1、8 棒材軋制過(guò)程中的棒芯質(zhì)量問(wèn)題與控制技術(shù)8.1 概述棒材在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起著重要的作用， 它廣泛地應(yīng)用于建筑、 冶金、 機(jī)械、電力、 煤炭等行業(yè)， 其中以機(jī)械行業(yè)居多。 棒材軋制屬于高溫大變形塑性成形過(guò)程， 存在溫度一變形一微觀組織演變強(qiáng)耦合效應(yīng)。 制定合理的軋制規(guī)程需要進(jìn)行軋件金屬變形機(jī)理和產(chǎn)品質(zhì)量控制研究。生產(chǎn)實(shí)踐表明棒材芯部孔隙性缺陷是影響大棒材軋制質(zhì)量的主要原因之一，對(duì)此許多專家學(xué)者開(kāi)展了大量的研究工作， 研究人員針對(duì)澆鑄工藝、 鋼坯成分及質(zhì)量、 軋制孔型等做了大量有價(jià)值的研究。 另有專家學(xué)者采用有限元仿真技術(shù)對(duì)軋制過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，準(zhǔn)確地計(jì)算、分析、校核了軋件的應(yīng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)和軋制

2、力、 軋制力矩等重要參數(shù)的分布值以此對(duì)軋輥強(qiáng)度、 孔型尺寸及相關(guān)的軋制工藝參數(shù)進(jìn)行分析、校核、修正和改進(jìn)，取得了很有參考價(jià)值的結(jié)果。本文針對(duì)棒材軋制過(guò)程中芯部存在孔隙性缺陷問(wèn)題， 建立三維有限元數(shù)值模型，分析棒材軋制過(guò)程中的工藝參數(shù)（壓下量、摩擦系數(shù)、溫度、軋制速度等）對(duì)棒材芯部質(zhì)量的影響， 利用模擬結(jié)果可以獲得優(yōu)化的軋制工藝參數(shù)。 本文闡述了棒芯質(zhì)量問(wèn)題的危害， 分析了影響棒芯質(zhì)量的成因， 建立了改進(jìn)棒芯質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?并初步提出了控制棒芯質(zhì)量的加工工藝路線， 為提高棒材芯部質(zhì)量及棒材的工藝改進(jìn)提供依據(jù)。8.2 棒材軋制過(guò)程中的棒芯質(zhì)量問(wèn)題的定義與表現(xiàn)8.3 棒材軋制過(guò)程中的棒芯質(zhì)量問(wèn)題的

3、危害8.4 棒材軋制過(guò)程中的棒芯質(zhì)量問(wèn)題的成因分析為分析軋制工藝各因素對(duì)棒材芯部質(zhì)量的影響，本文采用三維造型軟件/E建立幾何模型，再導(dǎo)入DEFORM3D的前處理器中建立三維軋制有限元模型Pro8.4.1 材料的選用本研究采用石鋼常用鋼種42CrMO,對(duì)應(yīng)DEFORM3D材料庫(kù)中鋼號(hào)為AISI-4140。42CrMO的化學(xué)成分如表4-1所示。表4-1 42CrMO的化學(xué)成分鋼種CSiMnPSCrMo42CrMO0.420.280.610.0160.0111.110.28.4.2 有限元模型建立(1)軋輾模型：定義為剛性主動(dòng)輾，直徑為 700 mm的平輾。(2)軋件：棒材軋制過(guò)程中，軋件處于高溫狀

4、態(tài)，道次變形量大，彈性變 形相對(duì)很小可忽略，因此，在建模時(shí)可以認(rèn)為軋件服從多孔可壓縮剛塑性材料模 型，棒材軋制屬于對(duì)稱軋制，取軋件 1/4建立幾何模型。為單獨(dú)分析每個(gè)因素對(duì)棒材芯部質(zhì)量影響，設(shè)軋件各物理量?jī)H沿Y方向變化，沿X方向認(rèn)為各量一致，側(cè)邊自由。(a)正視圖(b)三維視圖棒材軋制三維軋制模型如圖4-1所示。（c）三維軋制視圖圖4-1三維有限元軋制模型8.4.3 模擬結(jié)果分析（1）壓下量對(duì)芯部質(zhì)量的影響壓下量（絕對(duì)、相對(duì)壓下量）是軋制工藝中最常用的調(diào)節(jié)措施，其對(duì)棒材芯 部質(zhì)量影響可以通過(guò)有限元法模擬給出，利用模擬得到的棒材中心到表面相對(duì)密 度變化情況，可以分析不同工藝對(duì)棒材芯部的壓實(shí)效果，

5、 從而為提高棒材芯部質(zhì) 量，改進(jìn)工藝提供指導(dǎo)。為研究總壓下量、道次壓下量對(duì)棒材芯部壓實(shí)作用的效果， 分別模擬了總壓 下量一定，道次壓下量不同（軋制總道次不同）和單道次軋制，不同道次壓下量 對(duì)芯部質(zhì)量的影響，具體壓下量分配如表 4-2。表4-2壓下量分配順序號(hào)道次數(shù)相對(duì)壓卜量（相對(duì)原始坯料尺寸）1110%2120%3130%4140%545%5%5%25%645%5%25%5%745%25%5%5%8425%5%5%5%9410%10%10%10%1)單道次軋制，不同道次壓下量為分析壓下量對(duì)棒材芯部孔隙性缺陷壓合的影響，采用一道次軋制，壓下量為 36 mm (10%) , 72 mm (20%)

6、 , 108 mm (30%) , 144 mm (40%)時(shí)， 分別對(duì)軋制過(guò)程進(jìn)行模擬。棒材中心到表面沿壓下方向和寬展方向(圖 1中-y 和z方向)的模擬結(jié)果如圖4-2、圖4-3所示。(a)壓下方向y軸(b)寬展方向x軸*VM 堡圖4-2同壓下量時(shí)，棒材橫斷面相對(duì)密度分布圖4-2中結(jié)果為y, z軸處的相對(duì)密度結(jié)果，0, 10% , 20%, 30% , 40%分別代表壓下量的百分比。為比較不同厚度坯料內(nèi)部的壓實(shí)效果，圖 4-2中橫坐標(biāo) 為棒材中心到表面的相對(duì)距離。9590A立M事?tīng)I(yíng)甲由缶本雄0.85 r1J0 to 203040圖4-3棒材中心相對(duì)密度隨壓下量變化由圖4-2、圖4-3可以看出

7、，單道次軋制，壓下量不同時(shí)，壓下量越大，芯 部密度提高越多，孔隙性缺陷的壓合效果越好。棒材中心相對(duì)密度隨壓下量（10%40%）呈線性增加，但即使壓下量達(dá)到40%,棒材中心相對(duì)密度也僅從初始的0.85提高到0.93,沒(méi)能達(dá)到1.00。盡管壓下量不同，壓下方向（y軸方向）、寬展方向（z軸方向）相對(duì)密度 在棒材內(nèi)部分布曲線類似，都分為比較明顯的4個(gè)部分（見(jiàn)圖4-2） o棒材中心到表面相對(duì)長(zhǎng)度 00.2范圍，壓下量一定時(shí)，相對(duì)密度從棒材 中心到表面方向提升平緩，壓下方向芯部相對(duì)密度略低，寬展方向芯部相對(duì)密度 略高；隨壓下量增加相對(duì)密度提升量增加。從棒材中心到表面相對(duì)長(zhǎng)度0.200.45范圍（初始相對(duì)密

8、度變化分界面左 右），相對(duì)密度從棒材中心到表面方向提升較快；相對(duì)密度提升隨壓下量增大而 增大；但是當(dāng)棒材中心到表面相對(duì)長(zhǎng)度約為0.45時(shí)，相對(duì)密度趨于一致（約為棒材初始表層相對(duì)密度），壓下方向該處的相對(duì)密度僅隨壓下量增加略有增加， 寬展方向該處的相對(duì)密度基本不變。這是因?yàn)樵撎幊跏枷鄬?duì)密度較大，提升空間 小，且軋制作用對(duì)此處相對(duì)密度改善效果也較小。從棒材中心到表面相對(duì)長(zhǎng)度 0.45 mm-0.80 mm范圍，在寬展方向，相對(duì)密 度基本不變；在壓下方向，相對(duì)密度從初始表層密度增加到1。從棒材中心到表面相對(duì)長(zhǎng)度0.81.0范圍，在寬展方向，相對(duì)密度基本不 變；在壓下方向，相對(duì)密度為1,即使壓下量較小

9、（10%）時(shí)，棒材表面附近孔 隙性缺陷也能基本壓合，說(shuō)明軋制變形對(duì)軋制表面附近壓合效果很好。值得一提白是，圖2 （b）中，小壓下量（10%）對(duì)應(yīng)的軋制工藝，寬展方向 棒材芯部相對(duì)密度在相對(duì)長(zhǎng)度為 0.20.4時(shí)，略低于軋制前棒材坯料的相對(duì)密度。這是因?yàn)樾合铝寇堉疲饘僮冃沃饕性诓牧媳砻?，棒材芯部金屬變?很小，對(duì)芯部相對(duì)密度影響很小，而寬展方向棒材幾何尺寸有所增加， 且兩側(cè)的 棒材表層部分金屬厚度變化很小，棒材芯部相對(duì)密度較低部分所占比例在橫斷面 內(nèi)增加，高密度與低密度交界區(qū)向表層方向移動(dòng)造成的，而不是該區(qū)域處材料相對(duì)密度降低，出現(xiàn)更多的孔隙性缺陷。2）總壓下量和總道次一定，不同道次壓下

10、量總壓下量為144 cm （總的相對(duì)壓下量為40%）,采用四道次軋制工藝進(jìn)行 軋制，具體壓下量分配見(jiàn)表4-2,模擬中不考慮坯料溫度的變化，設(shè)坯料溫度為 1050C,棒材芯部損傷及密度情況見(jiàn)圖 4-4。（a）總壓下量一定時(shí)，壓下方向四遒次軋制末道次密度對(duì)比41 BUhct（b）總壓下量一定時(shí)，寬展方向四道次軋制末道次密度對(duì)比圖4-4四道次軋制模擬結(jié)果由圖4-3和圖4-4可以看出：5-5-5-25工藝（各道次壓下量分別為相對(duì)原始 尺寸的5%、5%、5%、25%）對(duì)芯部改善最大。其次是5-25-5-5和25-5-5-5的， 并且這兩種工藝和5-5-5-25相差并不是太大，而10-10-10-10（簡(jiǎn)

11、記為10 M）的芯部 損傷最大，密度最?。坏珜?shí)際軋制工藝中的第一道次咬入條件的限制，25-5-5-5工藝不可取，因此5-5-5-25或5-25-5-5工藝對(duì)芯部質(zhì)量改善相對(duì)較好。結(jié)合單道此軋制結(jié)果，單從壓下量考慮，加大道次壓下量并將大壓下量放存 末道次或前兒道次(第一道次除外)產(chǎn)品芯部質(zhì)量的改善是較為理想的，因此在 制定軋制規(guī)程時(shí)，建議增大第二道次或末道次的壓下量。3)單純壓下和軋制對(duì)芯部質(zhì)量的影響對(duì)比為了分析軋制條件下輾子的前后滑動(dòng)對(duì)棒材芯部質(zhì)量的影響，假設(shè)溫度、坯料等條件不變，對(duì)坯料分別進(jìn)行壓下和軋制模擬， 具體模擬結(jié)果如圖8。圖中ny 表示相對(duì)壓下量為n%時(shí)單純的鍛壓；nz表示相對(duì)壓下量

12、為n%時(shí)的軋制，其中 n=10,，40。由圖8可以看出，壓下量相同時(shí)，鍛壓比軋制對(duì)芯部的壓實(shí)效果好， 并且損 傷??；隨著壓下量的增加，兩種工藝的差值也隨之變大，因此可見(jiàn)軋制時(shí)金屬的 前后滑動(dòng)對(duì)提高棒材芯部的質(zhì)量是不利的。4道次軋制未道次對(duì)比小)相時(shí)況離(a) 4道次軋制壓下方向末道次損傷對(duì)比相時(shí)跑離(b) 4道次軋制壓下方向末道次密度對(duì)比圖4-5 4道次軋制在總壓下量一定時(shí)末道模擬結(jié)果對(duì)比多道次軋制，總壓下量一定時(shí)，棒材心部孔隙性缺陷的壓合效果不僅與道次相對(duì)壓下量的最大值有關(guān)，而且還與相對(duì)壓下量的最大值所在道次出現(xiàn)的次序有 關(guān)，通過(guò)分析棒材芯部壓合效果與壓下量之間的關(guān)系，可以看出：相對(duì)壓下量的

13、最大值越大，棒材心部壓合效果越好。當(dāng)相對(duì)壓下量的最大值相差不大時(shí)，相對(duì)壓下量的最大值所在道次出現(xiàn)的 次序?qū)Π舨男静繅汉闲Ч忻黠@的影響，相對(duì)壓下量的最大值所在道次出現(xiàn)的次 序越靠前，壓合效果越好。這是由于小壓下量軋制時(shí)，高密度表層金屬變薄，影 響后繼道次對(duì)芯部的壓合效果，比較明顯的是上述四道次5-5-25 -5工藝。小壓下量軋制不利于棒材芯部壓合。(2)摩擦對(duì)棒材芯部質(zhì)量的影響在鋼塑性有限元中，如何正確的確定接觸表面上的摩擦， 將直接影響到各計(jì) 算結(jié)果的準(zhǔn)確性。模擬采用剪切摩擦形式，為確定合理的摩擦系數(shù)，在恒溫度(1050C),相對(duì)壓下量為30%時(shí)，軋輾轉(zhuǎn)速恒定的條件下，通過(guò)改變摩擦系 數(shù)進(jìn)行

14、模擬研究。具體的仿真結(jié)果見(jiàn)圖 4-6所示。 4。6(a)寬展方向不同摩擦系數(shù)時(shí)損傷對(duì)比-4k (teQ 9(L2a* o.e(b)寬展方向不同摩擦系數(shù)時(shí)密度對(duì)比(c)壓下方向不同摩擦系數(shù)時(shí)損傷對(duì)比0,甌 ''*00.2。40$IdlRturr(d)壓下方向不同摩擦系數(shù)時(shí)密度對(duì)比圖4-6摩擦對(duì)棒材質(zhì)量影響由仿真結(jié)果可以看出，棒材芯部寬展和壓下方向上棒材芯部相對(duì)密度隨摩擦 系數(shù)的增加而增大，其中當(dāng)摩擦系數(shù)為 0.9時(shí)，密度最大，因此粗軋道次應(yīng)加大 摩擦系數(shù)來(lái)改善芯部質(zhì)量，建議采用增加摩擦系數(shù)。(3)軋制溫度對(duì)芯部質(zhì)量的影響棒材原始溫度1100C,控制棒材表面溫度，使棒材表面溫度分別

15、為 1050、 1000、950C ,采用72 mm的壓下量對(duì)其進(jìn)行軋制模擬。模擬結(jié)果見(jiàn)圖 4-7、圖 4-8。由于棒材芯部孔性缺陷呈彌散分布，具體位置、形狀具有一定的隨機(jī)性。所以才用相對(duì)密度來(lái)表征芯部質(zhì)量的好壞，相對(duì)密度越高芯部質(zhì)量越好。I O + 、 o o O據(jù)零x«0.04口，950匕1000 匕 - 1OS0T0 1 0 2 03 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0 9 1.0相對(duì)距離一 = - O 00H90M LO.O.O.期曲版彈圖4-7壓下量為72 mm時(shí)不同溫度下的密度對(duì)比010.40.6 Q8 1.0相時(shí)距離圖4-8壓下量為72 mm時(shí)不同溫度下壓下方向

16、上的損傷對(duì)比由圖4-7和圖4-8的仿真結(jié)果可以看出，在棒材軋制初始階段。其他條件不 變，改變棒材表面溫度棒材芯部和外層的相對(duì)密度、損傷都會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。1）棒材芯部（從棒材中心到表面相對(duì)長(zhǎng)度 00.4范圍）相對(duì)密度隨表面溫 度的降低而增大；芯部損傷隨表面溫度的降低而減小。芯部相對(duì)密度大、損傷小代表棒材芯部孔隙性缺陷壓合比較好，棒材的質(zhì)量比較好。2）棒材外層（從棒材中心到表面相對(duì)長(zhǎng)度 0.41范圍）棒材的相對(duì)密度隨 表面溫度的增大而增大。棒材損傷程度隨棒材表面溫度的增大而減小。隨軋制溫 度升高金屬變形阻力減小。當(dāng)軋件表面溫度高于芯部溫度時(shí)，軋件表面的金屬變 形量最大，芯部變形很小。因此降低棒材

17、表面溫度有利于軋制力向芯部滲透，有利于棒材芯部孔隙性缺陷的壓合，減少棒材芯部損傷。提高棒材質(zhì)量。（4）軋制速度對(duì)芯部質(zhì)量的影響軋制速度對(duì)棒材軋制的咬人、芯部壓實(shí)效果等影響很大。為分析軋制速度對(duì)棒材芯部質(zhì)量的影響，現(xiàn)設(shè)壓下量相同，軋制溫度相同。分別采用不同的軋制速 度來(lái)模擬軋制速度的影響，具體模擬結(jié)果見(jiàn)圖4-9和圖4-10。模擬結(jié)果：當(dāng)軋輾角速度為04 0.45、0.5 rad/s時(shí)，棒材芯部密度是最大， 且芯部相對(duì)密度相差不大，并以角速度為 0.5 rad/s左右時(shí)為最大值；從損傷角 度看，軋輾角速度為0.7 rad/s時(shí)，芯部損傷最小，其次是0.4-0.5 rad/s,并且 此范闈內(nèi)損傷相差

18、不大。因此綜合考慮棒材芯部損傷和相對(duì)密度，當(dāng)軋輾角速度在0.5 rad/s左右時(shí)，棒材芯部質(zhì)量改善最為理想。00.2014dlAtmce0.85圖4-9不同軋制I速度時(shí)壓下方向上損傷對(duì)比disuncc圖4-10不同軋制速度時(shí)壓下方向上密度對(duì)比棒材質(zhì)量的優(yōu)劣主要參考芯部相對(duì)密度的大小，芯部相對(duì)密度越大表征棒材 的質(zhì)量越好。所以在棒材軋制工藝中，在保證軋制設(shè)備、主電機(jī)功率和軋制成品 終軋溫度允許的情況下應(yīng)降低棒材表面溫度，即采用降溫軋制工藝。棒材芯部表面溫度梯度越大，越有利于軋制力向芯部滲透，越有利于芯部缺陷的改善.同時(shí) 降溫軋制可以降低軋制工藝的能源消耗，有利于鋼鐵工業(yè)的節(jié)能環(huán)保。理論計(jì)算 在生

19、產(chǎn)設(shè)備、產(chǎn)品終軋溫度允許范圍內(nèi)將棒材的加熱溫度從1000c降到950C,可使整個(gè)軋制工生產(chǎn)線節(jié)省6.58%的能源消耗。8.5棒材軋制過(guò)程中的棒芯質(zhì)量問(wèn)題的控制技術(shù)在石鋼連軋工序粗軋段采用的實(shí)際工藝基礎(chǔ)上進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，實(shí)驗(yàn)性模擬模 型來(lái)分析調(diào)節(jié)措施的可行性。對(duì)于具體的棒材產(chǎn)品，其總壓下量是一定的，因此要通過(guò)優(yōu)化其他工藝參數(shù) 來(lái)提高棒材的芯部質(zhì)量，而工藝參數(shù)的優(yōu)化包括：1）加工條件參數(shù)的優(yōu)化：在加工的過(guò)程中降低棒材表面溫度，盡量保持軋輾角速度在0.40.5 rad/s范圍內(nèi)。2）加工過(guò)程中參數(shù)的優(yōu)化：通過(guò)重新分配道次壓下量來(lái)改善芯部孔隙性缺 陷的壓合效果。而第2種優(yōu)化方式是最理想而且是最有效的方式

20、。根據(jù)前面的分 析：當(dāng)孔型一定時(shí)，隨道次壓下量的增大，軋件中應(yīng)力趨于穩(wěn)定，即大壓下量對(duì) 芯部質(zhì)量改善比較明顯，因此在總壓下量基本不變的情況下。采用調(diào)整道次壓下 量的方法，通過(guò)使個(gè)別道次相對(duì)壓下量提高來(lái)改善棒材芯部質(zhì)量。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐，棒材芯部壓實(shí)作用主要是在粗軋段完成的，所以應(yīng)圍繞增加粗軋斷道次壓下量來(lái) 進(jìn)行工藝調(diào)整。經(jīng)過(guò)分析，可通過(guò)通過(guò)表 4-3所示兩種改進(jìn)工藝對(duì)原設(shè)計(jì)工藝進(jìn) 行優(yōu)化。表4-3軋制工藝工藝序號(hào)孔型代碼設(shè)計(jì)(n150)改進(jìn)1 (150)改進(jìn) 2 ( X150)1101V9089.589.52102H6059593103V6057574104H2015.616.65105V1513.515可以看出，各工藝采用的軋輾孔型一樣，而區(qū)別就在于輾縫的大小，也就是各道次壓下量不同。工藝道次絕對(duì)壓下量見(jiàn)表 4-4。表4-4 3種工藝下粗軋各道次絕對(duì)壓下量對(duì)比工藝序號(hào)12345n15069.2874.262.260.437.4x15069.8875.263.465.834.415069.887