连轧37Mn5钢棒材有限元模拟和孔型系统优化

连轧37Mn5钢棒材有限元模拟和孔型系统优 化 摘要用Marc对热连轧37Mn5钢棒材的应力、应 变、温度以及轧制力等参数的变化特点进行有限元数值模 拟，分析连轧棒材孔型对轧材质量缺陷的影响，根据模拟结 果对热连轧棒材的孔型方案进行优化，达到提高轧材质量的 目的. 关键词热连轧；孔型系统；有限元；优化 中图分类号TG335. 6文献标志码B 0引言 37Mn5钢是裂纹敏感钢种，常用于生产石油钢管，生产 中容易出现外折叠缺陷，影响产品质量.为避免热轧钢管出 现内外折叠等质量缺陷，不仅要保证形状尺寸，而且对37Mn5 管坯钢棒材表面及内部质量有较严格要求，特别是表面裂纹 的控制.多年来管坯钢质量控制研究较多集中在冶炼及连铸 工序[1-2],而连轧孔型系统对管坯钢棒材生产及质量控制 的研究相对较少.本文针对裂纹敏感钢种37Mn5棒材热连轧 工艺及孔型系统特点进行研究，应用Marc三维热力耦合有 限元模拟技术对200 mmX200 mm连铸坯轧制①100 mm棒材 的孔型系统及工艺特点进行数值模拟，通过分析连轧过程轧 件内部应力、应变、温度及轧制力等变化对连轧工艺的影响, 对孔型系统及连轧工艺方案优化. 1初始轧制条件及孔型方案 37Mn5 钢主要化学成分（wt, ）为[C]0. 36, [Si]O. 26, [Mn]1.29, [P]0. 018, [S]0. 007. 坯料采用连铸坯断面尺寸为200 mmX200 mm,连轧孔型 系统设计为“箱形孔（H1）、箱形孔（V2）、箱形孔（H3）、 方形孔（V4）、椭圆孔（H5）、圆孔（V6） ” （孔型方案I） . 前两道次轧辐直径均为700 mm,后四道次轧辐直径均为610 mm,末道次轧制速度为750 mm/s.开轧温度依据实测取为1 080 C.环境温度为30 C,轧辐温度依据实测取300 C. 2有限元模型建立 采用更新Lagrange法的热力耦合弹塑性有限元法及von Mises屈服准则和Prandtl-Reuss流动法则.为更好地满足 连续轧制的工艺要求，机架间距取相邻机架轧辐直径和的一 半.轧件长度取为2 400 mm.因为圆角最先与轧辐孔型侧壁接 触，其塑性应变较大且变形由表及里逐渐深入，因此对其断 面采用网格偏差划分并细分圆角区域单元.长度方向取160 等份，每个横断面取50个单元.采用八节点六面体等参单元 类型，共取8 000个单元和10 626个节点. 采用库仑摩擦模型，取u0.3,泊松比为0.3,密度 为7.83X10-3 g/mm3.用热模拟试验机测定37Mn5热变形抗 力曲线并加入Marc材料库，见图1. 由图3〜5可见，在连轧0100mm37Mn5钢的各个道次, 圆角位置节点C的等效应力最大.用连铸方坯连轧圆钢时， 角部位置的温度、应力、应变及应变速率等随时间的变化特 点是轧制裂纹缺陷（裂纹、折皱等）容易在圆角附近出现的 重要原因，特别是裂纹敏感性较强的合金钢轧制.因此在合 金钢连轧孔型设计中要考虑尽量减少这种应力、应变和温度 等分布的不均匀性. 连轧过程各道次轧制力变化情况（①100 mm 37Mn5 孔型方案I）见图6,可知轧制力沿轧制方向随轧制道次递 减（H5除外）.H5轧制力变大的原因是方形轧件进入椭孔轧 制，存在较大变形量，可从H5的总等效塑性应变观察到（见 图3）.另外在稳定连轧阶段，H5轧制力几乎达到H3轧制力， 因此需要对该孔型系统进行优化.从H1到H4道次的孔型是 由“箱-方”孔型组成，H5到H6由“椭-圆”孔型组成，以 此孔型系统轧制，较大变形发生在H5,同时该道次温度较低. 可通过降低H5轧制力进一步优化该孔型系统，即将“方- 椭”孔型从H5前移至H3并将H3到H6修改为“椭-圆”孔 型系统. 实际生产应用表明，孔型系统方案II能够较好地满足 热连轧管坯钢棒材工艺控制的要求，同时0100 mm 37Mn5 组织性能的物理检验结果亦满足质量要求. 4结束语 在热连轧工艺方案制订中应用三维热力耦合有限元数 值模拟技术，能够有效地对不同轧制方案及工艺目标量的变 化情况进行定量分析，通过模拟热连轧过程中轧件应力、应 变和温度等的分布以及各道次轧制力学参数变化特点，能够 有效地分析轧制过程质量缺陷的成因，同时工艺参数的模拟 结果可用于连轧工艺控制方案包括孔型系统等的优化， 为提高轧材质量提供科学的理论依据. 参考文献 ［1］刘平，白月琴，王爱兰. 37Mn5钢连铸坯表面纵裂 纹产生原因分析［J］.包钢科技，2004, 34 4 26-28. ［2］张广军，陈玉辉.管坯钢夹杂物成因分析及工艺控 制［丁.炼钢，2006, 22 6 1-4. ［3］魏军，洪慧平，赵爱民，等.01OOmm2OCrMnTi 棒材连轧三维热力耦合有限元模拟及应用［C］//第七届 2009中国钢铁年会大会论文集中.北京冶金工业 出版社，2009 3 243-249. ［4］洪慧平，康永林.椭圆孔型轧制合金钢方坯三维弹 塑性有限元模拟［J］.北京科技大学学报，2003, 25 2 171-173.编辑武晓英