運用有限元仿真設計14 號角鋼粗軋道次孔型

安海春，楊 洋，趙燕暉

（河鋼集團唐鋼公司，河北 唐山 063016）

1 唐鋼新中型生產線簡介

隨著經濟全球化的發展，以及技術創新和技術流動的全球化，為企業獲取新技術帶來了機遇。技術創新是企業管理創新的一個重要內容，技術創新是知識經濟時代下企業獲取優勢地位的法寶。唐鋼新中型生產線于2021 年2 月建成后開始試生產，秉承唐鋼公司創新商業管理模式，采用高效一體化運營管理體系，著力構建以客戶價值創造為導向的流程驅動型扁平化組織架構，以作業區為核心的扁平高效管理架構，采用世界最先進的運營管理、工藝技術、綠色智能制造方案，擁有強大的差異化競爭優勢。

新中型生產線采用典型的型鋼生產線布局，軋件經BD1 開坯機軋制后，通過輥道送往2 號可逆式開坯軋機BD2 進行往復開坯軋制，經開坯后的軋件通過輥道送入由7 架短應力線軋機組成的精軋機組進行最終成型軋制，連軋機的軋制過程為自動進行，并可實現微張力軋制。精軋機組中，有5 架為可轉換為二輥水平軋機的萬能軋機，剩余2 架為二輥水平軋機。軋機機架布置為：U/H-U/H-H-U/H-U/H-H-U/H，精軋機組的主傳動電機為單獨傳動。

2 孔型初步設計理論

角鋼產品斷面比較復雜，屬異型斷面的產品，這就給金屬在孔型內的變形帶來了很多不利影響，在軋制過程中存在嚴重的不均勻變形，孔型間存在明顯的輥徑差；非對稱斷面在孔型內受力、變形不均，斷面各部分接觸軋輥和變形具有非同時性；某些產品在軋制過程中存在熱彎變形等，從而使孔型內金屬變形規律復雜化，由于孔型的限制展寬和強迫展寬作用，使展寬量難以精確計算。此外，由于軋件各部分溫度、變形量、與輥面的相對速度差的不同，使前滑、力能參數的計算要比板帶鋼困難得多，傳統角鋼品種開發方案必須經過反復試驗，反復修改孔型，從而得到相對理想的孔型系統。運用現代有限元仿真技術，模擬軋件在軋輥間流動過程，準確計算出鋼料的寬展量、延伸量等重要軋制參數，模擬軋鋼生產，這樣可以準確設計孔型系統，避免反復試軋試驗。

2.1 延伸系數分配

中型生產線生產14 號角鋼使用的坯料斷面尺寸為165 mm×225 mm，BD 開坯軋機主傳動電機功率大，在開坯道次采用大延伸系數的設計方案。BD1軋制5 道，具體延伸系數分配如表1 所示；BD2 軋制3 道，具體延伸系數如表2 所示。

表1 BD1 延伸系數分配

表2 BD2 延伸系數分配

2.2 孔型系統選擇

軋制角鋼可以采用多種孔型系統，其中使用最廣泛的是碟式孔型系統[1]。因為選用的坯料斷面尺寸為165 mm×225 mm，鋼料寬度較大，工藝設計為帶有立軋空的碟式孔型系統，運用立軋孔的特點，確定合適寬度的鋼料，保證成品軋件寬度符合設計要求，運用碟式孔的特性，通過使用上下交替開口的方式，保證兩腿切分、成型對稱。

因坯料寬度大，軋輥直徑相對較小，BD1 第一孔軋制三道，其余孔型軋制一道，孔型系統見圖1，BD2軋制三道，每個孔型軋制一道，孔型系統見圖2。

圖1 BD1 孔型系統

圖2 BD2 孔型系統

2.3 有限元仿真模擬

2.3.1 有限元仿真模型建立

在整個仿真分析過程中，所采用的單位系統為m-kg-s-N-K 單位系統；軋輥采用剛性輥，軋件為可變形軋件[2]。根據初步設計的孔型系統建立實體模型，具體如圖3 所示。

圖3 有限元仿真實體模型

實體模型建立完畢后，對可變形體進行網格劃分，并賦予其相對應的材料屬性。開坯機的軋制過程對軋件的最終成形具有重要影響，因此，開坯孔型是否合理、可行，將直接關系到型鋼產品的開發[3]。

2.3.2 有限元仿真結果分析

依托建立的有限元仿真實體模型，模擬軋鋼全過程，并輸出相對應的力能曲線、鋼料充滿程度以及軋件翹曲等數據，現對BD2 第三道次進行分析，分析結果如圖4、圖5 所示。

圖4 軋制力曲線和動能曲線

圖5 模擬結果

其他道次的模擬方法與BD2 第三道次相同，在上一道次軋件穩定變形部位取一截面，然后取變形后該截面上的外圍節點，描畫出軋件的輪廓，作為下一道次來料截面，然后拉伸，建立實體模型。

3 14 號角鋼試軋試驗

孔型系統設計完畢后，進行試軋試驗，試驗中觀察BD1 和BD2 軋機孔型，充滿程度符合預期期望，軋槽鎖扣部位鋼料高度適中，軋槽磨損程度適中，軋機主電機電流、軋制力、軋輥壓力適中。

檢查精軋機各個軋孔，軋件充滿程度適中，精軋機軋輥鎖扣位置沒有過充和填充不足現象，精軋機電流最大為額定電流的65%，符合預期期望。

本次試驗共軋制長×厚為140 mm×10 mm、140 mm×12 mm 和140 mm×14 mm 三個品種規格，產品尺寸均符合出廠標準，具備小批量生產條件。三個品種規格的產品具體尺寸如表3 所示。

表3 軋件尺寸 mm

4 結論

運用有限元仿真技術，模擬軋件在軋輥間流動過程，準確地計算出鋼料的寬展量、校核力能參數以及配輥合理性，顛覆了傳統孔型設計方法，避免了為解決同一個問題而反復試驗，極大地減少角鋼試軋的次數，縮短品種開發的周期，減少軋輥的車削次數、降低成本。唐鋼新中型生產線已經完成12.5 號、14 號、16 號和18 號角鋼孔型設計，并投入生產。在后期試軋及量產過程中驗證了生產實際情況與有限元模擬結果完全吻合。