高速线材减定径轧制孔型系统探讨

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减定径机是近年来在高速线材轧机上采用的一项新技术。机组通常由2台减径机、2台定径机与1套组合变速箱传动系统组成,成组更换机架。

目前减定径机主要有摩根型、西马克型、双模块型。其中应用较为成熟的有摩根公司和达涅利公司的减定径机组.摩根型减定径机采用椭圆-圆-圆-圆孔型系统;西马克型减定径机采用椭圆-圆-椭圆-圆孔型系统;双模块轧机是DAN IEL I公司20世纪90年代开发的,其减定径机采用椭圆-圆-椭圆-圆孔型系统,此外还有三辊孔型减定径轧机,这里不做讨论。

本文借助有限元分析软件,对椭圆-圆-圆-圆和椭圆-圆-椭圆-圆两种减定径孔型系统连轧过程进行模拟,分析轧件的变形特点、轧件尺寸和轧制压力变化情况。分析可以加深对高速线材减定径孔型系统的认识。

减定径孔型系统高速线材减定径机组紧接着精轧机组。减定径机组的主要作用是:

1)采用小压下量轧制,能确保产品尺寸的高精度;

2)能够实现自由尺寸轧制,有利于小批量、非标准线材的生产;

3)简化了孔型系统,减少了换辊时间;

4)可实施低温控轧工艺,有效改善线材的性能。

因此减定径孔型的设计要能达到以上的要求。国内高速线材厂使用的减定径孔型系统多为与设备一起从国外成套引进。如某厂生产的规格为<21 mm圆钢采用的是椭圆-圆-圆-圆孔型系统,如图所示;

另一厂生产的规格为<21 mm钢采用的则是椭圆-圆-椭圆-圆孔型系统,如图1b所示。高速线材规格较多,每种规格对应一种孔型系统。本文针对<21 mm圆钢,采用有限元模拟的方法对比分析两种孔型系统。   

3有限元模型的建立

坯料、材质与单元划分根据实际生产情况,两种孔型系统K4的来料尺寸均为<29.0 mm圆钢,断面面积为660.5 mm2。为减少单元数量,节省计算时间,取1/4轧件进行模拟。轧件材质取为C35,材料的热物理性能参数和变形抗力模型取自MARC材料库。为使机架间构成连轧,轧件长度不能太短,此处取为360 mm,单元数目为12 800个,单元类型选8节点6面体单元。

模型初始、边界条件为使结果具有可比较性,两种孔型系统所建立的模型初始和边界条件相同。轧辊视为恒温刚性体,轧辊温度取250℃。初始条件主要是轧件的初始温度,初始温度取800℃,均匀温度场。边界条件有摩擦条件和传热边界条件。工具与轧件接触面上采用库仑摩擦,摩擦系数一般0.3～0.4,此处取0.3。传热边界条件包括轧件与周围环境的对流与辐射换热,轧件与轧辊接触时的接触传热。这里轧件与环境的对流换热系数取0.02 kW/(m2·℃)。轧件与环境间的辐射换热系数可根据辐射定律进行转换,热辐射率取0.8。轧件与轧辊之间的接触热传导系数取15 kW/(m2·℃)。轧件对称面采用绝热边界处理,即q=0。由于金属变形和接触面的摩擦使轧件产生温升,其热功转换系数取0.9。工艺参数为实际生产的工艺参数,各道次轧辊直径、轧辊转速。

孔型K4～K1机架间距依次均取为140,110,100 mm,K4与K1机架间距为350 mm,轧件总长为360 mm,轧件在轧制过程中有延伸,所以轧件在各机架间可以构成连轧关系。   

模拟结果及其分析

轧件变形分析为分析轧件的变形,对两种孔型系统轧制后轧件断面的等效塑性应变进行了分析。经K4～K1道次轧制后轧件断面的累积等效塑性应变大小与分布看出,尽管两种孔型系统孔型形状和道次压下量不同,但轧制后断面的累积等效塑性应变的大小与分布规律是大致相同的。

4道次累积的最大等效塑性应变接近,最大等效塑性应变值不在轧件的中心位置,而位于轧件表层下面的某些区域。可见减定径机组采用椭圆-圆-圆-圆或椭圆-圆-椭圆-圆孔型系统,轧件的变形量并不大。由于轧件压下量特别是最后两道次的压下量较小,轧件的变形没有渗透到轧件的中心部位,因此轧件的最大变形位于轧件表层下面的某些区域。轧件的表层由于受到工具的影响,金属流动受到限制,变形量较小。轧件变形较为均匀。

轧件尺寸分析取轧件中部某一切片,分析轧件尺寸变化,轧件在x与y方向尺寸减少基本相同,成品宽高方向尺寸一致。说明采用现在的孔型系统和工艺参数,两种孔型系统均可以生产出尺寸精确的产品。模拟结果显示,由椭圆-圆-圆-圆孔型系统轧制出的轧件尺寸精度高些,横向和纵向的差值仅为0.04 mm。两种孔型系统均为实际生产中采用的孔型,实际生产也表明,采用这两种孔型系统均能生产出合格的产品,就尺寸精度而言,椭圆-圆-圆-圆孔型系统的尺寸精度要高些。这也验证了模拟计算的可靠性。   

由孔型设计知识知道,无论是宽展量还是宽展系数逐道次减少,都有利于轧件尺寸的控制。因此,减定径机椭圆-圆-圆-圆孔型系统和椭圆-圆-椭圆-圆孔型系统都可以采用较小的宽展,提高高线产品的尺寸精度。但是,椭圆-圆-圆-圆孔型系统前两道次轧件的宽展和宽展系数相对于椭圆-圆-椭圆-圆孔型系统较大,而后两道次相对较小。即椭圆-圆-圆-圆孔型系统前两道次主要作用是减径,而后两道次主要作用是规圆,因此,椭圆-圆-圆-圆孔型系统更有利于保证轧件尺寸的精确性。

轧制压力分析:

采用椭圆-圆-圆-圆孔型系统轧制,K4～K1道次轧制压力为:260 kN,200 kN,130 kN,90 kN。各道次轧制压力波动较小,轧制过程相对平稳。K3与K4道次构成连轧后,K4道次轧制压力有所增加,K4道次轧完抛钢后,K3道次轧制压力有所减小,说明K4、K3之间存在一定的堆力。其它道次轧制压力较为平稳,机架间基本实现了微张力或无张力轧制。

采用椭圆-圆-椭圆-圆孔型系统轧制,K4～K1道次轧制压力为:220 kN,150 kN,140 kN,110 kN。各道次轧制压力波动较大,轧制过程平稳性较差。为实现机架间微张力或无张力轧制,尚需对孔型和工艺参数做进一步的优化。

结论

(1)减定径机组轧件的变形量不大,变形较为均匀,经过4道次轧制后变形没有渗透到轧件的中心部位,最大变形位于轧件表层下面的某些区域。   

(2)减定径轧制轧件的宽展较小,可提高高速线材产品的尺寸精度,椭圆-圆-圆-圆孔型系统更有利于保证轧件尺寸精度。

(3)椭圆-圆-圆-圆孔型系统轧制压力波动较小,轧制过程相对平稳;椭圆-圆-椭圆-圆轧制压力波动较大,轧制过程不够平稳,尚需对现有孔型和工艺参数进一步优化。

(4)分析针对于<21 mm的圆钢轧制,结果具有一定的针对性。

参考文献:

[1]崔银会,张翠,李运虎.高速线材减定径机最新技术特点[J].马钢职工大学学报,2001,11(1):1-3.

[2]阎军,鹿守理,陈希克.切分孔形状对轧件变形影响的有限元分析[J].钢铁研究学报,2000,12(2):25-28.   

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