特殊鋼棒線材熱連軋過(guò)程的有限元模擬與分析.pdf

1、作為世界第一產(chǎn)鋼大國(guó)，我國(guó)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(wèn)題，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍有相當(dāng)大的差距。為了滿足社會(huì)需求和適應(yīng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，我國(guó)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(shí)降低產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)成本，縮短開(kāi)發(fā)周期?，F(xiàn)代軋制過(guò)程控制具有多變量、強(qiáng)耦合、高度非線性和快速等特點(diǎn)。這就需要借助于先進(jìn)的開(kāi)發(fā)工具對(duì)產(chǎn)品及其制造過(guò)程進(jìn)行快速的設(shè)計(jì)和分析。以往在缺乏精確的系統(tǒng)分析時(shí)，傳統(tǒng)工

2、藝開(kāi)發(fā)和新產(chǎn)品試制依賴于昂貴而耗時(shí)的經(jīng)驗(yàn)性試錯(cuò)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(guò)程的數(shù)學(xué)模型能夠?yàn)檐堉乒に囋O(shè)計(jì)，產(chǎn)品組織及性能控制提供科學(xué)有效的依據(jù)。隨著計(jì)算機(jī)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(lái)越廣泛的應(yīng)用。本文以東北特鋼集團(tuán)特殊鋼棒線材連軋生產(chǎn)線為對(duì)象開(kāi)展了有限元模擬研究。 棒線材熱連軋過(guò)程分為控制軋制和控制冷卻兩個(gè)階段。分別針對(duì)控制軋制過(guò)程建立三維熱-力耦合有限

3、元模型，針對(duì)控制冷卻過(guò)程建立二維溫度場(chǎng)-固態(tài)相變場(chǎng)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(guò)程，是復(fù)雜的大變形過(guò)程。本文開(kāi)發(fā)了棒線材全線連軋過(guò)程三維彈塑性熱-力耦合有限元模型，采用實(shí)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(shí)的軋制過(guò)程。將全部30道次的軋制過(guò)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(guò)程的模擬結(jié)果。連續(xù)的有限元模型間

4、通過(guò)基于有限元基本原理、插值函數(shù)和等參變換等概念開(kāi)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(shí)現(xiàn)全線連軋過(guò)程有限元數(shù)值模擬提供了基本保證。 軋制過(guò)程是快速成型過(guò)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(dòng)力分析模型進(jìn)行模擬研究。靜力模型通過(guò)引入剛性體進(jìn)行模型優(yōu)化。一方面靜力模型中通過(guò)建立一個(gè)位于軋件后部的剛性體保持對(duì)變形體力的作用。另一方面采用剛性體推動(dòng)技術(shù)可以極大

5、限度地縮短軋件模型長(zhǎng)度，減少單元數(shù)量，獲得滿意的運(yùn)算效率。動(dòng)力模型通過(guò)采用不同的時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)定方法進(jìn)行優(yōu)化。軋制過(guò)程模擬中，變形過(guò)程相對(duì)整個(gè)軋制過(guò)程比例較小，而軋件在道次間隙運(yùn)行的模擬耗費(fèi)了較多的計(jì)算時(shí)間。采用自適應(yīng)步長(zhǎng)技術(shù)對(duì)固定步長(zhǎng)技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，合理分配計(jì)算過(guò)程中時(shí)間步長(zhǎng)的大小和所需的計(jì)算時(shí)間，極大限度地縮短模擬時(shí)間，提高運(yùn)算效率。比較靜力模型和動(dòng)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(yùn)算結(jié)果，但靜力模型的計(jì)算精度略高于動(dòng)力

6、模型，而動(dòng)力模型則具有較高的運(yùn)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(xiàng)的動(dòng)力模型適于模擬不能忽略速度影響的后期高速軋制過(guò)程，如精軋。通過(guò)所建立的有限元模型可以獲得控制軋制過(guò)程軋件不同部位不同時(shí)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(chǎng)模擬結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，兩者吻合較好；速度場(chǎng)模擬結(jié)果與工藝設(shè)定值吻合較好，驗(yàn)證了計(jì)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(gè)極為重要的工藝參數(shù)，影響變形過(guò)程和組織演變。對(duì)控制冷卻過(guò)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(kāi)發(fā)的組織演變模型對(duì)控制冷卻過(guò)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(chǎng)變化曲線以及由此獲得的組織分布?？刂评渲七^(guò)程通過(guò)綜合設(shè)置不同冷卻方法對(duì)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(duì)軋件最終組織、性能產(chǎn)生顯著的影響。 本文所開(kāi)發(fā)的模擬系統(tǒng)能夠

8、較準(zhǔn)確地模擬棒線材軋制過(guò)程中的軋件變形、金屬流動(dòng)、溫度變化及軋制力變化情況，預(yù)報(bào)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(jì)與優(yōu)化軋制工藝。本文在模擬真實(shí)軋制過(guò)程的要求下建立模型并開(kāi)發(fā)了不同的優(yōu)化方法，在準(zhǔn)確模擬棒線材熱連軋過(guò)程的基礎(chǔ)上，最大限度地提高了運(yùn)算效率，使得在當(dāng)前軟、硬件條件下，建立真實(shí)道次間距模型模擬全線連軋過(guò)程成為可能，為進(jìn)一步深入研究軋制過(guò)程微觀組織變化，通過(guò)模擬仿真手段開(kāi)發(fā)、優(yōu)化新產(chǎn)品、新工藝奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。