基于DEFORM-3D研究孔型倾角对窄带钢强迫宽展的影响

胡玉坤，李启尧

（邢台职业技术学院，河北 邢台 054000）

随着科学技术的飞速发展，中国钢铁企业的技术也随之迈入一个新台阶，在连铸连轧生产过程中，轧件宽度的控制精度对于降低能耗，提高产品质量有着至关重要的作用[1]。为了适应市场的变化以满足用户对不同宽度规格产品的需求，生产商需要小规模、多规格地进行加工生产，结果导致设备制造的成本增加而且生产效率低下。为了使用较窄的坯料生产出较宽的产品，需要对窄带钢进行增宽轧制，这种方法称为强迫宽展法[2]，就是带钢在孔型中轧制时，使其在宽向上产生附加的增长。由于孔型的缘故使得带钢的宽展变得极为复杂，目前对强迫宽展过程中孔型倾角的研究较少，因此研究孔型倾角对窄带钢强迫宽展的影响很有意义，对生产具有一定的指导作用。

带钢轧制的过程是一个复杂的非线性、多变量之间强耦合的过程，单纯采用实验法研究会导致材料和设备的浪费，增加研究成本，随着有限元理论不断的发展与完善，采用数值模拟方法是近年来轧制理论研究的趋势，基于有限元软件进行数值模拟可节约实验成本、缩短产品的研发周期[3]。本文基于DEFORM-3D软件对孔型倾角对窄带钢强迫宽展的影响进行了研究。

1 有限元模型的建立

1.1 三维模型的建立

本文依据某厂强迫宽展轧制生产线的数据基于DEFORM-3D软件，利用其中的Shape-Rolling模块实施数值模拟，因强迫宽展轧制属于异型辊轧制，软件中无直接对应的模型，因此本文先利用SolidWorks进行建模，再导入DEFORM-3D软件中实施模拟计算[4]。

模型采用四机架布置形式，第一机架采用带孔型轧辊轧制，第二机架采用平辊轧制，第三、四机架重复第一、二机架的布置，第三、四机架的轧制过程与第一、二机架的轧制过程几乎相同。因此，为了提高计算效率我们仅对前两机架的轧制过程进行建模分析。其中第一机架轧辊外径为700mm，内径为680mm，孔型宽度为250mm，辊面长度为780mm，第二机架轧辊直径为720mm，辊面长度为780mm。轧件为长方体，长度为800mm，宽度为500mm，厚度为150mm。

图1 轧辊孔型

1.2 网格的划分

经过多次模拟计算，发现采用八节点六面体单元划分网格时，网格质量较高，准确度较高，在利用有限元法分析轧制过程时，网格生成的密度将直接决定着模拟计算的精度与速度，更会影响后续模拟计算分析结果的准确度，模型划分的网格数越多，模拟计算结果越准确，数据越接近实际生产的情况[5]。但与此同时，模拟计算时间延长，所需存储量加大，对电脑的计算速度提出了更高的要求。但若模型划分的网格过于稀疏又会使模拟计算结果不够准确。

综上所述，考虑到计算机的性能、模拟分析的速率及计算结果的精确度，最终将轧件划分为24000个网格，轧辊划分为14400个网格。

1.3 模拟参数与边界条件的设置

DEFORM-3D软件自带强大的材料数据库，轧件选用常用材料Q235，在高温轧制时，轧件的变形抗力小，并且在轧制过程中轧件的塑性变形很大，弹性变形相对塑性变形来说极小可以忽略不计，故将轧件设置成塑性材料，轧件的温度设置为1150℃。轧辊在轧制过程中的未发生屈服现象，变形相对于轧件来说较小，不考虑轧辊的弹性压扁和弹性挠曲，因此轧辊设置为刚性材料，轧辊的温度设置为60℃，速度设置为20r/min。

模拟边界条件设置，轧制过程中除了压下量、轧制温度、轧制速度外，摩擦因数、传热系数也会影响模拟计算的结果，选择合适的参数可提高模拟计算的准确度，因高温轧制时可能有粘结现象产生，接触面采用剪切摩擦更为准确，根据生产中的实际情况将摩擦系数设置为0.5，传热系数设置为5kW·m2·K-1。因轧件的初始速度为0，为了使轧件顺利咬入实现平稳轧制，模型建立时在轧件尾部设置一刚性推板，推板具有一定的速度，该速度小于平稳轧制的速度，在推板助力作用下，轧件顺利实现咬入，然后释放该推板，在摩擦力作用下轧件进入稳态轧制阶段。

表1 不同孔型倾角下R1宽展

为了研究孔型倾角对窄带钢宽度的影响，采用单一变量法，只使孔型倾角产生变化，而摩擦系数、压下率等其它各参数均保持不变，孔型倾角分别取25°、30°、35°、40°、45°、50°、55°、60°、65°进行数值模拟。

2 模拟计算结果及分析

2.1 模型的可靠性

为了验证模型的可靠性，采用该模型对实际生产中的数据进行模拟，通过模拟计算数据与生产中的数据对比，发现两者在结果上吻合度较高，所以采用此模型分析孔型倾角对窄带钢强迫宽展的影响是可信的。

2.2 孔型倾角对第一机架孔型辊轧制宽度的影响

轧件在带孔型的轧辊中轧制时，轧件中部的压下量大于边部的压下量，所以轧件中部网格的横向伸长大于边部网格的横向伸长，中部的应变明显大于边部，说明强迫轧制对轧件宽度的影响明显。在不同孔型倾角的轧制下，轧件在横向上变形的规律基本一致，但是孔型倾角不同，截面处轧制力则不同，轧机横向应变也会随之发生变化。模拟计算结果表明，孔型倾角对轧件的宽展影响明显，随着孔型倾角的增大，轧件的宽度变化规律是先增大后减小，在孔型倾角为45°时轧件的宽展达到最大值。且孔型倾角小于45°时轧件宽度增长的趋势大于孔型倾角45°~55°时轧件宽度下降的趋势，结果见表1。模拟计算结果说明孔型倾角为45°时，工艺设计最优，孔型倾角小于45°时，孔型倾角对轧件的宽展作用更加显著。

根据体积不变定理，减薄轧制时，轧件在高度方向上尺寸减少，在长度方向和宽度方向上尺寸都增加[6]，因为是对窄带钢实施增宽轧制，所以我们目标是让金属质点尽可能多的向横向流动，增加轧件的宽度。而根据最小阻力定律可知，金属质点的流动由轧制时所受阻力决定，阻力大的方向金属质点流动慢，阻力小的方向金属质点流动快[7]。综上所述，第一机架轧件的出口宽度与变形区内金属横、纵向流动阻力比值和压下量有关。当孔型倾角增大时，孔型横截面积减小，高度方向体积缩减量增大，有利于轧件宽度的增大；但是孔型倾角增大时，作用在倾角接触面轧制力减小，驱动金属横向流动的水平分力也减小，不利于轧件宽度的增加。两方面因素综合作用的结果决定了第一机架轧件的出口宽度。

2.3 孔型倾角对第二机架平辊出口宽度的影响

经过第一机架孔型辊轧制后，轧件呈狗骨状，为了满足使用要求，需用平辊将轧件压平。以第一机架的模拟计算结果为基础继续进行平轧模拟，计算结果表明，经过第一机架不同孔型倾角的轧件再经平轧后，轧件截面横向应变变化规律一致，在轧件槽顶中部和轧件四分之一处横向应变最大，并且随着孔型倾角的增大，轧件宽度先增大后减小。用第二机架轧件的出口宽度减去第一机架轧件的出口宽度可得第二机架轧件的宽展数据，经过计算不同孔型倾角下第二机架轧件的宽展量在36.2mm~36.7mm之间，差距仅为0.5mm，说明在增宽轧制中，孔型倾角对平辊轧制时轧件宽展的作用很小。最终第二机架轧件的出口宽度变化规律与第一机架轧件的出口宽度规律相同，轧件的宽展规律是先增大后减小，在孔型倾角为45°时轧件的宽展达到最大值为565.7mm。孔型倾角在40°~55°之间时，轧件的宽展变化平缓，孔型倾角在小于40°和大于55°后，轧件的宽展下降明显，所以在生产中应保证孔型角度在40°~55°范围内，防止孔型倾角过小或过大造成轧件宽展量不足，产生废品。

3 结论

通过对窄带钢在不同孔型倾角下轧制过程的数值模拟，发现了不同孔型倾角对窄带钢宽度变化的影响规律，为实际生产相关工艺参数的设置提供一定的理论指导。

（1）孔型倾角对第一机架轧件的宽度影响较大，对第二机架轧件的宽度几乎没有影响。随着孔型倾角的增大，第一机架轧件的出口宽展先增大后减小，孔型倾角为45°时轧件的宽展达到最大值29.1mm，而孔型倾角对第二机架轧件的宽展几乎没有影响，不同孔型倾角下，轧件的宽展均保持在36.2mm~36.7mm之间。

（2）孔型倾角为45°时设计最优，轧件的宽展达到最大，且孔型倾角在40°~55°范围内，轧件的宽展量保持在较高水平，可以满足使用需求，但是当孔型倾角小于40°或者大于55°后，宽展量急剧减小，所以工业生产中要及时检测孔型角度，防止偏离目标值过大导致出口宽度不足，降低成材率，增加生产成本。