王寶明++蘇惠超++王超峰

摘 要：本文應(yīng)用有限元模擬軟件MSC.MARC，對全浮動芯棒連軋過程進(jìn)行分析，通過調(diào)整連軋機(jī)第一機(jī)架軋輥的轉(zhuǎn)速改變軋制張力，得到了連軋張力變化時(shí)對軋制力的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明，穩(wěn)軋階段第二機(jī)架軋制力平均值隨張力的變化分為三個(gè)階段：軋輥轉(zhuǎn)速為1.8～3.0rad/s時(shí)，軋制力平均值隨軋輥轉(zhuǎn)速的增加基本呈線性上升，有較大幅度升高；軋輥轉(zhuǎn)速在3.0～4.0rad/s時(shí)，升高得相對平緩；軋輥轉(zhuǎn)速為4.0～5.0rad/s時(shí)，升高的幅度最小。穩(wěn)軋階段第二機(jī)架軋制力峰值隨張力的變化也可劃分為三個(gè)階段：軋輥轉(zhuǎn)速為1.8～2.0rad/s時(shí)，軋制力峰值升高幅度較小；軋輥轉(zhuǎn)速為2.0～4.0rad/s時(shí)，升高得較快；軋輥轉(zhuǎn)速為4.0rad/s～5.0rad/s時(shí)，升高幅度又變得緩慢。

關(guān)鍵詞：有限元分析；軋輥轉(zhuǎn)速；張力變化；軋制力

中圖分類號：TG335.71 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）13-0051-02

1 前言

無縫鋼管在熱連軋過程中，軋制力是重要的軋制力能參數(shù)之一，連軋機(jī)各機(jī)架負(fù)荷的分配、熱軋鋼管的尺寸精度以及其組織性能均受軋制力大小的影響。影響鋼管熱連軋軋制力的因素有很多，如通過調(diào)整連軋機(jī)機(jī)架轉(zhuǎn)速改變連軋張力，從而影響軋制力的大小，本文即應(yīng)用有限元模擬軟件MSC.MARC對全浮動芯棒連軋過程進(jìn)行分析，研究連軋張力發(fā)生變化時(shí)對全浮動芯棒連軋管機(jī)組軋制力的影響規(guī)律，為大生產(chǎn)中連軋工藝參數(shù)的優(yōu)化、調(diào)整提供指導(dǎo)[1-2]。

2 有限元模型及邊界條件

2.1 設(shè)定初始工藝參數(shù)

本研究選取20#鋼材質(zhì)進(jìn)行熱連軋模擬仿真，空減管、連軋管尺寸分別為：Ф179.0×15.5mm、Ф152.5×5.75 mm，芯棒直徑為Ф136.5mm。

2.2 邊界條件的確定

本文利用熱力耦合大變形彈塑性有限元法建立鋼管的連軋過程有限元模型，[3]采用更新的Lagrange方法進(jìn)行計(jì)算。

接觸條件設(shè)定：連軋機(jī)軋輥為合金球墨鑄鐵，可設(shè)為剛性接觸體。鋼管可設(shè)為彈塑性接觸體，從MSC.MARC材料庫中讀取其各項(xiàng)性能參數(shù)，泊松比為0.27，密度為7.85×103kg/m3。鋼管與軋輥間的摩擦采用庫侖摩擦模型，設(shè)為0.3。鋼管與外界環(huán)境的等效對流換熱系數(shù)取0.02kw/（m2·℃），熱輻射率設(shè)為0.8，熱功轉(zhuǎn)換系數(shù)設(shè)為0.9，軋制溫度設(shè)為1050℃。[4]

設(shè)試驗(yàn)材質(zhì)遵守Fourie熱傳導(dǎo)法則，流動法則采用Prandtl-Reuss流動方程，接觸熱傳導(dǎo)系數(shù)取20kw/（m2·℃），屈服準(zhǔn)則采用VonMises準(zhǔn)則。相鄰連軋機(jī)架的間距設(shè)為200mm，為保證穩(wěn)態(tài)軋制，軋件長度取900mm，在橫截面上取30個(gè)單元，長度方向取60等份，單元的類型取7號，共采用2684個(gè)節(jié)點(diǎn)。[5]考慮鋼管軋制過程的對稱性，取其四分之一進(jìn)行模擬分析，提高計(jì)算效率，劃分有限元網(wǎng)格采用八節(jié)點(diǎn)六面體等參單元技術(shù)。

3 模擬結(jié)果及分析

為研究機(jī)架間張力狀態(tài)發(fā)生變化對連軋軋制力的影響。設(shè)置第二、三機(jī)架軋輥轉(zhuǎn)速不變，調(diào)整第一機(jī)架軋輥轉(zhuǎn)速從而改變軋制張力，得出不同張力下第二機(jī)架的軋制力情況。本研究共為第一機(jī)架軋輥設(shè)置了7個(gè)轉(zhuǎn)速：1.8rad/s、 2.0rad/s、2.2rad/s、2.4rad/s、3.0rad/s、4.0rad/s、 5.0rad/s。

3.1 張力變化對軋制力平均值的影響

第一機(jī)架軋輥在不同轉(zhuǎn)速下，模擬得到穩(wěn)軋階段第二機(jī)架軋制力平均值隨軋輥轉(zhuǎn)速的變化如圖1所示。

從圖1可以看出，第一機(jī)架軋輥轉(zhuǎn)速在1.8～3.0rad/s時(shí)，第二機(jī)架穩(wěn)軋階段軋制力平均值基本呈線性趨勢增大，每上升1.0rad/s，軋制力平均值上升1061KN。軋輥轉(zhuǎn)速在3.0～4.0rad/s時(shí)，軋制力平均值升高得相對平緩，升高了744KN。軋輥轉(zhuǎn)速為4.0～5.0rad/s時(shí)，軋制力平均值升高的幅度最小，僅為153KN。

3.2 張力變化對軋制力峰值的影響

穩(wěn)軋階段，第二機(jī)架軋制力峰值隨軋輥轉(zhuǎn)速的變化如圖2所示。

從圖2得知，第一機(jī)架軋輥轉(zhuǎn)速在1.8～2.0rad/s之間時(shí)，此時(shí)機(jī)架間為張力軋制狀態(tài)，第二機(jī)架軋制力峰值升高幅度較小，軋輥轉(zhuǎn)速每上升1.0rad/s，軋制力峰值上升500KN。軋輥轉(zhuǎn)速在2.0～4.0rad/s之間時(shí)，軋制力峰值升高得較快，軋輥轉(zhuǎn)速每上升1.0rad/s，軋制力峰值上升1500KN。軋輥轉(zhuǎn)速為4.0rad/s～5.0rad/s時(shí)，軋輥轉(zhuǎn)速升高幅度又變得緩慢，每上升1.0rad/s，軋制力峰值上升582KN。分析可知，軋輥轉(zhuǎn)速在2.0～4.0rad/s之間變化會引起軋制力峰值較大的波動，小于2.0rad/s或者超過4.0rad/s引起的軋制力峰值波動較小。

4 結(jié)語

（1）穩(wěn)軋階段，第二機(jī)架軋制力平均值隨張力的變化分為三個(gè)階段：第一機(jī)架軋輥轉(zhuǎn)速為1.8～3.0rad/s時(shí)，第二機(jī)架軋制力平均值隨軋輥轉(zhuǎn)速的增加基本呈線性上升，有較大幅度升高；軋輥轉(zhuǎn)速在3.0～4.0rad/s時(shí)，軋制力平均值升高得相對平緩；軋輥轉(zhuǎn)速為4.0～5.0rad/s時(shí)，軋制力平均值升高的幅度最小。

（2）穩(wěn)軋階段，第二機(jī)架軋制力峰值隨張力的變化可劃分為三個(gè)階段：第一機(jī)架軋輥轉(zhuǎn)速為1.8～2.0rad/s時(shí)，第二機(jī)架軋制力峰值升高幅度較小；軋輥轉(zhuǎn)速為2.0～4.0rad/s時(shí)，軋制力峰值升高得較快；軋輥轉(zhuǎn)速為4.0rad/s～5.0rad/s時(shí)，軋制力峰值升高幅度又變得緩慢。

參考文獻(xiàn)

[1]孟慶剛.中厚板待溫軋制過程的熱力耦合數(shù)值模擬[D].鋼鐵研究總院，2010.

[2]廖勇剛.熱連軋過程仿真及工藝優(yōu)化[D].西北工業(yè)大學(xué)，2006.

[3]陳火紅.Marc有限元實(shí)例教程分析[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.2.

[4]楊理誠，劉波，劉利峰，等.基于線材軋制成型的三維熱力耦合彈塑性有限元研究[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2006，25（3）：313-316.

[5]王北明.國外連軋鋼管[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1978.