大棒材热轧工艺的数值模拟

摘要∶本文在热模拟实验的基础上建立了大棒材初轧道次热-力-组织耦合的有限元模拟模型，研究了轧制过程中轧件温度场、应变场及微观组织演变的规律，为大棒材热连轧工艺的制定提供了理论依据。

关键词∶大棒材、热轧、数值模拟、组织

1引言

大棒材包括优质碳结钢、合金结构钢、轴承钢、弹簧钢、冷镦钢和管坯用钢，主要用于汽车制造、工程和机械设备制造，在国民经济发展中起着重要作用1-21。棒材轧制属于高温大变形塑性成形过程，存在温度一变形一微观组织演变强耦合效应【3-4】。制定出合理的轧制规程，需要进行轧件金属变形机理和产品质量控制研究。而目前的研究和应用大多只限于小直径棒材，对于直径大于100mm以上的大棒材控制轧制问题研究较少。为此，本文对某钢厂大型圆钢初轧过程进行有限元仿真，分析棒材轧制过程中温度场、应变场及微观组织演变的规律，为改善棒材轧制工艺制度提供理论基础。

2 棒材连轧的有限元模型

本文以φ150mm的40Cr棒材为研究对象，建立棒材初轧5道次热-力-组织耦合的刚塑性三维有限元模型。该棒材初轧机组采用平立交错布置，实现无扭轧制。由于初轧模型存在对称性，为提高计算效率，取轧件的1/4模型进行数值模拟研究，如图1所示。

有限元模型中主要存在两类热边界条件∶

（1）轧件与周围环境的对流换热和辐射换热；

（2）轧件和轧辊孔型接触面的热传导。其中，轧件与空气的对流换热系数取0.02kW/（m²·℃），轧件的黑度取0.8，轧件与轧辊孔型接触的热传导系数取20kW/m²℃y/@。轧辊和轧件之间采用剪切摩擦模型，摩擦因子为0.7。模型中采用的再结晶及晶粒长大的数学模型是在热模拟实验基础上建立的S。

3 结果分析

3.1应变场与温度场

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棒材轧制时轧件表层金属受剪切力的作用发生变形，轧后轧件端部呈鱼尾状，如图2所示。

由图3（a）可以看出，棒材轧制时变形主要集中在表层区域，且最大变形发生在轧件与轧辊侧面接触的圆角附近。轧制过程中，轧件发生宽展，心部变形量相对外层较小，不利于心部孔洞压实，因此对大棒材热连轧所用连铸坯的心部致密度提出较高要求。图3（b）显示，在轧件表层以下15mm~33mm的次表层区域内，轧件纵向中心截面的等效应变高于表层和心部。这是由于轧件与低温轧辊接触后，接触区内表层金属的温度和流动性均低于次表层，从而使轧件在次表层获得了中心纵截面等效应变的最大值，并且变形产生的热量导致次表层区的温度高于心部，如图3（c）和图3（d）所示。

为了进一步研究棒材轧制过程中各场量的分布，在初轧方坯的横截面上取4 个特征点进行追踪，图4是各特征点位置金属初轧及轧后空冷过程的温度历程。

图4显示当轧件与低温轧辊接触时，处于轧件表层特征点1处热量快速散失，温度显著下降。与轧辊脱离后，轧件心部的热量向外层金属传递，使特征点1 处的金属温度逐渐回升。在棒材多道次连续轧制过程中，表层金属温度高低变化剧烈，而不同温度下金属的延伸系数不同，因此容易产生表面裂纹。轧制过程中，轧件内部特征点2、3、4位置的金属热量不易向外传导，并由于变量热的作用而使温度有所上升。在初轧完成以后的空冷过程中，轧件心部热量继续不断地向外层金属传导，心部温度下降，表层温度上升，使得轧件横断面温度趋于均匀。

3.2微观组织

大棒材轧制所用连轧方坯的铸态组织分布是不均匀的，通常由边部细小等轴激冷晶区、柱状晶区和中心等轴晶区组成。因此，采用图5（a）所示的方坯平均晶粒尺寸分布作为有限元模型的初始晶粒度。图5显示了初轧各道次轧件出口处轧件断面的平均晶粒尺寸。

图5和图6显示，随着轧制道次的增加，轧件变形程度不断增大，轧件出口断面的平均晶粒度逐渐减小，晶粒得到细化。由于大棒材连轧过程中轧件变形大，前 3 道内轧件能够较大程度完成再结晶，使平均晶粒尺寸大幅度下降，而后 2 道次平均晶粒尺寸变化不大。初轧完成后，轧件出口断面的平均晶粒尺寸由心部到表层逐渐减小，轧件表层特征点1处和心部特征点4处金属的平均晶粒尺寸相差大约30μm。在轧后空冷过程中，轧件平均晶粒尺寸有所增大，但长大不是非常明显。

4总结

（1）大棒材初轧过程中轧件心部变形量较小，不利于轧件心部压实，因此提高热轧连铸坯的心部致密度是改善大棒材心部质量的措施之一。

（2）大棒材初轧时轧件纵向中心截面次表层区内的等效应变和温度均高于表层和心部。

（3）棒材轧制过程中由于轧件发生再结晶使晶粒得到细化。初轧完成后，轧件平均晶粒尺寸由心部到表层逐渐减小。轧后空冷过程中，轧件晶粒长大不明显。

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