铸铁轧轧区螺纹钢轧制过程中辊孔型参数对轧制的影响

铸铁轧轧区螺纹钢轧制过程中辊孔型参数对轧制的影响

在旋转辊的作用下，对金属施加压力变形，并对要求截面形状和材料性能的辊进行加工，以保持其抗弯性。在此过程中,轧辊的孔型控制轧件变形的程度、方向而影响轧制力、轧制功率、轧制温升、轧辊孔型的耐用度及轧件的机械性能、表面质量。因此,轧辊的孔型对轧辊的使用性能起着至关重要的作用。目前轧辊的孔型系统基本上分为箱形孔型、椭圆-方孔型、椭圆-圆孔型和无孔型。其中椭圆-圆孔型能使轧件从一种端面平稳地转化成另一种断面,避免了由于剧烈不均匀变形而产生局部应力,减少了轧件劈头;没有较尖的棱角,轧件冷却均匀,减少轧件在轧制过程中产生裂纹的因素;有利于去除轧制过程中的氧化铁皮。因此,椭圆-圆孔型系统被广泛用于高线轧制的精轧机系统(包括减定径系统)。即便如此,同一系统的孔型,由于孔型参数不同,产生的轧制效果不同,对轧辊的影响差别较大。国内几个著名钢厂和科研院校的专家都对高线精轧系统的孔型进行了研究。鞍钢李旺春研究了高线线材轧机孔型设计特点,实现了轧制线孔型的共用,减少了轧辊、孔型样板、刀具和磨具、导位装置及备品的储备数量。宝钢杨霄等研究摩根精轧机机架成品前及成品孔型,提出了优化解决技术方案,提高了宝钢高品质小规格线材成材率。安徽工业大学曹杰等对高速线材减定径轧制孔型系统进行了探讨,总结了两套孔型对轧件尺寸的精度保证。但是从轧辊材质的角度,分析轧制过程中不同孔型对轧辊轧制过程中的影响,探讨不同轧制条件下辊环材质的设计要求、使用过程中轧辊牌号正确选择的文献较少。随着我国高线轧制技术的迅速发展,轧制速度逐步提高、轧制材料合金化,轧制工艺多样化,使得轧辊使用条件日益复杂化,因此轧制条件的数据化对于轧辊的设计和使用越显重要。本文应用有限元分析的方法,研究了轧制规格Φ12mm的螺纹钢时,两种不同成品前孔型对硬质合金轧辊使用造成的影响。首先将硬质合金轧辊离散成所需细小单元,根据单位受力变形的位移方程和材料的本构方程,求解轧制过程中硬质合金轧辊轧槽的受力和受热情况,然后运用数值模拟数据和轧制实验结果,分析使用过程中影响硬质合金轧辊性能的因素,为硬质合金轧辊的材质设计和配辊技术方案提供数据参考。1实验设计1.1成品前孔型制备为了研究硬质合金轧辊轧制规格Φ12mm螺纹钢时,不同孔型参数在轧制过程中对轧辊造成的影响,本文选用国内轧制螺纹钢的最具代表性的两套孔型系统,一套为“平椭-螺”孔型系统(如图1),另一套则为“单椭-螺”孔型系统(如图2)。两套孔型中,成品前机架的硬质合金轧辊分别配置为平椭孔型和单椭孔型,成品机架的硬质合金轧辊则使用形状、尺寸完全相同的螺纹孔型,三种孔型的尺寸参数如表1。按照两种不同的成品前孔型尺寸,获得两种不同轧件尺寸用于轧制模拟实验。由两种不同成品前孔生成的轧件,通过同一种螺纹钢成品孔型进行轧制,获取两种轧件对轧辊产生的温度、应力及应变数据。硬质合金轧辊的规格为212120-60,牌号为YGR55(材料物性参数如表2,由株洲硬质合金集团有限公司提供),使用辊径为原始辊径。1.2品前孔的尺寸参数为了充分体现轧制实验数据的对比性,除两套孔型系统的成品前孔的尺寸参数如图1、图2所示不同外,其余轧制工艺参数均相同。轧材为25MnSiV,成品孔的进口温度为1000℃。成品的出口线速度35m/s。1.3试验材料和方法本文在Pro/E中构建硬质合金轧辊模型再保存为STL格式,在DEFORM-3D的前处理中,将轧辊模型(如图3)以STL格式导入,利用DEFORM-3D有限元程序的自适应网格重划技术进行分析。轧辊材料物性性能参数通过实验测得,具体参数如表2。采用IMCE公司型号RFDAMFSystem23测量弹性模量、泊松比;采用HotDisk公司型号TPS2500S测量导热系数、热容;采用FT公司型号为FM-700测量硬度。轧件的材料数据根据系统提供的数据库选取所需的材料,材料的本构方程如公式(1)。式中:———流动应力———等效塑性应变T———温度采用局部网格划分方法划分网格,增加最大网格单元长度与最小网格单元长度比。在靠近轧辊孔型处,特别是在横肋处采用较大的网格密度(如图3所示),以适应轧制区域的大变形和高应变率,减小因网格畸变而降低求解精度以及出现负值Jacobi矩阵的几率,从而保证模拟质量。在远离轧槽,应力应变影响较小的部位采用较小的网格密度,这样可以在相同的有限元网格数量条件下得到更好的模拟效果。2u3000金属粉质轧轧过程热应力的变化主要表现在u轧制过程中,轧辊的轧槽表面在接触红钢的时候,轧槽表面温度迅速上升,并不断向轧辊内部扩散热量,形成外高内低的温度梯度。轧槽与红钢分离后,立刻受到空气的对流冷却、冷却水的流水冷却和喷射冷却,原来的轧槽表面的温度又迅速降低,轧辊体内的热量又会向轧槽逆向扩散,在轧槽处形成内高外低的温度梯度,最终热量通过冷却水、空气带走。由于红钢、空气、冷却水的共同作用,在轧辊体内会形成稳态变化的温度分布。众所周知,硬质合金轧辊的寿命是由材料的物性参数与微观组织结构决定的,物性参数随着温度的变化而变化。因此,硬质合金轧辊的寿命会随着轧制温度的变化而发生相应的变化。硬质合金轧辊在轧制过程中,硬质合金轧辊受轧制温度的影响主要两个方面。一方面,随着轧制温度升高,轧槽的表面温度升高,硬度随着温度的上升而下降。另一方面,由于硬质合金轧辊中硬质相WC和粘结相钴的热膨胀系数不同而产生热应力,随着轧制温度升高,热应力变大,轧槽疲劳效应更加明显。轧制过程中,由于轧制速度、轧制变形制度的不同,对硬质合金轧辊产生的轧制应力不同。随着轧制速度地提高,轧件的变形程度增加,向轧辊施加的反向作用力越大。同时轧件在足够的轧制压力和高温条件下,轧件和硬质合金轧辊的部分元素会发生“亲和”反应,硬质合金轧辊易出现不耐磨现象。再则,随着轧制速度的提高,轧件坯头冲击作用加大,轧机装备的振动增加,从而要求提高硬质合金轧辊的韧性。因此,由于轧制过程中不同轧制工艺参数的变化,造成轧辊温升和轧制应力的不同,导致轧辊物性参数变化和受冲击程度的不同,出现轧辊使用寿命的不同。轧制规格Φ12mm的螺纹钢时,由于成品前孔的形状、尺寸参数不同,导致轧件进入成品孔的截面不同,从而对成品机架螺纹辊产生了不同的轧制力轧辊温升。轧制模拟的示意图如图5所示。2.1螺纹孔槽轧件模拟结果轧制规格Φ12mm的螺纹钢时,硬质合金螺纹轧辊轧槽的温升和冷却速率达到了26400℃/s,轧槽承受更大冷热交变应力。轧件经过两种不同成品前孔型轧制后,形成两种不同形状、尺寸的轧件进入成品孔(螺纹孔型)轧制。经过单椭孔型的成品前机架轧制后的轧件称为单椭轧件,经过平椭孔型的成品前机架轧制后的轧件称为平椭轧件(以下同)。从模拟的结果来看,螺纹孔槽轧制两种轧件后,孔槽表面最高温度基本相同,温度分布情况不同。轧槽表面在轧制后,最高温度约300℃。从图6可以看出,轧制平椭轧件的螺纹孔槽表面的白色区域较多,表明其平均温升相比轧制单椭轧件的螺纹孔槽表面的高。这是由于平椭轧件在螺纹孔槽内的塑性变形程度比单椭轧件要略强,从而产生较高的热量,导致轧件的温升较高,在轧制过程中通过接触传热、辐射传热、对流传热三种方式传递给硬质合金轧辊。在使用螺纹孔型轧制两种轧件时,孔槽内的最高温度出现在槽口和横肋的边缘处。这是由于在轧制过程中此处的接触压力较大,传热效应更为显著造成的。同时也证明了在轧制过程中,由于平椭轧件相比单椭轧件的横截面积较大,形状较扁平,因此在轧制过程中,平椭轧件产生的应变和应变率相比单椭轧件的要大,与螺纹辊孔槽接触更加紧密,轧制出来的螺纹钢的横肋较为饱满、美观。2.2u3000等效应力分力的最大应力值如图7、图8、图9所示,以轧辊的旋转方向为Z轴、轧件的前进方向为X轴建立坐标系,分析轧件受硬质合金轧辊槽型挤压产生的应力大小,从而获得硬质合金轧辊承受各个方向的应力大小。从模拟结果来看,轧制单椭轧件时,X轴、Y轴、Z轴三个方向的等效应力分力的最大应力值分别为672、730、661MPa;轧制平椭轧件时,X轴、Y轴、Z轴三个方向的等效应力分力的最大应力值分别为731、855、815MPa。轧制单椭轧件时的三个应力分值都较轧制平椭轧件时小。可见,轧制螺纹钢时,成品前孔采用平椭孔型相对于单椭孔型,硬质合金螺纹轧辊的孔槽承受的轧制应力要大得多。从图7中可以看出,螺纹钢轧件最高应力处出现在的横肋根部。由此可以判断硬质合金轧辊轧制螺纹钢时轧槽横肋处为轧制应力的最大点。采用平椭轧件比单椭轧件轧制螺纹钢时,横肋处的轧制应力提高了约23%。表明轧制规格Φ12mm螺纹钢时,会在硬质合金螺纹辊的横肋处产生较大应力,并随着进入成品孔型(螺纹孔)轧件的形状、尺寸的不同产生不同的轧制力,并在硬质合金轧辊轧槽的横肋处形成应力集中区域。3现场准备实验3.1微张力制备轧槽为了验证数值模拟的正确性,在现代最先进的轧机———达涅利精轧机上进行轧制实验。轧制高线全线28架,粗轧8架、中轧6架、预精轧机4架,精轧机10架。中轧设有6个活套,预精轧进行无张力轧制,精轧进行微张力轧制。轧制线成品出口的最高轧制速度为120m/s。硬质合金轧辊的孔型按照图1、图2进行加工,分别安装在精轧机21、22架进行轧制,成品出口速度35m/s。具体的轧制数据如下表5。从轧制下线的轧辊轧槽观察,两套孔型中用于成品前机架的辊环单槽轧制吨位均在4500吨以上,槽内磨损痕迹相当。而用于成品机架的轧辊单槽轧制吨位相差较大,第一组仅轧制了约700吨,轧槽内就出现较长裂纹(长度约70cm),在其槽内刻字区域尤为严重,但轧槽表面光滑,几乎无磨损痕迹(如图10所示)。而第二组轧制了约1200吨,正常下机,轧槽表面有轻度磨损,但无明显裂纹,根据槽面状况和轧材质量要求,还能继续轧制。3.2u3000轧制样品的制备众所周知,硬质合金轧辊正常失效形式为高周疲劳损伤,轧制次数的数量级一般为106。硬质合金轧辊在轧制过程中,由于受到轧件反复冲击和冷热的交替循环,硬质合金轧辊产生累计疲劳损伤,失效机理服从Miner疲劳累计损伤理论。现场轧制实验中,使用平椭轧件相比单椭轧件轧制螺纹钢时出现轧制吨位急剧减少的现象应证了本文轧制模拟实验的结果。在使用成品前孔为平椭孔型时轧制螺纹钢,成品机架的硬质合金螺纹轧辊承受较大轧制应力(如图7、图8、图9所示),单次损伤程度较大,并且横肋处有应力集中现象程度更为明显,导致硬质合金轧辊提前失效。4优化造成的温升通过不同轧辊孔型参数对轧制过程影响的数值模拟和现场轧制实验,本研究得到以下结论:1)轧制规格Φ12mm的螺纹钢时,平椭轧件因横截面面积较大,形状为平椭状,相比单椭的轧件在螺纹孔型中轧制时,更