重軌開坯孔型系統優化及有限元模擬分析

付國龍，顧雙全，趙利永，李聰穎，劉小燕

（1.邯鄲鋼鐵集團有限責任公司 大型軋鋼廠，河北 邯鄲 056000；2.東北大學 軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室，遼寧 沈陽 110004）

現代重軌生產中，一般以連鑄矩形坯為坯料，采用萬能法進行鋼軌的軋制，由于連鑄坯內部存在縮孔、夾雜物等缺陷，鋼軌在從坯料到成品的軋制過程中一般需保證到9：1以上的壓縮比。因此，重軌在軋制時需首先在BD區兩輥可逆軋機上進行開坯軋制，開坯軋制的總壓縮比可達5：1以上，其中，箱型孔軋制7道次，異型孔軋制5道次，如圖1所示。

圖1 重軌BD區開坯孔型配置圖

由于異型孔軋制過程中，軋件發生不均勻變形，孔型側壁沿徑向方向線速度差較大，造成孔型磨損快、軋制量低，尤其是BD2軋輥中的帽形孔、切深孔和延伸孔的軋制量僅為3000t～4000t，輥耗成本過高。為降低BD區軋輥成本，需對BD區開坯軋輥孔型進行優化設計和重新配置，提高軋輥軋制量。

1 軋輥孔型配置及軋制參數優化

1.1 孔型配置優化

由于異型孔中孔型磨損量存在差異，帽形孔、切深孔和延伸孔磨損量較大，先導孔和梯形孔磨損量較小，因此，將BD2軋輥中的切深孔和延伸孔進行雙孔配置，但受輥身長度的限制，需將梯形孔及帽形孔移至BD1軋輥。

原BD1軋輥配置箱型孔3個，箱型孔軋制7道次，將BD2梯形孔及帽形孔移至BD1后存在以下問題：①BD1輥身長度不夠無法安置新增的3個孔型；②BD1軋制道次增加為9道次，與BD2的3道次嚴重不匹配，拖累軋制節奏。因此，需要將BD1中的3個箱型孔減少至2個，并將箱型孔的軋制道次由7道次減少至3道次，優化后的軋輥孔型配置如圖2所示。

圖2 優化后BD區開坯孔型配置圖

1.2 箱型孔軋制參數優化

箱型孔軋制過程為展寬方向與壓下方向反復交替的過程，其主要目的是將原始坯料軋制成尺寸適合梯形孔的矩形坯料，從而保證梯形孔對軋件充分加工且不出耳子。減少軋制道次后，為達到目標斷面尺寸，各道次壓下率顯著提高，優化前后的各道次壓下率對比情況如圖3所示。根據張林等在400mm特厚板上進行研究，其他條件不變，當單道次壓下率達到一定量時，雙鼓形到達峰值[1]。在新的軋制參數中各道次壓下率為17%～25%，應充分考慮大壓下率對軋件側面的展寬形態的影響。

圖3 優化前后各道次壓下率對比圖

2 有限元模擬分析

近年來，剛塑性有限元法被廣泛應用于塑性加工的變形解析，有限元模擬方法的有效性已得到充分認可[2]，本文應用Deform-3D有限元軟件對優化后的60kg/m重軌的箱型孔軋制過程進行數值模擬，對軋后軋件側面形態與孔型接觸情況進行研究。

圖4 建立幾何模型

2.1 有限元模型建立

使用Deform-3D軟件中的shape rolling模塊，為減少運算量采用四分之一軋制模型進行建模，軋輥為剛體，軋件為剛塑體，接觸關系采用剪切摩擦模型，軋件材質選用材質庫中與U75V成分相當的AISI-1078鋼，軋件劃分6面體網格，軋件長度為500mm，總劃分網格數45072。由于坯料通過輥道運輸和除鱗后才進行軋制，因此需對軋件出爐至軋前的熱交換過程和軋制過程分步進行模擬。

2.2 有限元模擬結果

模擬軋制前后的截面等溫線分布圖如圖5所示。坯料角部溫度最低為1060℃，芯部溫度最高為1250℃，芯部高溫區域占比70%以上，表面溫度為1130℃，與現場實際測量值誤差小于20℃。

圖5 軋制前后軋件等溫線分布圖

圖6 第二道次等效應變分布圖

利用幾何對稱關系將軋件恢復至整體狀態，第2道次壓下率為3道次中最大值，其等效應變及孔型填充情況分別如圖6、圖7所示。從圖中可知，最大等效應變達到1.3，最大等效應變區域位于軋件的上下部分，軋件中部等效應變相對較小，軋件側面的展寬形態為雙鼓形，孔型側壁較好地限制了雙鼓形的進一步惡化，孔型充滿情況良好，下道次翻鋼后，雙鼓形側面轉為加工面，凸底箱型孔能夠實現與軋件更好地接觸關系。

圖7 第二道次孔型填充情況圖

3 結論

①通過將BD區異形孔進行雙孔配置，并調整孔型配置方案，可實現BD軋輥軋制量翻倍。②開坯箱型孔軋制后，軋件側面呈雙鼓形，箱型孔底部凸度應與軋件側面形狀相近，以實現與軋件更好地接觸，減少局部高應力區。