數(shù)值模擬技術在鑄造軋輥中的應用及展望

郭修磊，孫熙釗，2，萬 敏

（1.中鋼集團邢臺機械軋輥有限公司，河北 邢臺 054025；2.軋輥復合材料國家重點實驗室，河北 邢臺 054025；3.河北機電職業(yè)技術學院，河北 邢臺 054000）

0 引言

隨著軋鋼技術的不斷發(fā)展、軋制鋼材等級的不斷提升以及鋼鐵企業(yè)對軋線運行效率要求越來越高，軋線對軋輥的使用性能、在機周期、表面質(zhì)量等方面提出了更高的要求[1]。

目前軋鋼機用的軋輥主要有鑄鋼軋輥、鑄鐵軋輥和鍛鋼軋輥，主要生產(chǎn)工藝包括冶煉、毛坯鑄造或毛坯鍛造、熱處理、加工等。傳統(tǒng)的軋輥制造企業(yè)中，通常依靠“經(jīng)驗法”和“試錯法”來確定生產(chǎn)工藝參數(shù)，但隨著現(xiàn)代管理要求的不斷提高，傳統(tǒng)的工藝設計方法已經(jīng)遠遠無法滿足企業(yè)生產(chǎn)成本管控越來越精細、新產(chǎn)品研發(fā)周期越來越短的要求。對于“經(jīng)驗法”，雖然靠其設計的工藝參數(shù)可以制造出合格的產(chǎn)品，但由于缺乏更準確的理論依據(jù)，所以很難制造出成本最低、質(zhì)量最優(yōu)的產(chǎn)品；而對于“試錯法”，在軋輥這種大型鑄鍛件新產(chǎn)品的研制中適用性更差，多次試錯不僅會造成大量原材料和能源的浪費，更大的問題是試制產(chǎn)品生產(chǎn)周期長，無法快速響應市場需求。

近些年來，數(shù)值模擬技術快速發(fā)展，已經(jīng)成為研究材料成型技術的重要方法。將數(shù)值模擬技術引入軋輥制造過程，可以有效解決“經(jīng)驗法”和“試錯法”存在的問題。本文對國內(nèi)外學者的研究成果進行了總結(jié)，綜述了各類鑄造軋輥成型數(shù)值模擬方面的研究現(xiàn)狀，并結(jié)合軋輥技術的發(fā)展提出了未來軋輥制造數(shù)值模擬技術的研究方向。

目前鑄造軋輥的成型方法主要有整體軋輥重力鑄造法、離心復合鑄造法、全沖洗復合鑄造法、連續(xù)澆注外層法、旋轉(zhuǎn)電渣鑄造法等。

1 重力鑄造法

重力鑄造法是常見的一種單材質(zhì)軋輥鑄造成型方法，該種軋輥的材質(zhì)包括合金鑄鋼、球墨鑄鐵、石墨鋼、半鋼及高碳半鋼等，廣泛應用于熱軋、型鋼軌梁、線棒材等不同類型軋機的支承輥、立輥、軋邊輥、粗軋輥及開坯輥等。

重力鑄造軋輥通常長徑比較大、單重大，其鑄造充型過程相對簡單，因此研究人員開展的數(shù)值模擬工作主要集中在實現(xiàn)軋輥自下而上的順序凝固，吃砂量厚度的調(diào)整、保溫冒口功率和時間的選擇上，這幾方面通常是研究的重點。

中科院金屬研究所康秀紅等[2]對凈重30 t 的Cr4鑄鋼支撐輥進行數(shù)值模擬以對工藝實施改進，通過調(diào)整型腔內(nèi)部掛砂厚度、增加保溫冒口和保溫覆蓋劑以及改用單切線型內(nèi)澆道的方法，解決了原工藝無法實現(xiàn)自下而上的順序凝固，且下輥徑與輥身過渡圓弧部位易引起熱裂、澆注過程容易卷氣的問題。陳露貴等[3]利用ProCAST 軟件包對60 t 大型鑄鋼支承輥電加熱冒口工藝進行了數(shù)值模擬，模擬了加熱功率為70 kW、連續(xù)保持10 h 時軋輥的凝固過程，模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，冒口最終形狀為“V”形，冒口下方存在明顯的軸線縮孔，模擬結(jié)果與實際生產(chǎn)結(jié)果一致。通過調(diào)整加熱功率和加熱時間，有效解決了上輥頸縮孔問題。

田春霞[4]等也采用ProCAST 對鑄鋼軋輥的凝固過程進行了數(shù)值模擬，研究了模擬軟件使用過程中的界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)、輻射黑度等參數(shù)設置，模擬了在設置保溫冒口的狀態(tài)下鑄鋼軋輥內(nèi)部的凝固時間，通過模擬結(jié)果指導生產(chǎn)過程。鑄鋼軋輥不同時刻的固相率分布如圖1 所示。

圖1 鑄鋼軋輥不同時刻固相率分布

2 離心復合鑄造法

離心復合鑄造法是當前板帶熱軋工作輥制造中應用最廣泛的一種軋輥成型方法，根據(jù)離心機旋轉(zhuǎn)軸方向的不同分為臥式離心鑄造、立式離心鑄造和斜式離心鑄造。目前在軋輥行業(yè)中最常見的是臥式離心鑄造，其主要特點是生產(chǎn)裝備簡單、軋輥工作層組織致密及生產(chǎn)效率高，也有部分企業(yè)采用生產(chǎn)效率相對較低的立式離心鑄造，只有極少的生產(chǎn)企業(yè)選用斜式離心鑄造。

離心復合鑄造軋輥外層采用離心鑄造工藝生產(chǎn)，外層一般是具有較高強度、高硬度、高耐磨性的高合金成分材料，芯部則是采用靜態(tài)重力鑄造方法填充的高強球墨鑄鐵。對于高速鋼、高鉻鑄鐵等外層合金質(zhì)量分數(shù)較高（超過15%）的復合軋輥，為了防止過多的外層高合金進入芯部從而導致芯部韌性降低、脆性增大，通常在外層和芯部之間填充一層中間層。

離心復合鑄造工藝相對較為復雜，其不僅涉及到兩種甚至三種金屬間的復合，還包括了離心鑄造和靜態(tài)鑄造兩種鑄造工藝，因此眾多學者采用數(shù)值模擬技術對該工藝的金屬液填充、離心過程中外層鐵水的凝固、芯部和外層的結(jié)合、芯部鐵水的順序凝固等進行了研究。

Song N N[5]等對離心鑄造軋輥外層的凝固過程進行了數(shù)值模擬和生產(chǎn)驗證，研究表明外層部分凝固模式為內(nèi)外兩側(cè)凝固快、中間部分凝固慢的“三明治”形（Sandwich shape），如圖2 所示。組織中的MC 型碳化物存在明顯的偏析，增加Nb 元素可以減少偏析現(xiàn)象。

圖2 離心復合鑄造軋輥外層凝固的“三明治”形狀

陳守東等[6]采用ProCAST 軟件模擬了離心復合高速鋼軋輥外層臥式離心鑄造和芯部重力鑄造過程的溫度場變化及縮松、縮孔情況，分析發(fā)現(xiàn)，提高離心機轉(zhuǎn)速可以縮短外層凝固時間，提高芯部澆注速度可以改善軋輥內(nèi)部的縮孔、縮松形成傾向。

魯素玲等[7-8]對Cr4 鋼、高鉻鋼等離心復合鑄造軋輥的充型、凝固過程進行了數(shù)值模擬，研究了離心冷型壁厚、冷型材質(zhì)、下砂箱材料等因素對下輥頸中心縮松位置及尺寸的影響，通過合理的工藝參數(shù)調(diào)整完全消除了下輥徑中心缺陷。通過對高鉻鋼軋輥鑄造過程流場和溫度場的模擬結(jié)果分析，認為離心鑄造過程在軋輥外層內(nèi)表面兩端靠近端蓋部位容易形成非金屬氧化物，這些氧化物在隨后的芯部澆注過程中未能被完全沖刷掉是導致軋輥輥身結(jié)合層夾渣的主要原因，通過增加芯部澆注時自由液面的波動幅度可以減少輥身夾渣的出現(xiàn)。

萬敏等[9]采用數(shù)值模擬方法對比了傳統(tǒng)的鐵模覆砂底箱和新型金屬型底箱生產(chǎn)離心復合鑄造軋輥球墨鑄鐵輥芯的凝固過程，解決了軋輥芯部自下而上的順序凝固、減少了底頸部位的中心疏松，實際生產(chǎn)結(jié)果顯示底頸部位的金相組織和力學性能得到明顯改善。兩種底箱生產(chǎn)軋輥的底頸疏松分布如圖3 所示。

圖3 兩種底箱生產(chǎn)軋輥的底頸疏松分布

3 其他鑄造軋輥

連續(xù)澆注外層成型法，簡稱CPC 法，該種工藝主要用于生產(chǎn)高速鋼軋輥，其與重力鑄造和離心鑄造最大的不同是只澆注外層鋼水，芯部則采用鍛鋼輥芯。生產(chǎn)過程中，在加熱的鍛造輥芯周圍連續(xù)多包澆注一層具有一定工作層厚度的外層高合金。該種工藝的核心是如何實現(xiàn)固態(tài)外層和液態(tài)芯部間的良好結(jié)合。該種工藝生產(chǎn)的軋輥多用于軋材等級較高的熱軋線，也有少量CPC 高速鋼軋輥代替鍛造軋輥被少量應用到冷軋線。目前國內(nèi)對該種軋輥研究較多，但真正形成規(guī)模化批量生產(chǎn)的情況卻較少。周利陽等[10]采用ANSYS 軟件模擬了金屬連續(xù)澆注過程中的溫度場，結(jié)果顯示在熔合界面附近的外層金屬從澆注到最后凝固階段先后經(jīng)歷了凝固、再熔化，最后再和輥芯表面金屬熔合凝固的過程。

馮明杰等[11]對輥芯預熱溫度對外層金屬凝固的影響進行了研究，結(jié)果表明，輥芯預熱溫度較低時，外層和芯部難以形成良好的冶金結(jié)合，但預熱溫度過高則會在結(jié)合層部位出現(xiàn)較厚的過渡層，大量的合金成分擴散至輥芯外層，可能導致碳化物聚集，降低結(jié)合層質(zhì)量。邵抗振等[12]采用華鑄CAE 鑄造模擬軟件對高鉻鑄鐵復合軋輥的電磁復合鑄造工藝進行了模擬，實現(xiàn)了軋輥軸向自下而上的順序凝固、徑向由外層向內(nèi)層的單項凝固，有利于輥芯和外層金屬結(jié)合層的充分熔合，提高了結(jié)合層質(zhì)量。

4 總結(jié)及展望

目前數(shù)值模擬技術在軋輥鑄造成型方面的研究主要集中在參數(shù)影響、工藝優(yōu)化等宏觀溫度場、凝固場等宏觀方面，在微觀組織預測、結(jié)合層元素擴散等方面研究較少。在材質(zhì)的選擇和數(shù)值模擬各項熱物理性能參數(shù)的設定上，大多采用商用鑄造模擬自帶的數(shù)據(jù)庫，而非軋輥材質(zhì)本身實測的性能參數(shù)。總體來說，目前開展的鑄造軋輥數(shù)值模擬工作取得了較多成果，但距離軋輥實際生產(chǎn)過程中的質(zhì)量提升需求仍有較大的差距。未來鑄造軋輥數(shù)值模擬研究可以從以下幾個方面開展工作：

1）重力鑄造軋輥近凈形鑄造技術研究。主要研究對象為型鋼軋鋼機BD 輥、DUO 輥、軋邊輥以及熱帶軋機立輥等輥身開槽的孔型輥。通過數(shù)值模擬技術，設計合適的冷型和不同部位吃砂量、涂料厚度等，實現(xiàn)軋輥的孔型鑄造技術，提高軋輥凈毛比，細化孔型部位組織并提高孔型耐磨性。

2）離心復合鑄造軋輥界面影響因素定量研究。對于離心復合鑄造軋輥，輥面剝落是最常見的異常失效形式之一，而界面結(jié)合質(zhì)量的高低直接影響軋輥的抗剝落性能。影響離心復合鑄造軋輥界面質(zhì)量的因素很多，如軋輥直徑、外層材質(zhì)、外層厚度、內(nèi)外層質(zhì)量比、芯部澆注溫度、內(nèi)外側(cè)澆注時間間隔、型腔溫度等，因此通過數(shù)值模擬定量分析每一個參數(shù)對軋輥結(jié)合層質(zhì)量的影響對提升產(chǎn)品的使用性能具有一定的意義。

3）軋輥制造新工藝的研究。當前很多新工藝和方法被引進到鑄造軋輥生產(chǎn)中，以提高軋輥性能和內(nèi)部質(zhì)量，如增強耐磨性的WC 顆粒強化技術、減少組織和成分偏析的電磁離心鑄造技術、實現(xiàn)順序凝固的大型軋輥凝固過程分區(qū)控冷技術、特殊用途軋輥或輥套的鑲鑄技術等。新工藝試制前的數(shù)值模擬，可以大幅度提高新產(chǎn)品和新工藝試驗速度，同時可降低產(chǎn)品試制損失。

4）開發(fā)更適用于軋輥的數(shù)值模擬軟件。軋輥屬于大型鑄鍛件產(chǎn)品，在采用常用的商業(yè)鑄造模擬軟件進行模擬計算時，通常會耗費較長的計算時間，影響研究效率。建議有能力的研究者或機構(gòu)自行開發(fā)適用于軋輥這種具有較簡單的軸對稱結(jié)構(gòu)的程序，在計算精度允許的情況下將三維結(jié)構(gòu)簡化成二維結(jié)構(gòu)，提高計算速度和精度。

5）建立軋輥材料基礎數(shù)據(jù)庫。對當前常用的高速鋼、高鉻鑄鋼、高鉻鑄鐵、無限冷硬鑄鐵、合金半鋼、合金鑄鋼、合金球鐵等軋輥材質(zhì)進行基礎熱物理性能檢測，建立軋輥材料基礎數(shù)據(jù)庫，為今后實現(xiàn)更準確的微觀組織預測、成分偏析預測等提供基礎數(shù)據(jù)支持。