張仲良 ，肖元忠 ，蒲春雷 ，張明亞 ，彭曉文

（1.中冶華天工程技術(shù)有限公司，江蘇210019；2.安徽長(zhǎng)江鋼鐵股份有限公司，安徽243000；3.安徽工業(yè)大學(xué)，安徽243000）

0 引言

螺紋鋼軋鋼工藝設(shè)計(jì)中，以主要產(chǎn)品規(guī)格（鋼種、尺寸、產(chǎn)能）為對(duì)象，計(jì)算其在各機(jī)架軋機(jī)的力能載荷（軋制力、軋制扭矩、軋制功率、轉(zhuǎn)速等）值，是設(shè)備選型和設(shè)計(jì)，以及進(jìn)一步向下游液壓、電氣、土建等專業(yè)提設(shè)計(jì)資料的重要基礎(chǔ)參數(shù)[2-6]。切分軋制工藝平輥壓下前的孔型系統(tǒng)，與其它規(guī)格棒、線產(chǎn)品在粗、中軋中采用的箱型孔系、橢圓—圓孔系可共用，相關(guān)計(jì)算也很成熟，但公開(kāi)的資料中適用于切分軋制工藝設(shè)計(jì)的通用理論算法或經(jīng)驗(yàn)公式很少。目前設(shè)計(jì)里采用的基于等效高度（寬度、壓下量）艾克隆德力能載荷計(jì)算方法，并不適合切分工藝設(shè)計(jì)中涉及的孔型系統(tǒng)，本文以某鋼鐵φ12×4切分工藝，設(shè)計(jì)了切分孔型，通過(guò)有限元仿真方法，得到了軋件成型中尺寸形貌、溫度、力能載荷等變化，得到一些有益結(jié)果。

1 切分軋制工藝的主要意義和特征

1.1 切分軋制工藝的主要意義

作為一種成熟的應(yīng)用于螺紋鋼軋線技術(shù)，切分軋制對(duì)生產(chǎn)的主要意義有[7-9]：

（1）顯著提高小規(guī)格螺紋鋼筋（≤φ25 mm）產(chǎn)量、均勻加熱爐小時(shí)產(chǎn)量，增加軋線產(chǎn)能的同時(shí)，并不對(duì)最大終軋速度提更高要求；

（2）在不增加軋機(jī)數(shù)量前提下，實(shí)現(xiàn)小規(guī)格和大規(guī)格產(chǎn)品采用同種鋼坯，減少原料種類，簡(jiǎn)化了粗、中軋孔型系統(tǒng)；

（3）切分軋制對(duì)螺紋鋼軋線主體工藝和設(shè)備無(wú)特殊要求，投入少，產(chǎn)出高，見(jiàn)效快。小規(guī)格鋼筋的生產(chǎn)均可采用切分軋制形式生產(chǎn)，“一切四”生產(chǎn)φ10 mm 螺紋鋼的終軋速度可達(dá)14.2 m/s，小時(shí)產(chǎn)能100 t。

1.2 切分軋制工藝的主要特征

小規(guī)格螺紋鋼切分軋制的主要工藝特征是[10]，軋件經(jīng)某道立輥圓孔型后（通常是中軋第10 機(jī)架），經(jīng)一道或兩道水平光輥軋機(jī)軋制，使軋件橫斷形貌從圓形縱向壓縮，橫向自由寬展變?yōu)榫匦?，然后采用一道立式軋機(jī)箱型孔定寬，最后通過(guò)4 機(jī)架水平軋機(jī)（K4～K1）完成并聯(lián)軋件的相互分離和各線的成品軋制。其中，K4 為預(yù)切，K3 為切分，K2 為成品前橢圓孔，K1 為成品孔。一般在K3～K2 機(jī)架間設(shè)有切分輪設(shè)備，通過(guò)刀片切割以及合理設(shè)計(jì)的切分刃壓力作用，實(shí)現(xiàn)并聯(lián)軋件上各軋件間的分離，在K2～K1 機(jī)架間設(shè)有扭轉(zhuǎn)導(dǎo)衛(wèi)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)出橢圓孔K2 的各線軋件旋轉(zhuǎn)90°后進(jìn)入成品圓孔機(jī)架K1。

2 切分設(shè)計(jì)及有限元仿真關(guān)鍵技術(shù)

2.1 φ12 mm×4 切分軋制道次分配

以165 mm 方連鑄坯為原料，經(jīng)粗、中軋10 道次后，得到直徑φ45 mm，溫度1 000 ℃的軋件。隨后的軋制道次，先用軋制程序表設(shè)計(jì)11H（平棍，延伸率 1.126），12V（空過(guò)），13H（平棍，延伸率 1.284），14V（箱，延伸率1.081），15H（K4 預(yù)切，延伸率1.326），16H（K3 切分，延伸率 1.169），17H（K2 橢圓，延伸率 1.188），18H（K1 成品孔，延伸率 1.286），計(jì)17 道次軋制，實(shí)現(xiàn)4 切分生產(chǎn)φ12 mm 螺紋鋼。

五陽(yáng)礦76采區(qū)2號(hào)專用回風(fēng)巷北部為正在回采的7607工作面及已經(jīng)回采完畢的7601、7603、7605等工作面，南部為尚未完全穩(wěn)定的7605采空區(qū)。該巷作為沿空留巷巷道，經(jīng)歷多次強(qiáng)烈采動(dòng)影響，礦壓巨大。工作面的采動(dòng)會(huì)產(chǎn)生較大的水平應(yīng)力，這是巷道頂?shù)装搴蛢蓭桶l(fā)生巨大變形的主要原因。76-2號(hào)專用回風(fēng)巷底板深部(基本底)處于堅(jiān)硬的巖體之中，兩幫煤體強(qiáng)度遠(yuǎn)低于底板，巷道在采動(dòng)超前支承應(yīng)力、較高的水平及垂直原巖應(yīng)力等多種應(yīng)力作用下，兩幫煤體率先發(fā)生破壞，進(jìn)而導(dǎo)致上覆巖層的重力通過(guò)彈塑性區(qū)的圍巖傳遞到底板巖層，在由采動(dòng)產(chǎn)生的水平應(yīng)力作用下底板向巷道內(nèi)擠壓、凸起，產(chǎn)生破壞，形成底鼓。

2.2 切分孔型設(shè)計(jì)

11H 機(jī)架為圓-平孔系，圓進(jìn)平輥的最大特點(diǎn)是以寬展為主，延伸和斷面收縮較小，壓下量不能太大或太小，取50%左右；

13H 為扁-平孔系，扁平孔型系統(tǒng)具有較小的延伸系數(shù)，壓下量不宜過(guò)大，取30%左右；

14V 為平輥到箱型立輥，孔型的主要作用是規(guī)整13H 平輥孔后的軋件寬度尺寸，為預(yù)切分孔型提供斷面尺寸合適的軋件，關(guān)鍵孔型參數(shù)為：孔型高度（H=0.8H0），孔型側(cè)壁斜度在 5.7～14°之間，槽底寬度 bk=（1.01～1.06）b0；

15H（K4）預(yù)切分孔主要是提高切分穩(wěn)定性和均勻性，減少切分孔型不均勻性，在14V 軋件上需精確分配對(duì)稱軋件斷面面積，定位切分楔壓下，盡可能減少切分孔型負(fù)擔(dān)，關(guān)鍵孔型參數(shù)為：切分楔頂部有為減少磨損的小半徑圓倒角，孔型充滿度應(yīng)超過(guò)0.95，連接帶高度在孔型高度0.47 左右，孔型高度約來(lái)料0.925 左右；

16H（K3）切分孔型，主要作用是切分楔繼續(xù)對(duì)切分帶壓下，使連接帶厚度低于切分輪撕開(kāi)并聯(lián)軋件臨界值，同時(shí)并聯(lián)軋件圓度更高，關(guān)鍵孔型參數(shù)為切分楔過(guò)渡圓角更小，軋件連接帶厚度足夠小，孔型高約0.85H0；

17H（K2）成品前橢圓孔，主要作用是使切分后的各軋件側(cè)面形成充分鼓形寬展，減少切分帶撕開(kāi)后產(chǎn)生毛刺高度，消除切分帶可能對(duì)成品造成類似“花邊”和“折疊”的缺陷，關(guān)鍵孔型參數(shù)為壓下變形量大于40%，寬展變形量大于20%；

18H（K1）成品孔設(shè)計(jì)與單線軋制孔型設(shè)計(jì)完全相同，采用切線法。

φ12 mm 四線切分導(dǎo)衛(wèi)工作中，先用切分前輪將旁邊兩分支切開(kāi)，再用切分后輪將中間兩分，過(guò)程中主要借助切分輪上切分楔作用，使軋件切分帶處產(chǎn)生強(qiáng)迫寬展，形成的裂紋不斷擴(kuò)展后完成軋件縱向切分，關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)為切分楔內(nèi)外傾角值。

另一方面，基于切分軋制工藝得到的成品軋件，在宏觀形貌尺寸與力學(xué)性能上，應(yīng)與單線軋制結(jié)果相似，也可逆向設(shè)計(jì)各道次延伸系數(shù)、面積及孔型。

2.3 有限元仿真切分軋制關(guān)鍵技術(shù)

Anasys、Marc、Abaqus、Deform 等軟件均可對(duì)金屬大塑性變形成型過(guò)程進(jìn)行仿真，但在基礎(chǔ)理論單元類別、計(jì)算速度、收斂準(zhǔn)則等方面有顯著區(qū)別就切分軋制有限元仿真的共性關(guān)鍵技術(shù)有：（1）材料基礎(chǔ)熱物及力學(xué)性能數(shù)據(jù)庫(kù)；（2）軋輥孔型幾何形貌和尺寸劃分；（3）軋件多道次大塑性變形下的處理及狀態(tài)變量傳遞；（4）有限元計(jì)算精度與速度平衡；（5）考慮組織演變和相轉(zhuǎn)變的模型計(jì)算；（6）基于熱傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射的軋件溫度模擬；（7）軋件延伸率計(jì)算[8-10]。

3 有限元仿真結(jié)果與分析

3.1 切分結(jié)果與分析

圖1～7 給出了10H 軋出的直徑φ45 mm，溫度1 000 ℃軋件，經(jīng)11H～18H 架軋機(jī)的宏觀尺寸形貌、橫截面溫度分布變化，圖8 給出了有限元計(jì)算得到的典型道次（11H 平輥）力能載荷值（軋制力、軋制扭矩、軋制功率）。

圖1 來(lái)料和11H 平棍

圖2 13H 平棍和14V 立棍

圖3 15H，預(yù)切谷底壓下量1 mm，切分契壓下量6 mm：

圖4 16H，切分谷底壓下量2 mm，切分契壓下量2.5 mm

圖5 前后兩切分輪實(shí)現(xiàn)四線切分

圖6 中，a 和c 為邊部軋件入17H 軋機(jī)前后的形狀；b 和d 為中間軋件入17H 軋機(jī)前后的形狀。

圖7 中，a 和c 為邊部軋件入18H 軋機(jī)前后的形狀；b 和d 為中間軋件入18H 軋機(jī)前后的形狀。

圖6 17H 成品前橢圓孔，壓下量6mm

圖7 18H 成品圓孔，壓下量7 mm

圖8 第11H 力能載荷計(jì)算結(jié)果

由圖 1～7 可見(jiàn)，11H～18H 軋制中，兩道次平輥縱向合計(jì)60%壓下量，使軋件橫截面由圓變?yōu)榫匦危?4V 定寬箱型孔實(shí)際壓下量很?。?.25 mm）；15H 預(yù)切中孔型谷底壓下量?。? mm），切分帶變形量大（6 mm）；16H 切分孔型谷底壓下量（2 mm）與切分契壓下量（2.5 mm）相近；并聯(lián)軋件邊部較快的散熱導(dǎo)致橫向溫差＞50 ℃，而中間軋件橫向溫差保持在50 ℃以下；切分帶處持續(xù)的集中變形使溫升較大，達(dá)到 1 130 ℃。

由于11H～16H 同道次軋輥孔型和散熱條件的不同，造成并聯(lián)軋件邊部和中間區(qū)材料在溫度梯度、形變程度、形貌尺寸上有顯著不同，傳遞到17H、18H 后，差別被進(jìn)一步加大，邊部軋件均溫約1 090℃，溫差＞60 ℃，中間軋件均溫約 1 100 ℃，溫差＜20℃，尺寸上與設(shè)計(jì)表中預(yù)計(jì)的11. 3 mm 相差不大。

由于孔型作用，軋件各區(qū)的實(shí)際壓下量、接觸面積，以及由此引起的塑性變形和溫升存在差別，對(duì)計(jì)算宏觀力能載荷構(gòu)成影響，常用的經(jīng)典算法以“平均法”（等效）基于經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行處理，然而公開(kāi)的文獻(xiàn)資料中對(duì)于適用于切分工藝經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法很少。表1 給出了軋制程序表結(jié)果與有限元計(jì)算值對(duì)比及因素匯總結(jié)果，其中定寬的14V 箱型孔結(jié)果偏差最大，主要原因在于經(jīng)驗(yàn)計(jì)算中，兩道平輥壓下后軋件自由寬展量計(jì)算值偏大所致，其它道次上有限元計(jì)算的軋制力、力矩、功率均較小的因素如表1 末列所示。

表1 軋制程序表結(jié)果與有限元計(jì)算值對(duì)比及因

3.2 470 軋機(jī) φ35 mm～φ55 mm 軋件經(jīng)‘圓-平’孔系寬展仿真

為便于計(jì)算圓-平輥后的軋件寬度，通過(guò)有限元仿真和簡(jiǎn)單的Matlab 數(shù)據(jù)處理，得出了經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式。

如上文內(nèi)容，按K4 孔（第15H 道次）預(yù)切分的要求，對(duì)于經(jīng)第10 道立輥軋制得出的圓型軋件，將要通過(guò)第11 道次平輥，進(jìn)行一定壓下率的軋制。來(lái)料圓直徑和壓下率，對(duì)軋件橫向?qū)捳?、軋制力、軋制扭矩、軋制功率等軋機(jī)力能參數(shù)有顯著影響。經(jīng)模擬，得出了假設(shè)經(jīng)第10 道次圓孔型生產(chǎn)出直徑為35 mm、40 mm、45 mm、50 mm、55 mm 軋件，經(jīng) 470軋機(jī)25%，40%，55%，70%，85%壓下量的成型結(jié)果進(jìn)行匯總，匯總結(jié)果見(jiàn)表2。軋件直徑和自由展寬曲線如圖9 所示。

由表2 知，隨壓下量增大，φ35 mm 圓經(jīng)平輥壓下后的寬展量逐漸增加，與在其它條件下得到的規(guī)律相似，φ50 mm 和φ55 mm 在 70%或85%條件下的壓下已失去意義（無(wú)法咬入或軋件壓下量過(guò)大而開(kāi)裂）。圖9 表明，25%，40%，55%壓下量下，隨軋件直徑增加，軋件自由寬展量基本線性加大，方程斜率相近，但截距有所差別。通過(guò)數(shù)據(jù)分析和擬合，得出經(jīng)驗(yàn)公式：b=k0d軋+b0。式中：壓下 25%時(shí) k0為0.916，b0為 7.14；壓下 40%時(shí) k0為 1.02，b0為 5.73；壓下55%時(shí)k0為0.78，b0 為21.6。將設(shè)計(jì)值對(duì)應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值，放入圖9 后，得到黑色方框所示數(shù)據(jù)點(diǎn)，對(duì)比可見(jiàn)，經(jīng)驗(yàn)公式較好的預(yù)測(cè)出了結(jié)果，對(duì)比后模型誤差在9.7%范圍內(nèi)。

表2 φ35 mm～φ55 mm 直徑圓經(jīng)470 軋機(jī)平輥軋制在不同壓下量的寬展 /mm

圖9 軋件直徑及壓下量對(duì)橫向自由寬展量的影響

4 結(jié)論

（1）切分孔型的設(shè)計(jì)和軋制工藝均略顯復(fù)雜，等效法經(jīng)驗(yàn)計(jì)算的力能載荷計(jì)算值偏大，主要是軋件寬展、接觸面積、各變形區(qū)差異難準(zhǔn)確體現(xiàn)，用有限元校核可作為重要設(shè)計(jì)工具；

（2）并聯(lián)軋件在邊部和中間的溫差，會(huì)顯著影響成品質(zhì)量（線差和力學(xué)性能），應(yīng)考慮預(yù)切和切分道次設(shè)計(jì)中圓滑邊部，降低邊部散熱；

（3）仿真所得經(jīng)驗(yàn)公式，可較準(zhǔn)確預(yù)測(cè)出計(jì)算圓-平孔系軋件寬展。