H型鋼立軋壓下量對R角變形的影響分析*

孫會朝，梁 棟，吳 允，孫慶亮

（萊蕪鋼鐵集團(tuán)有限公司 技術(shù)中心，山東 萊蕪271104）

1 前言

H型鋼在軋制過程中經(jīng)常出現(xiàn)腹板折疊現(xiàn)象。腹板折疊屬于軋制缺陷，因孔型設(shè)計不當(dāng)或軋機(jī)調(diào)整不當(dāng)，在孔型開口處因過盈充滿而形成耳子，再經(jīng)軋制而將耳子壓入軋件本體內(nèi)，但不能與本體焊合形成，其深度取決于耳子的高度。另外，腰、腿之間圓弧設(shè)計不當(dāng)或磨損嚴(yán)重，造成軋件表面出現(xiàn)溝、棱后，再軋制也會形成折疊。該缺陷對型鋼表面質(zhì)量和強(qiáng)度都會產(chǎn)生不良影響。目前，采用有限元方法對H型鋼的軋制過程開展的研究較多［1-5］，但主要是從變形、金屬流動、應(yīng)力應(yīng)變的角度對H型鋼軋制進(jìn)行了分析，而對于腹板折疊的機(jī)理及其影響因素，目前尚未見報道。

本工作利用三維熱力耦合彈塑性有限元模型，通過改變開坯軋機(jī)中立輥的壓下量，完成不同工況的模擬仿真分析。計算得出立輥不同壓下量下R角半徑的變化曲線，從軋輥R角和軋件R角匹配角度闡述腹板折疊的機(jī)理，為解決腹板折疊問題提供理論依據(jù)和指導(dǎo)。

2 軋制工藝

萊鋼UC305 mm×305 mm規(guī)格近終形連鑄異型坯軋制過程中經(jīng)常出現(xiàn)腹板折疊現(xiàn)象。該近終形連鑄異型坯軋制工藝流程為：連鑄坯→加熱→除鱗→BD往復(fù)開坯→UR-UE-UF往復(fù)連軋→分段切尾→冷卻。開坯軋制采用異型孔平軋和箱型孔立軋相結(jié)合，其中異型孔2個，箱型孔1個。BD（開坯）軋機(jī)軋輥及軋件簡圖見圖1。本研究主要針對BD往復(fù)開坯中的E孔型（即立軋孔型）進(jìn)行仿真。

圖1 BD軋機(jī)軋輥簡圖

為了解決腹板折疊現(xiàn)象，同時從理論上找出腹板折疊產(chǎn)生的原因，將軋制規(guī)程分成了26種工況，每一種工況下軋制速度為2.0 m/s，鑄坯出爐溫度為1 200℃，軋制時間為8 s，間隙時間為9 s，每種工況的壓下量為（14＋2n）mm，n=1～26。

3 仿真方案

計算過程中為縮短求解時間而減少了單元量，根據(jù)H型鋼的對稱性進(jìn)行模型的1/4簡化［3］。在軋件長度方向進(jìn)行相應(yīng)的簡化處理：縮短軋件長度至滿足穩(wěn)定軋制階段的要求。仿真中軋件長度定為400 mm，模型簡化及網(wǎng)格劃分見圖2。

圖2 模型簡化及網(wǎng)格和R角節(jié)點(diǎn)編號示意圖

仿真分析時間的設(shè)定按照如下原則：工況軋制過程仿真分析設(shè)定的物理時間需滿足軋件可以完全拋出的要求；間隙空冷仿真分析的物理時間為前后兩道次實(shí)際軋制時間之和的1/2減去軋制過程仿真分析設(shè)定的物理時間，再加上實(shí)際間隙時間。模型采用熱力耦合分析方法進(jìn)行仿真，軋件鋼種為低碳鋼，采用溫度相關(guān)的材料模型，顯式時間積分算法進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算，隱式時間積分算法進(jìn)行溫度計算。假定坯料出爐溫度為1 200℃，經(jīng)除鱗后進(jìn)入BD軋機(jī)。

計算過程中，軋件與軋輥采用8節(jié)點(diǎn)6面體單元進(jìn)行離散，假設(shè)除鱗時間為0.5 s，除鱗過程中的傳熱系數(shù)為45 kW/（m2·K）［6］。軋制變形過程中塑性功轉(zhuǎn)換為熱的有效系數(shù)設(shè)定為0.9；采用剛性軋輥，假設(shè)軋輥溫度恒定為300℃。軋輥與軋件之間的熱交換主要以熱傳導(dǎo)的形式進(jìn)行，假定傳熱系數(shù)為50 kW/（m2·K）。高溫下的軋件存在輻射和對流，選擇軋件模型的表面進(jìn)行相關(guān)邊界條件的設(shè)定。

本研究主要考慮除鱗后軋件在不同壓下量下的變形情況，所以將坯料出加熱爐后至BD軋機(jī)前的計算結(jié)果作為計算的初始條件，包括此時的溫度、應(yīng)力和應(yīng)變等。仿真分析過程，全局坐標(biāo)系下的Z方向為軋制方向，Y方向為壓下方向。

4 仿真結(jié)果與分析

按照上述工況及仿真條件進(jìn)行計算，提取每一工況下軋件R角節(jié)點(diǎn)X方向和Y方向坐標(biāo)，每種工況提取30個節(jié)點(diǎn)（圖2，即R角部位的30個節(jié)點(diǎn)）。對每個工況的30個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合，得出不同壓下量下R角的半徑值（異型坯R角初始半徑為70 mm）如表1所示。

表1 不同壓下量下的R角半徑值

4.1 R角曲線擬合

對表3進(jìn)行曲線擬合，進(jìn)而得出不同壓下量下R角的半徑值。假設(shè)R角部位的曲線解析式如下：

將X和Y寫成矩陣形式：［x］→［n×1］，［y］→［n×1］。則式（1）可寫為：

求解式（2）得：

式中，x、y為實(shí)際取點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)，［x y 1］-1為［x y 1］的逆矩陣（可依據(jù)情況不同根據(jù)高斯消元、QR分解等方法求解）。

4.2 結(jié)果分析

圖3為不同壓下量對R角半徑變化的影響規(guī)律。由圖3可以看出，隨著壓下量的增加，R角半徑值減小，R角半徑值的變化呈近線性變化，其解析式為r=70.29-0.198d。其中d為壓下量，mm；r為R角擬合半徑，mm。

圖3 不同壓下量對R角半徑變化的影響規(guī)律

此外，由圖3還可以看出，隨著壓下量的增加，R角半徑的標(biāo)準(zhǔn)差逐漸增大，意味著R角的變形隨著壓下量的增加而增大。R角的形狀越來越不光滑，為后續(xù)的水平軋制造成困難。

不同壓下量下R角部位30個節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)距圓心的偏差如圖4所示。由圖4可以看出，R角部位的30個節(jié)點(diǎn)距離擬合圓心的位置呈近余弦規(guī)律變化；且隨著壓下量的增加，距離偏差波動增大。

圖4 不同工況下節(jié)點(diǎn)半徑偏差

考慮到1號和30號節(jié)點(diǎn)分別與H型鋼翼緣和腹板接觸，計算誤差一般會偏大，故不考慮這兩點(diǎn)。由圖還可以看出，不同工況下22號節(jié)點(diǎn)處金屬明顯外突。各點(diǎn)所受應(yīng)力如圖5所示，可看出22點(diǎn)附近應(yīng)力最大，因此該點(diǎn)有著最大的變形量。而8號節(jié)點(diǎn)附近明顯內(nèi)凹，易形成R角折疊，但該點(diǎn)位置對腹板折疊現(xiàn)象不產(chǎn)生影響，此處不再作進(jìn)一步闡述。

圖5 R角處不同節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力

壓下量為38、44、18和60 mm下的斷面金屬流動如圖6所示。由圖6可以看出，壓下量為38 mm和44 mm下，斷面X方向的金屬流動在22號節(jié)點(diǎn)附近尤為劇烈，容易產(chǎn)生腹板折疊拉絲現(xiàn)象。而除此二者之外的壓下量，如壓下量為18 mm和60 mm斷面X方向的金屬流動在22號節(jié)點(diǎn)附近雖然波動較大，但是不劇烈。而計算的H型鋼UC305 mm×305 mm規(guī)格的現(xiàn)場實(shí)際軋制壓下量為40 mm，也是出現(xiàn)了腹板折疊，計算結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)際情況吻合。

圖6 斷面X方向金屬流動

通過表1所示26種工況對比分析發(fā)現(xiàn)，針對UC305 mm×305 mm規(guī)格H型鋼，隨著立輥壓下量的增加，R角半徑減小，波動增大。壓下量存有兩個臨界點(diǎn)，即壓下量為38 mm和44 mm，在兩個臨界點(diǎn)之內(nèi)容易出現(xiàn)腹板折疊，而在臨界點(diǎn)之外出現(xiàn)腹板折疊的概率較小。

由于上述現(xiàn)象的存在，在H型鋼軋制過程中，為了保證H型鋼的軋制質(zhì)量，需要對軋輥R角部位進(jìn)行改進(jìn)。可以根據(jù)立輥的壓下情況適當(dāng)調(diào)大軋輥R角半徑。

5 結(jié)論

5.1 隨著壓下量的增加，R角半徑減小，而且基本呈線性關(guān)系。

5.2 隨著壓下量的增加，R角半徑標(biāo)準(zhǔn)差增大，意味著R角形狀波動增大，越來越不光滑。

5.3 不同壓下量下22號節(jié)點(diǎn)處的金屬波動較大。提出了H型鋼腹板折疊出現(xiàn)的臨界條件，即壓下量≤38 mm或壓下量≥44 mm。

5.4 在H型鋼軋制過程中，為了保證H型鋼軋制質(zhì)量，需要對軋輥R角部位進(jìn)行改進(jìn)。可以根據(jù)立輥的壓下情況適當(dāng)調(diào)大軋輥R角半徑，可減少腹板折疊現(xiàn)象發(fā)生。

［1］ 奚鐵，錢奕峰，章靜.H型鋼開坯軋制變形分析［J］.軋鋼，2004，21（6）：47-49.

［2］ 馬光亭，臧勇，朱國明，等.H型鋼萬能軋制過程中金屬流動的有限元分析［J］.北京科技大學(xué)學(xué)報，2008，30（2）：165-168.

［3］ 朱國明，康永林，陳偉，等.H型鋼多道次可逆開坯軋制過程的三維熱力耦合仿真分析［J］.中國機(jī)械工程，2007，18（14）：1 747-1 750.

［4］ 劉才，卜勇力，趙文才.H型鋼軋制翼緣不同壓下量的應(yīng)力應(yīng)變分析［J］.軋鋼，1999，16（4）：11-14.

［5］ 王欣，王長松，尹佐勇，等.H型鋼軋制過程的計算機(jī)仿真［J］.北京科技大學(xué)學(xué)報，2003，25（6）：560-562.

［6］ 唐廣波，劉正東，康永林，等.熱軋帶鋼傳熱模擬及變形區(qū)換熱系數(shù)的確定［J］.鋼鐵，2006，41（5）：36-40.