矩形坯开坯轧制规程设计及有限元分析

单元胜

钢在热轧过程的变形和力能分析历来是国内外普遍关注的课题。这是因为准确分析轧制线上各道次的力能具有重要意义，首先可促进轧制产品的尺寸精度及合格率的提高；其次可为工艺设计或设备改造时选择轧机或电机提供依据；还可在开发新品种、新工艺（如低温轧制等）时，使设计更为合理和可行。此外，准确分析轧制负荷还能使轧制线上的力能分布更为合理，从而降低整体工序电耗、减小设备磨损；可对各架轧机（或电机）的整体负荷进行合理布置，有效防止设备事故；可找出轧制线上力能负荷的薄弱环节，及时进行调整，以最大限度地发挥设备潜力。可见，分析轧制时的力能对提高企业的经济效益的重要性。

本文中针对将360mm×280mm 矩形坯在850 开坯机上轧制成200mm×200mm 中间坯的轧制过程，设定轧制压下规程，建立三维仿真模型，动态显示分析钢坯在开坯轧制过程中各道次的轧制力和应变能量。

1 轧制压下规程设计

1.1 钢热轧过程中所需原料的尺寸

在选择钢原料尺寸时应注意尽可能采用倍尺轧制，当得出原料质量小于最大允许原料质量的二分之一时，应按倍尺轧制考虑选用厚度尺寸。由于钢板的订货坯料一般不大，钢板需要编组在一起进行轧制，所以在选择厚板原料时要考虑的因素较多，同时这些因素相互制约，相互影响。轧制坯料主体是连铸坯，为了保证轧制成型钢板的综合性能，连铸坯与成品钢板间的最小压缩比需维持在6:1 以上。

1.2 压下规程的制定

钢轧制抛出速度、轧辊咬入速度是控制轧制速度的基础。如何在较短的轧制时间确保钢轧件的顺利咬入是轧辊咬入及抛出转数确定的原则，咬入和抛出会直接影响到纯轧时间，同时还会影响到两道次间的间隙时间。在保持转速曲线面积相等的原则下，应用高速咬入、抛出会使本道次纯轧时间变少，所以，抛出和咬入转速的选择要兼顾速度规程制度。

在850 开坯机上将断面为280mm×260mm 的坯料轧制成200mm×200mm 的方坯。得出最大压下量、平均压下量和轧制道次分别为：44.61、40.15、6.87。

在单机架初轧机轧制中，总的轧制道次n 应为奇数,即取n=7。在开坯轧制时，习惯于轧两道翻钢一次，所以此处设计翻钢三次，分别在第三、五和七道次前。

道次变形量分配在以上确定的平均变形量基础上进行，同时结合考虑咬入、电机能力、轧辊强度、金属塑性等不同因素。简要的制定出压下制度如表1 所示，其中各道次的宽展量是根据经验计算得出。

2 模拟仿真分析

2.1 模型的建立

2.1.1 模型的简化和材料属性的定义

开坯轧制过程是复杂的三维变形过程，影响该过程的因素很多，但是在建立有限元模型的过程中不能全部考虑。因此根据轧制过程的基本特点，忽略对轧制过程影响较小的因素，采用必要的假设简化模型：

（1）二辊开坯轧机上下辊是传动辊，在轧制过程中假定同一道次上下轧辊尺寸、孔型、转速等完全相等。

（2）考虑到辊系结构与受力的对称性,取坯料的1/4进行建模。

（3）轧辊定义为刚形体，忽略其在轧制过程中的变形及热传导，坯料为变形体。

（4）轧件材料定义为均质材料，各向同性，屈服准则采用Mises 屈服准则。

根据以上假定，得到的二辊开坯轧机辊系受力简化模型如图1 所示。

图1 轧制时辊系简化模型

根据坯料的具体实际几何尺寸，利用abaqus 建立简化的刚塑性屈曲变形有限元模型如图2 所示。

图2 三维刚塑性有限元模型

该模拟采用显式动力学有限元分析，坯料采用弹塑性材料，坯料材料选用12CrMoV，其材料属性如表1 所示。

2.1.2 边界条件与网格划分

所建的刚塑性屈曲变形有限元模型，轧辊和钢坯间的接触摩擦采用库仑摩擦，模拟开始，轧辊沿轴线以一定的线速度绕轴心转动，钢坯与以一定的水平速度向孔型运动；进入孔型后，轧辊和钢坯依靠摩擦力和夹持力带动钢坯完成轧制过程，具体边界条件如表3 所示，其中，接触边界条件必须满足无穿透约束条件，速度边界条件必须满足轧件的线速度与轧辊的角速度一致。钢坯采用八节点线性六面体等参单元对轧件进行网格离散化，局部变形较大处网格细化。

表2 材料属性

表3 边界条件

2.2 仿真结果分析

2.2.1 压下规程的修订

本文模拟方案来自开坯所设计的轧制规程，利用abaqus 进行仿真模拟每道次的轧制过程，每一道次取上一次模拟分析结果的断面做为初始断面，以此类推，共进行七道次模拟仿真。因轧制规程设计时的展宽量是根据经验计算得出，模拟分析所得结果会与前期设定值有偏差，所以在整个模拟过程中，要求根据实际仿真结果对规程进行适当调整，从而得到最终断面尺寸。其中，轧制模拟过程的主要技术参数如表4 所示。仿真模拟后，为实现最终的轧制规格，按变形情况对压下量进行调节，修订后的轧制规程如表1 所示。

表4 技术参数

2.2.2 各道次下Mises 应力状态

根据设计方案，对各道次轧制1/4 坯料的过程进行仿真，得到各道次轧制后的Mises 应力分布如图3 所示，其中应力单位为MPa。

由图3 可知，除了材料表面有较大的应力集中外，材料内部的应力比较均匀，且比表层应力小，但轧制后坯料内厚度方向上存在较大的应力梯度，符合轧辊轧制的特点。钢坯在咬钢和甩尾时，为非稳态状态，轧后残余应力较大，轧制后最大Mises应力约为125.7MPa，此外，因轧辊孔型设计的特点，在限制宽展处的应力分布也较大。

图3 各道次轧制Mises 应力分布云图

2.2.3 各道次下轧制力情况

在钢坯轧制过程中，轧制力是最重要的工艺参数之一，其主要作用是用于确定轧辊的咬钢角度及压下量，同时对实际参数进行核实，判断其是否满足工艺及设备要求，此外，还是制定工艺制度、提高产品质量、扩大产品范围、充分合理挖掘设备潜力、实现生产过程计算机控制的重要原始参数。

对各道次轧制1/4 坯料的过程进行仿真，将得到轧制力仿真数值乘以2，为各道次轧制后的轧制力。如图4 所示，单位为N。

轧制力的大小与金属变形抗力、压下量及来料形状等因素有关，如图4 所示，在咬钢和甩尾时，因存在自由表面，限制金属流动的约束性小，此时虽属于非稳态状态，但轧制力相应较小；在稳定轧制过程中，轧制力趋于稳定，在轧制力曲线上表现的波动现象主要是由于轧辊接触处的网格数量影响分析结果。另外，前四道坯料断面尺寸较大，克服金属变形所需力能较大，即轧制力较大。其中，第一道轧制稳定时，轧制力最大约为5500KN，而第七道因压下量相对较小，所以表现的轧制力最小。

图4 各道次轧制力变化曲线

2.2.4 各道次下轧制功率情况

准确分析轧制线上各道次的轧制能量，可为工艺设计或设备改造时选择轧机或电机提供依据；可使能量分布更为合理，从而降低整体工序电耗、减小设备磨损；同时可找出轧制线上能量利用的薄弱环节，及时进行调整，以最大限度地发挥设备潜力。可见，分析轧制时的能量参数对提高企业的经济效益十分重要。

根据所设计方案，对各道次轧制1/4 坯料的过程进行仿真，得到各道次的轧制应变总能ALLIE 仿真数值，将该数值乘以2，如图5 所示，单位为J。根据轧制应变总能，计算各道次单位时间内的应变能变化量，即轧制功率，如图6 所示，单位为W。

图5 各道次应变总能变化曲线

图6 各道次轧制功率变化曲线

由图5 可知，随着轧制时间的推移，应变能量不断增大，当轧制结束后，应变总能达到最大值。同时，可知第四道的应变总能最大，第7 道次的应变总能最小，这是因为第四道次坯料变形量相对较大，温度相对较低，一定时间内所消耗能量较大，而第七道次正好相反。

图6 是根据应变总能计算所得，表达的是单位时间内所需能量变化情况，即轧制功率，该数据是模拟计算所要得到的重要参数。由图可知，轧制功率变化曲线形状类似于轧制力曲线，在前四道轧制功率较大，这与坯料压下量和断面形状有关。其中，在稳定轧制时，第四道单位时间所耗能量最大，轧制功率约为2408.2KW。

3 总结

钢坯轧制成形是一个复杂的三维弹塑性变形过程，即包括物理非线性，又包括几何非线性和边界条件非线性。通过有限元模拟，可以定量地给出与变形有关的各种物理量在钢坯上的分布状态及其随成形过程的变化情况。根据仿真模拟所得主要结论为：

（1）对各道次轧制过程进行仿真模拟，其轧后断面展宽量与所设计规程中的理论计算值不同，为实现最终的轧制规格，将轧制规程进行了修订如表1 所示。

（2）钢坯轧制后厚度方向上存在较大的应力梯度。钢坯在咬钢和甩尾时，为非稳态状态，轧后残余应力较大，轧制后最大Mises 应力约为125.7MPa，此外，因轧辊孔型设计的特点，在限制宽展处的应力分布也较大。

（3）钢坯轧制的前四道断面尺寸较大，克服金属变形所需力能较大，即轧制力较大。其中，第一道轧制稳定时，轧制力最大约为5500KN，而第七道因压下量相对较小，所以表现的轧制力最小。

（4）轧制功率变化曲线形状类似于轧制力曲线，在轧制的前四道轧制功率较大，这与坯料压下量和断面形状、温度有关。其中，在稳定轧制时，第四道单位时间所耗能量相对最大，轧制功率约为2408.2KW。