张钢棒材三切分轧制过程数值模拟及试验研究.pdf

第32卷 第5期 2010年10月 山东冶金 Shandong Metallurgy Vol.32 No.5 October 2010 摘要 采用有限元软件ANSYS/LS-DYNA对φ14 mm热轧带肋钢筋的三切轧制过程进行了模拟。研究表明， 三切分轧制 轧件变形很不均匀； 预切分轧制时轧制力与现场实测值偏差6.06， 延伸系数偏差3.09， 宽展偏差11.62； 切分轧制时轧 制力与现场实测值偏差9.68， 延伸系数偏差2.12， 宽展偏差12.82。 关键词 棒材； 三切分轧制； 有限元软件； LS-DYNA； 数值模拟 中中图分类号号 TG335.6文献标识码 A文章编号 1004-4620 （2010） 05-0032-03 􀥄􀥄􀥄􀥄􀥄􀥄􀥄􀥄􀥄􀥄􀧄 􀥄􀥄􀧄 􀥄􀥄􀥄􀥄􀥄􀥄􀥄􀥄􀥄􀥄􀧄 􀥄􀥄􀧄 试验研究试验研究 张钢棒材三切分轧制过程数值模拟及试验研究 白星良 1， 2， 任慧平1， 陈 林 1， 潘 辉 2， 王庆义2 （1 内蒙古科技大学， 内蒙古 包头 014010； 2 山东工业职业学院， 山东 淄博 256414） 收稿日期 2010-06-08 作者简介 白星良， 男， 1968年生， 1992年毕业于东北大学金属压力 加工专业。现为山东工业职业学院副教授、 工程师， 从事轧钢教 学、 科研工作。 1前言 切分轧制是指在轧制过程中， 利用孔型的作 用， 将一根轧件轧成具有两个或两个以上相同形状 的并联轧件， 再利用导卫装置， 或其他形式的切分 装置， 将并联轧件沿纵向切分成两根或多根轧件的 轧制工艺 ［1-2］。棒材切分轧制能大幅甚至成倍地增 加产量 ［3］， 目前已成为中小规格棒材、 钢筋生产的重 要手段， 为各国中小型轧钢机组新建和改造时首选 采用的技术。本研究通过对张店钢铁总厂棒材分 厂目前的生产工艺分析， 结合现场生产数据， 利用 有限元软件ANSYS/LS－DYNA对φ14棒材切分轧 制过程进行模拟， 为技术改进提供理论依据。 2有限元模型的建立与计算 模拟钢种为 20MnSi； 化学成分 C 0.19， Mn 1.43， Si 0.62， P 0.012， S 0.021； 成品为φ14 mm热轧带肋钢筋。本研究只对预切分、 切分孔型 （如图1、 图2所示） 进行了求解。由于变形复杂需要 网格细化， 为了节省计算时间， 模拟时根据轧件、 轧 辊的对称性只取1/2进行建模运算分析。实测轧制 工艺条件见表1。 图1预切分孔型示意图 结合分析问题的实际情况， 轧制温度设为1 000 ℃， 轧辊的材料模型选取为刚体 ［4］， 轧件、 轧辊均采 用164单元进行扫掠网格划分 ［5］。约束条件为轧辊 仅绕固定轴X轴转动， 选用自动面面接触ASTS算法。 3模拟结果与分析 3.1等效应力 图3a、 图3b分别为预切分与切分孔型轧制时， 轧件等效应力场的分布云图。 a 预切分轧制 b 切分轧制 图3轧件等效应力分布云图 由图3a可以非常直观地观察到预切分轧制时 图2切分孔型示意图 表1φ14 mm热轧带肋钢筋轧制工艺参数 孔型类型 预切分孔 切分孔 轧件速度/ （m s-1） 6.76 7.98 轧辊转速/ （r min-1） 364.5 431.3 辊缝/ mm 3 1 轧辊直径/ mm 360 360 32 轧件内部的应力集中情况。可以看出， 轧件稳定轧 制时， 2个楔形部位的等效应力值最大， 应力值在 9.794107～1.223108MPa。总体来看， 轧件等效 应力以切分楔为中心向两侧减小。由图3b可以观 察到切分轧制时轧件内部的应力集中情况。可以 看出， 轧件稳定轧制时， 2个切槽楔形部位的等效应 力值最大， 数值在9.245107～1.155108MPa， 轧 件两侧等效应力较小。 3.2等效应变 等效应变是3个主应变ε1、 ε2、 ε3的复合值， 反映 了3个主应变方向上的总体应变大小， 在有限元分 析中常用来衡量变形程度的大小。图4a、 图4b分别 为预切分与切分轧制时的等效应变分布云图。 a 预切分轧制 b 切分轧制 图4轧件等效应变分布云图 由图4a可以看出， 预切分轧制时轧件的变形分 布是不均匀的， 其中轧件2个切分楔部位变形量最 大， 等效应变值在1.959～2.204 mm； X方向两侧上 边部圆角处变形量也较大， 等效应变值在1.224～ 1.469 mm， 这与图3a中等效应力分布规律是一致的。 由图4b可以看出， 切分轧制时轧件的变形也是 不均匀的， 其中轧件2个切分楔部位变形量最大， 等 效应变值在1.959～2.204 mm； X方向两侧上边部圆 角处变形量也较大， 等效应变值在 1.224～1.469 mm， 这与图3b中所示等效应力分布规律是一致的。 3.3轧制力及延伸计算 模拟完成后， 提取各载荷步变形区各单元的Y 方向应力， 然后将各应力值乘以相应的单元面积， 将各单元的乘积相加就可以得到该载荷步的轧制力。 图5a、 图5b分别为预切分与切分孔型轧制时， 轧制力随载荷步变化的情况。 由图5a可以看到， 预切分轧制时轧制力在很小 的步长间隔达到了最大值 （42.7 t） ， 这个阶段为咬入 阶段； 随着步长的增加， 这个值在36.5～39.0 t的小 范围波动， 这表明轧制进入稳定状态； 此后， 轧制力 开始下降， 轧制进入抛钢阶段， 轧制力由稳态变为 非稳态， 直至轧制结束。取稳定轧制阶段轧制力的 平均值 （38.5 t） 作为轧制力模拟值， 实测为36.3 t； 延 伸系数是取轧制后轧件两端位置值计算所得， 计算 结果为1.251， 实测值为1.291。 由图5b可以看到， 切分轧制时轧制力也在很小 的步长间隔达到了最大值 （32.8 t） ， 这个阶段为咬入 阶段； 随着步长的增加， 这个值在31～32 t的小范围 波动， 这表明轧制进入稳定状态； 此后， 轧制力开始 下降， 轧制进入抛钢阶段， 轧制力由稳态变为非稳 态， 直至轧制结束。取稳定轧制阶段轧制力的平均 值 （31.7 t） 作为轧制力模拟值， 实测为28.9 t； 延伸系 数是取轧制后轧件两端位置值计算所得， 计算结果 为1.193， 实测值为1.167。 3.4宽展计算 模拟完成后， 量取轧件在X方向的两底边距离， 然后分别减去轧件轧制前宽度， 得到相应的宽展 值， 图6a、 图6b分别为预切分与切分孔型轧制时轧 件在轧制方向的宽展分布。 由图6a、 图6b可以发现， 咬入区部位与抛钢区 部位宽展较大， 中间平直段与实测符合较好。取轧 制平稳段的宽展平均值为模拟宽展值， 其中预切分 轧制时模拟宽展值为 4.8 mm， 张钢现场实测值为 4.3 mm； 切分轧制时模拟宽展值为2.2 mm， 张钢现场 实测值为1.95 mm。 4结论 4.1预切分轧制时轧制力模拟计算值为38.5 t， 现 50 40 30 20 10 010203040 载荷步 轧制力/t a 预切分轧制 40 30 20 10 0 2610141822 载荷步 轧制力/t b 切分轧制 图 5轧制力随载荷步变化情况 张钢棒材三切分轧制过程数值模拟及试验研究白星良等2010年第5期 33 山东冶金2010年10月第32卷 场生产实测值为36.3 t， 偏差6.06； 切分轧制时轧 制力模拟计算值为31.7 t， 现场生产实测值为28.9 t， 偏差9.68。 4.2预切分轧制时延伸系数模拟计算值为1.251， 现场生产实测值为1.291， 偏差3.09； 切分轧制时 延伸系数模拟计算值为1.193， 现场生产实测值为 1.167， 偏差2.22。 4.3预切分轧制时宽展模拟计算值为4.8 mm， 现场 生产实测值为4.3 mm， 偏差11.62； 切分轧制时宽 展模拟计算值为 2.2 mm， 现场生产实测值为 1.95 mm， 偏差12.82。 4.4利用有限元软件ANSYS/LS-DYNA对φ14 mm 热轧带肋钢筋三切分轧制模拟计算所得到的轧制 力、 延伸系数、 宽展量大多与现场生产实测值符合 较好。说明利用有限元方法解决轧制三切分问题 是可行的， 可以为实际生产中孔型的改进、 载荷的 合理分配、 力能校核等提供积极的参考。 参考文献 ［1］ 黄武军.水平连轧机组应用切分轧制技术的探讨 ［J］ .轧钢， 2001 （4） 60-62. ［2］ 龚永平.采用辊切轧制提高轧机吃坯能力 ［J］ .轧钢， 1995 （2） 12-13. ［3］ 龚永平.多线切分轧制对棒材连轧的影响 ［J］ .轧钢， 1996 （1） 31-33. ［4］ 李建超， 吴迪， 赵宪明.箱型孔轧制方坯的显式动力学有限元 模拟 ［J］ .特殊钢， 2002， 23 （2） 23-25. ［5］ 李建超， 吴迪.椭圆孔轧制方坯的显式动力学模拟 ［J］ .塑性工 程学报， 2003， 10 （1） 57-60. Study on the Numerical Simulation of Bar Three-slitting Rolling Pass in Zhangdian Steel BAI Xing-liang1,2, REN Hui-ping1, CHEN Lin1, PAN Hui2, WANG Qing-yi2 （1 Material and Metallurgy School Inner Mongolia University of Science and Technology, Baotou 014010, China; 2 Shandong Industrial Vocational College, Zibo 256414, China） AbstractAbstract The finite element software ANSYS/LS-DYNA was applied to simulate metal deation in three-slitting rolling pass system of the continuous rolling φ 14 mm steel bars. The results indicated that the metal deation of three-slitting rolling was very inhomogeneous; The deviation of roll force from measured value in pre-slitting pass was 6.06, the deviation of elongation coefficient was 3.09 and the spread deviation was 11.62; The deviation of roll force from measured value in slitting pass was 9.68, the deviation of elongation coefficient was 2.12 and the spread deviation was 12.82. Key wordsKey words bar; three-slitting rolling; finite element software; LS-DYNA; numerical simulation 8 6 4 2 37.5 75.1 112.7 150.3 187.8 225.4 纵向 （Z向） 位置 宽展/mm a 预切分轧制 4 3 2 1 120.7241.8362.9484.0 纵向 （Z向） 位置 宽展/mm b 切分轧制 图6轧件轧制方向宽展分布 2010年8月31日， 山钢集团莱钢公司投资165万元， 由莱钢炼钢厂和自动化部联合实施的炼钢厂4号连铸机 自动化控制系统升级改造圆满完成， 并调试成功， 标志着 新PLC控制系统取代了已运行12 a的AB类PLC控制系 统。新系统具有良好的可靠稳定性、 通用性， 将彻底打破 制约生产的瓶颈。 炼钢厂 4 号连铸机原有的 AB 类 PLC 控制系统自 1998年投运以来， 已运行12 a， 系统存在着老化、 故障率 高的严重缺陷， 加之备件采购成本高、 周期长， 已成为制 约生产的瓶颈问题， 急需改造。针对升级改造工作量大、 施工周期较长的现状， 炼钢厂和自动化部充分利用4号 连铸机年修时机， 从硬件、 通讯网络和软件等方面对控制 系统进行改造。PLC控制器改为西门子系统控制， 具有 防干扰功能， 处理数据速度快， 能够满足现场的生产要 求， 同时具有良好的通用性。对新系统的软件进行重新 编程， 新编软件可提供现场数据采集、 过程可视化及过程 监控功能， 功能强大， 稳定性极高， 采用交换机网络分级 控制， 与其他网络通过光纤连接， 网络通讯可靠性、 维护 性增强， 并应用高效率的现场总线通讯技术。还对火切 机、 配水等子系统实施改造， 火切机由单独系统改为与铸 流系统通讯连接， 提高了自动化程度； 配水系统由手动操 作改为全自动操作， 提高了配水模型的可靠性， 满足了工 艺要求。 系统改造后， 大大提高了PLC系统性能， 具有良好 的可靠性、 稳定性和通用性。新自动控制系统稳定、 高效 的控制功能可保证连铸机高产顺产。此外， 新系统具有 远程数据采集及监控功能， 该控制系统的生产现场实时 数据能传送到车间实时生产数据库， 并保存为历史数据， 而在异地通过IE浏览器即可远程监控该系统的运行状 态， 为管理层提供准确无误的数据， 从而动态掌握生产情 况， 更好地组织生产。 （王婧） 莱钢4号连铸机自控系统完成改造 􀤰􀤰􀤰􀤰􀤰􀤰􀤰􀤰􀤰􀤰􀤰􀤰 􀤰􀤰􀤰 􀤰􀤰􀤰􀤰􀤰􀤰􀤰􀤰􀤰􀤰 􀤰􀤰􀤰 信息园地 34