李佑河，郝震宇，張龍，王萍，謝玲玲

(1.南京鋼鐵股份有限公司棒材廠,南京210035；2.安徽工業(yè)大學(xué)冶金工程學(xué)院，安徽馬鞍山243002)

大規(guī)格棒材粗軋過程數(shù)值模擬及表面缺陷分析

李佑河1，郝震宇2，張龍2，王萍2，謝玲玲2

(1.南京鋼鐵股份有限公司棒材廠,南京210035；2.安徽工業(yè)大學(xué)冶金工程學(xué)院，安徽馬鞍山243002)

利用有限元軟件MSC.MARC對南鋼棒材廠大規(guī)格棒材熱軋生產(chǎn)線粗軋過程進(jìn)行有限元模擬，分析軋件粗軋后斷面形狀尺寸、溫度、等效塑性應(yīng)力應(yīng)變和寬展情況，探討軋件表面缺陷產(chǎn)生的原因及位置。模擬得出，粗軋過程中軋件變形的不深入及不均勻性導(dǎo)致最終產(chǎn)品在軋件圓斷面45°角表面附近延長度方向容易產(chǎn)生缺陷。預(yù)測的軋件表面缺陷位置與現(xiàn)場實際缺陷位置吻合，驗證了有限元模型的正確性，為現(xiàn)場實際生產(chǎn)和工藝優(yōu)化提供了參考數(shù)據(jù)。

大規(guī)格棒材；粗軋；有限元；表面缺陷

大規(guī)格棒材產(chǎn)品在石油工業(yè)及工程機械領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，為保證后續(xù)加工過程中產(chǎn)品質(zhì)量，不允許大規(guī)格棒材產(chǎn)品表面有肉眼可見的缺陷（如裂紋、起皺、結(jié)疤等）。因此，尋求解決產(chǎn)品表面缺陷的途徑十分必要。關(guān)玉佐等[1]分析了20CrMoA抽油桿熱軋圓鋼表面裂紋的類型及形成原因，指出通過合理優(yōu)化冶煉、連鑄等工藝可減輕表面裂紋。邵主彪[2]對礦山鑿巖釬桿用55SiMnMo熱軋圓鋼進(jìn)行了金相檢驗和電子探針分析，發(fā)現(xiàn)表面裂紋與連鑄坯表層裂紋存在對應(yīng)關(guān)系。李家征[3]對機械零部件用40Cr鋼進(jìn)行金相組織及夾雜物分析，排除了不良組織及夾雜物引發(fā)表面裂紋，確定表面劃傷是產(chǎn)生表面裂紋的主要原因。李榮等[4]研究了制造加工領(lǐng)域常用的45鋼的加工過程，指出其表面開裂與非金屬夾雜及碳偏析有關(guān)。王魯義等[5]針對某企業(yè)12Cr1MoVG無縫鋼管生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的表面裂紋缺陷，認(rèn)為消除該缺陷的關(guān)鍵在于連鑄和軋制過程中控制管坯棒材的表面質(zhì)量。以上文獻(xiàn)中，學(xué)者們研究棒材產(chǎn)品表面缺陷產(chǎn)生的原因主要采用的是實驗方法。

有限元數(shù)值模擬的方法可用來模擬金屬變形過程，不僅可以有效揭示表面缺陷產(chǎn)生的原因，而且還可以減少實驗成本[6-7]。白樺等[8]利用有限元軟件DEFORM對某廠棒材熱連軋過程中第1道次軋制過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，為工藝優(yōu)化提供了依據(jù)，但是該研究范圍較窄，只針對棒材第1道次軋制過程進(jìn)行研究。嚴(yán)文超等[9]采用Murthy流變失穩(wěn)準(zhǔn)則的加工圖方法判斷塑性變形中產(chǎn)生的流動失穩(wěn)，建立GCr15高溫變形時的加工圖，通過對實際孔型中軋制情況的分析得出軋件可能產(chǎn)生缺陷的位置，結(jié)果與實際位置較吻合。然而該研究僅考慮了棒材軋制過程中精軋階段。筆者利用南鋼棒材廠的工藝參數(shù)，采用有限元軟件MSC.MARC建立大規(guī)格棒材整個粗軋過程的有限元模型，旨在根據(jù)模擬分析結(jié)果獲取粗軋后軋件表面缺陷產(chǎn)生的原因及形成部位。

1 有限元模型的建立

1.1 模型參數(shù)

大規(guī)格棒材軋制屬于大變形的金屬塑性成型。有限元模型中，軋件材料為SAE4137合金鋼，根據(jù)MSC. MARC材料庫里相近材料可知軋件的熱物性參數(shù)，見表1；根據(jù)南鋼生產(chǎn)工藝參數(shù)，軋輥直徑為950mm，軋制時軋輥轉(zhuǎn)速為50～80 r/m in。南鋼粗軋孔型系統(tǒng)為箱型孔，其主要參數(shù)如圖1，其中A孔型用于1～4道次以及第6道次軋制，B孔型用于第5道次軋制，C孔型用于第7道次軋制。由圖1可知孔型高度為140mm，因此軋輥工作輥徑為810mm。

表1 材料熱物性參數(shù)Tab.1 Thermophysicalpropertiesofmaterial

圖1 南鋼粗軋孔型系統(tǒng)(mm)Fig.1 Pass system of Nanjing steel(mm)

軋制過程屬于對稱軋制，可選擇1/4軋件和1/2軋輥進(jìn)行建模[10]。參考現(xiàn)場數(shù)據(jù)，軋件初始軋制溫度為1 150℃，環(huán)境溫度為25℃。摩擦系數(shù)f[11]采用式(1)計算。通過熱模擬實驗及文獻(xiàn)[12]得出SAE4137合金鋼的高溫流變應(yīng)力σs采用式(2)計算。

1.2 換熱邊界條件

1.2.1 軋件與軋輥的換熱系數(shù)軋輥與軋件的換熱系數(shù)hr一般與平均單位壓力和接觸時間等因素有關(guān)，可用(3)式計算[13]。

式中：k為軋件導(dǎo)熱率,W/(m·K)；ρ為軋件密度，kg/m3；c為軋件比熱，J/(kg·K)；t為軋件與軋輥接觸時間，s。軋件的導(dǎo)熱率與比熱參數(shù)見表1。

1.2.2 軋件在空氣中的換熱系數(shù)根據(jù)文獻(xiàn)[13]得出軋件在空氣中的換熱系數(shù)，如表2。此外，金屬的變形和軋輥與軋件表面的摩擦也會產(chǎn)生熱，其中功熱轉(zhuǎn)換系數(shù)取0.9。

表2 軋件在空氣中的換熱系數(shù)Tab.2 Air coefficientof heat transfer of rolled piece in theair

2 計算結(jié)果分析

2.1 表面缺陷原因分析

粗軋過程1～7道次軋件在孔型中的充滿情況、尺寸和形狀分布如圖2。

圖2 每道次中軋件斷面形狀Fig.2 Section shape ofworkpiece ateach pass

由圖2(a)，(b)可以看出，前2個道次，軋件中心約1/3高度區(qū)域變形很小，這是由于粗軋過程中道次壓下量較大，道次少，粗軋變形不深透。由圖2(a)～(f)可知前6道次，軋件形狀呈雙鼓形，而且1～5道次軋制時，與槽口圓弧處接觸的軋件在變形時變得尖銳，這是由于與孔型槽底圓弧處接觸的軋件受到孔型側(cè)壁限制作用，這樣在翻鋼后此處變形較大，損傷也大于其他部位。

坯料高寬尺寸是H 320mm×B 480mm，加熱后為H 326mm×B 488mm，設(shè)定坯料圓角半徑為10mm，則坯料斷面面積為158 994mm2。模擬計算后得出軋件變形參數(shù)，如表3。表中：s為輥縫；B平均為平均寬度；ΔB為寬展量；ΔΗ為壓下量；F為軋件面積；μ為延伸率。

表3 軋件變形參數(shù)的模擬計算結(jié)果Tab.3 Deformation parametersof rolled piece during simulation

軋件在第1道次翻鋼后，初始熱態(tài)軋件的高Η由326mm變?yōu)?88mm，寬度B為326mm，導(dǎo)致高寬比偏大，為1.497。軋輥的工作輥徑D及其一半R分別為810，405 mm。結(jié)合表3可知，在第1～7道次的Η/D分別為0.602，0.504，0.424，0.383，0.431，0.362，0.343，同時第1～7道次的分別為0.444，0.425，0.309，0.372，0.372， 0.439，0.393。由此可以看出，除第6，7道次，Η/D均比大，根據(jù)文獻(xiàn)[14]可知，軋件變形不深入，故導(dǎo)致側(cè)壁容易產(chǎn)生雙鼓形。

軋制過程中壓下率、寬展系數(shù)和延伸系數(shù)的變化情況如圖3。從圖3可知，軋制過程中，壓下率、寬展系數(shù)和延伸系數(shù)變化不均勻。以第3道次為例，選取軋件中部2個點及邊部3個點，測量其軋制時的壓下量。得出軋件中部2個點在壓下方向的位移分別為20.70，25.23mm，邊部3個點分別為15.36，16.64，18.21mm，可見軋件中部壓下大于邊部，這會導(dǎo)致邊部延伸較小，產(chǎn)生附加拉應(yīng)力，容易產(chǎn)生缺陷，影響軋件質(zhì)量。

2.2 表面缺陷的位置預(yù)測

在7道次粗軋中，從中心點到側(cè)表面中間點，沿順時針方向任意選取9個點，分別標(biāo)記為A～I(xiàn)，進(jìn)行跟蹤分析。節(jié)點的選取如圖4。

圖3 粗軋過程壓下率、寬展和延伸曲線Fig.3 Reduction,w idth and extension curves during roughing process

圖4 節(jié)點選取Fig.4 Node selection

2.2.1 溫度分析選取點A，C，E，G和Η進(jìn)行溫度跟蹤分析，結(jié)果如圖5。由圖5可知，軋件芯部A點溫度在粗軋過程中輕微上升，是由于軋制過程中塑性功以及摩擦功等綜合作用；軋件圓角附近E和G點溫度下降較快，這是由于軋制過程中軋件圓角附近一直與軋輥接觸，最終溫度是952，972℃；軋件表面C與Η點溫度下降明顯，這是由于翻鋼軋制，C或Η點一旦未與軋輥接觸，軋件芯部的熱量傳遞和塑性功等綜合作用使得溫度回升，最終溫度分別是1 015，1 019℃。經(jīng)過現(xiàn)場實測，粗軋結(jié)束后軋件表面平均溫度約1 035℃，由此可以看出，模擬結(jié)果與實際測量數(shù)據(jù)相近，誤差較小，表明模型可靠。軋件表面溫度降低會導(dǎo)致變形抗力增大，金屬流動變差且與內(nèi)部金屬流動產(chǎn)生差異，這樣對軋件表面質(zhì)量的控制產(chǎn)生不利因素，容易產(chǎn)生缺陷，由此得出E和G 2點產(chǎn)生缺陷的可能性較大。

圖5 軋件溫度變化Fig.5 Tem perature variation of rolled piece

2.2.2 等效塑性應(yīng)變分析選取C，D，E，F(xiàn)，G，Η，I這7個點進(jìn)行跟蹤分析等效塑性應(yīng)變，其中第7道次的等效塑性應(yīng)力應(yīng)變云圖及各道次等效塑性應(yīng)變變化曲線如圖6。

圖6 第7道次的等效塑性應(yīng)力應(yīng)變云圖及各道次等效塑性應(yīng)變變化曲線Fig.6 Equivalent p lastic stressnephogram and strain nephogram at7thpassand the curesof Equivalentp lastic strain changes in each pass

由圖6(a)可知軋制過程軋件表面7個點的等效應(yīng)力較大，其中G點等效應(yīng)力最大。由圖6(b)可知軋制過程中軋件表面在與軋輥接觸的地方等效應(yīng)變大，其中G，Η點及其附近的位置應(yīng)力應(yīng)變較大，該部分區(qū)域更容易產(chǎn)生缺陷。由圖6(c)可知，整個軋制過程中，Η點的等效塑性應(yīng)變從第2道次開始都是最大，說明相比于其他6個點，H點的變形更嚴(yán)重，更容易產(chǎn)生缺陷。

2.2.3 寬展分析選取C，D，E，F(xiàn)，G，Η，I這7個點進(jìn)行跟蹤，分析軋件x和y方向位移曲線，結(jié)果如圖7。由圖7可知：1，2，5，6道次時，軋件表面Η、I2點的寬展方向(x方向)位移大、變化速度快，容易產(chǎn)生缺陷；3，4，7道次時，軋件表面C，D 2點的寬展方向(y方向)位移大、變化速度快，容易產(chǎn)生缺陷。

模擬結(jié)果中，測量得出G點在第2道次的寬展(x方向位移)和在壓下方向(y方向位移)為負(fù)，在第4和第7道次的寬展(y方向位移)及壓下方向(x方向位移)為負(fù)；軋件圓角F點在第2道次的寬展(x方向位移)和壓下方向(y方向位移)為負(fù)，在第4寬展(x方向位移)和壓下方向(x方向位移)為負(fù)。說明F，G 2點在軋制過程中寬展方向受孔型側(cè)壁限制，受到了嚴(yán)重的擠壓，容易產(chǎn)生缺陷。

綜合軋制過程中軋件溫度、等效塑性應(yīng)力應(yīng)變和寬展等的分析，可以得出在軋制過程中，軋件上G點附近部位容易產(chǎn)生缺陷，由此推測產(chǎn)品在軋件圓斷面45°角附近延長度方向容易產(chǎn)生缺陷。

南鋼棒材廠大規(guī)格棒材生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的表面缺陷位置與模擬結(jié)果進(jìn)行比對，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場缺陷實際產(chǎn)生位置與模擬結(jié)果吻合良好，說明了粗軋有限元模型的可靠性，可為后續(xù)優(yōu)化孔型，指導(dǎo)生產(chǎn)實踐提供參考。

3 結(jié)論

通過對南鋼大規(guī)格棒材粗軋過程的有限元模擬，得出軋件表面缺陷產(chǎn)生原因：

1)軋件初始熱態(tài)坯料的高寬比Η/B較大，除了第6，7道次，Η/D均比大，導(dǎo)致軋件變形不深入，側(cè)壁容易產(chǎn)生雙鼓形；

2)軋制過程中，軋件延伸率、壓下和寬展分布不均勻，從而產(chǎn)生附加應(yīng)力，容易導(dǎo)致軋件表面缺陷的產(chǎn)生；

3)軋件在槽底圓弧處部分及附近區(qū)域由于孔型側(cè)壁的限制，變形最為劇烈，而在與槽口圓弧處接觸的軋件變得尖銳，翻鋼后變形較大，容易產(chǎn)生缺陷。

經(jīng)過對軋件斷面尺寸形狀、溫度、等效塑性應(yīng)力應(yīng)變和寬展的分析，得出軋件側(cè)面G點及其周圍部位容易產(chǎn)生缺陷，由此推斷出最終產(chǎn)品軋件圓斷面45°角附近延長度方向容易產(chǎn)生缺陷。模擬結(jié)果與實際結(jié)果吻合良好，充分說明模型的可靠性，該研究可為后續(xù)優(yōu)化孔型，指導(dǎo)生產(chǎn)實踐提供參考。

[1]關(guān)玉佐,王云閣,劉寶喜，等.防止抽油桿用熱軋圓鋼表面裂紋的措施[J].金屬熱處理,2004(5):66-68.

[2]邵主彪.55SiMnMo圓鋼表面裂紋原因分析[J].鄂鋼科技,2008(3):14-15.

[3]李家征.40Cr圓鋼表面裂紋原因分析[J].物理測試,2011(5):53-55.

[4]李榮，郭江，張勝利.45號優(yōu)碳圓鋼開裂成因分析及改進(jìn)措施[J].鋼鐵研究,2011(1):55-57.

[5]王魯義,陳其偉,朱國輝.12Cr1MoVG無縫鋼管表面裂紋分析[J].安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版,2010,27(2):135-139.

[6]白樺,孟憲舉,陳連生，等.基于DEFORM的棒材熱軋過程的數(shù)值模擬及缺陷分析[J].軋鋼,2008,25(3):28-30.

[7]Jin J,Huang G.Numericalsimulation and analysis for surface defectprediction in thehotbar rolling process[J].Key Engineering Materials,2011,474/476:325-29.

[8]白樺,孟憲舉,陳連生，等.基于DEFORM的棒材熱軋過程的數(shù)值模擬及缺陷分析[J].軋鋼,2008,25(3):28-30.

[9]嚴(yán)文超,楊森,章靜，等.加工圖法在熱軋大圓鋼表面質(zhì)量控制中的應(yīng)用[J].安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版,2011,28(3):223-227.

[10]廖舒綸，張立文，岳重祥，等.GCr15軸承鋼棒材連軋過程的二維和三維模擬[J].特殊鋼,2007,28(5):31-33.

[11]王廷溥,齊克敏.金屬塑性加工學(xué)—軋制理論與工藝[M].北京：冶金工業(yè)出版社,2012:75-76.

[12]任勇,程曉茹.軋制過程數(shù)學(xué)模型[M].北京：冶金工業(yè)出版社,2008:86-101.

[13]李明雷,冼紀(jì)元.大棒材軋制過程溫度場的數(shù)值模擬分析[J].一重技術(shù),2012(4):54-56.

[14]趙松筠,唐文林.型鋼孔型設(shè)計[M].北京：冶金工業(yè)出版社,1993:86-87.

責(zé)任編輯：何莉

Simulation and Analysisof Surface Defectof Big Size Bar During Roughing Process

LIYouhe1，HAO Zhenyu2，ZHANG Long2，WANG Ping2，XIE Lingling2
(1.BarPlantofNanjing Iron and SteelCo.Ltd.，Nanjing 210035，China；2.SchoolofMetallurgy Engineering，Anhui University of Technology，Ma'anshan 243002，China)

Roughing process of the big size barwhich was produced in the hot-rolled production line of bar plant in Nanjing Iron and Steelwas simulated with the finite element software MSC.MARC.The possible causes and position of surface defect of the workpiece were studied by analyzing the simulation results of the section shape size,temperature,equivalent plastic stress,strain and the data of w ide exhibition.Based on the results of the simulation,the impermeable and non-uniform of deformation for workpiece lead to the surface defect of final production occurrence near the 45°of circular cross section forworkpiece and extending the direction of length. The simulation results of the surface defect locations of workpiece are in good agreementwith the actual defect location,which verify the correctness of the finite element model and supply reference data for the actual production and processoptim ization.

big sizebar;roughing process;finiteelement;surface defect

TG335.6

A

10.3969/j.issn.1671-7872.2014.02.005

1671-7872(2014)02-0126-06

2013-10-12

軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點實驗室開放課題(2009002)

李佑河(1966-)，男，安徽含山人，高級工程師，主要研究方向為棒材生產(chǎn)工藝及技術(shù)。