矩形坯開坯軋制規程設計及有限元分析

單元勝

鋼在熱軋過程的變形和力能分析歷來是國內外普遍關注的課題。這是因為準確分析軋制線上各道次的力能具有重要意義，首先可促進軋制產品的尺寸精度及合格率的提高；其次可為工藝設計或設備改造時選擇軋機或電機提供依據；還可在開發新品種、新工藝（如低溫軋制等）時，使設計更為合理和可行。此外，準確分析軋制負荷還能使軋制線上的力能分布更為合理，從而降低整體工序電耗、減小設備磨損；可對各架軋機（或電機）的整體負荷進行合理布置，有效防止設備事故；可找出軋制線上力能負荷的薄弱環節，及時進行調整，以最大限度地發揮設備潛力。可見，分析軋制時的力能對提高企業的經濟效益的重要性。

本文中針對將360mm×280mm 矩形坯在850 開坯機上軋制成200mm×200mm 中間坯的軋制過程，設定軋制壓下規程，建立三維仿真模型，動態顯示分析鋼坯在開坯軋制過程中各道次的軋制力和應變能量。

1 軋制壓下規程設計

1.1 鋼熱軋過程中所需原料的尺寸

在選擇鋼原料尺寸時應注意盡可能采用倍尺軋制，當得出原料質量小于最大允許原料質量的二分之一時，應按倍尺軋制考慮選用厚度尺寸。由于鋼板的訂貨坯料一般不大，鋼板需要編組在一起進行軋制，所以在選擇厚板原料時要考慮的因素較多，同時這些因素相互制約，相互影響。軋制坯料主體是連鑄坯，為了保證軋制成型鋼板的綜合性能，連鑄坯與成品鋼板間的最小壓縮比需維持在6:1 以上。

1.2 壓下規程的制定

鋼軋制拋出速度、軋輥咬入速度是控制軋制速度的基礎。如何在較短的軋制時間確保鋼軋件的順利咬入是軋輥咬入及拋出轉數確定的原則，咬入和拋出會直接影響到純軋時間，同時還會影響到兩道次間的間隙時間。在保持轉速曲線面積相等的原則下，應用高速咬入、拋出會使本道次純軋時間變少，所以，拋出和咬入轉速的選擇要兼顧速度規程制度。

在850 開坯機上將斷面為280mm×260mm 的坯料軋制成200mm×200mm 的方坯。得出最大壓下量、平均壓下量和軋制道次分別為：44.61、40.15、6.87。

在單機架初軋機軋制中，總的軋制道次n 應為奇數,即取n=7。在開坯軋制時，習慣于軋兩道翻鋼一次，所以此處設計翻鋼三次，分別在第三、五和七道次前。

道次變形量分配在以上確定的平均變形量基礎上進行，同時結合考慮咬入、電機能力、軋輥強度、金屬塑性等不同因素。簡要的制定出壓下制度如表1 所示，其中各道次的寬展量是根據經驗計算得出。

2 模擬仿真分析

2.1 模型的建立

2.1.1 模型的簡化和材料屬性的定義

開坯軋制過程是復雜的三維變形過程，影響該過程的因素很多，但是在建立有限元模型的過程中不能全部考慮。因此根據軋制過程的基本特點，忽略對軋制過程影響較小的因素，采用必要的假設簡化模型：

（1）二輥開坯軋機上下輥是傳動輥，在軋制過程中假定同一道次上下軋輥尺寸、孔型、轉速等完全相等。

（2）考慮到輥系結構與受力的對稱性,取坯料的1/4進行建模。

（3）軋輥定義為剛形體，忽略其在軋制過程中的變形及熱傳導，坯料為變形體。

（4）軋件材料定義為均質材料，各向同性，屈服準則采用Mises 屈服準則。

根據以上假定，得到的二輥開坯軋機輥系受力簡化模型如圖1 所示。

圖1 軋制時輥系簡化模型

根據坯料的具體實際幾何尺寸，利用abaqus 建立簡化的剛塑性屈曲變形有限元模型如圖2 所示。

圖2 三維剛塑性有限元模型

該模擬采用顯式動力學有限元分析，坯料采用彈塑性材料，坯料材料選用12CrMoV，其材料屬性如表1 所示。

2.1.2 邊界條件與網格劃分

所建的剛塑性屈曲變形有限元模型，軋輥和鋼坯間的接觸摩擦采用庫侖摩擦，模擬開始，軋輥沿軸線以一定的線速度繞軸心轉動，鋼坯與以一定的水平速度向孔型運動；進入孔型后，軋輥和鋼坯依靠摩擦力和夾持力帶動鋼坯完成軋制過程，具體邊界條件如表3 所示，其中，接觸邊界條件必須滿足無穿透約束條件，速度邊界條件必須滿足軋件的線速度與軋輥的角速度一致。鋼坯采用八節點線性六面體等參單元對軋件進行網格離散化，局部變形較大處網格細化。

表2 材料屬性

表3 邊界條件

2.2 仿真結果分析

2.2.1 壓下規程的修訂

本文模擬方案來自開坯所設計的軋制規程，利用abaqus 進行仿真模擬每道次的軋制過程，每一道次取上一次模擬分析結果的斷面做為初始斷面，以此類推，共進行七道次模擬仿真。因軋制規程設計時的展寬量是根據經驗計算得出，模擬分析所得結果會與前期設定值有偏差，所以在整個模擬過程中，要求根據實際仿真結果對規程進行適當調整，從而得到最終斷面尺寸。其中，軋制模擬過程的主要技術參數如表4 所示。仿真模擬后，為實現最終的軋制規格，按變形情況對壓下量進行調節，修訂后的軋制規程如表1 所示。

表4 技術參數

2.2.2 各道次下Mises 應力狀態

根據設計方案，對各道次軋制1/4 坯料的過程進行仿真，得到各道次軋制后的Mises 應力分布如圖3 所示，其中應力單位為MPa。

由圖3 可知，除了材料表面有較大的應力集中外，材料內部的應力比較均勻，且比表層應力小，但軋制后坯料內厚度方向上存在較大的應力梯度，符合軋輥軋制的特點。鋼坯在咬鋼和甩尾時，為非穩態狀態，軋后殘余應力較大，軋制后最大Mises應力約為125.7MPa，此外，因軋輥孔型設計的特點，在限制寬展處的應力分布也較大。

圖3 各道次軋制Mises 應力分布云圖

2.2.3 各道次下軋制力情況

在鋼坯軋制過程中，軋制力是最重要的工藝參數之一，其主要作用是用于確定軋輥的咬鋼角度及壓下量，同時對實際參數進行核實，判斷其是否滿足工藝及設備要求，此外，還是制定工藝制度、提高產品質量、擴大產品范圍、充分合理挖掘設備潛力、實現生產過程計算機控制的重要原始參數。

對各道次軋制1/4 坯料的過程進行仿真，將得到軋制力仿真數值乘以2，為各道次軋制后的軋制力。如圖4 所示，單位為N。

軋制力的大小與金屬變形抗力、壓下量及來料形狀等因素有關，如圖4 所示，在咬鋼和甩尾時，因存在自由表面，限制金屬流動的約束性小，此時雖屬于非穩態狀態，但軋制力相應較小；在穩定軋制過程中，軋制力趨于穩定，在軋制力曲線上表現的波動現象主要是由于軋輥接觸處的網格數量影響分析結果。另外，前四道坯料斷面尺寸較大，克服金屬變形所需力能較大，即軋制力較大。其中，第一道軋制穩定時，軋制力最大約為5500KN，而第七道因壓下量相對較小，所以表現的軋制力最小。

圖4 各道次軋制力變化曲線

2.2.4 各道次下軋制功率情況

準確分析軋制線上各道次的軋制能量，可為工藝設計或設備改造時選擇軋機或電機提供依據；可使能量分布更為合理，從而降低整體工序電耗、減小設備磨損；同時可找出軋制線上能量利用的薄弱環節，及時進行調整，以最大限度地發揮設備潛力?？梢?，分析軋制時的能量參數對提高企業的經濟效益十分重要。

根據所設計方案，對各道次軋制1/4 坯料的過程進行仿真，得到各道次的軋制應變總能ALLIE 仿真數值，將該數值乘以2，如圖5 所示，單位為J。根據軋制應變總能，計算各道次單位時間內的應變能變化量，即軋制功率，如圖6 所示，單位為W。

圖5 各道次應變總能變化曲線

圖6 各道次軋制功率變化曲線

由圖5 可知，隨著軋制時間的推移，應變能量不斷增大，當軋制結束后，應變總能達到最大值。同時，可知第四道的應變總能最大，第7 道次的應變總能最小，這是因為第四道次坯料變形量相對較大，溫度相對較低，一定時間內所消耗能量較大，而第七道次正好相反。

圖6 是根據應變總能計算所得，表達的是單位時間內所需能量變化情況，即軋制功率，該數據是模擬計算所要得到的重要參數。由圖可知，軋制功率變化曲線形狀類似于軋制力曲線，在前四道軋制功率較大，這與坯料壓下量和斷面形狀有關。其中，在穩定軋制時，第四道單位時間所耗能量最大，軋制功率約為2408.2KW。

3 總結

鋼坯軋制成形是一個復雜的三維彈塑性變形過程，即包括物理非線性，又包括幾何非線性和邊界條件非線性。通過有限元模擬，可以定量地給出與變形有關的各種物理量在鋼坯上的分布狀態及其隨成形過程的變化情況。根據仿真模擬所得主要結論為：

（1）對各道次軋制過程進行仿真模擬，其軋后斷面展寬量與所設計規程中的理論計算值不同，為實現最終的軋制規格，將軋制規程進行了修訂如表1 所示。

（2）鋼坯軋制后厚度方向上存在較大的應力梯度。鋼坯在咬鋼和甩尾時，為非穩態狀態，軋后殘余應力較大，軋制后最大Mises 應力約為125.7MPa，此外，因軋輥孔型設計的特點，在限制寬展處的應力分布也較大。

（3）鋼坯軋制的前四道斷面尺寸較大，克服金屬變形所需力能較大，即軋制力較大。其中，第一道軋制穩定時，軋制力最大約為5500KN，而第七道因壓下量相對較小，所以表現的軋制力最小。

（4）軋制功率變化曲線形狀類似于軋制力曲線，在軋制的前四道軋制功率較大，這與坯料壓下量和斷面形狀、溫度有關。其中，在穩定軋制時，第四道單位時間所耗能量相對最大，軋制功率約為2408.2KW。