高速線材減定徑軋制變形特點與熱模擬參數研究

曹 杰,劉雅政,閻 軍,章 靜

(1.北京科技大學材料科學與工程學院,北京 100083;2.安徽工業大學材料科學與工程學院,安徽 馬鞍山 243002)

1 前言

現代高速線材軋機一般配備有減定徑機組。減定徑機組可提高高速線材軋機的生產作業率,滿足用戶對線材尺寸精度、表面質量、機械性能不斷提高的要求。因此減定徑軋制技術引起生產廠家的重視。高速線材減定徑軋制具有軋制速度快、快速更換規格、重載或超重載等技術特點,可實現低溫軋制,如摩根公司和達涅利公司現今設計的減定徑機最低軋制溫度都在 800℃以下,可以滿足熱軋的要求[1]。

配備減定徑機組的高速線材軋機,其粗、中、(預)精軋機組孔型一般是所有規格共用一套孔型系統,所有規格產品都由減定徑機組軋出,通過甩機架的辦法實現不同規格產品的軋制。減定徑機組孔型系統有多種,其中達涅利公司采用橢圓 -圓 -橢圓 -圓孔型系統。本文對該孔型系統的軋制變形特點進行分析,試圖找尋合適的熱模擬參數。

2 高速線材減定徑軋制變形特點分析

2.1 有限元模型的建立

軋制產品的規格為 φ12 mm,孔型為橢圓 -圓 -橢圓 -圓孔型系統,四道次軋制。工藝參數的坯料、孔型尺寸與實際生產一致。

模型中軋輥視為恒溫剛性體,軋輥表面溫度取 200℃。初始條件主要是軋件的初始溫度,初始溫度取 750℃,均勻溫度場。邊界條件有摩擦條件和傳熱邊界條件。軋輥與軋件接觸面上采用庫侖摩擦,摩擦系數取 0.2～0.3。傳熱邊界條件包括軋件與周圍環境的對流與輻射換熱,軋件與軋輥接觸時的接觸傳熱。軋件與環境的對流換熱系數取 0.02 kW/(m2·℃);軋件與環境間的輻射換熱系數可根據輻射定律進行轉換,熱輻射率取 0.8;軋件與軋輥之間的接觸熱傳導系數取15 kW/(m2·℃);軋件對稱面采用絕熱邊界處理,即 q=0;由于金屬變形和接觸面的摩擦使軋件產生溫升,其熱功轉換系數取 0.9。

為減少單元數量,節省計算時間,取 1/4軋件進行模擬。軋件材質取為 C22,材料的熱物理性能參數和變形抗力模型取自 MARC材料庫。單元類型選 8節點 6面體單元。為實現連軋,減少單元數量,縮短了機架間距。根據以上條件建立的有限元模型如圖 1所示。

圖 1 有限元模型

2.2 軋件變形程度分析

以等效塑性應變考察軋件的變形情況,K4～K1軋件的應變情況如圖 2所示。

圖 2 軋件斷面等效塑性應變

由圖 2可以看出,雖然減定徑軋制的主要作用是控制成品的尺寸精度,但軋件仍然承受較大的變形量。單道次軋件的最大等效塑性應變在 0.4以上,軋件四道次累積的等效塑性應變范圍為 1.097～1.890,軋件的變形滲透到中心。軋件中心的等效塑性應變大于外層的。但在 K3～K1道次,軋件表面以下的局部區域等效塑性應變達到最大值。

2.3 軋件溫度變化

減定徑軋制為高速軋制,變形和摩擦產生的熱量會使軋件的溫度升高。假設采用低溫軋制,軋件初始溫度為 750℃,K4～K1道次軋件變形后的溫度分布如圖 3所示。

圖 3 軋件斷面溫度 (℃)分布

由圖 3可以看出,每道次軋件斷面的溫度均大于初始溫度 750℃。每道次軋件的最大溫升≥15℃,軋件四道次累積溫度升高為 49.4～76.7℃。軋件斷面溫升并不均勻,軋件中心溫升較大,表面溫升較小。K3～K1道次,軋件表面以下的局部區域溫度達到最大值,這與等效塑性應變的分布相一致,可見溫度升高主要是由變形引起的。

2.4 軋件變形速度分析

根據模擬計算的軋件尺寸和實際生產工藝規程中的軋制速度,計算終軋道次軋件的平均變形速度。軋制過程軋件平均變形速度可用式 (1)計算[2]。

其中,H為軋件軋前高度;h為軋件軋后高度;R為軋輥半徑;v為軋制速度。在孔型中軋制時,H、h、R用 Hc、hc、Rc的形式表示,分別表示軋件軋前平均高度、軋件軋后平均高度、軋輥平均工作半徑。Hc可用軋件軋前面積與寬度的比值計算;hc可用軋件軋后面積與寬度的比值計算;Rc可用式 (2)計算。

式中,D為軋輥直徑。按上述計算方法計算的各道次平均變形速度見表 1。

表 1 各道次平均變形速度

K4～K1道次平均變形速度分別為429.4 s-1、509.6 s-1、 739.2 s-1、869.6 s-1。可見減定徑軋制變形速度相當高。

3 減定徑軋制熱模擬參數分析

3.1 減定徑軋制的熱模擬參數

在 Gleeble熱模擬機上模擬軋制變形,需要確定的變形參數有變形溫度 T、變形程度ε及變形速度等 。

變形溫度 T可以取實際軋制的初始變形溫度,但由于無法模擬高速變形造成的溫升,所以對變形后軋件的溫度也只能近似模擬。

減定徑軋制變形程度可在 Gleeble熱模擬機上較為準確地模擬。由于減定徑軋制為高速軋制變形,機架間的時間間隔很短,可以把減定徑軋制看成一次連續的變形。

3.2 減定徑軋制熱模擬實驗變形程度的確定

通常,在 Gleeble熱模擬機上可以采用壓縮試樣的方法模擬軋件變形。通過有限元模擬的方法確定了減定徑軋制時軋件的變形程度,比如軋件四道次累積的等效塑性變形范圍為 1.097～1.890。同樣采用有限元模擬的方法可以模擬壓縮試樣的變形,確定變形量的大小。

根據熱模擬試驗條件,建立壓縮試驗的有限元模擬軸對稱二維模型。有限元模型的建立的條件和過程與前面類似。試樣為 φ8 mm×12 mm的圓柱狀試樣,變形溫度為 750℃,壓下速度為200 mm/s,取試樣的 1/2模擬,采用剪切摩擦。試樣上兩點等效塑性應變與壓縮量×100%)的關系如圖 4所示。

試樣的兩端金屬變形受工具影響,等效塑性變形差別較大。試樣中間部分 (點 1、點 2所在區域)等效塑性應變差別較小,從點 1到點 2等效塑性應變逐漸減小。若以點 1到點 2等效塑性應變的范圍對應于軋制時軋件斷面的等效塑性應變范圍,則 φ12 mm圓四道次減定徑軋制軋件的變形程度與壓縮量為 80%時的變形程度大致相當。

圖 4 等效塑性變形與壓縮量的關系

4 結論

(1)減定徑軋制采用橢圓 -圓 -橢圓 -圓孔型系統,產品 φ12 mm圓四道次軋制累積的等效塑性應變范圍為 1.097～1.890,溫度升高為49.4～76.7℃。

(2)減定徑軋制變形速度快,K4～K1道次平均變形速度分別為 429.4 s-1、509.6 s-1、739.2 s-1、869.6 s-1。

(3)減定徑軋制變形程度可在 Gleeble熱模擬機上較為準確地模擬,溫度和變形速度只能近似模擬。

[1] 崔銀會,張翠,李運虎.高速線材減定徑機最新技術特點[J].馬鋼職工大學學報,2001,11(1):1-3.

[2] 趙志業.金屬塑性變形與軋制理論 (二版)[M].北京:冶金工業出版社,1994,6.