齊天圣，楊若雯,李 恒,張華君，江連運

(1.山鋼集團日照有限公司中厚板廠，山東 日照 276800；2.太原科技大學 機械工程學院，山西 太原 030024)

0 前言

從加入世貿組織(WTO)以來，中國工業(yè)生產(chǎn)得到快速發(fā)展，2020年中國鋼鐵產(chǎn)量占全球總產(chǎn)量的50%，2021年上半年鋼鐵產(chǎn)量同比增長11%。但高性能厚規(guī)格鋼板還嚴重依賴進口，制約了行業(yè)的發(fā)展[1]。厚規(guī)格鋼板在同步軋制時會產(chǎn)生心部變形不充分問題，導致心部晶粒粗大，力學性能偏低[2]。非對稱軋制如異步軋制雖然能改善鋼板心部變形，但非對稱軋制會使板材出現(xiàn)軋后翹曲現(xiàn)象[3-4]。蛇形軋制能夠在一定程度上抑制板形彎曲問題，但在厚規(guī)格鋼板生產(chǎn)中調控板形能力有限，后續(xù)還需要改善板形[5-6]。差溫軋制作為一種對稱軋制工藝，在軋制前對鋼板進行超快速冷卻，形成外硬內軟的變形抗力分布，在促進心部變形的同時使板材保持平直狀態(tài)。為提高厚規(guī)格鋼板變形滲透性，改善綜合性能，有必要對厚鋼板差溫軋制心部變形進行深入研究。

目前，許多學者對差溫軋制溫度場和厚度方向變形及組織性能進行了研究。馬江南等[7]對中厚板回溫軋制溫度場進行了模擬，并在實驗室進行了軋制試驗；Jiang[8]采用有限元法研究了帶鋼返紅溫度的變化規(guī)律；李高盛等[9]采用有限元法建立了差溫軋制剛塑性模型，研究了厚度方向應變的變化規(guī)律；曾清泉[10]采用OM、SEM、EBSD技術對差溫軋制組織性能進行了分析，結果表明差溫軋制可以改善晶粒尺寸；甄濤等[11]采用主應力法建立了蛇形差溫軋制軋制力的計算模型；李磊等[12]采用梯溫剪切軋制研究了厚板軋制的等效應變和剪切應變；葉凌英等[13]通過實驗研究了差溫軋制對鋁合金厚板組織和性能的影響；王斌等[14]通過有限元研究了差溫軋制對鑄坯心部孔洞壓合的影響規(guī)律；Gao等[15]通過軋制實驗分析了差溫軋制對裂紋愈合的影響。

關于差溫軋制許多學者多集中在溫度場及差溫軋制改善鋼板心部變形可行性的研究[16-17]。因此，本文采用基于Ansys的熱力耦合有限元模擬，研究了差溫軋制對厚規(guī)格鋼板心部變形的影響，并結合軋制實驗對鋼板心部顯微組織進行了表征，結果與有限元模擬應變大小相對應，驗證了有限元模擬的準確性，為實際工業(yè)生產(chǎn)提供技術指導。

1 有限元模型及邊界條件

差溫軋制過程涉及復雜的熱、固、流多場耦合，軋制過程中厚度方向變形受多種因素影響，為了反映差溫軋制過程的本質，提高有限元模擬的效率，在確保計算結果精確的情況下對差溫軋制過程做出如下假設：

(1)由于軋件的長度和寬度遠大于軋件的厚度，可將軋制模型定義為平面模型，建立差溫軋制二維單道次有限元模型；

(2)與軋制過程中軋件大變形相比，上下軋輥的變形可以忽略，因此將上下軋輥定義為剛性體；

(3)軋制時影響上下軋輥與軋件的摩擦因素有很多，與表面溫度、材料、軋制溫度等有關，本文采用基于Ansys的庫倫摩擦模型；

(4)塑性變形做功導致的溫升與鋼板和上下軋輥熱傳導，及鋼板表面與空氣的熱對流和熱輻射導致的溫降相互抵消，即軋制過程中的溫度不變。

(5)定解條件為第三類邊界條件，即已知鋼板表面對流換熱系數(shù)和冷卻水溫度，且冷卻水恒溫為20 ℃。

厚規(guī)格鋼板差溫軋制有限元模型包括上下工作輥和軋件，如圖1所示為有限元模型，采用四邊形網(wǎng)格對軋件和上下軋輥進行網(wǎng)格劃分，共劃分8 800個單元，表1為有限元模擬時基本參數(shù)。在實際工業(yè)生產(chǎn)中差溫軋制過程包括軋前超快速冷卻和軋制兩個連續(xù)的過程，因此在有限元模型中，采用順序耦合法對差溫軋制過程進行模擬，這是一種間接的耦合方法，即先進行隱式分析，獲得鋼板超快速冷卻后溫度場分布，在此基礎上在進行顯式有限元分析，得到鋼板軋制過程應力應變場分布。

圖1 差溫軋制有限元模型

表1 有限元模型基本參數(shù)

在進行隱式分析時，軋件和上下軋輥的單元類型為plane55，材料模型定義為熱材料模型，軋件隨溫度變化的參數(shù)，包括導熱系數(shù)，比熱容和熱膨脹系數(shù)等如表2所示。假設鋼板初始溫度為1 100 ℃，環(huán)境溫度為20 ℃，軋輥溫度保持為20 ℃。模擬時在鋼板上下表面施加相同的對流換熱系數(shù)以達到差溫的效果。由于在實際生產(chǎn)中超快速冷卻裝置與軋機之間有一定的距離，設置返紅時間為1 s。在進行顯式分析時，將隱式分析中軋件的單元類型plane55轉換為plane162單元，將隱式分析中得到的節(jié)點溫度以.rth文件導入顯式分析中。軋件定義為雙線性彈塑性材料模型，上下軋輥定義為剛性體模型，設置軋輥軸線旋轉自由度不為零，約束其他方向自由度，上下軋輥和軋件之間采用單面接觸算法。有限元模擬中在顯式分析模塊需要用到的模擬參數(shù)如表1、2所示。

表2 不同溫度下鋼板熱物理參數(shù)

2 差溫軋制心部變形分析

圖2為對流換熱系數(shù)不同時心部應變的變化規(guī)律，根據(jù)厚規(guī)格鋼板在實際生產(chǎn)過程中的工藝參數(shù)，采用不同對流換熱系數(shù)研究其對心部應變的影響，對流換熱系數(shù)分別為50、500、1 000、2 000、3 000、4 000 W/m2K，均溫軋制時鋼板表面與空氣發(fā)生熱對流和熱輻射，取換熱系數(shù)為50 W/m2K，其他工藝參數(shù)為冷卻時間為6 s，空冷時間為2 s，壓下率為30%，軋輥直徑為1 050 mm，軋制速度為1.5 m/s，動摩擦系數(shù)為0.35。

圖2 換熱系數(shù)不同時鋼板心部等效應變

由圖2可知，當鋼板初始厚度小于250 mm時，隨著對流換熱系數(shù)的增加，鋼板心部的變形逐漸增大。當鋼板初始厚度為80 mm時，對流換熱系數(shù)由500 W/m2K增加到2 000 W/m2K時，鋼板心部等效應變分別為0.401和0.458，增幅為14.2%，如圖3所示，這是由于隨著表面對流換熱系數(shù)的增加，表面溫度逐漸降低，溫度梯度逐漸增大，導致表面變形抗力增加，而心部仍保持高溫狀態(tài)，根據(jù)體積不變原理，表層變形抗力較大的區(qū)域變形較困難，導致變形向心部滲透。與均溫軋制相比，差溫軋制最大可提高心部應變?yōu)?0.0%。隨著初始厚度的增大，心部變形的增幅逐漸減小，當鋼板初始厚度大于200 mm，表面對流換熱系數(shù)超過3 000 W/m2K時，鋼板心部等效應變變化較小。

圖3 換熱系數(shù)不同時沿鋼板厚度方向表面到心部溫度分布

圖4為壓下率不同時厚規(guī)格鋼板均溫軋制和差溫軋制心部等效應變及最大-最小應變差，由圖4可知，鋼板心部等效應變隨壓下率的增加逐漸增大，且近似呈線性增長，當壓下率為40%時，均溫軋制和差溫軋制心部應變值分別為0.465和0.522，增幅為12.3%。隨著壓下率的提高，最大-最小應變差明顯減小，表明增大壓下率可以改善厚規(guī)格鋼板厚度方向變形均勻性。均溫軋制和差溫軋制最大-最小應變差變化基本一致，當壓下率超過35%時，差溫軋制最大-最小應變差小于均溫軋制，可以改善鋼板厚度方向變形均勻性。壓下率和軋制方式對提高鋼板厚向變形均勻性及心部變形具有重要影響，在實際工業(yè)生產(chǎn)中，在滿足軋機功率的前提下可采用大壓下來提高鋼板心部變形。

圖4 壓下率不同時鋼板心部等效應變和最大-最小應變差

3 實驗研究

軋制實驗在半徑為160 mm的二輥可逆式軋機上進行，受軋機軋制能力的限制，無法滿足厚規(guī)格鋼板差溫軋制過程，因此基于實驗軋機采用物理相似性實驗進行材料幾何尺寸的選取，軋件尺寸為100×50×13.28(長×寬×厚，mm)。鋼板初始溫度為1 250 ℃，開軋溫度均溫軋制和差溫軋制分別為1 250 ℃、900 ℃。

圖5為均溫軋制和差溫軋制時45#鋼心部顯微結構，該組織是在500×光學顯微鏡下觀察得到的，均溫軋制時鋼板心部晶粒尺寸為26.72 um，差溫軋制時晶粒尺寸為17.37 um。差溫軋制鋼板心部大多為長條針狀鐵素體，沿軋制方向晶粒被拉長，而均溫軋制鋼板心部組織多為板狀，且彼此交叉連接在一起。差溫軋制工藝促進了心部晶粒的再結晶，細化了心部晶粒尺寸，可有效消除帶狀組織，且均溫軋制和差溫軋制微觀組織與有限元模擬應變大小相對應，具有良好的一致性。

圖5 均溫軋制和差溫軋制心部光學顯微組織

圖6為均溫軋制和差溫軋制心部電子顯微組織。鋼板經(jīng)過軋制后空冷狀態(tài)下其內部微觀組織主要呈現(xiàn)為壓扁狀態(tài)的奧氏體晶粒，部分晶粒內部也出現(xiàn)了較多的變形帶；在相同變形速率和變形量下，實驗鋼在均溫軋制時奧氏體晶粒被拉長，單位體積內晶界的表面面積增大；實驗鋼在差溫軋制時奧氏體晶粒得到細化而且更加顯著地增加了后續(xù)擴散相變的進行。同時由于軋前超快速冷卻工藝，過冷奧氏體在過冷度較大的溫度區(qū)間保留更長時間，使得變形儲存能適當減小進而得到了細小的鐵素體晶粒。可以證明：經(jīng)過軋前超快速冷卻工藝后可以獲得足夠細小的鐵素體晶粒，實現(xiàn)較好的細晶強化效果。且該工藝可以有效降低軋機負荷與能耗，具有良好的應用前景。

圖6 均溫軋制和差溫軋制心部SEM顯微組織

4 結論

(1)與均溫軋制相比，差溫軋制可以提高厚規(guī)格鋼板厚度方向的變形滲透性，促進厚規(guī)格鋼板心部變形，相同條件下差溫軋制心部應變可提高30.0%。

(2)表面對流換熱系數(shù)和壓下率對鋼板心部變形有重要影響。在一定范圍內，隨著表面對流換熱系數(shù)和壓下率的增大，差溫軋制心部等效應變逐漸增大，可改善鋼板厚度方向變形均勻性。

(3)均溫軋制時45# 鋼心部晶粒尺寸為26.72 μm，差溫軋制時晶粒尺寸為17.37 μm，實驗結果表明，與均溫軋制相比，差溫軋制可以促進鋼板心部晶粒再結晶，細化晶粒，有效消除帶狀組織。