特殊鋼棒線材熱連軋過程的有限元模擬與分析.pdf

1、作為世界第一產(chǎn)鋼大國，我國的棒線材連軋生產(chǎn)能力亦位居世界首位。但在產(chǎn)品質(zhì)量以及生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品等方面上還存在較大問題，與發(fā)達(dá)國家相比仍有相當(dāng)大的差距。為了滿足社會需求和適應(yīng)市場競爭，我國的鋼鐵企業(yè)必須不斷改進(jìn)生產(chǎn)工藝、改善產(chǎn)品組織性能，同時降低產(chǎn)品開發(fā)與生產(chǎn)成本，縮短開發(fā)周期?，F(xiàn)代軋制過程控制具有多變量、強耦合、高度非線性和快速等特點。這就需要借助于先進(jìn)的開發(fā)工具對產(chǎn)品及其制造過程進(jìn)行快速的設(shè)計和分析。以往在缺乏精確的系統(tǒng)分析時，傳統(tǒng)工

2、藝開發(fā)和新產(chǎn)品試制依賴于昂貴而耗時的經(jīng)驗性試錯方法。建立基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)、傳熱學(xué)及固態(tài)相變理論的棒線材控制軋制和控制冷卻過程的數(shù)學(xué)模型能夠為軋制工藝設(shè)計，產(chǎn)品組織及性能控制提供科學(xué)有效的依據(jù)。隨著計算機軟、硬件的發(fā)展，有限元模擬技術(shù)在棒線材軋制領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。本文以東北特鋼集團特殊鋼棒線材連軋生產(chǎn)線為對象開展了有限元模擬研究。 棒線材熱連軋過程分為控制軋制和控制冷卻兩個階段。分別針對控制軋制過程建立三維熱-力耦合有限

3、元模型，針對控制冷卻過程建立二維溫度場-固態(tài)相變場耦合有限元模型。 控制軋制階段包括30道次的連續(xù)軋制過程，是復(fù)雜的大變形過程。本文開發(fā)了棒線材全線連軋過程三維彈塑性熱-力耦合有限元模型，采用實際生產(chǎn)工藝參數(shù)建立模型，模擬Φ8mm GCr15鋼和Φ5.5mm 304不銹鋼線材真實的軋制過程。將全部30道次的軋制過程按不同階段拆分為若干有限元模型進(jìn)行模擬。各有限元模型依次連續(xù)，可以獲得反映整體軋制過程的模擬結(jié)果。連續(xù)的有限元模型間

4、通過基于有限元基本原理、插值函數(shù)和等參變換等概念開發(fā)的數(shù)值傳遞方法，將當(dāng)前有限元模型模擬結(jié)果作為下一模型的初始條件進(jìn)行求解和帶入。數(shù)值傳遞技術(shù)為實現(xiàn)全線連軋過程有限元數(shù)值模擬提供了基本保證。 軋制過程是快速成型過程，軋制速度的變化范圍很大，因此分別采用靜力分析模型和動力分析模型進(jìn)行模擬研究。靜力模型通過引入剛性體進(jìn)行模型優(yōu)化。一方面靜力模型中通過建立一個位于軋件后部的剛性體保持對變形體力的作用。另一方面采用剛性體推動技術(shù)可以極大

5、限度地縮短軋件模型長度，減少單元數(shù)量，獲得滿意的運算效率。動力模型通過采用不同的時間步長設(shè)定方法進(jìn)行優(yōu)化。軋制過程模擬中，變形過程相對整個軋制過程比例較小，而軋件在道次間隙運行的模擬耗費了較多的計算時間。采用自適應(yīng)步長技術(shù)對固定步長技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，合理分配計算過程中時間步長的大小和所需的計算時間，極大限度地縮短模擬時間，提高運算效率。比較靜力模型和動力模型的模擬結(jié)果，可以看出兩種算法都可以獲得滿意的運算結(jié)果，但靜力模型的計算精度略高于動力

6、模型，而動力模型則具有較高的運算效率。模擬結(jié)果表明靜力模型較適于模擬速度較低的連續(xù)軋制初期，如粗軋和中軋；引入慣性力選項的動力模型適于模擬不能忽略速度影響的后期高速軋制過程，如精軋。通過所建立的有限元模型可以獲得控制軋制過程軋件不同部位不同時刻的溫度情況，以及軋件的軋制力、變形、應(yīng)力應(yīng)變等參數(shù)的分布和大小。將所獲得的軋件溫度場模擬結(jié)果與實際測量結(jié)果進(jìn)行比較，兩者吻合較好；速度場模擬結(jié)果與工藝設(shè)定值吻合較好，驗證了計算結(jié)果的準(zhǔn)確性和模型的

7、可靠性。溫度是熱軋中一個極為重要的工藝參數(shù)，影響變形過程和組織演變。對控制冷卻過程進(jìn)行建模分析，可以獲得不同冷卻工藝下軋件的溫度變化曲線。結(jié)合開發(fā)的組織演變模型對控制冷卻過程軋件內(nèi)部組織隨冷卻工藝的變化情況進(jìn)行研究，獲得在不同冷卻工藝條件下軋件的溫度場變化曲線以及由此獲得的組織分布。控制冷制過程通過綜合設(shè)置不同冷卻方法對軋件的溫度進(jìn)行控制，模擬結(jié)果表明不同的冷卻參數(shù)將對軋件最終組織、性能產(chǎn)生顯著的影響。 本文所開發(fā)的模擬系統(tǒng)能夠

8、較準(zhǔn)確地模擬棒線材軋制過程中的軋件變形、金屬流動、溫度變化及軋制力變化情況，預(yù)報軋后產(chǎn)品的幾何尺寸、力能參數(shù)及固態(tài)相變組織，可用于設(shè)計與優(yōu)化軋制工藝。本文在模擬真實軋制過程的要求下建立模型并開發(fā)了不同的優(yōu)化方法，在準(zhǔn)確模擬棒線材熱連軋過程的基礎(chǔ)上，最大限度地提高了運算效率，使得在當(dāng)前軟、硬件條件下，建立真實道次間距模型模擬全線連軋過程成為可能，為進(jìn)一步深入研究軋制過程微觀組織變化，通過模擬仿真手段開發(fā)、優(yōu)化新產(chǎn)品、新工藝奠定了堅實基礎(chǔ)。