有限元仿真切分軋制孔型設計及力能計算

張仲良 ，肖元忠 ，蒲春雷 ，張明亞 ，彭曉文

（1.中冶華天工程技術有限公司，江蘇210019；2.安徽長江鋼鐵股份有限公司，安徽243000；3.安徽工業大學，安徽243000）

0 引言

螺紋鋼軋鋼工藝設計中，以主要產品規格（鋼種、尺寸、產能）為對象，計算其在各機架軋機的力能載荷（軋制力、軋制扭矩、軋制功率、轉速等）值，是設備選型和設計，以及進一步向下游液壓、電氣、土建等專業提設計資料的重要基礎參數[2-6]。切分軋制工藝平輥壓下前的孔型系統，與其它規格棒、線產品在粗、中軋中采用的箱型孔系、橢圓—圓孔系可共用，相關計算也很成熟，但公開的資料中適用于切分軋制工藝設計的通用理論算法或經驗公式很少。目前設計里采用的基于等效高度（寬度、壓下量）艾克隆德力能載荷計算方法，并不適合切分工藝設計中涉及的孔型系統，本文以某鋼鐵φ12×4切分工藝，設計了切分孔型，通過有限元仿真方法，得到了軋件成型中尺寸形貌、溫度、力能載荷等變化，得到一些有益結果。

1 切分軋制工藝的主要意義和特征

1.1 切分軋制工藝的主要意義

作為一種成熟的應用于螺紋鋼軋線技術，切分軋制對生產的主要意義有[7-9]：

（1）顯著提高小規格螺紋鋼筋（≤φ25 mm）產量、均勻加熱爐小時產量，增加軋線產能的同時，并不對最大終軋速度提更高要求；

（2）在不增加軋機數量前提下，實現小規格和大規格產品采用同種鋼坯，減少原料種類，簡化了粗、中軋孔型系統；

（3）切分軋制對螺紋鋼軋線主體工藝和設備無特殊要求，投入少，產出高，見效快。小規格鋼筋的生產均可采用切分軋制形式生產，“一切四”生產φ10 mm 螺紋鋼的終軋速度可達14.2 m/s，小時產能100 t。

1.2 切分軋制工藝的主要特征

小規格螺紋鋼切分軋制的主要工藝特征是[10]，軋件經某道立輥圓孔型后（通常是中軋第10 機架），經一道或兩道水平光輥軋機軋制，使軋件橫斷形貌從圓形縱向壓縮，橫向自由寬展變為矩形，然后采用一道立式軋機箱型孔定寬，最后通過4 機架水平軋機（K4～K1）完成并聯軋件的相互分離和各線的成品軋制。其中，K4 為預切，K3 為切分，K2 為成品前橢圓孔，K1 為成品孔。一般在K3～K2 機架間設有切分輪設備，通過刀片切割以及合理設計的切分刃壓力作用，實現并聯軋件上各軋件間的分離，在K2～K1 機架間設有扭轉導衛設備，實現出橢圓孔K2 的各線軋件旋轉90°后進入成品圓孔機架K1。

2 切分設計及有限元仿真關鍵技術

2.1 φ12 mm×4 切分軋制道次分配

以165 mm 方連鑄坯為原料，經粗、中軋10 道次后，得到直徑φ45 mm，溫度1 000 ℃的軋件。隨后的軋制道次，先用軋制程序表設計11H（平棍，延伸率 1.126），12V（空過），13H（平棍，延伸率 1.284），14V（箱，延伸率1.081），15H（K4 預切，延伸率1.326），16H（K3 切分，延伸率 1.169），17H（K2 橢圓，延伸率 1.188），18H（K1 成品孔，延伸率 1.286），計17 道次軋制，實現4 切分生產φ12 mm 螺紋鋼。

五陽礦76采區2號專用回風巷北部為正在回采的7607工作面及已經回采完畢的7601、7603、7605等工作面，南部為尚未完全穩定的7605采空區。該巷作為沿空留巷巷道，經歷多次強烈采動影響，礦壓巨大。工作面的采動會產生較大的水平應力，這是巷道頂底板和兩幫發生巨大變形的主要原因。76-2號專用回風巷底板深部(基本底)處于堅硬的巖體之中，兩幫煤體強度遠低于底板，巷道在采動超前支承應力、較高的水平及垂直原巖應力等多種應力作用下，兩幫煤體率先發生破壞，進而導致上覆巖層的重力通過彈塑性區的圍巖傳遞到底板巖層，在由采動產生的水平應力作用下底板向巷道內擠壓、凸起，產生破壞，形成底鼓。

2.2 切分孔型設計

11H 機架為圓-平孔系，圓進平輥的最大特點是以寬展為主，延伸和斷面收縮較小，壓下量不能太大或太小，取50%左右；

13H 為扁-平孔系，扁平孔型系統具有較小的延伸系數，壓下量不宜過大，取30%左右；

14V 為平輥到箱型立輥，孔型的主要作用是規整13H 平輥孔后的軋件寬度尺寸，為預切分孔型提供斷面尺寸合適的軋件，關鍵孔型參數為：孔型高度（H=0.8H0），孔型側壁斜度在 5.7～14°之間，槽底寬度 bk=（1.01～1.06）b0；

15H（K4）預切分孔主要是提高切分穩定性和均勻性，減少切分孔型不均勻性，在14V 軋件上需精確分配對稱軋件斷面面積，定位切分楔壓下，盡可能減少切分孔型負擔，關鍵孔型參數為：切分楔頂部有為減少磨損的小半徑圓倒角，孔型充滿度應超過0.95，連接帶高度在孔型高度0.47 左右，孔型高度約來料0.925 左右；

16H（K3）切分孔型，主要作用是切分楔繼續對切分帶壓下，使連接帶厚度低于切分輪撕開并聯軋件臨界值，同時并聯軋件圓度更高，關鍵孔型參數為切分楔過渡圓角更小，軋件連接帶厚度足夠小，孔型高約0.85H0；

17H（K2）成品前橢圓孔，主要作用是使切分后的各軋件側面形成充分鼓形寬展，減少切分帶撕開后產生毛刺高度，消除切分帶可能對成品造成類似“花邊”和“折疊”的缺陷，關鍵孔型參數為壓下變形量大于40%，寬展變形量大于20%；

18H（K1）成品孔設計與單線軋制孔型設計完全相同，采用切線法。

φ12 mm 四線切分導衛工作中，先用切分前輪將旁邊兩分支切開，再用切分后輪將中間兩分，過程中主要借助切分輪上切分楔作用，使軋件切分帶處產生強迫寬展，形成的裂紋不斷擴展后完成軋件縱向切分，關鍵設計參數為切分楔內外傾角值。

另一方面，基于切分軋制工藝得到的成品軋件，在宏觀形貌尺寸與力學性能上，應與單線軋制結果相似，也可逆向設計各道次延伸系數、面積及孔型。

2.3 有限元仿真切分軋制關鍵技術

Anasys、Marc、Abaqus、Deform 等軟件均可對金屬大塑性變形成型過程進行仿真，但在基礎理論單元類別、計算速度、收斂準則等方面有顯著區別就切分軋制有限元仿真的共性關鍵技術有：（1）材料基礎熱物及力學性能數據庫；（2）軋輥孔型幾何形貌和尺寸劃分；（3）軋件多道次大塑性變形下的處理及狀態變量傳遞；（4）有限元計算精度與速度平衡；（5）考慮組織演變和相轉變的模型計算；（6）基于熱傳導、對流、輻射的軋件溫度模擬；（7）軋件延伸率計算[8-10]。

3 有限元仿真結果與分析

3.1 切分結果與分析

圖1～7 給出了10H 軋出的直徑φ45 mm，溫度1 000 ℃軋件，經11H～18H 架軋機的宏觀尺寸形貌、橫截面溫度分布變化，圖8 給出了有限元計算得到的典型道次（11H 平輥）力能載荷值（軋制力、軋制扭矩、軋制功率）。

圖1 來料和11H 平棍

圖2 13H 平棍和14V 立棍

圖3 15H，預切谷底壓下量1 mm，切分契壓下量6 mm：

圖4 16H，切分谷底壓下量2 mm，切分契壓下量2.5 mm

圖5 前后兩切分輪實現四線切分

圖6 中，a 和c 為邊部軋件入17H 軋機前后的形狀；b 和d 為中間軋件入17H 軋機前后的形狀。

圖7 中，a 和c 為邊部軋件入18H 軋機前后的形狀；b 和d 為中間軋件入18H 軋機前后的形狀。

圖6 17H 成品前橢圓孔，壓下量6mm

圖7 18H 成品圓孔，壓下量7 mm

圖8 第11H 力能載荷計算結果

由圖 1～7 可見，11H～18H 軋制中，兩道次平輥縱向合計60%壓下量，使軋件橫截面由圓變為矩形；14V 定寬箱型孔實際壓下量很?。?.25 mm）；15H 預切中孔型谷底壓下量?。? mm），切分帶變形量大（6 mm）；16H 切分孔型谷底壓下量（2 mm）與切分契壓下量（2.5 mm）相近；并聯軋件邊部較快的散熱導致橫向溫差＞50 ℃，而中間軋件橫向溫差保持在50 ℃以下；切分帶處持續的集中變形使溫升較大，達到 1 130 ℃。

由于11H～16H 同道次軋輥孔型和散熱條件的不同，造成并聯軋件邊部和中間區材料在溫度梯度、形變程度、形貌尺寸上有顯著不同，傳遞到17H、18H 后，差別被進一步加大，邊部軋件均溫約1 090℃，溫差＞60 ℃，中間軋件均溫約 1 100 ℃，溫差＜20℃，尺寸上與設計表中預計的11. 3 mm 相差不大。

由于孔型作用，軋件各區的實際壓下量、接觸面積，以及由此引起的塑性變形和溫升存在差別，對計算宏觀力能載荷構成影響，常用的經典算法以“平均法”（等效）基于經驗公式進行處理，然而公開的文獻資料中對于適用于切分工藝經驗計算方法很少。表1 給出了軋制程序表結果與有限元計算值對比及因素匯總結果，其中定寬的14V 箱型孔結果偏差最大，主要原因在于經驗計算中，兩道平輥壓下后軋件自由寬展量計算值偏大所致，其它道次上有限元計算的軋制力、力矩、功率均較小的因素如表1 末列所示。

表1 軋制程序表結果與有限元計算值對比及因

3.2 470 軋機 φ35 mm～φ55 mm 軋件經‘圓-平’孔系寬展仿真

為便于計算圓-平輥后的軋件寬度，通過有限元仿真和簡單的Matlab 數據處理，得出了經驗計算公式。

如上文內容，按K4 孔（第15H 道次）預切分的要求，對于經第10 道立輥軋制得出的圓型軋件，將要通過第11 道次平輥，進行一定壓下率的軋制。來料圓直徑和壓下率，對軋件橫向寬展、軋制力、軋制扭矩、軋制功率等軋機力能參數有顯著影響。經模擬，得出了假設經第10 道次圓孔型生產出直徑為35 mm、40 mm、45 mm、50 mm、55 mm 軋件，經 470軋機25%，40%，55%，70%，85%壓下量的成型結果進行匯總，匯總結果見表2。軋件直徑和自由展寬曲線如圖9 所示。

由表2 知，隨壓下量增大，φ35 mm 圓經平輥壓下后的寬展量逐漸增加，與在其它條件下得到的規律相似，φ50 mm 和φ55 mm 在 70%或85%條件下的壓下已失去意義（無法咬入或軋件壓下量過大而開裂）。圖9 表明，25%，40%，55%壓下量下，隨軋件直徑增加，軋件自由寬展量基本線性加大，方程斜率相近，但截距有所差別。通過數據分析和擬合，得出經驗公式：b=k0d軋+b0。式中：壓下 25%時 k0為0.916，b0為 7.14；壓下 40%時 k0為 1.02，b0為 5.73；壓下55%時k0為0.78，b0 為21.6。將設計值對應的現場實測值，放入圖9 后，得到黑色方框所示數據點，對比可見，經驗公式較好的預測出了結果，對比后模型誤差在9.7%范圍內。

表2 φ35 mm～φ55 mm 直徑圓經470 軋機平輥軋制在不同壓下量的寬展 /mm

圖9 軋件直徑及壓下量對橫向自由寬展量的影響

4 結論

（1）切分孔型的設計和軋制工藝均略顯復雜，等效法經驗計算的力能載荷計算值偏大，主要是軋件寬展、接觸面積、各變形區差異難準確體現，用有限元校核可作為重要設計工具；

（2）并聯軋件在邊部和中間的溫差，會顯著影響成品質量（線差和力學性能），應考慮預切和切分道次設計中圓滑邊部，降低邊部散熱；

（3）仿真所得經驗公式，可較準確預測出計算圓-平孔系軋件寬展。