棒材多道次軋制過程數值模擬

侯潔

（一重集團大連設計研究院有限公司， 遼寧　大連　116600）

試（實）驗研究

棒材多道次軋制過程數值模擬

侯潔

（一重集團大連設計研究院有限公司， 遼寧大連116600）

以棒材軋制過程為研究對象，運用Marc商用有限元軟件建立了典型孔型下的棒材多道次軋制模型。通過數值模擬得到了金屬變形規律、溫度場及力能參數等。模擬結果不僅可以深入分析軋件金屬在各種孔型中的變形機理，還可以為實際生產和工藝優化提供有效參考。

棒材軋制工藝參數MARC

棒材在制造業、交通業、建筑業等行業中應用廣泛，對我國國民經濟的發展起著重要作用。隨著鋼鐵去產能的進一步擴大，市場競爭日益激烈，促進先進生產工藝和軋制技術不斷發展[1]。對棒材軋制而言，由于其孔型的多樣性，常規的軋制理論及解析計算具有一定的局限性，有限元技術通過將求解未知場變量的連續介質劃分若干單元，可以適應各種復雜形狀和外部條件，對工程問題求解出相對真實的相關參量[2]。

對棒材軋制過程進行多道次數值模擬，不僅可以在軋線設計時對可軋產品范圍、軋制工藝參數、生產能力等進行評估，為軋機設計提供數據參考；還可以對現有軋線產品的溫度場和力能參數等進行計算分析，優化軋制工藝和生產方案。

1　多道次軋制模型的建立

棒材的熱軋成形過程是一個包含多物理場的復雜問題，具有材料非線性、幾何非線性以及邊界條件非線性等特點。由于棒材多道次軋制的連續性，剛塑性有限元法無法體現軋件的彈性變形以及各道次軋后的殘余應力和殘余應變，因此，本文以彈塑性有限元為基礎，建立了考慮軋件溫度場和金屬大變形的熱力耦合分析模型。

本文采用某棒材廠精軋過程（第12—17道次）的實際軋制數據，軋件材質為Q235，坯料截面尺寸為Φ165 mm，經粗軋后截面尺寸為Φ42 mm，成品截面尺寸為Φ22 mm，工藝參數包括軋制道次、孔型尺寸、軋件尺寸以及軋件溫度和軋制速度等，具體數值如表1所示。

表1　棒材精軋過程軋制工藝參數

根據現場數據，運用MARC有限元軟件[3-4]對該精軋過程中橢圓-圓，圓-橢圓等6個道次的軋制過程進行建模及仿真，為同時保證有限元的計算精度和計算效率，對各個道次的軋制模型設定如下：

1）軋件材料采用Von Mises屈服準則，金屬流動采用Prandtl-Reuss法則；

2）基于軋輥與軋件的對稱性，采用1/2模型；

3）由于軋輥輥型的復雜性，并且軋輥的彈性變形相對軋件的彈塑性變形而言所占比重很小，因此，假設軋輥為剛體；

4）軋件溫度計算的邊界條件包括：熱輻射、軋制變形功、與軋輥接觸熱傳導以及與空氣對流換熱[5]；

5）軋件與軋輥摩擦類型為剪切摩擦；

6）為方便軋件順利咬入，建立一個剛性面作為軋件的恒速推板，該剛性面的速度應小于軋輥轉速，當軋件順利咬入后，剛性面脫離；

7）軋件形狀主要為橢圓或圓形，相對四面體單元而言，采用六面體單元可以用較小的單元數目獲得相對較高的計算精度，本文首先在軋件橫截面進行網格劃分，通過延長度方向拉伸獲得六面體單元。

建立的幾何模型如圖1所示。

2　有限元模擬結果及分析

各道次出口幾何形狀如圖2所示，可以看出，軋件形狀與軋輥孔型形狀貼合較好，與實際軋制工況相符，反應了軋件金屬的真實流動規律。

圖1　軋制模擬幾何模型

圖2　軋件各道次出口幾何形狀

2.1溫度場分析

分別以橢圓孔出口和圓形孔出口的溫度場分布為研究對象，如圖3所示。

軋件出口溫度分布基本呈現中心高、外表低的特點，這與實際情況是相符的。在軋制中，由于軋件金屬表面存在著熱輻射、與軋輥接觸、與空氣對流等因素，表面溫度迅速降低。從圖3-1還可以看出，橢圓孔出口軋件的頂部和邊部溫度較低，而1/4處溫度相對較高，這是由于此處與軋輥接觸面積不足，熱傳導較少形成的。

圖3　軋件出口溫度場分布

2.2力能參數對比

精軋各道次從咬入到拋鋼軋制力變化過程如圖4所示，為減少模擬規模，所取軋件較短，因此各道次穩定軋制階段較短，但是仍能反映出真實軋制情況下的軋制力變化規律。從圖中還可以看出，第12、14、16道次（入口截面圓形，出口截面橢圓）的軋制力較大，而13、15、17道次（入口截面橢圓，出口截面圓形）的軋制力較小。這是由于出口截面是橢圓時，軋輥與軋件的接觸面積較大；而出口截面是圓形時，為了保證截面形狀的尺寸精度，延伸系數較小，軋輥與軋件的接觸面積較小。

為了驗證棒材多道次軋制模擬的準確性，本文提取了實際生產數據中精軋各道次的軋制力進行對比分析，如下頁圖5所示。

圖4　精軋各道次軋制力變化曲線

圖5　有限元模擬與實測軋制力對比

從圖5中可以看出，各道次軋制力的有限元模擬值與實測值較為接近，最大誤差約為7.6%，具有較高的模擬精度，能夠反映實際軋制規律，對現場生產具有較高的指導意義。

3　結論

1）本文針對棒材軋制，采用MARC有限元軟件對精軋過程建立了多道次熱力耦合模型，經過模擬計算，得到了軋件溫度場及力能等參數。

2）通過與實測值對比，軋制力最大計算誤差不超過10%，具有較高的計算精度，所建模型真實反映了軋件在不同孔型中的彈塑形變形規律，對實際生產具有較高的指導意義。

[1]王快社，劉軍帥，梁彥安，等.線棒材生產現狀及發展趨勢[J].甘肅冶金，2004（12）：4-7.

[2]趙雪峰.棒線材軋制模擬系統的研究[D].秦皇島：燕山大學，2005：3.

[3]陳火紅，楊劍，薛小香，等.新編marc有限元實例教程[M].北京：機械工業出版社，2007.

[4]戴曉光.五道次孔型軋制40Cr大圓鋼有限元模擬分析[J].重型機械，2006（1）：34-38.

[5]向勇，譚建平.棒材熱軋過程的三維溫度場有限元分析[J].中南大學學報，2008（12）：1 262-1 266.

（編輯：趙琳琳）

Numerical Simulation of the Bar Rolling with Multiple Passes

HOU Jie
（Dalian Design Institute of CFHI，Dalian Liaoning 116600）

Based on the process of bar rolling，the mode of bar rolling with multiple passes was built by the Marc commercial finite element software.The law of metal deformation，temperature field and energetic parameter got by numerical simulation.The results not only can analyze the the deformation mechanism in the pass of all kinds of rolled pieces，but can also provide the effective reference for actual production and process optimization.

bar rolling，technological parameter，MARC

TG304

A

1672-1152（2016）04-0041-03

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2016.04.14

2016-06-13

侯潔（1988—），女，助理工程師，研究方向：冶金連鑄，現就職于一重集團大連設計研究院有限公司。