連軋37mn5鋼棒材有限元模擬和孔型系統(tǒng)優(yōu)化

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1、連軋37Mn5鋼棒材有限元模擬和孔型系統(tǒng)優(yōu)化摘要：用Marc對熱連軋37Mn5鋼棒材的應(yīng)力、應(yīng)變、溫度以及軋制力等參數(shù)的變化特點進行有限元數(shù)值模擬，分析連軋棒材孔型對軋材質(zhì)量缺陷的影響，根據(jù)模擬結(jié)果對熱連軋棒材的孔型方案進行優(yōu)化，達到提高軋材質(zhì)量的目的.關(guān)鍵詞：熱連軋；孔型系統(tǒng)；有限元；優(yōu)化中圖分類號：TG335.6文獻標志碼：B0引言37Mn5鋼是裂紋敏感鋼種，常用于生產(chǎn)石油鋼管，生產(chǎn)中容易出現(xiàn)外折疊缺陷，影響產(chǎn)品質(zhì)量?為避免熱軋鋼管出現(xiàn)內(nèi)外折疊等質(zhì)量缺陷，不僅要保證形狀尺寸，而且對37Mn5管坯鋼棒材表面及內(nèi)部質(zhì)量有較嚴格要求，特別是表面裂紋的控制.

2、多年來管坯鋼質(zhì)量控制研究較多集中在冶煉及連鑄工序[1-2],而連軋孔型系統(tǒng)對管坯鋼棒材生產(chǎn)及質(zhì)量控制的研究相對較少.本文針對裂紋敏感鋼種37Mn5棒材熱連軋工藝及孔型系統(tǒng)特點進行研究，應(yīng)用Marc三維熱力耦合有限元模擬技術(shù)對200mmX200mm連鑄坯軋制①100mm棒材的孔型系統(tǒng)及工藝特點進行數(shù)值模擬，通過分析連軋過程軋件內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變、溫度及軋制力等變化對連軋工藝的影響,對孔型系統(tǒng)及連軋工藝方案優(yōu)化.1初始軋制條件及孔型方案37Mn5鋼主要化學(xué)成分（wt,%）為[C]=0.36,[Si]=O.26,[Mn]=1.29,[P]=0.018,[S]=0.

3、007.坯料采用連鑄坯斷面尺寸為200mmX200mm,連軋孔型系統(tǒng)設(shè)計為“箱形孔（H1）、箱形孔（V2）、箱形孔（H3）、方形孔（V4）、橢圓孔（H5）、圓孔（V6）”（孔型方案I）?前兩道次軋棍直徑均為700mm,后四道次軋輻直徑均為610mm,末道次軋制速度為750mm/s.開軋溫度依據(jù)實測取為1080°C?環(huán)境溫度為30°C,軋輾溫度依據(jù)實測取3002有限元模型建立采用更新Lagrange法的熱力耦合彈塑性有限元法及vonMises屈服準則和Prandtl-Reuss流動法則?為更好地滿足連續(xù)軋制的工藝要求，機架間距取相鄰機架軋棍直徑和的一半.軋

4、件長度取為2400mm.因為圓角最先與軋轆孔型側(cè)壁接觸，其塑性應(yīng)變較大且變形由表及里逐漸深入，因此對其斷面采用網(wǎng)格偏差劃分并細分圓角區(qū)域單元?長度方向取160等份，每個橫斷面取50個單元.采用八節(jié)點六面體等參單元類型，共取8000個單元和10626個節(jié)點.采用庫侖摩擦模型，取P=0.3,泊松比為0.3,密度為7.83X10-3g/mm3.用熱模擬試驗機測定37Mn5熱變形抗力曲線并加入Marc材料庫，見圖1.由圖3?5可見，在連軋①100mm37Mn5鋼的各個道次,圓角位置節(jié)點C的等效應(yīng)力最大?用連鑄方坯連軋圓鋼時，角部位置的溫度、應(yīng)力、應(yīng)變及應(yīng)變速率等

5、隨時間的變化特點是軋制裂紋缺陷（裂紋、折皺等）容易在圓角附近出現(xiàn)的重要原因，特別是裂紋敏感性較強的合金鋼軋制.因此在合金鋼連軋孔型設(shè)計中要考慮盡量減少這種應(yīng)力、應(yīng)變和溫度等分布的不均勻性.連軋過程各道次軋制力變化情況（①100mm37Mn5：孔型方案I）見圖6,可知軋制力沿軋制方向隨軋制道次遞減（H5除外）.H5軋制力變大的原因是方形軋件進入橢孔軋制，存在較大變形量，可從H5的總等效塑性應(yīng)變觀察到（見圖3）.另外在穩(wěn)定連軋階段，H5軋制力幾乎達到H3軋制力，因此需要對該孔型系統(tǒng)進行優(yōu)化?從H1到H4道次的孔型是由“箱-方”孔型組成，H5到H6由'‘橢-圓

6、”孔型組成，以此孔型系統(tǒng)軋制，較大變形發(fā)生在H5,同時該道次溫度較低.可通過降低H5軋制力進一步優(yōu)化該孔型系統(tǒng)，即將“方-橢”孔型從H5前移至H3并將H3到H6修改為“橢-圓”孔型系統(tǒng).實際生產(chǎn)應(yīng)用表明，孔型系統(tǒng)方案II能夠較好地滿足熱連軋管坯鋼棒材工藝控制的要求，同時①100mm37Mn5組織性能的物理檢驗結(jié)果亦滿足質(zhì)量要求.4結(jié)束語在熱連軋工藝方案制訂中應(yīng)用三維熱力耦合有限元數(shù)值模擬技術(shù)，能夠有效地對不同軋制方案及工藝目標量的變化情況進行定量分析，通過模擬熱連軋過程中軋件應(yīng)力、應(yīng)變和溫度等的分布以及各道次軋制力學(xué)參數(shù)變化特點，能夠有效地分析軋制過程質(zhì)

7、量缺陷的成因，同時工藝參數(shù)的模擬結(jié)果可用于連軋工藝控制方案(包括孔型系統(tǒng)等)的優(yōu)化，為提高軋材質(zhì)量提供科學(xué)的理論依據(jù).參考文獻：[1]劉平，白月琴，王愛蘭?37Mn5鋼連鑄坯表面縱裂紋產(chǎn)生原因分析[J].包鋼科技，2004,34(4)：26-28.[2]張廣軍，陳玉輝.管坯鋼夾雜物成因分析及工藝控制[J].煉鋼，2006,22(6)：1-4.[3]魏軍，洪慧平，趙愛民，等.①100mm20CrMnTi棒材連軋三維熱力耦合有限元模擬及應(yīng)用[C]//第七屆(2009)中國鋼鐵年會大會論文集(中).北京：冶金工業(yè)出版社，2009(3)：243-249.[4]洪

8、慧平，康永林.橢圓孔型軋制合金鋼方坯三維彈塑性有限元模擬[J].北京科技大學(xué)學(xué)報