孫會朝，梁 棟，吳 允，孫慶亮

（萊蕪鋼鐵集團有限公司 技術中心，山東 萊蕪271104）

1 前言

H型鋼在軋制過程中經(jīng)常出現(xiàn)腹板折疊現(xiàn)象。腹板折疊屬于軋制缺陷，因孔型設計不當或軋機調整不當，在孔型開口處因過盈充滿而形成耳子，再經(jīng)軋制而將耳子壓入軋件本體內，但不能與本體焊合形成，其深度取決于耳子的高度。另外，腰、腿之間圓弧設計不當或磨損嚴重，造成軋件表面出現(xiàn)溝、棱后，再軋制也會形成折疊。該缺陷對型鋼表面質量和強度都會產(chǎn)生不良影響。目前，采用有限元方法對H型鋼的軋制過程開展的研究較多［1-5］，但主要是從變形、金屬流動、應力應變的角度對H型鋼軋制進行了分析，而對于腹板折疊的機理及其影響因素，目前尚未見報道。

本工作利用三維熱力耦合彈塑性有限元模型，通過改變開坯軋機中立輥的壓下量，完成不同工況的模擬仿真分析。計算得出立輥不同壓下量下R角半徑的變化曲線，從軋輥R角和軋件R角匹配角度闡述腹板折疊的機理，為解決腹板折疊問題提供理論依據(jù)和指導。

2 軋制工藝

萊鋼UC305 mm×305 mm規(guī)格近終形連鑄異型坯軋制過程中經(jīng)常出現(xiàn)腹板折疊現(xiàn)象。該近終形連鑄異型坯軋制工藝流程為：連鑄坯→加熱→除鱗→BD往復開坯→UR-UE-UF往復連軋→分段切尾→冷卻。開坯軋制采用異型孔平軋和箱型孔立軋相結合，其中異型孔2個，箱型孔1個。BD（開坯）軋機軋輥及軋件簡圖見圖1。本研究主要針對BD往復開坯中的E孔型（即立軋孔型）進行仿真。

圖1 BD軋機軋輥簡圖

為了解決腹板折疊現(xiàn)象，同時從理論上找出腹板折疊產(chǎn)生的原因，將軋制規(guī)程分成了26種工況，每一種工況下軋制速度為2.0 m/s，鑄坯出爐溫度為1 200℃，軋制時間為8 s，間隙時間為9 s，每種工況的壓下量為（14＋2n）mm，n=1～26。

3 仿真方案

計算過程中為縮短求解時間而減少了單元量，根據(jù)H型鋼的對稱性進行模型的1/4簡化［3］。在軋件長度方向進行相應的簡化處理：縮短軋件長度至滿足穩(wěn)定軋制階段的要求。仿真中軋件長度定為400 mm，模型簡化及網(wǎng)格劃分見圖2。

圖2 模型簡化及網(wǎng)格和R角節(jié)點編號示意圖

仿真分析時間的設定按照如下原則：工況軋制過程仿真分析設定的物理時間需滿足軋件可以完全拋出的要求；間隙空冷仿真分析的物理時間為前后兩道次實際軋制時間之和的1/2減去軋制過程仿真分析設定的物理時間，再加上實際間隙時間。模型采用熱力耦合分析方法進行仿真，軋件鋼種為低碳鋼，采用溫度相關的材料模型，顯式時間積分算法進行結構計算，隱式時間積分算法進行溫度計算。假定坯料出爐溫度為1 200℃，經(jīng)除鱗后進入BD軋機。

計算過程中，軋件與軋輥采用8節(jié)點6面體單元進行離散，假設除鱗時間為0.5 s，除鱗過程中的傳熱系數(shù)為45 kW/（m2·K）［6］。軋制變形過程中塑性功轉換為熱的有效系數(shù)設定為0.9；采用剛性軋輥，假設軋輥溫度恒定為300℃。軋輥與軋件之間的熱交換主要以熱傳導的形式進行，假定傳熱系數(shù)為50 kW/（m2·K）。高溫下的軋件存在輻射和對流，選擇軋件模型的表面進行相關邊界條件的設定。

本研究主要考慮除鱗后軋件在不同壓下量下的變形情況，所以將坯料出加熱爐后至BD軋機前的計算結果作為計算的初始條件，包括此時的溫度、應力和應變等。仿真分析過程，全局坐標系下的Z方向為軋制方向，Y方向為壓下方向。

4 仿真結果與分析

按照上述工況及仿真條件進行計算，提取每一工況下軋件R角節(jié)點X方向和Y方向坐標，每種工況提取30個節(jié)點（圖2，即R角部位的30個節(jié)點）。對每個工況的30個節(jié)點進行曲線擬合，得出不同壓下量下R角的半徑值（異型坯R角初始半徑為70 mm）如表1所示。

表1 不同壓下量下的R角半徑值

4.1 R角曲線擬合

對表3進行曲線擬合，進而得出不同壓下量下R角的半徑值。假設R角部位的曲線解析式如下：

將X和Y寫成矩陣形式：［x］→［n×1］，［y］→［n×1］。則式（1）可寫為：

求解式（2）得：

式中，x、y為實際取點的橫縱坐標，［x y 1］-1為［x y 1］的逆矩陣（可依據(jù)情況不同根據(jù)高斯消元、QR分解等方法求解）。

4.2 結果分析

圖3為不同壓下量對R角半徑變化的影響規(guī)律。由圖3可以看出，隨著壓下量的增加，R角半徑值減小，R角半徑值的變化呈近線性變化，其解析式為r=70.29-0.198d。其中d為壓下量，mm；r為R角擬合半徑，mm。

圖3 不同壓下量對R角半徑變化的影響規(guī)律

此外，由圖3還可以看出，隨著壓下量的增加，R角半徑的標準差逐漸增大，意味著R角的變形隨著壓下量的增加而增大。R角的形狀越來越不光滑，為后續(xù)的水平軋制造成困難。

不同壓下量下R角部位30個節(jié)點坐標距圓心的偏差如圖4所示。由圖4可以看出，R角部位的30個節(jié)點距離擬合圓心的位置呈近余弦規(guī)律變化；且隨著壓下量的增加，距離偏差波動增大。

圖4 不同工況下節(jié)點半徑偏差

考慮到1號和30號節(jié)點分別與H型鋼翼緣和腹板接觸，計算誤差一般會偏大，故不考慮這兩點。由圖還可以看出，不同工況下22號節(jié)點處金屬明顯外突。各點所受應力如圖5所示，可看出22點附近應力最大，因此該點有著最大的變形量。而8號節(jié)點附近明顯內凹，易形成R角折疊，但該點位置對腹板折疊現(xiàn)象不產(chǎn)生影響，此處不再作進一步闡述。

圖5 R角處不同節(jié)點等效應力

壓下量為38、44、18和60 mm下的斷面金屬流動如圖6所示。由圖6可以看出，壓下量為38 mm和44 mm下，斷面X方向的金屬流動在22號節(jié)點附近尤為劇烈，容易產(chǎn)生腹板折疊拉絲現(xiàn)象。而除此二者之外的壓下量，如壓下量為18 mm和60 mm斷面X方向的金屬流動在22號節(jié)點附近雖然波動較大，但是不劇烈。而計算的H型鋼UC305 mm×305 mm規(guī)格的現(xiàn)場實際軋制壓下量為40 mm，也是出現(xiàn)了腹板折疊，計算結果與現(xiàn)場實際情況吻合。

圖6 斷面X方向金屬流動

通過表1所示26種工況對比分析發(fā)現(xiàn)，針對UC305 mm×305 mm規(guī)格H型鋼，隨著立輥壓下量的增加，R角半徑減小，波動增大。壓下量存有兩個臨界點，即壓下量為38 mm和44 mm，在兩個臨界點之內容易出現(xiàn)腹板折疊，而在臨界點之外出現(xiàn)腹板折疊的概率較小。

由于上述現(xiàn)象的存在，在H型鋼軋制過程中，為了保證H型鋼的軋制質量，需要對軋輥R角部位進行改進?？梢愿鶕?jù)立輥的壓下情況適當調大軋輥R角半徑。

5 結論

5.1 隨著壓下量的增加，R角半徑減小，而且基本呈線性關系。

5.2 隨著壓下量的增加，R角半徑標準差增大，意味著R角形狀波動增大，越來越不光滑。

5.3 不同壓下量下22號節(jié)點處的金屬波動較大。提出了H型鋼腹板折疊出現(xiàn)的臨界條件，即壓下量≤38 mm或壓下量≥44 mm。

5.4 在H型鋼軋制過程中，為了保證H型鋼軋制質量，需要對軋輥R角部位進行改進。可以根據(jù)立輥的壓下情況適當調大軋輥R角半徑，可減少腹板折疊現(xiàn)象發(fā)生。

［1］ 奚鐵，錢奕峰，章靜.H型鋼開坯軋制變形分析［J］.軋鋼，2004，21（6）：47-49.

［2］ 馬光亭，臧勇，朱國明，等.H型鋼萬能軋制過程中金屬流動的有限元分析［J］.北京科技大學學報，2008，30（2）：165-168.

［3］ 朱國明，康永林，陳偉，等.H型鋼多道次可逆開坯軋制過程的三維熱力耦合仿真分析［J］.中國機械工程，2007，18（14）：1 747-1 750.

［4］ 劉才，卜勇力，趙文才.H型鋼軋制翼緣不同壓下量的應力應變分析［J］.軋鋼，1999，16（4）：11-14.

［5］ 王欣，王長松，尹佐勇，等.H型鋼軋制過程的計算機仿真［J］.北京科技大學學報，2003，25（6）：560-562.

［6］ 唐廣波，劉正東，康永林，等.熱軋帶鋼傳熱模擬及變形區(qū)換熱系數(shù)的確定［J］.鋼鐵，2006，41（5）：36-40.