厚鋼板差溫軋制心部變形與實(shí)驗(yàn)研究

齊天圣，楊若雯,李 恒,張華君，江連運(yùn)

(1.山鋼集團(tuán)日照有限公司中厚板廠，山東 日照 276800；2.太原科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030024)

0 前言

從加入世貿(mào)組織(WTO)以來(lái)，中國(guó)工業(yè)生產(chǎn)得到快速發(fā)展，2020年中國(guó)鋼鐵產(chǎn)量占全球總產(chǎn)量的50%，2021年上半年鋼鐵產(chǎn)量同比增長(zhǎng)11%。但高性能厚規(guī)格鋼板還嚴(yán)重依賴(lài)進(jìn)口，制約了行業(yè)的發(fā)展[1]。厚規(guī)格鋼板在同步軋制時(shí)會(huì)產(chǎn)生心部變形不充分問(wèn)題，導(dǎo)致心部晶粒粗大，力學(xué)性能偏低[2]。非對(duì)稱(chēng)軋制如異步軋制雖然能改善鋼板心部變形，但非對(duì)稱(chēng)軋制會(huì)使板材出現(xiàn)軋后翹曲現(xiàn)象[3-4]。蛇形軋制能夠在一定程度上抑制板形彎曲問(wèn)題，但在厚規(guī)格鋼板生產(chǎn)中調(diào)控板形能力有限，后續(xù)還需要改善板形[5-6]。差溫軋制作為一種對(duì)稱(chēng)軋制工藝，在軋制前對(duì)鋼板進(jìn)行超快速冷卻，形成外硬內(nèi)軟的變形抗力分布，在促進(jìn)心部變形的同時(shí)使板材保持平直狀態(tài)。為提高厚規(guī)格鋼板變形滲透性，改善綜合性能，有必要對(duì)厚鋼板差溫軋制心部變形進(jìn)行深入研究。

目前，許多學(xué)者對(duì)差溫軋制溫度場(chǎng)和厚度方向變形及組織性能進(jìn)行了研究。馬江南等[7]對(duì)中厚板回溫軋制溫度場(chǎng)進(jìn)行了模擬，并在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了軋制試驗(yàn)；Jiang[8]采用有限元法研究了帶鋼返紅溫度的變化規(guī)律；李高盛等[9]采用有限元法建立了差溫軋制剛塑性模型，研究了厚度方向應(yīng)變的變化規(guī)律；曾清泉[10]采用OM、SEM、EBSD技術(shù)對(duì)差溫軋制組織性能進(jìn)行了分析，結(jié)果表明差溫軋制可以改善晶粒尺寸；甄濤等[11]采用主應(yīng)力法建立了蛇形差溫軋制軋制力的計(jì)算模型；李磊等[12]采用梯溫剪切軋制研究了厚板軋制的等效應(yīng)變和剪切應(yīng)變；葉凌英等[13]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了差溫軋制對(duì)鋁合金厚板組織和性能的影響；王斌等[14]通過(guò)有限元研究了差溫軋制對(duì)鑄坯心部孔洞壓合的影響規(guī)律；Gao等[15]通過(guò)軋制實(shí)驗(yàn)分析了差溫軋制對(duì)裂紋愈合的影響。

關(guān)于差溫軋制許多學(xué)者多集中在溫度場(chǎng)及差溫軋制改善鋼板心部變形可行性的研究[16-17]。因此，本文采用基于Ansys的熱力耦合有限元模擬，研究了差溫軋制對(duì)厚規(guī)格鋼板心部變形的影響，并結(jié)合軋制實(shí)驗(yàn)對(duì)鋼板心部顯微組織進(jìn)行了表征，結(jié)果與有限元模擬應(yīng)變大小相對(duì)應(yīng)，驗(yàn)證了有限元模擬的準(zhǔn)確性，為實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 有限元模型及邊界條件

差溫軋制過(guò)程涉及復(fù)雜的熱、固、流多場(chǎng)耦合，軋制過(guò)程中厚度方向變形受多種因素影響，為了反映差溫軋制過(guò)程的本質(zhì)，提高有限元模擬的效率，在確保計(jì)算結(jié)果精確的情況下對(duì)差溫軋制過(guò)程做出如下假設(shè)：

(1)由于軋件的長(zhǎng)度和寬度遠(yuǎn)大于軋件的厚度，可將軋制模型定義為平面模型，建立差溫軋制二維單道次有限元模型；

(2)與軋制過(guò)程中軋件大變形相比，上下軋輥的變形可以忽略，因此將上下軋輥定義為剛性體；

(3)軋制時(shí)影響上下軋輥與軋件的摩擦因素有很多，與表面溫度、材料、軋制溫度等有關(guān)，本文采用基于Ansys的庫(kù)倫摩擦模型；

(4)塑性變形做功導(dǎo)致的溫升與鋼板和上下軋輥熱傳導(dǎo)，及鋼板表面與空氣的熱對(duì)流和熱輻射導(dǎo)致的溫降相互抵消，即軋制過(guò)程中的溫度不變。

(5)定解條件為第三類(lèi)邊界條件，即已知鋼板表面對(duì)流換熱系數(shù)和冷卻水溫度，且冷卻水恒溫為20 ℃。

厚規(guī)格鋼板差溫軋制有限元模型包括上下工作輥和軋件，如圖1所示為有限元模型，采用四邊形網(wǎng)格對(duì)軋件和上下軋輥進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共劃分8 800個(gè)單元，表1為有限元模擬時(shí)基本參數(shù)。在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中差溫軋制過(guò)程包括軋前超快速冷卻和軋制兩個(gè)連續(xù)的過(guò)程，因此在有限元模型中，采用順序耦合法對(duì)差溫軋制過(guò)程進(jìn)行模擬，這是一種間接的耦合方法，即先進(jìn)行隱式分析，獲得鋼板超快速冷卻后溫度場(chǎng)分布，在此基礎(chǔ)上在進(jìn)行顯式有限元分析，得到鋼板軋制過(guò)程應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)分布。

圖1 差溫軋制有限元模型

表1 有限元模型基本參數(shù)

在進(jìn)行隱式分析時(shí)，軋件和上下軋輥的單元類(lèi)型為plane55，材料模型定義為熱材料模型，軋件隨溫度變化的參數(shù)，包括導(dǎo)熱系數(shù)，比熱容和熱膨脹系數(shù)等如表2所示。假設(shè)鋼板初始溫度為1 100 ℃，環(huán)境溫度為20 ℃，軋輥溫度保持為20 ℃。模擬時(shí)在鋼板上下表面施加相同的對(duì)流換熱系數(shù)以達(dá)到差溫的效果。由于在實(shí)際生產(chǎn)中超快速冷卻裝置與軋機(jī)之間有一定的距離，設(shè)置返紅時(shí)間為1 s。在進(jìn)行顯式分析時(shí)，將隱式分析中軋件的單元類(lèi)型plane55轉(zhuǎn)換為plane162單元，將隱式分析中得到的節(jié)點(diǎn)溫度以.rth文件導(dǎo)入顯式分析中。軋件定義為雙線性彈塑性材料模型，上下軋輥定義為剛性體模型，設(shè)置軋輥軸線旋轉(zhuǎn)自由度不為零，約束其他方向自由度，上下軋輥和軋件之間采用單面接觸算法。有限元模擬中在顯式分析模塊需要用到的模擬參數(shù)如表1、2所示。

表2 不同溫度下鋼板熱物理參數(shù)

2 差溫軋制心部變形分析

圖2為對(duì)流換熱系數(shù)不同時(shí)心部應(yīng)變的變化規(guī)律，根據(jù)厚規(guī)格鋼板在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中的工藝參數(shù)，采用不同對(duì)流換熱系數(shù)研究其對(duì)心部應(yīng)變的影響，對(duì)流換熱系數(shù)分別為50、500、1 000、2 000、3 000、4 000 W/m2K，均溫軋制時(shí)鋼板表面與空氣發(fā)生熱對(duì)流和熱輻射，取換熱系數(shù)為50 W/m2K，其他工藝參數(shù)為冷卻時(shí)間為6 s，空冷時(shí)間為2 s，壓下率為30%，軋輥直徑為1 050 mm，軋制速度為1.5 m/s，動(dòng)摩擦系數(shù)為0.35。

圖2 換熱系數(shù)不同時(shí)鋼板心部等效應(yīng)變

由圖2可知，當(dāng)鋼板初始厚度小于250 mm時(shí)，隨著對(duì)流換熱系數(shù)的增加，鋼板心部的變形逐漸增大。當(dāng)鋼板初始厚度為80 mm時(shí)，對(duì)流換熱系數(shù)由500 W/m2K增加到2 000 W/m2K時(shí)，鋼板心部等效應(yīng)變分別為0.401和0.458，增幅為14.2%，如圖3所示，這是由于隨著表面對(duì)流換熱系數(shù)的增加，表面溫度逐漸降低，溫度梯度逐漸增大，導(dǎo)致表面變形抗力增加，而心部仍保持高溫狀態(tài)，根據(jù)體積不變?cè)?，表層變形抗力較大的區(qū)域變形較困難，導(dǎo)致變形向心部滲透。與均溫軋制相比，差溫軋制最大可提高心部應(yīng)變?yōu)?0.0%。隨著初始厚度的增大，心部變形的增幅逐漸減小，當(dāng)鋼板初始厚度大于200 mm，表面對(duì)流換熱系數(shù)超過(guò)3 000 W/m2K時(shí)，鋼板心部等效應(yīng)變變化較小。

圖3 換熱系數(shù)不同時(shí)沿鋼板厚度方向表面到心部溫度分布

圖4為壓下率不同時(shí)厚規(guī)格鋼板均溫軋制和差溫軋制心部等效應(yīng)變及最大-最小應(yīng)變差，由圖4可知，鋼板心部等效應(yīng)變隨壓下率的增加逐漸增大，且近似呈線性增長(zhǎng)，當(dāng)壓下率為40%時(shí)，均溫軋制和差溫軋制心部應(yīng)變值分別為0.465和0.522，增幅為12.3%。隨著壓下率的提高，最大-最小應(yīng)變差明顯減小，表明增大壓下率可以改善厚規(guī)格鋼板厚度方向變形均勻性。均溫軋制和差溫軋制最大-最小應(yīng)變差變化基本一致，當(dāng)壓下率超過(guò)35%時(shí)，差溫軋制最大-最小應(yīng)變差小于均溫軋制，可以改善鋼板厚度方向變形均勻性。壓下率和軋制方式對(duì)提高鋼板厚向變形均勻性及心部變形具有重要影響，在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，在滿(mǎn)足軋機(jī)功率的前提下可采用大壓下來(lái)提高鋼板心部變形。

圖4 壓下率不同時(shí)鋼板心部等效應(yīng)變和最大-最小應(yīng)變差

3 實(shí)驗(yàn)研究

軋制實(shí)驗(yàn)在半徑為160 mm的二輥可逆式軋機(jī)上進(jìn)行，受軋機(jī)軋制能力的限制，無(wú)法滿(mǎn)足厚規(guī)格鋼板差溫軋制過(guò)程，因此基于實(shí)驗(yàn)軋機(jī)采用物理相似性實(shí)驗(yàn)進(jìn)行材料幾何尺寸的選取，軋件尺寸為100×50×13.28(長(zhǎng)×寬×厚，mm)。鋼板初始溫度為1 250 ℃，開(kāi)軋溫度均溫軋制和差溫軋制分別為1 250 ℃、900 ℃。

圖5為均溫軋制和差溫軋制時(shí)45#鋼心部顯微結(jié)構(gòu)，該組織是在500×光學(xué)顯微鏡下觀察得到的，均溫軋制時(shí)鋼板心部晶粒尺寸為26.72 um，差溫軋制時(shí)晶粒尺寸為17.37 um。差溫軋制鋼板心部大多為長(zhǎng)條針狀鐵素體，沿軋制方向晶粒被拉長(zhǎng)，而均溫軋制鋼板心部組織多為板狀，且彼此交叉連接在一起。差溫軋制工藝促進(jìn)了心部晶粒的再結(jié)晶，細(xì)化了心部晶粒尺寸，可有效消除帶狀組織，且均溫軋制和差溫軋制微觀組織與有限元模擬應(yīng)變大小相對(duì)應(yīng)，具有良好的一致性。

圖5 均溫軋制和差溫軋制心部光學(xué)顯微組織

圖6為均溫軋制和差溫軋制心部電子顯微組織。鋼板經(jīng)過(guò)軋制后空冷狀態(tài)下其內(nèi)部微觀組織主要呈現(xiàn)為壓扁狀態(tài)的奧氏體晶粒，部分晶粒內(nèi)部也出現(xiàn)了較多的變形帶；在相同變形速率和變形量下，實(shí)驗(yàn)鋼在均溫軋制時(shí)奧氏體晶粒被拉長(zhǎng)，單位體積內(nèi)晶界的表面面積增大；實(shí)驗(yàn)鋼在差溫軋制時(shí)奧氏體晶粒得到細(xì)化而且更加顯著地增加了后續(xù)擴(kuò)散相變的進(jìn)行。同時(shí)由于軋前超快速冷卻工藝，過(guò)冷奧氏體在過(guò)冷度較大的溫度區(qū)間保留更長(zhǎng)時(shí)間，使得變形儲(chǔ)存能適當(dāng)減小進(jìn)而得到了細(xì)小的鐵素體晶粒?？梢宰C明：經(jīng)過(guò)軋前超快速冷卻工藝后可以獲得足夠細(xì)小的鐵素體晶粒，實(shí)現(xiàn)較好的細(xì)晶強(qiáng)化效果。且該工藝可以有效降低軋機(jī)負(fù)荷與能耗，具有良好的應(yīng)用前景。

圖6 均溫軋制和差溫軋制心部SEM顯微組織

4 結(jié)論

(1)與均溫軋制相比，差溫軋制可以提高厚規(guī)格鋼板厚度方向的變形滲透性，促進(jìn)厚規(guī)格鋼板心部變形，相同條件下差溫軋制心部應(yīng)變可提高30.0%。

(2)表面對(duì)流換熱系數(shù)和壓下率對(duì)鋼板心部變形有重要影響。在一定范圍內(nèi)，隨著表面對(duì)流換熱系數(shù)和壓下率的增大，差溫軋制心部等效應(yīng)變逐漸增大，可改善鋼板厚度方向變形均勻性。

(3)均溫軋制時(shí)45# 鋼心部晶粒尺寸為26.72 μm，差溫軋制時(shí)晶粒尺寸為17.37 μm，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與均溫軋制相比，差溫軋制可以促進(jìn)鋼板心部晶粒再結(jié)晶，細(xì)化晶粒，有效消除帶狀組織。