中型H型鋼軋制有限分析技術研究

谷鳳波

(上海歐冶材料技術有限責任公司)

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中型H型鋼軋制有限分析技術研究

谷鳳波

(上海歐冶材料技術有限責任公司)

通過熱力耦合有限元分析技術，對萊鋼中型生產線Q345E級H200×200規格H型鋼軋制過程進行有限元仿真分析，以研究H型鋼軋制過程中各道次的應力、溫度場、金屬流動情況和軋制負荷的變化。有限元分析結果與實際軋制過程基本相符，對新產品開發具有一定指導意義。

熱力耦合有限元分析H型鋼

0　前言

近幾年海洋石油、高層建筑和大型橋梁鋼結構的發展，像Q345E和Q460D等高性能的H型鋼新產品市場需求越來越多。然而，由于其形狀特殊，變形復雜，很難在實驗室研究其熱軋過程中整個斷面的溫度、金屬流動的變化，這給H型鋼新產品開發帶來了很大難度，因此以萊鋼型鋼廠中型線Q345E鋼種為材料模型，應用有限元分析軟件，對H200×200規格H型鋼多道次熱軋過程進行三維熱、力耦合分析，以獲得H型鋼軋制過程中斷面各項參數變化，為新產品開發和工藝調整提供可靠依據。

1　H型鋼的生產工藝

萊鋼中型生產線H型鋼生產規格主要為H200×200，是以240 mm×375 mm連鑄矩形坯為原料。加熱時間為90 min～120 min，出爐溫度1200 ℃～1260 ℃。粗軋為一架二輥可逆式粗軋機，精軋是以5架萬能軋機和兩架軋邊機組成的半連續式精軋機組。

生產工藝流程為：連鑄坯→加熱→高壓水除磷→開坯軋制→切頭→二次高壓水除磷→精軋→熱鋸分段→冷床冷卻→矯直→定尺鋸切→檢查、打印、堆剁→打捆→入庫。

2　H型鋼有限元分析邊界條件、模型建立和求解

H型鋼的軋制過程中涉及很多的影響因素，比如：軋件的變形熱、軋件在空氣中的對流換熱、軋件與軋輥間的熱傳導、軋輥冷卻水的影響、軋制節奏等。筆者盡可能的在考慮軋制過程中影響因素的基礎上，從實際生產所用坯料取樣，利用熱模擬試驗機獲得的Q345E的應力應變曲線，構建材料模型，以此減小模擬數據結果與實際生產過程的偏差。

2.1坯料幾何模型建立

由于H型鋼外形尺寸具有對稱性，孔型設計上左右兩側都是對稱的，所以軋件采用1/2簡化建立對稱幾何模型，減少單元節點數量，縮短計算時間，提高工作效率。

又由于H型鋼為長材軋制，軋件進入軋機后,一般軋制500 mm至1000 mm后變形量、變形溫度等各種參數變化將趨于穩定，所以建模時軋件的長度一般取1000 mm～2000 mm。

2.2軋輥幾何模型建立

型鋼熱軋過程中，因為軋件處于高溫狀態，變形抗力較小，而軋輥有冷卻水持續冷卻，開軋后，經過十多支坯料連續軋制，軋輥溫度基本處于300 ℃恒定狀態，型鋼軋輥彈性變形相對較小，對產品外形尺寸的影響可以忽略，所以H型鋼軋制有限元分析時可將軋輥設為無溫度變化的剛性體，軋輥模型的建立如圖1和圖2所示。

圖1粗軋機軋輥模型

圖2萬能軋機、軋邊機軋輥模型

2.3H型鋼熱軋有限元分析流程

中型生產線H型鋼熱軋生產過程中，粗軋機為二輥可逆軋制，生產順行時各道次間隙時間基本固定，軋件在長度方向上除了頭尾1000 mm左右相差較大以外，中間部分的尺寸、變形抗力基本一致。精軋機組實際生產過程中，軋件前半段進入軋機500 mm～1000 mm后，產品性能和軋制負荷等各項參數趨于穩定。所以模擬過程中，各道次軋件在軋制一段長度進入穩定狀態后即可終止計算，提取穩態單元，進行道次間隙溫度場分析和網格重構，隨后轉入下一道次模擬分析。

整個過程主要可以分為三個部分：第一部分，建立第一道次軋制過程的有限元模型，并且在分析時按照事先設定的穩態判斷條件進行判斷，滿足條件后形成穩態單元集；第二部分，以穩態單元集為基礎構建軋制道次間隙溫度場的有限元模型，進行道次間隙溫度場模擬分析；第三部分，構建分析下一道次軋制過程的有限元模型，傳遞溫度、累積塑性應變等參數。除第一道次外，后續各道次都將重復第二和第三部分內容，完成軋制有限模擬分析。

2.4道次間隙軋件溫度場有限元分析的邊界條件

H型鋼軋制道次間隙溫度場分析邊界條件的建立，應考慮腹板積水對斷面溫度的影響，模擬過程中，忽略頭尾的溫度場，只考慮中間穩態單元的溫度場變化。

分析過程中，應用C++等軟件編寫的程序，對道次間隙溫度場分析前后的軋件溫度、累計塑性應變參數進行傳遞。

3　有限元分析結果

3.1粗軋軋制過程有限元分析結果

3.1.1粗軋過程軋件的應力分布云圖

H型鋼的坯料在粗軋第一、二、五、九道次的應力分布云圖如圖3所示。

圖3粗軋第一、二、五、九道次的應力分布云圖

從圖3可以看出，在軋輥和坯料的接觸區塑性變形大，而在坯料芯部和其它非接觸區變形相對很小。根據米塞斯屈服準則，當應力強度達到靜屈服強度時，材料將發生不可回復的塑性變形，金屬會產生延伸和寬展。

3.1.2坯料的溫度分布云圖

H型鋼的坯料在粗軋第一、二、五、九道次的溫度場分布云圖如圖4所示。

圖4粗軋第一、二、五、九道次的溫度場分布云圖

由圖4可以清楚地看到，軋制過程中在坯料與軋輥接觸區，由于熱傳導而產生的熱量損失，會導致坯料的表面溫度迅速降低，但是接觸時熱傳導的影響區不大，只在10 mm(一個單元尺寸)以內。

在軋制道次的間隙時間內，高溫坯料要和周圍的空氣進行對流換熱，并且向外輻射而損失熱量，因此必須分析軋制道次間隙的溫度場變化，分析過程中對流換熱系數設定為50 W/m2℃，高溫坯料的輻射率為0.7，粗軋第一、二、五、九道的道次間隙溫度場云圖如圖5所示。

圖5粗軋第一、二、五、九道次間隙溫度場云圖

3.1.3粗軋軋制負荷分析

粗軋各道次的模擬軋制負荷與實際生產中Q345E和Q235B的軋制負荷測量值的對比如圖6所示。本次模擬分析的材料模型，是取中型生產線實際生產的Q345E坯料,通過Gleeble熱模擬試驗得到應力應變曲線而建立的，從圖6可以看出，除個別道次以外，模擬軋制負荷與實際生產軋制負荷偏差較小，這對同一材料在不同規格的產品開發上有一定的指導作用。

圖6模擬軋制負荷與實際軋制負荷值對比

3.2精軋軋制過程有限元分析結果

3.2.1精軋軋件溫度的變化

E2軋邊機和U5萬能軋機的軋件截面溫度(℃)分布云圖分別如圖7、圖8所示，左邊視圖是軋件進機架前的溫度分布云圖，右側視圖是軋件出機架的溫度分布云圖。

(a) 軋件進機架前的溫度分布云圖

(b) 軋件出機架的溫度分布云圖

(a) 軋件進機架前的溫度分布云圖

(b) 軋件出機架的溫度分布云圖

根據溫度場分布云圖可以看出，軋制前后腹板中部溫度相差最大，這是因為軋制過程中腹板存在沸騰的積水，軋件的外表面存在自然對流和熱輻射等影響因素，所以散熱相對較快。

總體來說，由于軋件腹板和翼緣邊緣處散熱面積大，溫度下降相對較快，所以溫度也最低；而腹板和翼緣連接處，由于存在自輻射，厚度大，散熱面積小，所以散熱最慢，溫度最高，在軋制結束后，仍然能夠達到950 ℃以上。

為了和有限元計算結果進行對比，用紅外熱像儀得到實際生產過程中，軋件出U5軋機后的表面的紅外溫度結果(如圖10所示)，同時提取軋件橫向表面的溫度數據(沿圖9中a-e方向)，與熱像儀的測量結果進行對比(如圖11所示)，溫度模擬分析結果和紅外測溫結果偏差較小。

圖9軋件出U5的溫度分布云圖

圖10軋件散熱分析后的溫度分布云

圖11紅外測溫結果與分析溫度對比圖

3.2.2精軋軋制負荷分析

對H200×200規格的精軋機組七架軋機軋制過程進行了有限元模擬分析，得到各機架有限元模擬分析的軋制負荷，并與軋制規程中的軋制負荷對比，圖12和圖13分別為平輥和立輥軋制負荷對比，根據結果，有限元模擬軋制負荷與軋制規程中的軋制負荷相比較，水平輥的軋制負荷相差最大的為21.2%，平均為14.7%；萬能軋機立輥軋制負荷相差最大的為6.76%，平均為3.75%，偏差較大的原因是現場精軋機組無軋制負荷檢測設備，而規程中也只能根據鋼種成分、道次壓下量，用計算公式換算出軋制規程參考軋制力。

圖12水平軋輥軋制負荷的對比

圖13立輥軋制負荷的對比圖

4　結論

利用有限元分析可以清楚地反映出各道次軋件不均勻變形的大小，掌握軋件的變形規律、溫度場變化和軋制負荷情況。根據以上分析結果，可得出如下結論：

(1)軋件和軋輥接觸時，接觸熱傳導對坯料表面溫度的影響比較明顯，但接觸時間短，受影響的區域僅僅集中在坯料的表層。

(2)粗軋軋制間隙期間，坯料和周圍環境發生對流換熱，并且向外輻射熱量導致坯料溫度降低。而軋件截面的溫度經過熱傳導后分布會趨于均勻。

(3)精軋過程中與粗軋相比，由于軋件相對較薄，特別是出精軋后，各部位斷面溫度相差較大，軋件高溫區出現在翼緣和腹板連接處，低溫區出現在翼緣的兩端和腹板中間。

(4)各道次軋制過程中，越靠近翼緣和腹板連接的R角處溫度越高，因此越靠近R角，性能會越差。

(5)分析結果證明，本次有限元模擬分析方法和Q345E鋼種材料模型設計比較合理，可為同鋼種的其他規格新產品開發提供準確的有限元分析模型，縮短新產品試制時間，提高開發效率。

[1]賀慶強,張勤河,劉克強，等.型鋼熱軋全過程有限元仿真[J].武漢理工大學學報,2006,28(10): 118-122.

[2]崔振山,劉才,卜勇力.H型鋼熱軋過程金屬流動的數值模擬[J].塑性工程學報,1999,6(3):74-78.

[3]馬光亭,藏勇,朱國明,等.H型鋼往復開坯軋制過程仿真分析[J].塑性工程學報,2007,14(6):24-27.

STUDY ON THE FINITE ELEMENT ANALYSIS TECHNOLOGY OF MEDIUM SIZED H STEEL ROLLING

Gu Fengbo

(Shanghai Ouyeel Materials Technology Co., Ltd)

Through the thermal mechanical coupling finite element analysis technology, the rolling process ofQ345E H200×200 H-beam steel in Laiwu Steel was simulated, and the stress, temperature field, metal flow and rolling force change were studied. The result of finite element analysis was consistent with the actual rolling process, which has a certain guiding significance for the development of new products.

thermal-mechanical couplingfinite element analysisH-beam

聯系人：谷鳳波，軋鋼工程師，上海(200940)，上海歐冶材料技術有限責任公司；2016—2—25