設(shè)備的重要零部件[1- 2]。但其在高速熱軋和輸送過(guò)程中易出現(xiàn)表面劃傷、凹坑、褶皺等缺陷，嚴(yán)重影響后續(xù)深加工產(chǎn)品的表面質(zhì)量[3- 6]。為消除這些缺陷，需在修磨機(jī)上進(jìn)行表面修磨。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)熱軋圓鋼產(chǎn)品的質(zhì)量控制做了大量的研究[5- 9]，但關(guān)于軋制工藝參數(shù)對(duì)軋件料形及其尺寸影響的研究相對(duì)較少[3,10- 11]。有限元模擬軋制過(guò)程的有效性已經(jīng)被許多研究[7- 9,12- 14]所證實(shí)，但由于軋件在孔型中沿寬度方向變形不均勻且存在速度差，軋槽中金屬流動(dòng)規(guī)律相對(duì)復(fù)雜[15- 16]，而優(yōu)特鋼的摩擦因數(shù)和寬展系數(shù)相對(duì)較大，易造成軋件與導(dǎo)衛(wèi)接觸過(guò)緊，可能引起軋件表面劃傷[4- 6]。

本文運(yùn)用Abaqus非線(xiàn)性有限元軟件模擬了孔型改進(jìn)前后直徑16 mm的40Cr圓鋼熱連軋過(guò)程，分析了軋件斷面溫度場(chǎng)變化規(guī)律及孔型參數(shù)對(duì)軋件料形、產(chǎn)品精度的影響。并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了工業(yè)軋制試驗(yàn)，采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)特征點(diǎn)溫度及各機(jī)組出口軋件尺寸予以驗(yàn)證，可為改進(jìn)軋制工藝參數(shù)及導(dǎo)衛(wèi)內(nèi)腔尺寸提供理論依據(jù)。

1 軋制規(guī)程

某棒材廠軋機(jī)全線(xiàn)平立(H/V，H為水平軋機(jī)，V為立軋機(jī))交替布置，11H～18V機(jī)架間共設(shè)有7個(gè)活套，全線(xiàn)無(wú)扭微張或無(wú)張力軋制，采用150 mm×150 mm的連鑄方坯軋制直徑12～50 mm的螺紋鋼筋和直徑16～50 mm的優(yōu)特鋼棒材。為增加孔型共用性，減少軋輥及導(dǎo)衛(wèi)儲(chǔ)備，軋制直徑16～50 mm圓鋼1H～5H、直徑16～45 mm圓鋼1H～6V、直徑16～32 mm圓鋼1H～10V、直徑16～28 mm圓鋼1H～12V道次的孔型參數(shù)相同。為提高圓鋼尺寸精度，成品及成品前兩道次圓孔采用雙半徑擴(kuò)張[11](其他圓孔采用切線(xiàn)擴(kuò)張)。圖1為軋制圓鋼的孔型示意圖，表1為改進(jìn)前現(xiàn)場(chǎng)采用的軋制直徑16 mm圓鋼的孔型參數(shù)。

圖1 軋制圓鋼的孔型示意圖Fig.1 Schematic diagrams of pass for the rolled round steel

表1 孔型改進(jìn)前φ16 mm圓鋼軋制各道次的孔型參數(shù)Table 1 Pass parameters for each pass of the rolled round steel 16 mm in diameter before improvement in pass mm

但現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際軋制的優(yōu)特圓鋼表面易出現(xiàn)如圖2所示的表面劃傷。為改善軋件料形及產(chǎn)品質(zhì)量，修改了第4V、5H、12V三道次孔型參數(shù)，調(diào)整3H、6V、8V、10V、15H道次輥縫，其他道次孔型參數(shù)不變(表2)?？仔透倪M(jìn)后φ16 mm優(yōu)特圓鋼的軋制規(guī)程如表3所示。

圖2 優(yōu)特圓鋼表面劃傷Fig.2 Scratch on the special round steel

表2 孔型改進(jìn)后φ16 mm圓鋼部分軋制道次的孔型參數(shù) Table 2 Pass parameters of some passes for the rolled round steel 16 mm in diameter after improvement in pass mm

表3 孔型改進(jìn)前后φ16 mm優(yōu)特圓鋼的軋制規(guī)程Table 3 Rolling procedures of the special round steel 16 mm in diameter before and after pass improvement

2 有限元模型的建立

2.1 幾何模型的建立及數(shù)據(jù)繼承

選取40Cr鋼作為優(yōu)特圓鋼代表鋼種，其化學(xué)成分如表4所示。

表4 40Cr鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 4 Chemical composition of 40Cr steel (mass fraction) %

鑄坯斷面為150 mm×150 mm，鑒于軋件幾何對(duì)稱(chēng)性，采用軋件的1/4建立軋件模型，隨后可使用Abaqus軟件的鏡像功能還原軋件的整體模型。為防止網(wǎng)格畸變，影響模型精度[14]，可在第6V、12V道次軋后截取一段軋件進(jìn)行網(wǎng)格重劃，將上一個(gè)模型的軋件導(dǎo)入下一個(gè)模型，并引用上一個(gè)模型軋件的數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)繼承，具體過(guò)程如圖3所示。軋件采用C3D8RT一階線(xiàn)性減縮積分單元，為防止沙漏模式發(fā)生，采用了細(xì)化網(wǎng)格的方法。軋輥采用剛性體，軋輥間距采用機(jī)架間實(shí)際間距，圖4為軋制過(guò)程中的有限元模型(以粗軋為例)。

圖3 軋件的建模及數(shù)據(jù)傳遞Fig.3 Modeling of the rolled piece and data transfer

圖4 粗軋過(guò)程中的有限元模型Fig.4 Finite element model during rough rolling

2.2 軋件的熱物性參數(shù)及其邊界、初始條件

40Cr鋼的熱物性參數(shù)如表5所示，其在不同變形條件下的流動(dòng)應(yīng)力、軋件與軋輥的接觸換熱系數(shù)、與環(huán)境的熱輻射及對(duì)流換熱系數(shù)參考文獻(xiàn)[14,17]，軋件的熱功轉(zhuǎn)換系數(shù)為0.9。軋輥的初始溫度設(shè)為100 ℃，環(huán)境溫度設(shè)為20 ℃，軋件出爐溫度為1 100 ℃，開(kāi)軋溫度為1 040 ℃，終軋溫度為(990±20) ℃。軋件入輥速度為0.3 m/s。接觸面之間的摩擦采用采用庫(kù)倫摩擦定律，靜摩擦和動(dòng)摩擦因數(shù)分別為0.58和0.36。

表5 40Cr鋼的熱物性參數(shù)Table 5 Thermophysical properties of 40Cr steel

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 截面特征點(diǎn)溫度

由于孔型改進(jìn)前后40Cr圓鋼的溫度相同，模擬軋件截面特征點(diǎn)溫度場(chǎng)的變化不大。本文僅給出改進(jìn)后軋件截面特征點(diǎn)a、b、c、d的溫度變化，如圖5所示。

由圖5可知，在高壓水除磷階段軋件表面溫度迅速下降(圓角d點(diǎn)降速最大)，之后快速回升，心部a、b點(diǎn)溫度幾乎不變。軋制變形區(qū)由于形變熱效應(yīng)，a、b點(diǎn)溫度略有上升(中、精軋區(qū)上升幅度增大)，隨后由于心部向表面?zhèn)鳠釡囟瓤焖傧陆?中、精軋區(qū)降速加快)；由于與軋輥、 冷卻水接觸換熱，d點(diǎn)在變形區(qū)溫度迅速下降，之后快速回升；在水平道次(H)c點(diǎn)與d點(diǎn)溫度的變化規(guī)律一致，在立軋道次(V)輥縫處不與軋輥接觸，溫度先略上升后下降，之后回升較d點(diǎn)緩慢。隨著軋制過(guò)程的進(jìn)行，由于軋件截面面積不斷減小，表面與心部溫度梯度迅速減小，終軋后心表溫差在20 ℃以?xún)?nèi)。此外從圖5可知，模擬軋件表面c點(diǎn)溫度與實(shí)測(cè)值之間的誤差為±20 ℃，較吻合。

圖5 孔型改進(jìn)后軋件截面特征點(diǎn)溫度的變化曲線(xiàn)Fig.5 Variation curves of temperature at characteristic points of the rolled piece section after improvement in pass

3.2 軋件料形及孔型充滿(mǎn)情況

圖6、圖7分別為孔型改進(jìn)前后各道次軋件料形及充滿(mǎn)情況，圖8為各道次軋件寬度變化，圖9為各道次軋槽充滿(mǎn)度及延伸系數(shù)變化。

圖6 孔型改進(jìn)前各道次軋件料形及充滿(mǎn)情況Fig.6 Shape and fullness of the rolled piece in each pass before improvement in pass

圖7 孔型改進(jìn)后各道次軋件料形及充滿(mǎn)情況Fig.7 Shape and fullness of the rolled piece in each pass after improvement in pass

由圖6、圖9可以看出，孔型改進(jìn)前第4V、8V、10V道次圓孔軋件欠充滿(mǎn)(充滿(mǎn)度分別為0.87、0.90、0.92)，第6V、14V、16V、18V道次則略過(guò)充滿(mǎn)(充滿(mǎn)度分別為0.95、0.97、0.99、0.99)，第13H、17H道次橢圓孔軋件充滿(mǎn)度較大(分別為0.96、0.99)。由圖7可以看出，改進(jìn)后各道次軋件尤其是圓孔軋件的料形及充滿(mǎn)度較為理想(圖9)。

圖8 孔型改進(jìn)前后各道次軋件寬度變化Fig.8 Difference in width of the rolled piece in each pass before and after improvement in pass

圖9 孔型改進(jìn)前后各道次軋槽充滿(mǎn)度及延伸系數(shù)Fig.9 Fullness and elongation coefficient of the pass groove in each pass before and after improvement in pass

由圖8、圖9可知：孔型改進(jìn)后圓孔第4V、8V、10V道次軋件寬度分別增加了2.13、0.48、0.62 mm，軋槽充滿(mǎn)度則從改進(jìn)前的0.87、0.90、0.92提高到0.92、0.92、0.93；第6V、12V、14V、16V、18V道次軋件寬度分別減小了2.62、0.17、0.18、0.48、0.30 mm，軋槽充滿(mǎn)度則從改進(jìn)前的0.95、0.93、0.97、0.99、0.99變?yōu)?.92、0.95、0.97、0.97、0.97?？仔透倪M(jìn)后圓孔軋件的料形及軋槽充滿(mǎn)度得到明顯改善，有利于產(chǎn)品尺寸精度的控制。

由圖8、圖9可知：孔型改進(jìn)后橢圓孔第3H、5H、15H道次軋件寬度增加了0.10、0.28、0.11 mm，軋槽充滿(mǎn)度從改進(jìn)前的0.92、0.90、0.94變?yōu)?.92、0.93、0.94；第7H、9H、11H、13H、17H道次軋件寬度分別減小了1.13、0.90、0.52、0.68、0.21 mm，軋槽充滿(mǎn)度從改進(jìn)前的0.90、0.90、0.93、0.96、0.99減小到了0.89、0.89、0.92、0.94、0.96?？仔透倪M(jìn)后，為通過(guò)調(diào)整圓孔前橢圓軋件尺寸、控制圓軋件的料形及尺寸留了一定的余量[16]。

從圖9可知，孔型改進(jìn)后粗軋機(jī)組的第3H、4V、5H道次延伸系數(shù)略有增加，第6V道次則略有減小，其他道次變化很小，從而保證了粗軋末架6V道次的圓軋件料形，為中、精軋機(jī)組提供了較好的中間圓坯。

3.3 孔型參數(shù)對(duì)軋件寬展的影響

孔型改進(jìn)前后橢圓- 圓孔型參數(shù)與軋件寬展系數(shù)(β=b/B，即軋后與軋前軋件寬度比值)之間的關(guān)系，如圖10所示。由圖10(a,b)可知，隨著圓孔前橢圓高度與其圓弧半徑比值(h/R)或橢圓軋件高寬比值(h/b)的減小，圓軋件寬展系數(shù)增加。這是因?yàn)殡S著軋制的進(jìn)行，圓軋件半徑逐漸減小，其前橢圓圓弧半徑或軋件寬度越大，則橢圓軋件在圓孔中變形時(shí)的相對(duì)壓下體積越大。由圖10(c)可知，隨著橢圓前圓軋件半徑的減小，橢圓軋件寬展系數(shù)增加。這是因?yàn)殡S著軋制過(guò)程的進(jìn)行，橢圓軋件越來(lái)越接近扁平橢圓(圖6、圖7)，橢圓圓弧側(cè)壁限制寬展的作用減小。

由圖10(a,b)可知，孔型改進(jìn)后圓孔軋件第4V、8V、10V道次寬展系數(shù)相比改進(jìn)前略有增大，第6V、12V、14V、16V、18V道次寬展系數(shù)則略微減?。挥蓤D10(c)可知，改進(jìn)后橢圓孔軋件第5H、15H道次寬展系數(shù)略有增大，第7H、9H、11H、13H、17H道次寬展系數(shù)則略微減小。改進(jìn)后軋件的料形和充滿(mǎn)度得到改善(圖6～圖9)。

圖10 孔型參數(shù)與軋件寬展系數(shù)(β=b/B)的關(guān)系Fig.10 Relation of pass parameters to width coefficient of the rolled piece(β=b/B)

3.4 軋件尺寸對(duì)導(dǎo)衛(wèi)內(nèi)腔尺寸的影響

在軋制過(guò)程中，水平軋機(jī)的橢圓軋件需在進(jìn)口夾板的夾持下進(jìn)入立軋圓孔型，軋件與導(dǎo)衛(wèi)內(nèi)腔間隙過(guò)大易出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)或側(cè)倒，過(guò)小則加劇導(dǎo)衛(wèi)內(nèi)腔磨損和軋件表面劃傷[16]。因此，需根據(jù)軋件紅坯尺寸設(shè)計(jì)導(dǎo)衛(wèi)內(nèi)腔尺寸(圖11)。圖11中，Ck為軋件寬度b+Δ1，Sk為軋件高度h+Δ2，R為軋件圓弧半徑r+Δ3，其中Δ1、Δ2、Δ3為軋件與導(dǎo)衛(wèi)的接觸間隙，軋件尺寸越大，則其間隙相對(duì)較大。

圖11 夾板及滾動(dòng)導(dǎo)輪內(nèi)腔的關(guān)鍵尺寸示意圖Fig.11 Schematic diagram of key dimensions of the inner cavity of splint and rolling guide wheel

圖12為孔型改進(jìn)前后軋件寬度與理論設(shè)計(jì)值偏差。由圖12可知，改進(jìn)前圓軋件第4V、6V、8V、10V、16V道次軋件寬度與設(shè)計(jì)值分別相差-4.73、+2.28、-1.58、-1.22、0.42 mm；橢圓軋件第3H、5H、11H、13H、15H、17H道次分別相差-3.40、+0.26、+1.55、+1.85、+1.27、+2.49 mm；箱型孔第2H道次為-3.87 mm。改進(jìn)前理論設(shè)計(jì)的進(jìn)口夾板內(nèi)腔尺寸小于模擬軋件寬度(如6V、16V、5H、11H、13H、15H、17H道次)，造成軋件與導(dǎo)衛(wèi)內(nèi)腔邊部接觸過(guò)緊，加劇軋件與導(dǎo)衛(wèi)內(nèi)腔磨損，這是改進(jìn)前優(yōu)特鋼軋制過(guò)程中軋件表面劃傷的主要原因[4- 6]。改進(jìn)后模擬軋件寬度與設(shè)計(jì)值相差不大(圖12)，從而有利于合理設(shè)計(jì)導(dǎo)衛(wèi)內(nèi)腔尺寸，減少導(dǎo)衛(wèi)引起的軋件表面劃傷。

圖12 軋件寬度的模擬值與理論計(jì)算值偏差Fig.12 Deviation of the simulated from the calculated width of the rolled piece

3.5 軋件尺寸對(duì)連軋過(guò)程的影響

軋件紅坯尺寸是計(jì)算軋件斷面積、平均工作輥徑、軋輥轉(zhuǎn)速等工藝參數(shù)，進(jìn)而設(shè)定在線(xiàn)軋制規(guī)程的重要依據(jù)，故軋件紅坯尺寸變化對(duì)連軋堆拉關(guān)系及產(chǎn)品尺寸精度控制的影響較大[15- 16]。

圖13為孔型改進(jìn)前后相鄰道次間軋件堆拉率的比較。由圖13可知，模擬計(jì)算的改進(jìn)前道次間軋件堆拉率波動(dòng)較大。這是因?yàn)楦倪M(jìn)前模擬的軋件寬度與理論計(jì)算值相差較大(圖12)，第4V、8V、10V道次圓軋件欠充滿(mǎn)(圖6)，軋件面積相比理論計(jì)算值小，第6V、13H、14V、16V、17H、18V道次略過(guò)充滿(mǎn)(圖6)，軋件面積相比理論計(jì)算值大，引起相應(yīng)道次軋件的秒流量減小或增大。如4V道次圓軋件欠充滿(mǎn)、面積減小，6V道次圓軋件過(guò)充滿(mǎn)、面積增大，導(dǎo)致4V～5H及5H～6V道次間堆拉率較大，分別為1.35%、2.73%，第6V～7H道次間軋件堆拉率為-3.01%。改進(jìn)前道次間軋件堆拉率過(guò)大，會(huì)加劇軋件尺寸波動(dòng)及料形不均勻變化，累積到成品軋槽，可能造成成品圓鋼頭尾尺寸超出公差范圍[3,15]。改進(jìn)后道次間軋件堆拉率均較小(±0.30%以?xún)?nèi))，軋件在孔型內(nèi)能平穩(wěn)流動(dòng)，從而使連軋各道次軋件料形及尺寸相對(duì)穩(wěn)定。

圖13 相鄰道次間軋件堆拉率 Fig.13 Push and pull rate of the rolled piece between adjacent passes

圖14為改進(jìn)前后圓軋件高度與寬度差。由圖14可知，改進(jìn)前第4V、6V、8V、10V、16V道次圓軋件高度與寬度相差較大，分別為4.73、-2.28、1.58、1.22、-0.42 mm，即改進(jìn)前圓軋件的橢圓度較大，對(duì)產(chǎn)品尺寸精度控制的影響較大；改進(jìn)后各道次圓軋件高度與寬度相差較小，即改進(jìn)后各道次圓軋件橢圓度較小，有利于成品尺寸精度的控制。

圖14 孔型改進(jìn)前后軋件高度與寬度差Fig.14 Difference between height and width of the rolled piece before and after improvement in pass

4 工業(yè)軋制試驗(yàn)

為控制優(yōu)特圓鋼表面劃傷，工業(yè)試軋前根據(jù)改進(jìn)后模擬的各道次軋件尺寸，對(duì)部分導(dǎo)衛(wèi)內(nèi)腔尺寸(圖11)進(jìn)行了修正，Δ1粗軋機(jī)組取15 mm、中軋機(jī)組取10 mm、精軋機(jī)組取5 mm；Δ2粗軋機(jī)組取5 mm、中軋機(jī)組取3 mm、精軋機(jī)組取2 mm；Δ3取1～3 mm。

按改進(jìn)后的工藝規(guī)程進(jìn)行直徑16 mm 40Cr圓鋼的工業(yè)試軋，坯料出爐溫度為1 100 ℃，開(kāi)軋溫度為1 050 ℃，終軋溫度為1 000 ℃。在軋制過(guò)程中運(yùn)用雷泰RAYR3I2ML3+型紅外線(xiàn)測(cè)溫儀(測(cè)溫范圍400～2 000 ℃，測(cè)量精度±1%)測(cè)量并記錄出爐、各機(jī)組入口及終軋后軋件頭部和中心的溫度；用外卡鉗和游標(biāo)卡尺測(cè)量并記錄1號(hào)、2號(hào)飛剪及3號(hào)倍尺飛剪切頭的第6V、12V、18V道次出口圓軋件頭部尺寸。軋件頭部溫度及熱態(tài)尺寸的模擬值和實(shí)測(cè)值分別如表6和表7所示。圖15為軋制規(guī)程改進(jìn)后現(xiàn)場(chǎng)軋制的40Cr圓鋼實(shí)物。

由表6和表7可知，孔型改進(jìn)后工業(yè)試軋的軋件溫度及尺寸實(shí)測(cè)值和模擬值吻合較好，且改進(jìn)后第6V、12V、18V道次圓軋件尺寸精度較好，沒(méi)有出現(xiàn)軋件表面劃傷缺陷。

表6 孔型改進(jìn)后軋件頭部溫度模擬值和實(shí)測(cè)值Table 6 Simulated and measured values of head temperature of the rolled piece after improvement in pass ℃

表7 孔型改進(jìn)后軋件熱態(tài)尺寸(h×b)的模擬值和實(shí)測(cè)值Table 7 Simulated and measured values of dimension (h×b) of the hot-rolled piece after improvement in pass mm×mm

圖15 孔型改進(jìn)后軋制的優(yōu)特圓鋼產(chǎn)品Fig.15 Rolled special round steel products after improvement in pass

5 孔型改進(jìn)效果

通過(guò)改進(jìn)部分道次孔型參數(shù)及軋制程序表，并修正設(shè)計(jì)進(jìn)口夾板、滾動(dòng)導(dǎo)輪、出口導(dǎo)槽尺寸，在導(dǎo)槽或空過(guò)輥道兩側(cè)加裝耐磨性好的立輥等措施，逐步解決了優(yōu)特棒材表面劃傷問(wèn)題。目前，φ42 mm以下圓鋼表面無(wú)劃傷，φ42 mm以上圓鋼表面劃傷率降低85%以上。

此外，成品孔軋輥采用耐磨性良好的碳化鎢輥套，并通過(guò)對(duì)比優(yōu)特圓鋼與螺紋鋼P(yáng)I調(diào)節(jié)器的參數(shù)，優(yōu)化活套調(diào)節(jié)器控制參數(shù)，提高調(diào)節(jié)器的性能及活套器的穩(wěn)定性；通過(guò)控制上游機(jī)架的速度來(lái)降低機(jī)架間堆拉率，使其在微堆的狀況下運(yùn)行，優(yōu)特鋼產(chǎn)品的尺寸精度滿(mǎn)足GB/T 702—2017 《熱軋鋼棒尺寸、外形、重量及允許偏差》要求。

優(yōu)特圓鋼修磨前，表面劃傷率從2017年的0.575%逐步下降到2021年的0.050%，同時(shí)產(chǎn)品合格率從99.29%提高到99.88%，成材率從96.38%提高到97.95%。

6 結(jié)論

(1)運(yùn)用有限元軟件模擬了孔型改進(jìn)前后直徑16 mm 40Cr圓鋼的熱連軋工藝，模擬結(jié)果與某鋼廠實(shí)際相吻合，孔型及軋制規(guī)程改進(jìn)后圓鋼產(chǎn)品質(zhì)量明顯提高。

(2)隨著軋件斷面的減小，軋件截面溫度梯度先升高后迅速下降，終軋后趨于穩(wěn)定；隨著橢圓軋件高寬比及圓直徑的減小，圓- 橢圓孔型寬展系數(shù)增加；原有孔型部分道次存在明顯欠充滿(mǎn)或過(guò)充滿(mǎn)，導(dǎo)致道次間軋件堆拉率較大，圓軋件料形及直徑偏差較大，影響了產(chǎn)品質(zhì)量；孔型改進(jìn)后道次間軋件堆拉率減小，圓軋件料形及直徑偏差明顯改善。

(3)通過(guò)改進(jìn)導(dǎo)衛(wèi)內(nèi)腔尺寸及導(dǎo)槽兩側(cè)加裝立輥等措施，優(yōu)特圓鋼表面劃傷缺陷得到有效控制，修磨前表面劃傷率下降到0.050%，產(chǎn)品合格率達(dá)到了99.88%。