轧制工艺参数对H型钢金属流动规律的影响

马劲红，姚晓晗，任喜强，陶彬

（河北联合大学 冶金与能源学院，河北 唐山：063009）

H型钢在轧制过程中，轧件在由水平辊和立辊组成的万能孔型中实现轧制变形，其中水平辊是主动的，立辊为被动辊。腹板是在一对主动的水平辊之间产生塑性变形，并依靠腹板与水平辊之间的摩擦力拖动轧件进入辊缝；翼缘是在被动的立辊和水平辊辊环侧面之间产生塑性变形，依靠翼缘与立辊之间的摩擦力带动立辊转动。腹板和翼缘在不同的变形区进行变形，腹板与翼缘的变形条件存在较大的差异［1－2］。因此研究H型钢的金属流动规律是十分必要的［3］。

1 显示动力学有限元法［4］

显示动力学有限元基本方程为：

式中，a（t）和υ（t）分别是系统的节点加速度向量和节点速度向量，M、C、K和Q（t）分别是系统的质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵和节点载荷向量。

通常用中心差分法求解上面方程，加速度用位移表示为

把式（2）、（3）代入式（1），则求得各离散时间点的位移递推公式为：

中心差分法是一种显式算法。但中心差分法是条件稳定的，即在利用它求解具体问题时，时间步长必须小于由该问题求解方程性质所决定的某个临界值Δtmin，否则算法将是不稳定的＼［7、8＼］。

根据Courant－Friedrichs－Levy稳定性准则，临界时间步长可由下式确定

其中，ωmax为系统的最大固有频率；L为单元特征长度；等于单元中任意两节点间的最小距离。c为材料中的声速，与材料的性质有关。对于三维单元，材料中的声速为

其中，E为杨氏模量；ν为泊松比；ρ为材料密度。

2 有限元模型建立

以某钢铁公司成品尺寸为200mm×200mm×12mm×8mm的H型钢的轧制过程为参考，建立H型钢生产的连轧模型。实体模型由Pro／ENGINEER Wildfire4.0软件建立，坯料尺寸是BD机开坯后的断面尺寸为294 mm×218mm×59 mm×32 mm的模型，为方便计算建立模型时取其长度为1000 mm，横截面取其产品的1／4，平辊直径取1000mm，立辊直径取800mm，轧制工艺是热连轧过程。根据现场情况，图1即是在Pro／ENGINEER Wildfire4.0中建立的实体模型。

图1 H型钢连轧模型

图2 轧件的有限元模型

图3 材料的应力应变模型

模型中沿轧件长度的方向为轴方向，沿轧件的高度方向为轴方向，沿腹板的宽度方向为轴方向。轧件材料Q235，材料模型采用分段线性强化，摩擦模型采用库仑摩擦模型。计算过程中，把轧件视作变形体，轧辊视作刚体。为了防止在轧制过程中轧件中心线偏移，在水平辊的前端加了导板，导板也视为刚体。计算开始时，轧件以与水平辊节圆线速度稍慢的速度向辊缝运动，待轧辊咬入后，进入到稳定轧制阶段，轧辊带动轧件运动，轧件带动立辊转动。轧辊和导板均采用shell163壳单元，轧件采用solid164实体单元。在轧件两个对称面设置为对称约束。

轧件的材料为Q235B，故采用分段强化材料模型，轧件的变形抗力模型为：

式中σ0——基准变形抗力，即t＝1000℃、γ＝0˙4和u＝10 s－1时的变形抗力；

γ——变形程度（对数应变）；

u——变形速度；

σ0、α1～α6——回归系数，其值取决于钢种；

轧辊采用刚性材料模型，需要输入的材料参数有密度、弹性模量和泊松比三个参数，如表1所示。

表1 轧辊材料参数

3 金属流动和变形规律分析

根据图4的轧制模型，应用ANSYS／LS－DYNA模块进行模拟轧制计算，分析了延伸率、轧制速度和摩擦系数等对金属流动规律的影响。

3.1 延伸率的影响

H型钢热连轧过程中轧件断面尺寸变化很大，尤其是翼缘，各机架次中翼缘的变形相对腹板要大很多。在本文的轧制条件下，金属流动的基本规律是沿着与水平辊相接触的内表面往内部流动，但针对各机架，流动的规律又略有差别。万能轧机因为各架次压下量的不同，金属流动有细微变化，但趋势相近。限于篇幅，仅给出万能轧机第一道次的金属流动规律。

本文中主要分析了翼缘的压下量为21.36%不变，腹板的压下量发生变化时，金属流动规律的变化。腹板压下量为21.25%

腹板压下量为21.25%时，节点X、Y、Z方向位移云图分别如图8（a）、8（b）、8（c）所示。

图4 腹板压下量为时节点位移

综合图4（a）、4（b）、4（c）节点三个方向的位移云图，可以看出在咬入初始阶段，金属从翼缘向腹板流动，原因为在用万能法轧制H型钢时，翼缘首先和被动的立辊接触发生变形，腹板部分变形滞后于翼缘部分的变形，翼缘部分的金属向腹板方向流动。同时在Z方向上，在咬入阶段，也由于翼缘先于腹板变形，根据最小阻力定律，翼缘会向变形阻力小的Z方向流动，因此，翼缘在轧件的长度方向即Z方向向前流动，同时也带动腹板部分的金属向前流动，这就是轧件头部形成舌头的原因。翼缘外侧的金属向自由端延伸。在轧件出口处，翼缘部分金属向后延展，翼缘部分的金属向腹板方向流动。从整个轧件来看，翼缘上与立辊相接触的外层金属，其Y方向位移基本大于零，说明其流动方向是向翼缘的自由端延展。翼缘中间部分的金属和内侧的金属向腹板流动。

分别讨论腹板压下率为24.375%、26.25%、28.125%、30.625%，腹板和翼缘的延伸率比值分别为把五种不同延伸率的情况如表2所示。

表2 五种不同延伸率的节点位移

从表2中可以看出，节点Y方向的位移随着腹板压下量的增大，正位移在增加，负位移在减少，即说明，腹板压下量增大时，翼缘的自由延伸在增加。同时，在轧制开始阶段，翼缘的金属向腹板金属流入更多。在稳定轧制阶段，随着腹板压下量的增加，翼缘向腹板流入的金属的体积在减少。从在轧件出口处Z方向的位移差来看，当腹板压下量为26.25%时，在轧件出口端面上Z方向的位移差为16.6mm，为最小。更接近均匀延伸。此时，翼缘和腹板的延伸比为93.8%。

图5 轧辊转速为6rpm Y方向节点位移

图6 轧辊转速为10rpm时，Y方向节点位移

3.2 轧制速度的影响

比较图5和图6可以看出，在腹板和翼缘压下量均相同的情况下，降低轧辊的转速，能够减少翼缘向腹板流动的金属总量，以及金属流动的位移量。

3.3 轧制温度的影响

比较图7（a）、7（b）可以看出，随着轧制温度的降低，翼缘向腹板流动的金属位移量减小，这因为随着轧制温度的降低，金属的变形抗力增加。造成金属的流动性差，因此，腹板和翼缘之间交换金属的量也减小。

3.4 摩擦系数的影响

比较图8（a）、8（b）可以看出，随着摩擦系数的增大，翼缘自由延展的位移量在减小，而由翼缘流向腹板的金属的位移量在增加。

图7 轧件初轧温度不同时，Y方向节点位移

图8 摩擦系数不同时，节点Y方向位移

4 结 论

1）合理分配腹板和翼缘的延伸率，能够减少金属的流动量。

2）降低轧辊的转速，能够减少翼缘向腹板流动的金属总量，以及金属流动的位移量。

3）随着摩擦系数的增大，翼缘自由延展的位移量在减小，而由翼缘流向腹板的金属的位移量在增加。

4）随着轧制温度的降低，金属的变形抗力增加。造成金属的流动性差，因此，腹板和翼缘之间交换金属的量也在减小。

［1］ 贺庆强，张勤河，张海龙，等.H型钢热连轧过程的金属变形分析［J］.重型机械，2009，（1）：24－27.

［2］ 贺庆强，孙佳，袁宝民等.H型钢多道次粗轧工艺过程的数值分析［J］.华南理工大学学报（自然科学版），2010，38（1）：144－148.

［3］ 马光亭，臧勇.H型钢万能轧制过程中金属流动的有限元分析［J］.北京科技大学学报，2008（2）：165－168.

［4］ 白金泽.LS－DYNA3D理论基础与实例分析［M］.北京：科学出版社，2005：93－115.