徐乐钱,高宇波,孟晓玲 (中天钢铁集团,常州 213000)

摘 要:利用 Deform 软件建立 mini轧机轧制模型,研究了轧制过程中不同规格(?8mm,?10 mm,?13mm)和不同初始温度(800,850,900,950 ℃)AISI1015钢轧件的温升和应变,分析了轧制 温升差异的原因。结果表明:mini轧机轧制模型模拟得到出轧机时轧件的表面温度与实测结果的 相对误差在13%以内;轧制过程中轧件心部的温升和累积等效应变均最大,并且轧制规格越小,心 部温升和应变越大;轧件初始温度越低,温升及扭矩越大;不同规格轧件温升不均匀主要是由等效 应变分布不均导致的,而不同初始温度下心部温升的明显差异是由轧制载荷不同造成的。

关键词:温升;应变;有限元模拟;mini轧机 中图分类号:TG331 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2021)02-0078-07

0 引 言

轧制温升是线材轧制过程中的普遍现象[1],特 别是在带有减定径(RSM)或 mini轧机的产线。目 前,RSM 机 组 轧 制 温 升 控 制 方 面 的 研 究 报 道 较 多[2-3],而 mini轧机由于轧制速度快、轧制道次少、 压下量大,其轧制温升与 RSM 机组存在较大差异。 在控轧控冷过程中的轧制温升对于控制优特钢产品 质量颇为重要[4-5]。随着特钢线材需求量的增加,国 内钢厂在优转特的趋势下,多引进 RSM 机组替换 原有设备进行产线升级;但部分钢厂由于产线设备 及布局限定,无法为 RSM 机组提供足够的安装空 间,只能使用国产 mini机组。相比于引进 RSM 机 组,使用 mini机组的优势在于产线原有设备利用率 高、改造周期短、升级成本低。但是由于目前 mini轧机的普及与推广程度较低,该轧机在控轧方面的 研究较少,而轧制温升研究对于该轧机在特种钢产 线的应用非常重要,同时也是拓展该轧机轧制特种 钢能力需要解决的重要问题。Deform 有限元模拟 软件因具有计算精度高、速率快等优点,近些年在优 特钢轧制应力、应变、温度变化等方面应用广泛。作 者借助 Deform 有限元软件建立了 mini轧制机组 模型,模拟了不同规格及不同初始温度轧件轧制时 的等效应变、轧制力矩、温度的变化及分布,为 mini 轧机在控轧方面的应用提供理论指导。

1 mini轧机轧制模型的建立及验证

1.1 模型的建立

按照某生产厂家实际 mini机组轧制参数(见表 1)进行建模,建立的 mini轧机轧制模型如图 1 所 示。轧辊三维模型由原孔型图断面经360°旋转生 成,轧件模型由正六面体网格生成。模型中轧辊为 恒温刚体,轧辊表面温度取100℃,轧件初始温度均 匀,初始温度为850℃。设置边界条件:轧件与轧辊 接触 面 的 摩 擦 因 数 取 0.3,轧 件 表 面 传 热 系 数 取 0.02kW·m -2·K -1,轧件与轧辊的接触传热系数取 5kW·m -2·K -1,轧制过程中轧件与水的对流传热 系数取0.4kW·m -2·K -1。由于金属变形和接触面 摩擦使轧件产生温升[6],热功转换系数取0.9。轧件 材料选择 Deform 材料库中 AISI1015钢。 表1 实际轧制参数 Table1 Actualrollingparameters 成品规格/ mm 来料规格/ mm 轧辊转速/(r·min -1) 辊缝尺寸/mm 1 # 机架 2 # 机架 1 # 机架 2 # 机架 ?8 ?10.4 5830 6520 1.2 1.0 ?10 ?12.6 4630 5360 1.3 1.1 ?13 ?16.6 3431 4362 1.4 1.2 图1 mini轧机两道次轧制模型 Fig.1 Two-passrollingmodelofminimill

2.1 不同规格轧件轧制时的温度

采用 mini轧机轧制模型模拟不同规格轧件在 轧制过程中第一道次出轧辊和第二道次出轧辊,即 轧制第一道次结束和轧制第二道次结束时的截面温 度场。由图3可知:不同规格轧件在轧制完出轧辊 时的截面温度分布不均匀,边缘温度较低,心部温度 很高,并且轧件规格越小,心部温度越高。 由 图 4 可 以 看 出,规 格 ?8 mm,?10 mm, ?13mm 轧件在轧制过程中的心部温度分别升 高 了103,79,70 ℃,说明轧件规格越小,其心部的温 升越大。

2.2 不同规格轧件轧制时的等效应变及应变速率

采用 mini轧机轧制模型模拟不同规格轧件在 轧制过程中第一道次结束和第二道次结束时的截面 等效应变场。由图5可以看出,不同规格轧件轧制 中的截面等效应变分布不均匀,心部的等效应变最 大,并且规格越小,心部等效应变越大。 由图6可知,经过两道次轧制,不同规格轧件的 心部累积等效应变增大,并且规格越小,轧件心部累 积等效应变越大。 不同规格轧件轧制时的来料尺寸不同,轧制变 形量和轧制时间不同,轧制时应变速率也不相同。 由图7可以看出:随着轧件规格的增大,第一道次轧 制时轧件心部的等效应变速率降低;规格越小,轧制 速度越快,轧制时间越短,因此应变速率越大。 轧制不同规格轧件时,来料尺寸和 min轧机轧 制速度均不同,因此轧制的开始与结束时间不同。 对比图3和图5可以看出:同一规格轧件截面温度 分布的不均匀与变形分布的不均匀具有较好的对应 关系。心部等效应变最大,对应的温升也最大;边缘 因等效应变较小同时与外界发生对流传热,温升相 对较小。轧制规格越小,轧制速度越快,应变和应变 速率越大,温升也随之增大。这与曹杰等[7]的研究 结果一致。

2.3 不同初始温度轧件轧制时的温度

在实际生产中,为了保证轧件质量,需要根据钢 种特性及要求控制不同的进 mini轧机温度[8]。将 轧件初始温度分别设定为800,850,900,950 ℃,其 他参数不变,使用 mini轧机轧制模型模拟轧制过程 中规格?8mm 轧件的温度分布。由图8可以看出, 不同初始温度下轧件截面的温度呈不均匀分布,并 且轧件心部温度均最高。 由图9可知,规格?8mm 轧件轧制时,随着初 始温度的降低,轧件心部温升变大,初始温度分别为 950,900,850,800 ℃ 时,心 部 温 升 分 别 为 78,90, 103,108 ℃。

2.4 不同初始温度轧件轧制时的等效应变和扭矩

采用 mini轧机轧制模型模拟规格?8mm 轧件 在不同初始温度条件下轧制时的截面等效应变。由 图10可以看出:随初始温度的降低,轧件截面等效 应变变化不大,扭矩逐渐增大。 由图11可知,不同初始温度下,轧件心部累积 等效应变在1.232~1.252。不同初始温度、相同规 格轧件轧制时的心部等效应变差异较小,不足以导 致明显的温升差异。 参考文献[9],采用mini轧机轧制模型对不同初始温度轧件轧制时的扭矩进行模拟。由图12可 知,随着初始温度的降低,两道次轧制时的扭矩不断 增大。轧制扭矩的增加必然会导致轧制变形功的增 大[10]。一部分轧制变形功通过转化为位错、晶格畸 变而存储于轧件内部,另一部分则转化为热能使轧 件温度上升[11]。而在各初始温度和变形量无明显 差异的条件下,由图9和图12对比可知,扭矩大小 与温升大小具有较好的对应关系[12]。轧制温度降 低,轧件的变 形 抗 力 增 加[13],轧 制 载 荷 随 之 增 加。 因此,不同初始温度下轧件的温升差异与轧件的变形抗力不同有关。

3 结 论

(1)采用 Deform 软件建立了 mini轧机轧制模 型,模拟得到出轧机时 AISI1015钢轧件的表面温度 与实测结果较吻合,相对误差在13%以内。 (2)轧制过程中不同规格(?8 mm,?10 mm, ?13mm)AISI1015钢轧件的温度和等效应变分布 不均匀,轧件心部的温升和累积等效应变均最大,并 且轧制规格越小,心部温升和应变越大;轧件初始温 度越低,轧件温升和扭矩越大,温升的幅度跟轧制载 荷具有较好的对应关系。 (3)用 mini轧机生产不同规格 AISI1015钢轧 件时,轧件温升不均匀主要是由等效应变分布不均 导致的,不同初始温度下轧件心部温升的明显差异 是由轧制载荷不同造成的。

来源：材料与测试网