钢板热轧过程中轧制力的有限元模拟

试验研究钢板热轧过程中轧制力的有限元模拟曾 张恒华(上海大学)摘 要 轧制力是轧制过程中重要的技术参数之一。

本文应用DEFORM-3D软件建立轧制模型,研究了轧制温度、轧辊转速和压下率对钢板轧制力的影响。

随后通过比较第一道次模拟轧制力与钢厂实测轧制力,结果表明:在三种钢板材料中,DEFORM-3D软件模拟的轧制力均与钢厂实测轧制力较吻合,误差都在10%以内。

该模拟为钢厂轧制工艺参数的制定提供了重要的参考价值。

关键词 轧制力 DEFORM-3D软件 热轧模拟Finite Ele m ent Simulation on the Rolli ngForce During Hot Rolli ng of Steel P l ateZeng B en and Zhang H enghua(Shanghai U niversit y)Ab stract T he ro lling force i s one of the i m po rtant techno log ica l para m eters i n hot ro lli ng process o f stee.l Sof-t ware DEFOR M-3D w as used to buil d t he ro lli ng m ode l to s i m u l a te t he effect o f different ro lli ng te mperatures,different rotationa l speeds o f ro ll s and different reduc ti ons on t he ro lli ng force dur i ng stee l plate ro lli par i son w as then m ade on the si m ulated ro lli ng force and the m easured ro lli ng force o f the first pass i n the steel wo rks.T he resu lt show s that t he ro lli ng forces s i m u l ated by DEFORM-3D Soft w are are co m para ti ve l y m atching to t he m eas ured rolling forcesi n steel wo rks for t he three types of steel p l a te products,the difference bet ween t he si m ulated and m easured ro lli ngfo rces are a llw it h i n10%.T he si m u l a ti on provides an i m po rtant reference f o r the de ter m i na ti on of ro lli ng pro cess pa-ra m eters i n the stee lw orks.K ey words R o lli ng Fo rce,DEFORM-3D so ft ware,H ot ro lli ng si m ulati on0 前言轧制力是轧制过程中主要考虑的参数之一[1~2],无论是设备校核、刚度计算,还是制定生产工艺规程都离不开它。

它是制定工艺制度、调整轧机、强化轧制、提高产品质量、扩大产品范围、充分合理地挖掘设备潜力、实现生产过程计算机控制的重要原始参数,同时被广泛用于机械设备的强度设计与校核中[3]。

轧制过程的模拟对于轧机设计以及多道次轧制工艺的压下规程制定都具有十分重要的意义。

利用有限元模拟技术对金属轧制过程模拟已有广泛的应用[4~9],对于钢板轧制使用ANSYS/LS-DYNA和M SC.M arc软件模拟的文献报道很多,然而对于DEFORM-3D软件模拟轧制文献报道较少,因此本文主要通过DEFORM-3D软件对钢板轧制力模拟,模拟的目的是提高生产效率,节约试验成本,为钢厂轧制工艺参数的制定提供重要的参考价值。

1 钢板有限元模型的建立1.1 DEFORM-3D软件简介DEFORM-3D软件结构由前处理器、模拟处理器和后处理器三大模块组成,主要用于金属成形及其相关工业的各种成形工艺和热处理工艺,通过在计算机上模拟整个加工过程,可减少昂贵的现场试验成本,提高工模具设计效率,降低材料和生产成本,缩短新产品的研究开发周期[10]。

1第15卷第6期 2009年12月宽厚板W I DE AND H EAVY PLATEV o.l15.N o.6D ecember 20091.2 模型的建立DEFORM-3D软件支持多种CAD系统,如PRO-E NG I N EER、UG、I DE AS、P ATRAN以及STL/SLA格式。

本文通过UG软件对钢板实际尺寸建立三维模型,另存为STL文件导入DEFOR M-3D软件中,如图1所示。

轧辊尺寸为 1220mm,轧板规格如表1所示,轧辊采用原型1/2建模及轧件采用原型1/4建模的目的是减少网格数量从而节约模拟时间,表1是钢厂钢板热轧实际参数。

模型网格划分如图2所示,本模拟划分网格采用网格自动重划分功能,目的是保证模拟的正确进行。

在模拟过程中轧辊设为刚性材料,轧件设为塑性A ISI-1015材料。

表1 钢厂粗轧第一道次参数材料编号板坯规格/mm开轧温度/ 轧辊转速/(r m i n-1)入口厚度/mm压下量/mm钢厂轧制力/kN 1#230 2200 307011292323024.6320251 2#230 2000 334011292323027.0020562 3#230 2200 296011292323032.30255491.3 模型边界的设定模型中的边界条件主要包括速度边界条件、摩擦边界条件和热边界条件。

速度边界条件用来解决对称性问题,设定对称面上所有节点法线方向上的速度为0[2]。

接触面上的摩擦采用剪切摩擦模型,摩擦因子取0.3[11~12]。

对于热边界条件,取环境温度为25 ,带钢辐射率为0.7[13],轧件与轧辊热交换系数为11kw/m2 k[11],轧件与空气对流换热系数为20w/m2 k[11,13],为了更加真实地模拟现场,设定轧件速度1m/s(从轧辊转速可得)。

1.4 轧制力模拟结果图3是1#、2#、3#材料的轧制力模拟图。

从这3个模拟结果可以发现,在轧制过程中,轧制力一开始迅速上升,此过程文献[1,2,16]描述为非稳定轧制阶段,随后轧板进入辊缝后,轧制力在一个范围内波动,这个过程文献[1,2,16]描述为稳定轧制阶段,当轧板离开轧缝后,轧制力迅速从某一值降为零。

模拟轧制力产生波动的原因主要是因为在模拟轧制过程中,轧辊用正多边形近似成圆形建立数值模型,在旋转轧制的过程中必然会导致微小范围内轧辊偏心和压下量的微小波动,从而导致轧制力出现这种波动性的变化。

这种模拟结果与实际轧制相符合,因为在实际轧制过程中,轧辊会有几毫米的跳动,轧辊跳动的原因是轧辊本身的椭圆度误差和辊径的不同而造成的[14],因此在实际钢厂轧制力也存在波动。

图4为模拟轧制力与钢厂实测轧制力对比,其中模拟误差都在10%以内。

1.5 轧制力的影响因素图5为3#材料的轧制力模拟,从图5模拟结果可知:在压下率和轧辊转速一定的条件下,轧制力随着轧制温度的升高而减少,因为轧制温度升高,轧件发生了回复,使得变形得到一定程度的软化,流变应力下降,从而轧制力减小;在轧制温度和压下率一定的条件下,轧制力随着轧辊转速的增加而增加,因为轧辊转速增加导致变形速度增大,变形速度增大驱使更多的位错同时运动,提2宽厚板第15卷图3 1#、2#、3#材料轧制力模拟图4 模拟值与实测值比较高流变应力[15],从而轧制力增加;在轧制温度和轧辊转速一定的条件下,轧制力随压下率增加而增加,因为压下率的增加会导致轧件与轧辊的接触面积加大,接触弧长增加,外摩擦的影响加剧,平均单位压力增加[16];同时压下率增加会使得轧件加工硬化加剧,变形抗力增加,这两方面原因都会使得轧制力增加。

所以模拟对钢厂实际生产具有一定的理论指导意义和实用经济价值。

图5 3#材料的轧制力模拟1.6 轧件网格细化对轧制力波动的改善由于实际钢板尺寸比较大,所以本人采用自己设计的轧板及轧辊尺寸来证明网格细化对轧制力波动的影响,轧板尺寸为100mm 200mm 400mm,轧板速度设为0.013m /s ,开轧温度为1129 ,轧辊直径为 200mm,轧辊转速为23r m in -1,其他的一些边界参数与上面模型边界参数设置一样。

图6(a)、(b)分别为轧件划分5000和50000网格的模拟轧制力结果,从模拟结果发现,图6(a)最大轧制力与最小轧制力相差2.21 105N,图6(b)最大轧制力与最小轧制力相差0.75 105N,说明轧板网格划分的越细,轧制力模拟的波动相对改善,但也会造成计算机模拟时间大幅度增加。

3 第6期曾 等:钢板热轧过程中轧制力的有限元模拟图6 网格细化对轧制力波动的影响2 结论(1)借助有限元DEFORM软件模拟,结果表明:在热轧第一道次过程中轧制力模拟值与钢厂实测值比较吻合。

DEFORM的模拟精度较高,该模拟对钢厂轧制工艺参数的制定具有较高的参考价值。

(2)从DEFOR M软件模拟可知:在轧辊转速和压下率一定的条件下,轧制力随轧制温度升高而下降;在轧制温度和轧辊转速一定的条件下,轧制力随压下率增加而增加;在轧制温度和压下率一定的条件下,轧制力随轧辊转速增加而增加。

(3)在轧制模拟过程中,轧板网格划分得越细,轧制力模拟波动结果越有改善,但计算机所花费的模拟时间也会相应增加。

参考文献1 喻海良,赵宪明,刘相华.板带精轧过程轧制力的三维弹塑性有限元分析[J].钢铁研究,2005,1(2):14.2 刘洋,周旭东,孟惠霞.带钢热连轧过程轧制力三维有限元模拟[J].锻压技术,2007,32(5):142.3 方原栋,张士英.带材轧制力计算方法[J].上海金属,2002,24(1):34.4 H.Dyja,P.K orczak,Th e t her m al-m echan ical and m i crostruc-turalmodel f or the fe m si m u l ation of hot p late rolli ng,J.M ater.P rocess.Techno.l92-93(1999)463.5 W.J.Kw ak,Y.H.K i m,J.H.L ee,S.M.Hw ang,A p recisionon-li nem odel f or the p red icti on of roll f orce and roll po w er i n hotstrip rolling,M et a l.l M ater.T rans.33A(2002)3255.6 S.X.Zh ou,An i n tegrated m od el for hot rolli ng of steel stri ps,J.M ater.Proces s.Techno.l134(2003)338.7 刘立忠,刘相华,王国栋.轧制过程的显示动力学有限元模拟[J].东北大学学报(自然科学版),2001,22(3):327.8 王艳文,康永林,余智勇.轧制方坯的三维弹塑性有限元研究[J].钢铁,2000,35(2):38.9 戴江波,张青东,陈先霖等.2800mm中厚板轧机轧制力模型研究[J].北京科技大学学报,2002,24(3):318.10 李传民,王向丽,闫华军等编著.DEFOR M5.03金属成形有限元分析实例指导教程.[M]北京:机械工业出版社,2007.1.11 任俊威.棒材粗轧过程的有限元模拟和晶粒尺寸预报[D].燕山大学硕士论文,2005.46.12 张瑜.铝合金热锻模具结构中的应力应变演变过程分析[D].上海交大大学硕士论文,2008.31.13 苑树明.用有限元法模拟 120mm20C r M nT i钢轧制内部裂纹的控制[J].河北冶金,2008,167(5):43.14 朱义国,毛志忠,刘赤兵.带材轧制中轧辊偏心控制问题的综述[J].基础自动化,1998(3):124.15 闫洪,周天瑞.塑性成形原理.[J]北京:清华大学出版社,2006.30.16 陈仙风,金杰.基于DEFOR M-3D平台1C r13板材热轧数值模拟研究.[J]浙江工业大学硕士学位论文,2008.48.曾,男,2008年毕业于南昌大学材料成型及控制工程专业,在读硕士研究生。