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        15CrNiMn鋼方框偏析的改善對軋材力學(xué)性能的影響

        2022-11-28 05:19:14史文輝高素臻冶廷全馬恒春梅國俊錢才讓
        工業(yè)加熱 2022年10期
        關(guān)鍵詞:壓下量箱型孔型

        史文輝,高素臻,楊 勇,冶廷全,馬恒春,梅國俊,錢才讓

        (1.西寧特殊鋼股份有限公司,青海 西寧 810005;2.青海西鋼特殊鋼科技開發(fā)有限公司, 青海 西寧 810005)

        近年來我國礦山、鉆探事業(yè)發(fā)展迅速,對鉆頭用材料的要求也越來越高。釬(鉆)具用鋼要求具備氣體含量低、純凈度高、成分均勻、晶粒細(xì)小,沖擊疲勞性能優(yōu)良、使用壽命長等特點(diǎn)。

        15CrNiMn鋼作為一種釬具用鋼,屬于表面硬化鋼,用于生產(chǎn)牙輪鉆頭,是牙輪鉆機(jī)直接破碎巖石的工具。牙輪鉆頭材料性能的好壞,直接影響著鉆機(jī)的生產(chǎn)率和鉆孔成本。連鑄坯方框偏析的變化對軋材性能具有一定的影響[1],在軋制過程中,軋件內(nèi)部的應(yīng)變、應(yīng)變速率及溫度等各場變量的變化情況不僅能夠影響產(chǎn)品的最終尺寸,而且能夠?qū)е萝埣鞑课坏淖冃纬潭龋M(jìn)而決定產(chǎn)品的性能[2]。因此,本文通過借助有限元仿真技術(shù),結(jié)合某鋼廠連鑄坯生產(chǎn)特點(diǎn),對15CrNiMn鋼410 mm×530 mm連鑄大方坯粗軋(中間坯尺寸為290 mm×300 mm)過程中進(jìn)行質(zhì)點(diǎn)追蹤,研究開坯過程中軋件內(nèi)部約280 mm×170 mm方框偏析的變化及改善,進(jìn)而在實(shí)物上驗(yàn)證方框偏析的改善對15CrNiMn鋼力學(xué)性能的影響。

        1 研究目的及模擬方案

        為了改善方框偏析,對鋼材粗軋環(huán)節(jié)進(jìn)行等軸晶區(qū)歸方模擬。粗軋采用孔型系統(tǒng)為1 250連鑄坯輥孔型,連鑄坯尺寸為410 mm×530 mm,粗軋中間坯尺寸為290 mm×300 mm,實(shí)現(xiàn)中間坯方框偏析的改善,最終驗(yàn)證工業(yè)產(chǎn)材(Φ130 mm)后的力學(xué)性能,模擬粗軋孔型如表1所示。

        2 有限元模型建立

        2.1 基本假設(shè)

        假設(shè)條件為:①軋件為變形體,材料的物理性能參數(shù)隨時(shí)間的變化而變化,包括比熱容、熱導(dǎo)系數(shù)、摩擦系數(shù)、熱膨脹系數(shù)、彈性模量;②軋件的材質(zhì)均勻,為各項(xiàng)同性;③軋輥定義為剛體,沒有變形;④材料遵循Von Mises屈服準(zhǔn)則[3];⑤塑性變形區(qū)內(nèi)的行為服從流動準(zhǔn)則和硬化定律;⑥軋件接觸摩擦過程中采用庫倫摩擦模型[4]。

        2.2 軋制物理模型

        (1)軋輥模型:粗軋9架機(jī)架均采用直徑為Ф1 250 mm的平輥,軋輥在軋制過程中屬于對稱軋制,取軋輥1/2建立幾何模型,并按平立交替布置以實(shí)現(xiàn)無扭軋制。

        (2)軋件:軋件截面尺寸為410 mm×530 mm,角部圓角半徑為20 mm,取原始坯料的2 000 mm長,由于軋制時(shí)的對稱性,取軋件1/4建立幾何模型[5]。

        (3)后推板:尺寸為300 mm×300 mm,其作用為幫助咬入,在實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)軋制后及時(shí)脫離軋件。

        本文采用三維造型軟件Solidworks建立粗軋9道次“箱型-箱型-箱型-箱型-箱型-箱型-箱型-箱型-箱型”孔型系統(tǒng)對應(yīng)的幾何模型[6],如圖1所示。具體做法:根據(jù)BD軋機(jī)用Ф1 250 mm軋輥實(shí)體在軟件中建立對應(yīng)的三維模型,最后以“stl”文件格式進(jìn)行幾何模型的輸出,此時(shí)的FEM文件格式就是Deform軟件中的求解器可以識別的文件格式。進(jìn)入Deform軟件用戶界面,點(diǎn)擊“mesh”選項(xiàng),即可將幾何實(shí)體導(dǎo)入仿真軟件,完成兩種軟件的無縫對接。

        表1 BD軋機(jī)軋制程序表

        2.3 邊界條件

        模型中將軋輥視為恒溫剛性體,軋輥溫度為200 ℃;推板為剛性體,溫度為200 ℃。軋件為塑性體,研究材料為15CrNiMn,對應(yīng)DEFORM 3D材料庫中鋼號為DIN-16MnCr5;軋件的初始溫度為均勻溫度場,為1 150 ℃;邊界條件有摩擦條件和傳熱條件:軋輥、推板與軋件接觸面上采用剪切摩擦,摩擦系數(shù)取0.5;由于軋制速度快、溫降慢的特點(diǎn),本文僅啟動了有限元仿真軟件的變形模塊,定義軋件與環(huán)境、軋輥之間不發(fā)生熱交換。

        圖1 有限元物理模型

        3 模擬結(jié)果

        3.1 內(nèi)部方框偏析的流動情況

        如圖2所示為軋制過程第一道次軋制過程軋件內(nèi)部的等效應(yīng)力分布云圖,由圖2可知,當(dāng)模擬運(yùn)行到第8步時(shí),軋件在后推板的作用下開始咬入軋輥并發(fā)生變形,其中表面變形最為激烈,主要是隨著壓下量的不斷增加,金屬的變形抗力逐漸增大。運(yùn)行到第12步時(shí),后推板已經(jīng)被撤離,此時(shí)軋制靠軋件和軋輥之間的摩擦進(jìn)入穩(wěn)態(tài)階段,該階段軋制變形穩(wěn)定,軋制力波動幅度較小,如圖3所示。當(dāng)軋件脫離軋輥時(shí),因軋件的壓下量突然減小幾乎為0,故軋制力又急劇下降。軋制力在其他道次中的變化規(guī)律基本相同,不同之處在于軋制力會因軋件壓下量的不同而有所區(qū)別。

        3.2 影響方框偏析分布的原因分析

        在一定的溫度下,心部質(zhì)點(diǎn)的流動首先取決于壓下量的大小,其次受到孔型側(cè)壁對寬展的限制的影響,然而BD軋機(jī)為適應(yīng)不同尺寸規(guī)格的坯型軋制,將各孔型的槽口深度適當(dāng)減小、寬度適當(dāng)增大,導(dǎo)致軋件在孔型中的軋制為自由寬展軋制,因而質(zhì)點(diǎn)的流動主要取決于壓下量的分布。

        在心部的280 mm×170 mm邊界上選取了具有代表性的4點(diǎn),分別為P1、P2、P3、P4,如圖4(a)所示,通過觀察和測量以上四個(gè)節(jié)點(diǎn)在橫截面上相對坐標(biāo)的變化情況來研究各道次不同壓下量對矩形形貌的影響。

        圖2 第一道次軋制演化過程

        圖3 第1道次軋制力曲線

        由表2可知,單面兩道次壓下時(shí),僅在軋制方向的坐標(biāo)值發(fā)生變化,而在寬展方向的坐標(biāo)值幾乎不發(fā)生變化。例如,第1道次壓下55 mm時(shí),P1、 P2、P3的橫坐標(biāo)變化5~7 mm,P2的縱坐標(biāo)變化7.6 mm,P3、P4的縱坐標(biāo)變化23 mm。在第2道次壓下50 mm后,P1的橫坐標(biāo)變化1 mm,P3的橫坐標(biāo)變化3.5 mm,縱坐標(biāo)中P2變化6 mm,P3、P4變化12 mm。由此可見,隨著加工硬化的進(jìn)行,相同壓下量下,第2道次各質(zhì)點(diǎn)的坐標(biāo)變化相比第1道次減小約50%。軋件經(jīng)過單面兩道次壓下的平立交替軋制后,在第9道次終軋完畢時(shí)的尺寸為290 mm×300 mm,心部四個(gè)質(zhì)點(diǎn)構(gòu)成的最終形貌為60 mm×66 mm的方形,形狀比較規(guī)則,而且對稱分布在軋件中心,如圖4(b)所示。

        圖4 心部質(zhì)點(diǎn)的軋制演變

        表2 軋制過程中P1、P2、P3、P4四點(diǎn)的坐標(biāo)變化情況

        3.3 金屬流動機(jī)制

        分析了P2、P3兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)分別在軋制方向和寬展方向上位移的變化情況,由圖5可知,在第2、5、6、8道次軋制時(shí),初始位置相差一半的P2、P3兩點(diǎn)的位移變化量仍存在1∶2的比例,但在第一道次時(shí)兩者的比例為1∶3,而此時(shí)料寬比為1.29。說明料寬比越大、壓下量越大,金屬在軋制方向的位移變化就越大。

        由圖6可知,兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)在寬展方向的位移變化隨著軋制道次的增加逐漸減小至幾乎為零。質(zhì)點(diǎn)2在第2道次軋制時(shí)在寬展方向沒有發(fā)生位移,而到了第5道次時(shí)質(zhì)點(diǎn)2的位移變化量超過質(zhì)點(diǎn)3,主要原因是軋件的料寬比從1.14增大到1.25,此后的幾個(gè)道次受加工硬化和料寬比的較小,位移變化不明顯

        4 工業(yè)驗(yàn)證

        在軋制工藝改變之前,某鋼廠410 mm×530 mm連鑄坯經(jīng)過9道次1 250 mm軋機(jī)粗軋后,得到中間坯方框偏析尺寸為160 mm×130 mm;通過按模擬孔型進(jìn)行實(shí)際軋制后,得到鋼坯芯部金屬流動變化與模擬試驗(yàn)基本吻合,改善了過程坯內(nèi)部等軸晶區(qū),得到過程坯方框偏析尺寸為135 mm×123 mm,與試驗(yàn)得到結(jié)果近似相等,如圖7所示。從力學(xué)性能數(shù)據(jù)中屈強(qiáng)比來看,偏析改善后的屈強(qiáng)比明顯提高,高的屈強(qiáng)比對能夠讓鉆具在服役過程中承受更高疲勞強(qiáng)度,進(jìn)而提高了鉆具的疲勞壽命。

        圖5 P3、P2點(diǎn)沿軋制方向上的位移變化

        圖6 P2、P3點(diǎn)沿寬展方向上的位移變化

        5 討論與結(jié)論

        (1)金屬流動演變機(jī)制為:前三道次位移變化比較明顯;料寬比越大,壓下量越大,位移變化越劇烈。

        圖7 實(shí)際生產(chǎn)軋制演變

        (2)通過在410 mm×530 mm連鑄坯內(nèi)構(gòu)造280 mm×170 mm的方框偏析區(qū),研究了模擬粗軋工藝對鋼坯內(nèi)部金屬質(zhì)點(diǎn)的流動規(guī)律的影響,最后經(jīng)過9道次軋制后,在290 mm×300 mm的過程坯中找到了經(jīng)過變形壓縮后120 mm×132 mm的方框偏析形貌,得到近似1∶1的理想方框偏析形貌。

        (3)結(jié)合模擬粗軋孔型工藝及數(shù)據(jù),對410 mm×530 mm連鑄坯進(jìn)行對應(yīng)的實(shí)際驗(yàn)證,得到過程坯內(nèi)部123 mm×135 mm的方框偏析與模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)相近,說明設(shè)計(jì)的粗軋工藝是合理的,且對鋼坯內(nèi)部性能能夠起到一定的改善效果。

        (4)通過對比,發(fā)現(xiàn)15CrNiMn鋼方框偏析改善后的鋼材力學(xué)性能比改善前得到了明顯的提升(見表3)。

        表3 15CrNiMn鋼力學(xué)性能變化

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