基于數值模擬的低碳鋼熱軋金屬流動規律研究

單慧云，張 馳，白 梅，汪 舜

(重慶理工大學 材料科學與工程， 重慶 400054)

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基于數值模擬的低碳鋼熱軋金屬流動規律研究

單慧云，張 馳，白 梅，汪 舜

(重慶理工大學 材料科學與工程， 重慶 400054)

在坯料軋制過程中，坯料表層和內部金屬流動情況將決定最終棒材成品的尺寸形狀和產品的性能。通過Deform-3D有限元軟件對20A鋼熱連軋工藝進行數值模擬，研究了軋制過程中不同坯料圓角半徑和軋制溫度對軋件表層金屬流動的影響，通過軋制過程中心部受力狀況及心部的位移大小分析了軋件心部金屬流動規律。研究結果表明：增加坯料的圓角半徑，適當提高軋制溫度有利于減少棒材在軋制過程中圓角處折疊的產生，有助于提高產品質量。

數值模擬；20A鋼；金屬流動規律；坯料圓角半徑；軋制溫度

近年來，隨著軋鋼技術的迅速發展，國內外越來越多的鋼鐵企業采用熱連軋技術生產棒材。熱連軋成形是一個較為復雜的塑性變形過程，軋制時，軋輥孔型前后的軋件的截面變化大，形狀復雜，且在軋制過程中軋件變形區各部分受力情況復雜，應用傳統技術無法實現對軋件外形尺寸及成形過程的準確預測[1]。目前，應用計算機模擬技術對軋制全過程進行仿真模擬，可實現對棒材產品的可制造性和產品質量的預測。本文通過Deform-3D有限元分析軟件，分析了軋制過程中不同坯料圓角半徑和軋制溫度對軋件表層金屬流動的影響，并通過軋制過程中心部受力狀況及心部的位移大小分析了軋件心部金屬流動規律，這對實際的棒材軋制生產中減少缺陷的產生有重要的指導意義。

1 軋制孔型系統的確定

根據軋鋼孔型系統的適用范圍及軋制成形特點，結合某軋鋼廠實際生產選用“橢圓—圓”孔型軋制系統[2-3],經軋鋼孔型設計及相關理論計算最終得到軋制過程各道次孔型的形狀與尺寸，如圖1所示。其中第1、2道次的軋輥直徑為800 mm，第3、4道次軋輥直徑為700 mm。坯料橫截斷面尺寸規格為200 mm×200 mm，長度為1 000 mm。

2 棒材軋制數值模擬

2.1 有限元模型的建立

根據孔型的二維圖以及廠家提供的20A鋼初始坯料尺寸，在UG中建立軋制有限元幾何模型如圖2所示。將20A鋼棒材軋制的三維模型導入Deform-3D前處理后定義對象屬性[4-5]：將坯料20A鋼設為剛塑性材料；軋輥則選擇H13鋼并設為剛性體(不考慮模具的變形影響)。

圖2 軋制模型三維圖

2.2 有限元模擬參數的設置與網格劃分

本文研究的重點是在已建立的高溫本構模型的基礎上研究坯料軋制變形的過程，根據Arrhenius方程建立低碳鋼20A鋼在800～1 000 ℃、應變速率為0.1 s-1～20 s-1條件下變形的高溫本構模型[6]:

exp[-299.33×103/RT]

軋制過程如圖3所示，坯料與軋輥接觸時靠摩擦力咬入軋輥中，在軋輥運轉的帶動下坯料以一定的速度進入下一道次直至軋制過程完成。將本構關系導入DEFROM中，對HV連續熱軋過程進行模擬。具體參數設置如下：

1) 將軋制坯料20A鋼設為剛塑性材料，軋輥H13鋼設為剛性體，不考慮模具的變形影響；

2) 為提高計算機模擬過程的運算速率，對實際軋鋼生產線中各軋輥站之間的間距進行簡化，各機架間間距縮短為1#～2#:850mm，2#～3#:900mm，3#～4#:900mm；

3) 軋制過程考慮到傳熱影響，傳熱邊界條件參數如表1所示。

圖3 軋制過程示意圖表1 傳熱邊界條件

坯料與模具間的熱交換系數/(N·(s·mm·℃)-1)11塑性變形能熱轉換系數0.90軋件與空氣間傳熱系數/N·(sec·mm·℃)-10.02環境溫度/℃20坯料的進料速度/(m·s-1)0.06275開軋溫度范圍/℃900～1200軋輥溫度/℃20最大壓下量<30%

4) 在前處理中對坯料進行網格劃分，在本次模擬中，工件設為塑性體，劃分坯料單元總數79 898，節點數17 372,如圖4所示。

圖4 軋件網格劃分及局部細化圖

在實際生產中，軋制過程易在粗軋道次坯料的圓角處出現折疊(褶皺)等缺陷。因此，在模擬時，對坯料圓角處金屬流動不規律的位置采用局部細化網格法[7]，如圖4箭頭指向。以便于分析軋制過程中金屬的流動情況，同時直觀反映出坯料圓角部在受軋輥下壓時的變形規律。在坯料圓角部位(如圖中A)采取節點追蹤法，用以分析圓角處連續節點在整個軋制變形過程中的等效應力、X方向(寬展方向)的應變、應變速率及金屬流動情況。圖5為坯料圓角過渡處連續節點。

圖5 追蹤節點位置示意圖

因軋制模型為實際軋制模型的1/4，需設置對稱邊界條件，在對稱面上分別定義X=0和Y=0的位移邊界條件。又因軋制過程中運動較為復雜，軋件在X、Y、Z方向都受到力的作用需限定軋件的運動狀態，根據建模的基準設工件沿Z軸方向運動，則使其在X、Y方向的速度為0，即VX=0，VY=0。

2.3 軋制過程軋件表層金屬流動規律分析

2.3.1 坯料圓角半徑對金屬流動的影響

棒材在軋制階段，為掌握表面側壁位置金屬流動狀況，采用節點追蹤法。在坯料圓角過渡處設置13個節點對追蹤點的應變、應變速率及變形速度大小進行分析見圖6。

從圖6可看出坯料圓角過渡處追蹤節點沿寬展方向(X方向)變形速度大小的情況。由各節點對應的變形速度可知：軋件圓角處金屬流動速度大于兩側面金屬。當坯料圓角半徑R為35 mm，在軋件變形過程可看到該處金屬出現為凸起，反映出坯料表面的金屬流動情況為圖中波紋曲線所示，其金屬表面流動較為光滑并沒有凹陷現象，這種情況在后續的軋制過程不易引起折疊缺陷。對比其他方案可知：當坯料圓角R過小時，軋件邊角部金屬沿寬展(X)方向變形速度波動較大，造成圓角處各節點在寬展方向上變形速度形成對流，反映在圓角上呈現波谷凹陷的現象，這種狀況會在后續的軋制道次中受高向軋輥下壓，凹陷部分形成折疊缺陷如圖6(a)所示。

2.3.2 軋制溫度對金屬流動的影響

軋件表面金屬流動狀況不僅受坯料圓角半徑的影響，還受軋制溫度的影響。圖7所示為不同溫度軋制時追蹤節點沿寬展(X)方向變形速度情況。從圖中可以看出：溫度的變化對于速度梯度的變化情況影響很大，尤其是在900～1 000 ℃[8]。如圖7(a)和圖7(b)所示，軋件圓角處有一股金屬向外流動，圓角中心部位向內側流動，圓角處金屬又朝外流動，因而3股金屬流在寬展方向上形成對流。圖7(a)和圖7(b)呈現較深的波谷，此時速度梯度較大，從金屬表面流動情況可以看出：該過程金屬表面較容易產生折皺缺陷；而在1 100 ℃時金屬表面流動沿同一方向流動不易形成缺陷。

2.4 軋制過程軋件心部金屬流動規律分析

除軋件表層金屬流動情況會影響產品質量外，對軋件心部金屬流動情況的分析同等重要。心部金屬流動不均可能引起縮孔縮松等缺陷，這里主要對軋制過程心部受力狀況及心部的位移大小進行分析，圖8為軋件心部應力應變分布云圖。

圖6 不同寬度坯料軋制區追蹤節點X方向變形速度及圓角金屬流動情況

圖7 不同溫度軋制時追蹤節點X方向變形速度及圓角金屬流動情況

圖8 軋制斷面應力應變分布

從軋件橫斷面應力分布狀況可看出：在軋制成形過程變形區內，心部的應力值為負，即棒材在軋制過程心部受壓應力作用；外圍應力值為正即受拉應力。且靠近表層金屬應力值越大，說明變形越劇烈。為定量分析軋件心部金屬沿軸向Z方向的流動情況，將采取對心部A、C區域選取一系列節點追蹤心部金屬沿Z方向變形速度和位移，以判斷金屬流動是否連續[9]。圖9為心部各節點流動速度和位移大小隨時間變化的曲線圖。

從9圖中看出：軋件內部金屬各節點沿Z方向變形速度較連續，且沿Z向位移大小一致，說明心部金屬流動呈連續變形特性，在變形過程中不易產生縮孔縮松缺陷。

圖9 軋件心部各追蹤節點沿Z方向的變形速度及位移大小

3 結論

1) 增加坯料的圓角半徑可有效減少表面折疊缺陷的產生。

2) 提高軋制溫度有利于金屬沿寬展方向的位移和速度波動減緩，且流動速度較均勻，可有效消除表面折疊缺陷。

3) 折疊的形成是由于軋件圓角部位在成形過程因應力、應變分布不均勻，等效應變速率梯度較大，導致沿寬展方向變形速度梯度較大，使金屬在成形時流動不均勻而形成，且折疊缺陷出現在軋件圓角側壁處。

[1] 張焰,白亞斌.大圓鋼軋制三維塑性變形有限元模擬[J].四川冶金,2008(5):1001-5108.

[2] 孔哲.高速線材粗中軋機組孔型系統分析[J].冶金設備管理與維修,2013(2):47-53.

[3] 徐鐵偉,蔣一征,孫小平,等.計算機模擬在軋制孔型優化和控制中的應用[J].鍛壓技術,2014(7):144-148.

[4] 蔡飛飛,劉新寬,劉平,等.銅鎂合金棒料連續擠壓微觀組織演變數值模擬分析[J].鍛壓技術,2015(3):142-146.

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[6] 白梅,張馳,沈國寶.20A鋼熱塑性變形的應力-應變本構模型研究[J].精密成形工程,2014(4).

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(責任編輯 何杰玲)

Numerical Simulation Study of Mental Flow Law of Low-Carbon Steel in Hot Rolling

SHAN Huiyun, ZHANG Chi, BAI Mei, WANG Shun

(College of Materials Science and Engineering,Chongqing University of Technology, Chongqing 400054， China)

In billet rolling process，the surface and internal flow of the metal will determine the final shape of the finished product and the performance of the product. In this paper, the numerical simulation of hot rolling process of 20a steel was carried out by using DEFORM-3D finite element software. It studied the influence of the rolling process of different billet radius and rolling temperature on the workpieces surface of metal flow, and also had an analysis of the center of the rolling process of displacement force condition and core. The results show that increasing the fillet radius and the rolling temperature properly could help to reduce product defects and improved the quality successfully.

numerical simulation; 20A steel; metal flow law; blanking corner radius; rolling temperature

2017-03-02

重慶理工大學研究生創新基金資助項目(YCX2015214)

單慧云(1992—)，女，安徽人，碩士研究生，主要從事精密體積成形方面研究,E-mail:1594029106@qq.com；通訊作者 張馳(1964—)，男，碩士，教授，主要從事金屬精密塑性成形工藝、模具及設備方面研究。

單慧云，張馳，白梅，等.基于數值模擬的低碳鋼熱軋金屬流動規律研究[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2017(7):96-101.

format：SHAN Huiyun, ZHANG Chi, BAI Mei, et al.Numerical Simulation Study of Mental Flow Law of Low-Carbon Steel in Hot Rolling[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(7):96-101.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.07.015

TG334.9

A

1674-8425(2017)07-0096-06