廖子东 周成宏 蓝胜根
宝武杰富意特殊钢有限公司 广东韶关 512123
摘 要： 40Cr 合金钢在机械制造业中应用广泛，其轧制圆钢的质量对最终机械零件的质量和使用寿命有很大影响。通过分析40Cr 钢的热塑性特征，建立了40Cr 钢的 Hensel-Spittel 流动应力模型。针对 φ85mm 40Cr 钢205*205轧制坯可能的连轧规程，采用 LARSTRAN/SHAPE 粘塑性有限元技术，建立了8道次热连轧过程的三维热力耦合模型。通过对轧制过程的模拟，得到了轧制过程中的应力、应变、温度分布和轧制力变化情况。模拟结果包括了圆孔型与曲边孔型、圆孔型与直边孔型的塑性变形比较，以及产生轧制缺陷(如裂纹)的原因。在此基础上，构建了可靠的轧辊孔型数值分析，并通过实际试验进行了验证。
关键词：特钢φ85mm 圆钢轧制 工艺孔型
一．引言
40Cr 调质合金钢广泛用于制造轴类、套圈类重要机械零件。目前对40Cr 圆钢的研究主要集中在冶金过程中的裂纹和质量控制方面。 已有学者研究了40Cr 钢的奥氏体动态重结晶和晶粒细化规律。但是，从40Cr 圆钢的质量来看，文献中没有论述孔型顺序对40Cr 钢轧制力学参数的影响以及轧制规程的合理性。本文建立了 φ85mm 40Cr 钢圆钢八道次热连轧轧制孔型序列，并利用基于 LARSTRAN/SHAPE 的热力耦合有限元模拟对其进行了验证。通过分析连轧过程中应力、应变、温度和轧制力的变化特点，指出了产生轧制缺陷(如裂纹)的原因。为了轧制更精确的合金钢圆钢，对两种不同的精轧圆钢道次进行了比较。
二． 孔型设计及有限元模型
2.1 轧制孔型设计
根据合金钢水平(H)立(V)轧机连续轧制工艺，设计了 φ85mm 40Cr 钢205*205轧制坯最终圆钢轧制孔型连铸。连铸坯截面尺寸为200mm × 200mm，角部圆角半径为8mm。考虑到轧制圆钢的变形要求，轧制孔型顺序为八道次: 第一道次(H1)和第三道次(H3)采用扁平箱形孔型，第二道次(V2)和第四道次(V4)采用方箱形孔型，第五道次(H5)和第七道次(H7)采用椭圆孔型，第六道次(V6)和第八道次(V8)采用圆孔型。
2.2 轧辊孔型设计校核的有限元模型
为了分析和验证孔型设计，采用 LARSTRAN/SHAPE 软件对 φ85mm 40Cr 钢八道次连续轧制过程进行了有限元模拟。有限元模型可以在 PEP (Programmer’s Environment for Pre-Post-processing)中建立。采用八节点六面体等参单元对坯料进行网格划分。最近的轧辊之间的距离设定为350毫米，最终轧制速度为1100毫米/秒。轧制生产线是水平(h)和垂直(v)交替布置的轧机型。如图1 所示：
.png)
必要的边界条件包括: 热辐射系数为0.86，接触传热系数为20kW/(m 2×℃) ，根据库仑摩擦定律，钢坯与轧辊之间的摩擦系数为0.3，轧辊温度为300 ℃，环境温度为25℃，轧制初始温度为1050℃，塑性变形产热换算系数为0.9。
2.2 应力、应变和温度分布分析
为了分析连轧过程中的局部应力、应变和温度变化，在工件的四分之一截面上选择了三个关键节点 a、 b 和 c，如图2(a)所示。连轧过程中三个节点的总等效塑性应变、等效应力和温度随时间的变化分别见图2(b)、图2(c)和图2(d)。结果表明，角节点 a 的等效应力和总等效塑性应变几乎总是最大的，而角节点 a 的温度在8s 以前最低，然后逐渐升高。角部与冷轧辊直接接触，在初轧变形较小的情况下，角部的温度最低。8秒后，随着变形总量的增加，更多的塑性变形转化为热量。再加上工件和轧辊之间摩擦产生的热量，角部的温度慢慢上升到接近1100 ° c。此外，在6s 左右轧入第五道次椭圆孔型的方坯变形较大，延伸系数达到1.4。指出在连轧过程中，角部应变较大，温度较低，因此角部更容易产生裂纹和褶皱，这在孔型设计中需要考虑。
图3显示了终轧圆钢在第八道次出口截面上的等效应力、总等效塑性应变和温度分布。结果表明，等效应力和总等效塑性应变从表面到芯部逐渐减小，表面温度最低，而最高温度位于表面半径的2/5处。这是因为在这个位置发生了更多的塑性变形，从而产生了更多的热量。截面的最高温度达到1139.9 ° c。
.png)
2.3 所有道次的轧制力变化
图4显示了热连轧过程中的模拟轧制力(1/4钢坯)。可以看出，八道次轧制力的变化趋势是相似的，即随着坯料卷入轧制力的增加，当达到稳定轧制过程时，轧制力在一个小范围内波动。当钢坯抛出时，轧制力急剧降低，完全脱出轧辊后，轧制力为零。总的来说，轧制力随着孔型的增加而减小，在第八道次轧制力最终降低到300kN 左右。轧制力的增加与孔型变形密切相关。第五道次轧制力大于前、后道次轧制力，这是由于方坯轧入椭圆道次(H5)时产生较大变形所致。
.png)
三． 模拟与实测数据的比较
模拟的和测量的每个通道尺寸之间的比较如图5所示。考虑了热氧化皮和测量误差的影响，模拟值与实测值吻合较好。经过8道次连轧后，轧制圆钢的模拟高度为81.03 mm，实测值为80.6 mm，轧制宽度模拟值为80.44 mm，实测值为80.3 mm，相对误差分别为0.536% 和0.174% 。最后，对上述孔型设计和有限元仿真进行了验证。
.png)
在有限元模拟完成后，通过测量每个等距离，获得了最终圆棒宽度和高度的九组数据。两种最终轧辊孔型各值的相对误差计算见表4。结果表明，曲边墙的宽度和高度尺寸的平均相对误差均小于直边墙。直边墙宽度尺寸的平均相对误差为0.56% ，而曲边墙宽度尺寸的平均相对误差仅为0.22% 。结果表明，采用曲边孔型轧制的终轧圆钢比采用直边孔型轧制的 φ85mm 40Cr 轧制的终轧圆钢具有更高的尺寸精度，并得到了实际生产的验证。
四．结束语
基于 Hensel-Spittel 公式和 LARSTRAN/SHAPE 建立的流动应力模型可以有效地分析40Cr 合金钢圆棒材热连轧工艺孔型顺序的合理性。轧制钢的应力、应变和温度分布特征表明，第五道次(H5)坯料由于轧入椭圆道次而产生较大变形。连铸坯角部应力应变较大，温度较低，容易产生裂纹和褶皱，这是设计孔型时需要考虑的问题。轧制 φ85mm 40Cr 合金钢圆棒时，采用曲面侧壁的终轧孔型比采用直壁的终轧孔型具有更高的尺寸精度，实际生产证实了这一点。
参考文献：
[1]周小兵,李学保,潘泽林. 宝特韶关大棒线轧钢工艺技术创新及优化改造[A]. 中国金属学会.第八届中国金属学会青年学术年会论文集[C].中国金属学会:中国金属学会,2016:6.
[2]李修峰. 小型合金钢棒材轧制工艺优化[J]. 冶金丛刊,2013,(06):12-14.
[3]李新林,彭兆丰. 我国长材轧制技术与装备的发展(二)——大规格圆钢和中小型H型钢[J]. 轧钢,2011,28(05):33-40.
[4]张艳军. 本钢特钢Φ85mm圆钢轧制工艺及孔型分析[A]. 中国金属学会.第四届中国金属学会青年学术年会论文集[C].中国金属学会:中国金属学会,2008:6.