棒材表面劃傷驗收材料之5結(jié)題報告

1、驗收材料之五“降低優(yōu)特鋼表面劃傷不合格率”項目2010-11 月1 優(yōu)特圓鋼成品表面劃傷缺陷形貌及來源分析 11.1 棒材廠主要設(shè)備概況 11.2 軋件表面劃傷缺陷形貌分析 11.3 優(yōu)特鋼表面劃傷造成的危害 31.4 優(yōu)特鋼表面劃傷缺陷原因分析 32 優(yōu)特鋼軋制過程的三維有限元模擬仿真分析 112.1 模型的建立 112.2 結(jié)果后處理 212.3 按軋制程序表中工藝參數(shù)的有限元仿真結(jié)果 302.4 修正軋制程序表后的有限元仿真結(jié)果 302.5 圓鋼成品孔型的有限元分析 332.6 優(yōu)特園鋼的三維有限元仿真結(jié)果 363 解決優(yōu)特鋼軋件表面劃傷的措施 374 存在的問題及改進(jìn)意見 505 實施

2、效果 506 項目總結(jié) 53- 1 -1優(yōu)特圓鋼成品表面劃傷缺陷形貌及來源分析為研究優(yōu)特鋼棒材表面劃傷缺陷的機(jī)理， 必須對優(yōu)特鋼軋制過程中軋件及成品表面 劃傷缺陷形貌及來源進(jìn)行分析，以找出解決措施，降低優(yōu)特鋼表面劃傷不合格率，以提 高優(yōu)特鋼棒材產(chǎn)品綜合合格率。1.1 棒材廠主要設(shè)備概況棒材廠軋線主要設(shè)備布置示意圖如圖 1.1所示，全線22架軋機(jī)平立交替布置，分為 開坯、粗軋、中軋、精軋4個機(jī)組，開坯與粗軋機(jī)組為脫頭軋制，粗軋、中軋、精軋實 現(xiàn)連軋，全線微張力或無張力無扭軋制，軋制過程由計算機(jī)自動控制。開坯機(jī)組是 4架 750的短應(yīng)力線軋機(jī)；粗軋機(jī)組 4架520和2架380的閉口式軋機(jī)；中軋機(jī)組

3、 6 架中380閉口軋機(jī)；精軋機(jī)組6架300預(yù)應(yīng)力軋機(jī)。為適應(yīng)優(yōu)特鋼棒材生產(chǎn) 2008年進(jìn) 行了改造，將中軋機(jī)組改為380短應(yīng)力軋機(jī)，并對原推鋼式加熱爐燃燒系統(tǒng)進(jìn)行了改 造，現(xiàn)為天然氣、重油兩套燃燒系統(tǒng)可交替使用，在開坯機(jī)組前加高壓水除鱗系統(tǒng)。最 高軋制速度為18m/s,設(shè)計年產(chǎn)量為30萬噸，實際達(dá)到55萬噸。1-加熱爐；2-1#夾送輻；3-開坯機(jī)組；4-160t熱平剪；5-2#夾送輻；6-粗軋機(jī)組； 7-1#飛剪；8-中軋機(jī)組及1#活套；9-2#飛剪；10-精軋機(jī)組及2#-7#活套；11-3#夾送輻及3#飛剪；12-步進(jìn)齒條式冷床；13-定尺冷剪；14-收集、打捆、稱重臺架 圖1.1武鋼棒材

4、廠軋線主要設(shè)備布置示意圖1.2 軋件表面劃傷缺陷形貌分析1.2.1 表面劃傷缺陷形貌特征1.2.1.1 缺陷形狀及分布該缺陷特征比較明顯，劃傷在棒材表面表現(xiàn)為通長縱向的一條或數(shù)條或短或長線 狀劃痕，缺陷形貌見圖1.2。此缺陷出現(xiàn)的位置不固定，在棒材塞位側(cè)出現(xiàn)的較多。該 缺陷的另一個特征是劃傷方向始終相同，即基本與軋件軸線平行。1.2.1.2 缺陷金相組織及能譜分析為了進(jìn)一步分析劃傷缺陷產(chǎn)生原因，對軋制45#鋼40圓鋼棒材成品劃傷處進(jìn)行了金相組織分析，劃傷缺陷處的能譜分析及金相照片見圖1.3。缺陷處未發(fā)現(xiàn)異常的非金屬夾雜物。由金相組織照片可觀察到明顯劃傷痕跡，結(jié)合 缺陷顏色發(fā)亮，初步認(rèn)定此缺陷為

5、硬性挫傷，中軋出口以后產(chǎn)生的可能性較大。圖1.2優(yōu)特鋼劃痕特征試樣（500像素數(shù)碼相機(jī)拍攝）a-軋制45 #鋼40試樣劃痕形貌；b、1.2.1.3 45# 優(yōu)特鋼表面脫碳分析圖1.3劃傷缺陷處能譜分析及金相照片c-軋制40Cr鋼30試樣劃痕形貌UFOtitan uh imi（a）-電鏡能譜分析；（b）-金相組織）圖1.42#邊部脫碳圖1.5 2#組織：F+P+W的混合組織對軋制45#鋼40圓鋼棒材成品表面脫碳分析，4個試樣的加熱時間及脫碳深度見表1.1。其金相組織：1 # : F+P,邊部有 W 2# : F+P+M; 3# : F+P,邊部有少量 W 4# : F+P,邊部有少量 W圖1.4

6、為2#試樣邊部脫碳情況圖，圖1.5為2折式樣混合組織 金相圖。而表面脫碳與鋼的高溫氧化密切相關(guān)，與其化學(xué)成分對比可知，脫碳層深度與 試樣的含碳量、碳當(dāng)量呈正比。表1.1不同試樣的加熱時間及其脫碳深度序號1 #2#3#4#脫碳0.36mm0.40mm0.17mm0.15mm加熱時間min871202931.3 優(yōu)特鋼表面劃傷造成的危害圖1.6帶連續(xù)劃痕（M0圓鋼（45#鋼）試樣加工成零件優(yōu)特鋼表面質(zhì)量缺陷有劃痕、折疊、凹坑等多種，但是劃痕是上述表面質(zhì)量缺陷中 最常見的一種。一般劃痕的深度超過 0.2 mm,不能修磨，成為廢品。若帶有劃痕的優(yōu) 特鋼出廠，在后續(xù)加工中會產(chǎn)生開裂、裂紋或金屬切削量不足

7、等問題。很多熱連軋的優(yōu) 特圓鋼棒材劃傷在下工序的酸洗、拉拔中無法消除。特別是熱劃傷其后的深加工尺寸減 小，最終會在圓件表面暴露出一條重皮、夾層，去掉重皮后，一條通長的深劃痕，不僅影響零件表面的美觀和光潔度，并且由于劃痕部位應(yīng)力集中，在用戶使用或再加工時易 開裂，如圖1.6。1.4 優(yōu)特鋼表面劃傷缺陷原因分析針對武鋼棒材廠生產(chǎn)線實際工藝及設(shè)備運行情況，結(jié)合武鋼棒材廠軋制優(yōu)特圓鋼過 程中，軋件表面劃傷統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析及出現(xiàn)表面劃傷時整個軋制線的實際調(diào)整經(jīng)驗。認(rèn)為 武鋼棒材廠軋制優(yōu)特鋼成品表面劃傷的主要來源在于軋制過程中的熱劃傷及軋后輸送 輾道上、2#飛剪前后導(dǎo)槽引起的冷劃傷。引起劃傷的主要原因可歸結(jié)為

8、工藝原因產(chǎn)生的 劃線及設(shè)備原因產(chǎn)生的劃線。1.4.1 工藝原因引起軋件表面劃傷1.4.1.1 生產(chǎn)線上的軋制線偏離，使得軋件在軋制及其輸送過程中處于不穩(wěn)定狀態(tài)武鋼棒材廠原軋制線相對于軋機(jī)地腳板標(biāo)高+800mm整個生產(chǎn)線的軋制線應(yīng)該不變。由于武鋼棒材廠08年為提高中軋機(jī)組軋機(jī)剛度，將原來的閉口機(jī)架軋機(jī)改為短應(yīng)力線軋機(jī)，以提高產(chǎn)品尺寸精度，以利于開發(fā)大規(guī)格優(yōu)特圓鋼。但隨后出現(xiàn)中軋機(jī)組沒 有軋制線基準(zhǔn)問題，使得粗、中、精軋機(jī)組及 1# 2# 3#飛剪，包括軋后輸送輾道的溜 鋼線不一致（參見圖1.7的輾道磨損情況，靠輾道傳動側(cè)單邊磨損嚴(yán)重與圖1.8 2#飛剪操作側(cè)劃傷情形一致）。圖1.7 3#飛剪與冷

9、床制動滑板之間的軋件輸送輻道磨損情況圖1.8 2#飛剪前導(dǎo)衛(wèi)過鋼示意圖a-俯視圖，軋制 中30, 40Cr鋼；b-主視圖，軋制 中40, 45#鋼圖1.9武鋼棒材廠中軋機(jī)組及機(jī)架間過鋼情況圖1.9為武鋼棒材廠中軋機(jī)組機(jī)架問過鋼情況，軋制 40圓鋼（45#）。明顯的相 鄰機(jī)架軋制線（水平方向、垂直方向）均有不同程度的偏移，結(jié)合圖 1.8可知，軋件在 2#飛剪入口導(dǎo)槽處（偏向操作側(cè)接觸該導(dǎo)槽外側(cè)板）劃傷嚴(yán)重。1.4.1.2 孔型設(shè)計修正后，進(jìn)出口導(dǎo)衛(wèi)內(nèi)腔尺寸設(shè)計不合理由于武鋼棒材廠考慮到優(yōu)特鋼與普碳鋼孔型的公用性，在孔型設(shè)計上作了相應(yīng)修 正，軋制優(yōu)特圓鋼的導(dǎo)衛(wèi)，是在原來軋制普碳圓鋼、螺紋鋼的導(dǎo)衛(wèi)修

10、正而來?；瑒訉?dǎo)衛(wèi) 內(nèi)腔尺寸相對優(yōu)特鋼軋件尺寸過緊，由于滑動導(dǎo)衛(wèi)內(nèi)表面與軋件表面為滑動摩擦。則一 方面加劇導(dǎo)衛(wèi)內(nèi)腔受力面磨損；或由于軋制工藝參數(shù)調(diào)整（如調(diào)壓下、調(diào)軋輾轉(zhuǎn)速等）：可能引起機(jī)架間堆拉關(guān)系變化，加劇滑動導(dǎo)衛(wèi)內(nèi)腔與軋件接觸面磨損。如不及時更換則 可能引起接觸表面熱劃傷。1.4.1.3 鋼坯加熱不均勻及黑印由于采用推鋼式加熱爐，加熱爐中的滑軌易出現(xiàn)黑印，加上加熱能力不夠，軋件上 下表面溫度可能不一樣。軋件上下表面溫度不均勻軋機(jī)出口軋件頭部上翹問題在粗軋表現(xiàn)較為明顯，軋件在粗軋軋制速度較慢，軋件 上表面溫度比下表面溫度低造成軋件出軋機(jī)時頭部上翹。頭部上翹存在兩種情況：水平 軋機(jī)出口軋件上翹（

11、主要是1H軋機(jī)），由于軋件溫度不均勻，引起上下表面變形不均勻， 另外，出口導(dǎo)衛(wèi)上沒有蓋板；立式軋機(jī)出口軋件上翹，按常規(guī)安裝進(jìn)口導(dǎo)衛(wèi)的高度，進(jìn) 口導(dǎo)衛(wèi)火持不住軋件，由于軋件溫度不均勻引起上下表面變形不均勻，引起出口軋件向 上彎。上彎的軋件進(jìn)入下一道軋機(jī)會沖擊其進(jìn)口導(dǎo)衛(wèi)，加劇上表面磨損，嚴(yán)重時會劃傷 軋件上表面。側(cè)彎主要是指中軋、精軋水平軋機(jī)出口軋件，主要原因是進(jìn)口導(dǎo)衛(wèi)間隙過大以及進(jìn) 口導(dǎo)衛(wèi)對偏，加劇進(jìn)口導(dǎo)衛(wèi)或?qū)л唵蝹?cè)磨損，嚴(yán)重時會劃傷軋件上表面。鋼坯加熱不均勻及黑印對軋制過程調(diào)整的影響由于武鋼棒材廠采用的是推鋼式加熱爐，由于加熱爐滑軌引起的水印，軋制過程中 會出現(xiàn)軋制電流的較大波動，而計算機(jī)控制

12、系統(tǒng)是采用張力電流法，只要電流有較大波 動，微張力控制系統(tǒng)就會干預(yù)，其結(jié)果易引起堆拉關(guān)系混亂，一方面軋件尺寸可能有較 大非正常波動，導(dǎo)致成品尺寸精度不夠高（特別是軋制大規(guī)格優(yōu)特圓鋼，即從中軋機(jī)組 出成品），另一方面，軋件尺寸波動，增加人工調(diào)整頻率，導(dǎo)衛(wèi)與軋件接觸面摩擦力大 小和方向都有可能變化，加劇導(dǎo)衛(wèi)磨損，引起導(dǎo)衛(wèi)（特別是滑動導(dǎo)衛(wèi)）劃傷軋件表面。 1.4.1.4 活套參數(shù)的設(shè)置圖1.10為立式活套起套高度及其套量計算示意圖。 設(shè)活套器壓輾間距為L,活套高 度為ho將軋件在活套器內(nèi)形成活套形狀近似看成正弦曲線，則活套量、活套跨度和活 套高度關(guān)系如下：22L h / 4L（1.1）式中，L-活套

13、量；L-活套器壓輾間距；h-活套高度。圖1.10活套高度及其套量計算示意圖中精軋機(jī)組采用立式活套是為了實現(xiàn)無張力軋制，以保證成品尺寸精度。一方面由 于直流主電機(jī)動態(tài)速降的影響，軋件咬入下一架軋機(jī)時，必然在兩機(jī)架間形成固定套量, 另一方面軋制過程是一個動態(tài)過程，許多工藝參數(shù)的變化可能引起機(jī)架間秒流量的變 化。具套量的變化與套高的平方成正比，不是線性關(guān)系。如果活套高度變化過大，則其 其活套量的變化會成平方關(guān)系變化，即套量的變化會很大，若活套輾的響應(yīng)頻率不夠快, 勢必形成瞬間堆鋼，會接觸前一機(jī)架的出口導(dǎo)衛(wèi)或下一機(jī)架的入口導(dǎo)衛(wèi)的底板或活套壓 套輾的底板，形成滑動摩擦，則會劃傷軋件下表面。1.4.2設(shè)備

14、原因引起軋件表面劃傷主要指軋制線上各種導(dǎo)槽、輸送滾道、滑板及群板輾道等設(shè)備的底面或側(cè)面與軋件 產(chǎn)生滑動摩擦而引起劃傷。1.4.2.1 生產(chǎn)線上的輸送輾道的磨損、堆焊、粘附氧化鐵皮軋制過程中的輸送輾道，主要指開坯機(jī)組前、后 V形地輾及粗軋機(jī)組前后輸送水平 輾道，見圖1.1114。圖1.11開坯與粗軋機(jī)組間輻道（中間有5個無驅(qū)動的自由輻道）圖1.12開坯與粗軋機(jī)組間V形輻道組（a）-開坯與粗軋機(jī)組間 V形輻道組；（b）-開坯02V出口 V形輻道過鋼情況圖1.13 開坯與粗軋機(jī)組間 V形輻道及其槽型（a）-V形輻道底部未予堆焊；（b）-V形輻道槽底堆焊（a）、（b）、（c）-輻道中間磨損嚴(yán)重后堆焊處

15、理后結(jié)果；（d）-輻道中間磨損不嚴(yán)重后未堆焊軋件在這些輸送輾道以不同的速度運行，正常情況下與軋件接觸的輾道與軋件的運 行速度同步，而靜止的設(shè)備是不與軋件表面接觸的。軋件在輸送輾道上運行劃傷的根源在于輾道表面有局部小凸起，表面粗糙，不光潔輾道表面磨損、堆焊。由于高溫優(yōu)特鋼更易于氧化，雖經(jīng)高壓水除磷，隨后還會 二次氧化，故軋件與輾道接觸時，可能出現(xiàn)打滑而出現(xiàn)相對滑動，如果為避免打滑在磨損的輾道表面（見圖1.14（a）、（b）、（c）、V型槽底（見圖1.13 （b）堆焊處理，加上 此時軋件單重較大，加重輾道表面磨損，這軋件表面可能劃傷；粘附氧化鐵皮。接觸物表面光滑，但在輸送過程中，由于優(yōu)特鋼表面產(chǎn)生

16、的氧化 鐵皮粘性大，氧化鐵皮極易在接觸物的易磨擦位產(chǎn)生局部堆積，而這些局部堆積又作用 于軋件表面產(chǎn)生劃傷。如圖1.13V型輾道槽型側(cè)面；接觸物發(fā)生異常突起，有高于輾道平面的異物出現(xiàn)。如輾道間的過渡板和固定過 渡板的螺栓是低于輾道平面的，當(dāng)由于撞擊或裝配不合適，高于輾道平面后，就會于軋 件下表面接觸而產(chǎn)生劃傷；輸送線出現(xiàn)死輾和自由輾，包括停轉(zhuǎn)或相對停轉(zhuǎn)的輾道。如當(dāng)輾道軸承壞死，輾 道停轉(zhuǎn)后就會與運行的軋件下或側(cè)表面產(chǎn)生相對滑動而劃傷軋件表面。1.4.2.2 軋后輸送輾道的磨損、粘附氧化鐵皮、擦輾道側(cè)板或底板圖1.15中軋與3#倍尺飛剪之間過渡輻道示意圖圖1.16過渡輻道磨損及其底板、側(cè)板示意圖圖

17、1.17 3#飛剪與18V軋機(jī)之間的軋件輸送輻道及其過鋼情況56圖1.18 3#飛剪與18V軋機(jī)之間的軋件輸送輻道與其附近底板情況圖1.19 3#飛剪與冷床制動滑板之間的軋件輸送輻道側(cè)面立輻與其附近底板、側(cè)板情況圖1.20 3#飛剪與制動滑板輻道之間的軋件輸送輻道側(cè)面立輻裝配情況圖1.21裙板輻道工作原理圖示意圖圖1.22裙板輻道磨損分析示意圖軋后的過度輸送輾道主要指除 16、18圓鋼外，通過甩道次軋制較大規(guī)格 20 40圓鋼，甩掉的道次，需連接新的輸送輾道，見圖 1.15,磨損情況見圖1.16; 18V 軋機(jī)至3#飛剪的輸送*M道，見圖1.17,磨損情況見圖1.18; 3#飛剪與冷床制動滑板

18、之 間的軋件輸送輾道側(cè)面立輾及其磨損情況見圖1.19,裝配見圖1.20;冷床前的群板輾道工作原理圖示意圖，見圖1.21。軋件在這些輸送輾道以不同的速度運行，正常情況下與軋件接觸的輾道與軋件的運 行速度同步，但3#飛剪后的滑板輾道及其后的制動群板起制動軋件的作用，相互間為滑動摩擦。輾道表面的磨損及粘附氧化鐵皮。由圖 1.7可知，3#飛剪與冷床制動滑板之間的 軋件輸送輾道靠近傳動側(cè)磨損嚴(yán)重，說明軋件在該區(qū)間運行中心線偏向外側(cè)（傳動側(cè)） 附近氧化鐵皮較多，易于粘附氧化鐵皮，冷卻后易于劃傷軋件表面。同時附近底板上氧 化鐵皮較多堆積，冷卻后可能劃傷軋件表面，見圖 1.18。圖1.19、1.20說明該處立

19、輾 作用很大，能有效避免軋件擦側(cè)面墻板，從而避免軋件側(cè)表面劃傷。圖1.22為冷床制動群板及制動群板輾道的磨損情況。3#飛剪后至冷床前的輸送輾 道上，棒材的運動是加速一勻速一降速（制動）的過程。在該運動過程中輾子與棒材之間 既有滾動磨擦也有滑動磨擦，而裙板及滑板與棒材之間是單一滑動摩擦，分析認(rèn)為滑動 磨擦是導(dǎo)致冷床制動群板及制動群板輾道輾面磨損及成品表面冷劃傷加劇的主要原因。軋后輸送輾道的側(cè)板擦軋件。主要由于生產(chǎn)線軋制線水平偏移，致使軋后軋件向 軋機(jī)的操作側(cè)偏移，參見圖1.7、圖1.16的輾道磨損情況。則如果沒有立輾的引導(dǎo)作用， 軋后優(yōu)特圓鋼可能擦具輸送輾道外側(cè)板，引起表面冷劃傷。輸送輾道的輾道

20、上表面與其底板間距。若輸送輾道的輾道上表面與其底板間距， 過小，則一方面如果輾道表面磨損后，軋件可能由于其高溫形成的擾度較大（較小規(guī)格 圓鋼更明顯），而接觸輾道底板劃傷下表面。1.4.2.3 過橋或?qū)Р鄞种熊垯C(jī)組的相鄰機(jī)架間采用過橋引導(dǎo)軋件，飛剪前后也采用導(dǎo)槽或過橋引導(dǎo)軋 件。軋件在這些設(shè)備中運行不暢，也可能引起優(yōu)特鋼軋件表面劃傷。機(jī)架間的過橋。如果相鄰軋機(jī)軋制線（溜鋼線誤差較大，如水平偏差或垂直偏差）可能引起軋件在過橋中運行易于摩擦過橋側(cè)板或下底板；或因安裝不當(dāng)，造成過橋底板 高于運行中軋件下表面或其中心線偏離軋槽溜鋼線引起軋件擦過橋側(cè)板。運行中的軋件與靜止的過橋間形成滑動摩擦，再加上過橋內(nèi)

21、表面有粘附氧化鐵皮或焊瘤或其他凸起， 必然會劃傷軋件接觸表面，引起熱劃傷。而軋制大規(guī)格優(yōu)特鋼時，由于隨后軋制變形愈 合劃傷的機(jī)會減少，則這種熱劃傷會殘留到成品表面。飛剪前后的導(dǎo)槽。2#飛剪前的導(dǎo)槽見圖1.8,軋件與2#飛剪前導(dǎo)槽外側(cè)側(cè)板有滑 動摩擦，導(dǎo)致軋件外側(cè)嚴(yán)重劃傷。其主要原因在于2#飛剪剪刃及其前面導(dǎo)槽水平中心線 與12V軋機(jī)軋槽水平中心線發(fā)生較大偏移。 加上2#飛剪前面導(dǎo)槽沒有立輾，其必與導(dǎo)槽 外側(cè)墻板接觸劃傷軋件表面。考慮到武鋼棒材廠為軋制優(yōu)特鋼對原軋制普碳圓鋼及低合金螺紋鋼孔型修正設(shè)計 后，進(jìn)出口導(dǎo)衛(wèi)選型及內(nèi)腔尺寸設(shè)計可能不合理，下一章將以其軋制45號鋼18的軋制程序表中的工藝參數(shù)

22、為基礎(chǔ)進(jìn)行三維有限元仿真，模擬出軋件紅坯尺寸、軋件溫度場、速度場、機(jī)架間堆拉關(guān)系及其力能參數(shù)變化規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，分析軋機(jī)轉(zhuǎn)速變化（即 工藝參數(shù)調(diào)整后）對軋件紅坯尺寸、機(jī)架間堆拉關(guān)系的影響。2優(yōu)特鋼軋制過程的三維有限元模擬仿真分析有限元模擬分析的目的是通過模擬從 1H到18V全部軋制過程過程，分析各道次金 屬流動的規(guī)律，各個軋槽的充滿情況，各個軋制道次軋件的形狀、面積，天地和塞位的 尺寸，分析各道次間的張力情況以及溫度分布情況。從而為現(xiàn)場試驗的工藝參數(shù)提供依 據(jù)。本分析采用45號鋼軋制18圓鋼為分析對象，軋制18圓鋼需要經(jīng)過粗軋6架、 中軋6架，精軋6架共18個道次的軋制，將除了開坯（兩架）外

23、的所有軋機(jī)都使用上 了，具有代表性。由于該模型很大，軋制道次很多，在軋制過程中軋件的網(wǎng)格畸變非常 大，無法連續(xù)18道次軋制。故本分析采用各個機(jī)組分開分析，粗軋機(jī)組單獨建模分析， 將粗軋后的單元模型轉(zhuǎn)化為幾何模型，切掉頭尾變形不好的部分，重新劃分網(wǎng)格，然后 將粗軋后的溫度數(shù)據(jù)傳遞到新的模型上，接下來進(jìn)行中軋機(jī)組的分析，中軋后的幾何模 型和數(shù)據(jù)采用和粗軋一樣的方式。LS-DYNA采用顯式算法，計算速度和精度都很高。 由于軋制過程本身就是動力學(xué)過程，因此采用動力學(xué)方法進(jìn)行分析將更符合實際情況。 故本模擬采用LS-DYNAC件來進(jìn)彳T軋制18圓鋼仿真分析。2.1 模型的建立LS-DYNA只是有限元求解

24、程序，其前后置處理程序，一般采用ANSYS FEMBHYPERMESHLS-PREPOST軟件，本分析采用 ANSYS LS-PREPOST HYPERMESHH乍為其前處理程序，進(jìn)行參數(shù)化建模。2.1.1 粗軋模型的建立2.1.1.1 軋件模型的建立2.1.1.1.1 軋件的幾何模型的建立為了減少求解規(guī)模，考慮到軋件幾何形狀的對稱性，采用軋件的1/4模型來建立軋件模型。1H軋前的坯料尺寸BX H為1.50 X 1.50 （m ,圓角半徑為0.02m,長度取0.45m。 由于采用1/4模型，所以軋件的實際尺寸 BX HX L為0.75 X0.75 X0.45（m）。圖2.1為 軋件橫截面幾何圖

25、，圖2.2為軋件三維圖。2.1.1.1.2 軋件的材料參數(shù)軋件的材料參數(shù)都是在高溫下的參數(shù)，具體如表2.1表2.1 45號鋼材料性能參數(shù)溫度200 c800 c900 c1000 C1100 C1500 C彈性模量（Pa）0.199E+120.154E+120.143E+120.132E+120.122E+120.694E+11密度（Kg/M 3）785078507850785078507850泊松比0.30.30.30.30.30.3熱膨脹系數(shù)0.130E-040.149E-040.149E-040.149E-040.149E-040.149E-04比熱容533778778778778778

26、熱傳導(dǎo)系數(shù)43.234.134.134.134.134.1加工硬化采用分段線性強(qiáng)化模型：圖2.3所示為45號鋼在1.6S-1的應(yīng)變速度條件 下的不同溫度的真應(yīng)力與塑性應(yīng)變的曲線圖。Flow Stress vs plastic Strain diagram._20C 100 c600 c800 c一 900c1000 c一 1100 c00.511.5plastic Strain圖2.3變形速度為1.6S-1真應(yīng)力真應(yīng)變圖示2.1.1.1.3 軋件的有限元網(wǎng)格模型由于是帶有軋槽的軋制，在軋件和軋輾接觸的部位，尤其是軋輾軋槽的圓角處金屬 流動比較劇烈，故在此部位劃分的單元要密集些。在軋件的中間部位

27、網(wǎng)格劃分的比較稀 疏。整個軋件采用SOLID164#單元進(jìn)行劃分，生成 6面體單元58350個，節(jié)點64628 個。具軋件有限元網(wǎng)格模型見圖 2.4、圖2.5。圖2.4軋件橫截面網(wǎng)格圖圖2.5軋件三維網(wǎng)格模型2.1.1.2 粗軋軋輾模型的建立2.1.1.2.1 軋輾的幾何模型的建立采用對稱模型，軋輾只建立上輾的1/2模型，粗軋軋輾的幾個何模型見圖2.6,圖2.72.12為粗軋孔型圖。粗軋各軋輾的參數(shù)見軋制程序表2.2。2.1.1.2.2 軋輾的材料參數(shù)軋輾的材料參數(shù)具體如下：彈性模量：E=210GPa密度：7850Kg/M3泊松比： 0.36圖2.6軋輻的幾何模型表2.2軋制程序表機(jī)組機(jī)架孔型

28、號原始輻徑/MM工作輻徑/MM線速度/(M/S)軋輻轉(zhuǎn)速/rPM軋輻角速度/(rAD/S)粗軋1HG15560474.70.228.870.93粗軋2VG16560464.60.2911.921.25粗軋3HG17560502.80.4015.181.59粗軋4VG18560498.50.5320.202.12粗軋5HG19410372.30.7538.374.02粗軋6VG20410364.70.9951.945.44中軋7HG21450422.61.3360.016.28中軋8VG22450416.21.6977.398.10中軋9HG23450429.72.2599.7810.45中軋1

29、0VG24450425.72.78124.7313.06中軋11HG25450435.63.60157.7216.52中軋12VG26450430.94.45197.3920.67精軋13HD30340327.05.55324.3333.96精軋14VD40340322.86.75399.1341.8精軋15HD50340329.37.86455.9647.75精軋16VD60340325.69.42552.6057.87精軋17HD70340331.711.70673.8470.56精軋18VD80340327.713.77802.384.02LS IJYNA user inputTime

30、-0I S imu uucr Input Tim = n2.1.1.2.3 軋輾的有限元網(wǎng)格模型軋輾采用剛性輾，不考慮其彈性變形。軋輾的采用 SOLID164單元劃分網(wǎng)格。軋輾 長度方向上劃分20個單元，厚度方向上取1個單元，圓周上取80個單元。每個軋輾的 六面體單元為1600個，節(jié)點數(shù)為3360個。軋輾的有限元網(wǎng)格模型見圖 2.132.18。圖2.13 1H軋輻1/2上輻有限元網(wǎng)格模型圖2.14 2V軋輻有限元網(wǎng)格模型圖2.15 3H軋輻有限元網(wǎng)格模型圖2.16 4V軋輻有限元網(wǎng)格模型圖2.17 5H軋輻有限元網(wǎng)格模型圖2.18 6V軋輻有限元網(wǎng)格模型2.1.1.3 加載2.1.1.3.1

31、溫度載荷的加載軋輾溫度的加載軋輾原始溫度設(shè)定為100攝氏度，將溫度加載在幾個軋輾的每個節(jié)點上。軋件溫度的加載軋件的初始溫度設(shè)定為1050攝氏度，將溫度加載在軋件的每個節(jié)點上。設(shè)定環(huán)境 溫度為25攝氏度，軋件和環(huán)境的對流和輻射綜合換熱系數(shù)為 250W/m K。軋件的功熱 轉(zhuǎn)換系數(shù)為0.9。軋件和軋輾的熱交換軋件和軋輾接觸時采用綜合換熱系數(shù)11000 W/m K。2.2.1.3.2速度載荷的加載軋件的初速度為0.2m/s,將速度加載在軋件的每個節(jié)點上，軋輾設(shè)定旋轉(zhuǎn)速度，其 角速度見軋制程序表2.2.2.1.2 中軋模型的建立1.1.1.1.1 中軋坯料模型的建立1.1.1.1.2 中軋坯料幾何模型

32、的建立由于軋制變形量大，網(wǎng)格畸變大，要繼續(xù)軋制就需要重新劃分網(wǎng)格，將粗軋后的軋 件的網(wǎng)格模型導(dǎo)入HYPERMESH牛，將其粗軋后的軋件網(wǎng)格模型轉(zhuǎn)化為實體模型，在該 模型上截取一部分作為中軋的坯料，見圖 2.19。圖3.19 中軋坯料的幾何模型圖3.20中軋坯料網(wǎng)格模型1.1.1.1.3 中軋坯料的有限元網(wǎng)格模型中軋坯料近似為圓柱體，軋件長度方向上劃分 80個單元。圓弧邊30個單元，整個 軋件采用SOLID164體單元進(jìn)行劃分，生成6面體單元33000個，節(jié)點39087個。其軋 件有限元網(wǎng)格模型見圖2.20。2.1.2.2中軋軋輾模型的建立2.1.2.2.1 軋輾的幾何模型的建立采用對稱模型，軋

33、輾只建立上輾的1/2模型，軋輾模型的尺寸為軋制程序表 2.2所 示。中軋軋輾的幾個何模型見圖 2.21 ,圖2.222.27為粗軋孔型圖。圖2.21中軋軋輻的幾何模型2.1.2.2.1軋輾的有限元網(wǎng)格模型軋輾采用剛性輾，不考慮其彈性變形。軋輾的采用SOLID164單元劃分網(wǎng)格。軋輾長度方向上劃分20個單元，厚度方向上取1個單元，圓周上取80個單元。每個軋輾的六面體單元為1600個，節(jié)點數(shù)為3360個。軋輾的有限元網(wǎng)格模型見圖 3.28-3.33 。圖2.22 7H孔型圖圖2.24 9H孔型圖圖2.23 8V孔型圖圖2.25 10V孔型圖圖2.2611H孔型圖圖 2.28圖 2.30圖 2.32

34、圖2.2712V孔型圖7H軋輻1/2上輻有限元網(wǎng)格模型8H軋輻1/2上輻有限元網(wǎng)格模型11H軋輻1/2上輻有限元網(wǎng)格模型圖2.29 8V軋輻有限元網(wǎng)格模型圖2.31 9V軋輻有限元網(wǎng)格模型圖2.33 12V軋輻有限元網(wǎng)格模型取粗軋后軋件中間某個截面的溫度分布作為中軋坯料的初始溫度，將溫度加載在軋件的每個節(jié)點上。設(shè)定環(huán)境溫度為 25攝氏度，軋件和環(huán)境的對流和輻射綜合換熱系數(shù) 為250W/m K。軋件的功熱轉(zhuǎn)換系數(shù)為0.9。2.223.2 速度載荷的加載中軋坯料的初速度為1.1m/s,將速度加載在軋件的每個節(jié)點上，軋輾設(shè)定旋轉(zhuǎn)速度 見軋制程序表2.2。2.223.3 精軋模型的建立2.223.3.

35、1 軋件模型的建立2.223.3.1.1 精軋坯料幾何模型的建立由于軋制變形量大，網(wǎng)格畸變大，要繼續(xù)軋制就需要重新劃分網(wǎng)格，將中軋后的軋 件的網(wǎng)格模型導(dǎo)入HYPERMESH牛，將其中軋后的軋件網(wǎng)格模型轉(zhuǎn)化為實體模型，在該模型上截取一部分作為精軋的坯料。（見圖2.34）圖2.34軋件的幾何模型圖3.35軋件網(wǎng)格模型2.223.3.1.2 軋件的有限元網(wǎng)格模型中軋坯料近似為圓柱體，軋件長度方向上劃分 150個單元。圓弧邊40個單元，直 角邊30個單元，整個軋件采用SOLID16琳單元進(jìn)行劃分，生成6面體單元104850個, 節(jié)點113250個。其軋件有限元網(wǎng)格模型見圖 2.35。2.223.3.2

36、 精軋軋輾模型的建立2.223.3.2.1 軋輾的幾何模型的建立采用對稱模型，軋輾只建立上輾的1/2模型，軋輾模型的尺寸為軋制程序表 2.2所 示。中軋軋輾的幾個何模型同中軋機(jī)組類似。2.223.3.3 加載2.223.3.3.1 溫度載荷的加載軋輾溫度的加載和粗軋軋輾一樣設(shè)置。軋件溫度的加載取中軋后軋件中間某個截面的溫度分布作為精軋坯料的初始溫度，將溫度加載在軋 件的每個節(jié)點上。設(shè)定環(huán)境溫度為 25攝氏度，軋件和環(huán)境的對流和輻射綜合換熱系數(shù)為250W/m K。軋件的功熱轉(zhuǎn)換系數(shù)為0.9。323.3.2、速度載荷的加載精軋坯料的初速度為5.2m/s,將速度加載在軋件的每個節(jié)點上，軋輾設(shè)定旋轉(zhuǎn)速

37、度 見軋制程序表2.2。2.2 結(jié)果后處理板帶軋制結(jié)果后處理采用LS-DYN欲件自帶的后處理軟件LS-PREPOST1.0J行后處 理。2.2.1 各個道次軋后的軋件的橫截面以及軋輯充滿情況ut»r input ,Um- 2tz圖32.36 1H軋后橫截面及充滿情況LJ-CK¥NAlrt*rlnMTiw - :圖2.372V軋后橫截面及充滿情況L8 DYNA user input:圖2.36-圖3.53分別為1H到18V軋制道次軋后軋件的橫截面以及軋輾充滿情況。L書把 I IiimiuL圖2.38 3H軋后橫截面及充滿情況圖2.39 4V軋后橫截面及充滿情況LS-DYNA

38、user Input hmc -4LS*DYNA user inputTime圖2.40 5H軋后橫截面及充滿情況圖2.41 6V軋后橫截面及充滿情況LK LlYNA user input圖2.44 9H軋后橫截面及充滿情況圖2.45 10V軋后橫截面及充滿情況TiniFE =圖2.42 7H軋后橫截面及充滿情況圖2.43 8V軋后橫截面及充滿情況LS-DYNA untir inpuT Time -1,1?圖2.46 11H軋后橫截面及充滿情況圖2.47 12V軋后橫截面及充滿情況LS-DYNA user inputTime =1.12L S-DYNA usrr inputTime =O.U；

39、4圖2.48 13H軋后橫截面及充滿情況LSDYNA User inputTil i0.1?圖2.49 14V軋后橫截面及充滿情況LU-DYN4 Ober inputTime =0.17-1圖2.50 15H軋后橫截面及充滿情況圖2.51 16V軋后橫截面及充滿情況LS-DYNA user Input Time =圖2.52 17H軋后橫截面及充滿情況圖2.53 18V軋后橫截面及充滿情況2.2.2 軋件尺寸及堆拉系數(shù)表2.3為連軋相關(guān)參數(shù)、軋件尺寸以及堆拉系數(shù)。從表中可以看出：拉鋼軋制的是：1H和2V;3H和4V;5H和6V;8V和9H;9H和10V;11H和12V;14V 和 15H; 1

40、6V 和 17Ho堆鋼軋制的是：2V和3H;4V和5H;6V和7H;7H和8V;10V和11H;12V和13H;13H 和 14V; 15H 和 16V; 17H 和 18V2.2.3 軋制力和軋制力矩2.2.3.1 粗軋機(jī)組2.2.3.1.1 粗軋機(jī)組的軋制力粗軋機(jī)組的軋制力變化曲線見圖 3.54。表2.3堆拉關(guān)系表機(jī)組機(jī)架工作輻徑/Mm軋輻轉(zhuǎn)速/rPM軋輻角速度/(rAD/S)軋件高/mm軋件寬/mm截卸卸積,2/mm推拉系數(shù)粗軋1H474.78.870.93102.006162.616287.09粗軋2V464.611.921.25114.08113.612336.41.002088粗軋

41、3H502.815.181.5979.04134.68751.3150.977443粗軋4V498.520.202.1293.17996998.3831.048333粗軋5H372.338.374.0258.501321154948.570.980803粗軋6V364.751.945.4467.59274.123722.4781.018892中軋7H422.660.016.2843.423283.42769.3260.970197中軋8V416.277.398.1052.028854.42152.4120.989334中軋9H429.799.7810.4533.034664.51634.233

42、1.002548中軋10V425.7124.7313.0640.556642.81348.2471.028677中軋11H435.6157.7216.5225.102251.281016.9940.982104中軋12V430.9197.3920.6731.893233.086886.19411.082713精軋13H327.0324.3333.9621.0138.9506645.40710.893549精軋14V322.8399.1341.826.17626.58529.38690.977158精軋15H329.3455.9647.7517.7932.2852457.43671.032921

43、精軋16V325.6552.6057.872221.74380.77470.97497精軋17H331.7673.8470.5613.587828.6874307.39091.021043精軋18V327.7802.384.0218.2118.2324260.62670.9847072.2.3.1.2 粗軋機(jī)組的軋制力矩粗軋機(jī)組的軋制力矩變化曲線見圖2.55。2.2.3.1.3 粗軋機(jī)組的堆拉關(guān)系(1) 1H/2V堆拉關(guān)系從圖2.57可以看出軋件從咬入2V開始到離開時，1H的軋制力逐漸減小，到軋件 開始拋出1H時，2V的軋制力開始上升。這說明1H和2V間是拉剛。從圖2.54圖，當(dāng)軋件完全咬入2

44、V后，1H的軋制力矩開始減少，軋件拋出1H后, 2V的軋制力矩開始減少，這也說明1H和2V間是拉剛。這與表3.3中所述一致。圖2.54粗軋機(jī)組軋制力變化曲線圖2.55粗軋機(jī)組的軋制力矩變化曲線(2) 2V 和 3H軋件從咬入3H開始，2V和3H的軋制力矩開始較較小幅度的升高，這說明 2V和 3H間是堆剛。這與表3.3中所述一致。(3) 3H/4V從軋件咬入4V, 3H的軋制力矩降低，4V的軋制力矩逐漸增大。這說明3H和4V 間是拉鋼。這與表3.3中所述一致。(4) 4V/5H從軋制力可以看出軋件從咬入 5H, 4V和5H的軋制力逐漸增大。這說明4V和5H 間是堆剛；從軋制力矩來看，軋件從咬入

45、5H開始，4V的軋制力矩開始升高，軋件拋出 4V后，5H的軋制力矩開始升高，這也說明4V和5H間是堆剛。這與表3.3中所述一致。(5) 5H/6V軋件拋出5H后，6V的軋制力開始較大幅度的升高，這說明5H和6V間是拉剛。 這與表3.3中所述一致。2.2.3.2 中軋機(jī)組2.2.4.1 中軋機(jī)組的軋制力圖2.56中軋機(jī)組軋制力變化曲線。室巴君wcqw般L S DY NA user InputI4QLI PASSA 7HB /V_C_9MD 10VE 11H 12V圖2.56中軋機(jī)組制力變化曲線2.2.4.2 中軋機(jī)組的軋制力矩圖2.57中軋機(jī)組軋制力矩變化曲線。rim#圖2.57中軋機(jī)組制力矩變

46、化曲線2.2.4.3 中軋機(jī)組的堆拉關(guān)系(1) 7H/8V從圖2.56來看軋制力可以看出軋件從咬入 8V開始到穩(wěn)定軋制，7H的軋制力逐漸 增大。這說明7H和8V間是堆剛。堆鋼程度很小。從圖2.57看軋制力矩，軋件從咬入8V開始，7H的軋制力矩開始升高，這也說明 7H和8V間是堆剛。堆拉程度不大。這與表3.3中所述一致。(2) 8V/9H軋件從咬入9H開始，9H的軋制力矩開始逐漸升高，這也說明 8V和9H是拉剛。 拉剛程度不大。這與表3.1中所述一致。(3) 9H/10V圖3.56為9H/10V軋制力變化曲線；圖3.57為9H/10V軋制力矩變化曲線。從圖3.57 看，軋件從咬入10V開始，10

47、V的軋制力矩開始較大幅度的升高，這說明 9H和10V問 是拉剛。(4) 10V/11H軋件從咬入11H后，10V的軋制力矩開始升高，這說明10V和11H間是堆剛關(guān)系。(5) 11H/12V軋件從咬入12V后，11H和12V的軋制力開始降低，這說明11H和12V間是拉剛關(guān)系。2.2.4.3精軋機(jī)組2.2.4.3.1 精軋機(jī)組的軋制力圖2.58為精軋機(jī)組軋制力變化曲線圖2.58精軋機(jī)組軋制力變化曲線2.2.4.3.2 精軋機(jī)組的軋制力矩圖2.59為精軋機(jī)組軋制力矩變化曲線。HOI.L PASS-jGI 5HD 16VE IFMF 18V0.150.2O.2&0,31 Ie中圖 2.59精軋

48、機(jī)組軋制力矩變化曲線*3-2 10(近二面mg2.2.4.3.3 精軋機(jī)組的堆拉關(guān)系(1) 13H/14V圖2.58為13H/14V軋制力變化曲線，從圖2.59軋制力可以看出軋件從咬入14V 開始，13H的軋制力逐漸增大，軋件拋出13H后14V的軋制力下降。這說明13H和14V 間是堆剛。堆鋼程度很小。(2) 14V/15H軋制力變化可以看出軋件從咬入 15H開始，14V和15H的軋制力逐漸減小，這說 明13H和14V間是拉剛。拉鋼程度很小。(3) 15H/16V軋制力變化可以看出軋件從咬入 16V開始，16V的軋制力逐漸增大，這說明15H 和16V間是堆剛。堆鋼程度很小。(4) 16V/17

49、H16V和17H間是拉剛關(guān)系。(5) 17H 和 18V軋制力變化可以看出軋件從17H拋出，18V的軋制力略微減小，這說明17H和18V 間是堆剛。堆鋼程度很小2.2.4各個道次軋后的軋件表面及心部溫度變化2.2.4.1 粗軋機(jī)組的溫度曲線圖2.60為粗軋機(jī)組的溫度變化曲線。4E* 上)l.wy.e 5 1圖2.60粗軋機(jī)組的軋件溫度變化曲線2.2.4.2 中軋機(jī)組的溫度曲線圖2.61為中軋機(jī)組的溫度變化曲線。i tunYhpLu.IhM- N(Mle r>oA 227 0圖2.61中軋機(jī)組的軋件溫度變化曲線也)3ru6J心 CIE&I圖2.62精軋機(jī)組軋件的溫度變化曲線2.2.

50、4.3精軋機(jī)組的溫度曲線圖2.62為精軋機(jī)組軋件的溫度變化曲線。2.3 按軋制程序表中工藝參數(shù)的有限元仿真結(jié)果粗軋機(jī)組軋件的塞位尺寸都比設(shè)計值大，塞位尺寸比大地尺寸最大大約10%。中軋機(jī)組軋件的塞位尺寸都比設(shè)計值大，塞位尺寸比大地尺寸最大不超過7%。精軋機(jī)組軋件尺寸基本和設(shè)計值一致。由軋件尺寸可知，隨著軋制速度的提高及精軋機(jī)組由于形變熱效應(yīng)引起軋件溫開， 摩擦系數(shù)降低，導(dǎo)致寬展系數(shù)降低，軋件寬展系數(shù)隨著軋制道次的增加是逐漸減小的。2.4 修正軋制程序表后的有限元仿真結(jié)果2.4.1 機(jī)組堆拉關(guān)系調(diào)整根據(jù)表2.4堆拉關(guān)系表的堆拉關(guān)系，得出軋制道次與堆拉系數(shù)的曲線圖（見圖2.63） < 根據(jù)現(xiàn)有的堆拉系數(shù)，為了保持無堆拉軋制，以18V連軋常數(shù)為基準(zhǔn)，修正其它各 架軋機(jī)的轉(zhuǎn)速，在新的轉(zhuǎn)速下再按照前述的方法計算得到新的軋件尺寸