（材料加工工程专业论文）h型钢轧制过程的数值模拟.pdf

。黧譬。拦釜盖盘。一。一一。；一。；。釜盏 h 型钢轧制过程的数值模拟 摘要 率文以嚣豳禁犬蘸h 型铡爱产绒为背景，采阐帑敝元模拟方法，研究h 墅锻 捷万能轧桃中轧利时的变形和溢度变犯，搬据模拟汁冀结巢回妇了一些关键参数 的遗缘计算公式。针斑“型钢生产过程串容易产，羔中心缡差缺陷靛实际情况+ 巢 用意限元方法研究了万能辘遗法对中心偏差懿改善馋髑，主要工傅迸麓如下； 1 剥用蠢限元方法模拟了h 型钢在万熊鞋机中乳镕及轧鹾冷却过程串的湿 度场变纯，龌究了备工艺参数对温度的影哟，获褥了瞢参数对瀑度驰彩哦装线。 透过黯计算数据的分拆。褥到了鞭聪平均溢魔的避似计冀公式，该公式对辘糊 短程的秘始设定有重要的意义。 2 通过对h 型翎在7 3 能靶瓶中轧制时变形鞠计算，求出转件糙宽。腰宽、 腿鹱延狰兆、水平辊及妻壤美撩、越下率等嚣索发生变位时，惫藩的流韵变他 情糯，为分辨这些因素对$ k 制工艺参数所产生的影响挺擞参考。根摄有鞭元诗 舞缩暴辩嚣因素对水平辊韩立辊轧$ l 压力稚影镌趋势避行了详缨的分析找出 了彰响# l 镶压力黪主簧霞素，鸯轧铡力赞计算葵定丁基吾嵩。 s 撮播诗簿缩果，获褥了各参数辩轧制力麴影嘲规律馥线，为蜣场工磐参 数麴调整提供丁掖搌。根薅诗冀结巢，回姻褥劐了$ 镅力的避议计冀公式，浚 公式考虑了备霹素对轧制力躺影响。保鳍了主要韵嚣响因素，去除了次要彭瞻 因素，爱姨出了轧制力鲍变纯情况。 4 。选取翕遗的宽震最数燕诗算坯糕尺寸对重簧计算步骤，遵取台适鲍静詹 滑攀楚诗磐递$ k 常数时霉簧鼬计算莎骤+ 掇攘霄隈元计冀绉果分板了嚣飘泰对 宽袋系数弱翦蜃潦数影响，强归了魔鼹袭数和藏麓港宰桶计算公式。这整工雅 意接针对其体的现嫒麓瑟，对现场工蕊参数设壬 嗣调整毒实际意义。 5 h 型钢轧制过程中琊可递兔会产生中心馕莲缺陷。本文逋过有限元计算 方法，模拟了爨密裙始审心德麓缺麓的k 型铺程万能# l 边机中鼬变澎道程，分 祈了乾边枫承平辊耀缝、立辊嚣下爨戳及轧传簿度蒋霞索发生变忧时，万能转 边枫对中心镝蓑铡德效果的变他情况，找到了影响鲻偏效果鹣主要戮寨。 8 缀合藩内荣大型h 型钢生产线，进行了瑗场数据测试工作。获褥了 h t 0 0 x 3 0 0 、h s 0 0 x 3 0 0 、h 3 4 0 x 2 5 0 兰个品释的辘制工芝参数以及转制力、 转测溢麓期筑辊转速等检测数攒，利用激光涮遮装跫溅蚤i 轧俸程露# 税轧枕 东北大学博士学位论丈摘要 中的轧制速度，根据测量结果计算了轧件的后滑率，对这些检测结果进行了分 析。上述工作的进行，为有限元计算提供了必要的参数，同时也为计算结果的 验证提供了依据。 关键词：h 型钢，有限元法，轧制温度，轧制力，宽展系数，前后滑，万能轧边 法，中心偏差，数学模型 n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fh - b e a mr o l l i n gp r o c e s s a b s t r a c t 胁e 融f 0 1 2 i l a t i o na n dt e m p e r a m r ee v a l u a t i o no f 王：b e a mo nau n i v e r s a lr a i l ld u r i n g r o l l i n gp e r i o da r es i m u l a t e db yf e m ，a n das e r i e so fa p p r o x i m a t ee x p r e s s i o n sa r e r e g r e s s e da c c o r d i n gt ot h es i m u l a t e dr e s u l t s ，w h i c h a r eb a s e do ne x p e r i m e n t a ld a t a o b t a i n e df r o mad e m e s t i ep r o d u c t i o nl i n e1 be l i m i n a t et h eo i l - c e n t e rd e f a u l lw h i c h o c c u r sf r e q u e n t l yd u r i n gr o l l i n go na nu n i v e r s a lm i l l ，t h eu n i v e r s a le d g i n gm e t h o di s s t u d i e db yf e m ，赴em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa n dr e s u l t sa r ea af o l l o w s ： l u t i l i z i n gf e m ，t h ee v a l u a t i o no fh - b e a mt e m p e r a t u r ef i e l d sd u n n ga n dp o s t r o l l i n gh a sb e e ns i m u l a t e d t h ee f f e c t so fr o i l i n gp a r a m e t e r so nt e r n p e r a t u r ef i e l da r e c o n s i d e r e da n dt h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h e ma r ed i s p l a y e db yc u r v e s 。b ya n a l y s i so f t h ec a l c u l m e dr e s u l t s ，t h ee x p r e s s i o n st oc a l c a l a t et h ea v e r a g et e m p e r a t u r eo fw e ba n d f l a n g eh a v e b e e nr e g r e s s e d t h ee x p r e s s i o n s a r ev e r yi m p o r t a n tf o ru s ei nr o l l i n g s c h e d u l ed e s i g n 2 + d e p e n d i n go nc a l c u t a t i o no f h - b e a md e f o r m a t i o no nu n i v e r s a lm i l l ；t h es t e e l p l a s t i cf l o wa l o n gw i t ht h ec h a n g eo ft h ef l a n g ew i d t h ，t h ew e bi n n e rw i d t h ，t h e e l o n g a t i o nr a t i oo f f l a n g e 协w e b ，t h ed i a m e t e r so f h o r i z o n t a la n dv e r t i c a lt o i la n dt h e r e d u c t i o nh a v eb e s no b t a i n e d a 1 lo ft h ed a t ap r o v i d et h er e f e r e n c ef o ra n a l y z i n gt h e ： i n f l u e n c i n gf a c t o r so nr o l l i n gp a r a m e t e r s t h ee f f e c t so fv a r i o u sf s c m mo nr o t l i n g p r e s s u r eh a v eb e e n 。a n a l y z e d ，w i t ht h em a i nf a c t o r sb e i n gp o i n t e do u t ，a n d 烈o ft h e s e ： m 敬et h eb a s et oc o l c u l a t e 佼er o i l i n gf o r c e ， 3 ，b a s e do nt h es i m u l a t e dr e s u l t s 。i n f l u e n e i n gc u r v e so fv a r i o u sp a r a m e t e r s 鳓 r o i l i n gf o r c eh a v eb e e np r e s e n t e di nt h i sd i s s a r t a f f o n t h e s ec u r v e sp r o v i d e 攮or e f e r e n c e f o rt 虹a d j u s t m e n to ft h ep r o c e s sp a r a m e t e r s a tt h es a m et i m e ，t h ea p p r o x i m a t e e x p r e s s i o nf o rc a l c u l a t i n gr o l l i n gf o r c ei sa l s or e g r e s s e d t h i sr o l l i n gf o r c ee x p r e s s i o n c o n s i d e r sm a n yi n f l u e n c i n gf a c t o r s ，w i t ht h em a i no n e sr e s e r v e da n dt h em i n o ro n e s r e j t e d ，a n d p r e d i c t s r o a s o n a b t er e s u l t s o f r o l l i n g f o r c e e v a l u a t i o n 。 4 t 抛a c c u r a t ec a l c u l a t i o no f s p r e a dr a t i oi sa ni m p o r t a n tm l et od e t e r m i n eb e a m s e c t o u a i z e , a r i d t h e a c c u r a t ec a l c u l 啦n o f f o r w a r ds l i pr m f oa n d b a c k w a r ds l i pr a t i o i s w 一 。警2 ；：警鲨：盘翟泼鬻翟黧盥黧 a n o t h e ri m p o r t a n to n e 沁c a l c u l a t ec o n t i n u o u sr o l l i n gc o n s t a n t b a s e do nt h es i m u l a t e d r e s u t t s ，t h ei n f l u e n c eo fv a r i o u sf a c t o r so ns p r e a dr a t i oa n df o r w a r ds l i pa n db a c k w a r d s l i pr a t i oh a v eb e e na n a l y z e d ，a n dt h ee x p r e s s i o n sf o rc a l c u l a t i n gs p r e a dr a t i oa n d f o r w a r ds l i pa n db a c k w a r ds l i pr a t i oh a v eb e e nr e g r e s s e d i n v e s t i g a t i o n sb a s e do u c o m p u t e rs i m u l a t i o nv e r i f yt h a tt h ew o r k sc o n d u c t e da r ef a v o r a b l et od e s i g n i n ga n d a d j u s t i n gr o l l i n gp a r 鼬e 姥r s 5 。w h e nh - b e a mr o l l i n gi sc a r r i e do u to nu n i v e r s a lm i l lt h eo f f - c e n t e rd e f a u l t a p p e a r si n e v i t a b l y t h er o i l i n gp r o c e s so fh - b e a mw i t hp r e s e t t i n gi n i t i a lo f f - c e n t e r d e f a u l to nu n i v e r s a l 簪d g i n gm i l lh a sb e e ns i m u l a t e d b yt a k i n gi n t oa c c o u n tt h e i n f l u e n c i n go ft h eg a pc h a n g eo fh o r i z o n t a lr o l l ，t h er e d u c t i o no fv e r t i c a lr o l l ，a n dt h e t h i a k n e s sc f t h es t e e l w o r k ，t h e m a i n f a c t o r sh e l p i n g i ne l i m i n a t i n g t h e o f f - c e n t e r d e f a u l t h a v eb e e nf o u n d 。 6 t h em l l i n gp a r a m e t e r s , s u c ha st e m p e r a t u r e ，s p e e d , r o t i i n gf o r c e ，h a v eb e e n m e a s u r e do nap r o d u c t i o nl i n e t h es p e c i f i cp r o c e s sp a r a m e t e r so fh 7 0 0 x 3 0 0 h a 0 0 x 3 0 0 ，h 3 4 0 x 2 5 毽h a v eb e e no b t a i n e d w i t ht h es p e e do f h - b c a mo nt h eu n i v e r s a l r o a 馥s t a n d sb e i n gr a e a s u r e db yl a s e rv e l o m e t e r , t h eb a c k w a r ds l i pr a t i oi sc a l c u l a t e d a c c o r d i n gt ot h em e a s u r e dd a t aa n dt h en e c e s s a r ya n a l y s e so ft h em e a s u r e dr e s u l t sa r e p e r f o r m e d t h en e c e s s a r yi n p u t t i n gp a r a m e t e r sf o rf e mc a l c u l a t i o na r ep r e s e n t e di n d e t a i l ，a n dt h ef o u n d a t i o nt ov e r i f yt h ec a l c u l a t i o nr e s u l t si sp o i n t e d o u t k e yw o r d s = 鞋- b e a m , f e t e l , r o l l i n gt e m p e r a t u r e ，r o l l i n gf o r c e ，s p r c 基dr 皱i o , f o r w a r d a n db a c k w a r ds l l p , u n i v e r s a le d g i n gm e t h o d ，o f f - c e n t e r , m a t h e m a t i c a lm o d e l 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其它人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其它学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所作的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 本人签名：彳备爬彳， 日期：z 口护f r 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名： 糸他膏， 导师签名： 签字日期：2 0 0 t v签字日期： j 兰盏誊翟童：釜。，。；。互立琶耋。 第1 章绪论 l 。l 硬究背景 1 1 ，lh 型钢的发展历史 h 型钢是一种断面形状类似字母h 的型材。在横断面积相同的情况下，与其 它型材相比，这种型材的截匿转配食理，力学陛能好。圉此。h 型钢属 二一种终 济断面型钢。疆前，h 型钢有热轧和焊接两大类。使用热轧h 型钢制作的钢结构 工程其有重量轻、施工恢速、抗震性能好和节能降耗等优点，因此，在离层建筑、 工业厂房、火力发电、机械制造、起重机械、再油化工、海洋工程、桥梁闸坝和 地铁工程等行业得到广泛的应用，是一种多用造高教钢材，是我翟提倡发展的钢 铁产品之一。 h 型钢的诞生已经有近百年的历史，随着世界钢铁工业的发展，h 型钢轧机 也随之得到迅速发展。一些国家的钢铁界都积极筹建新型h 型钢轧机。为节约 建设投资+ 充分利用原有大型及孰粱轧机进行技术改造，这种做法在巨本得到普 遍采纳。从1 9 6 1 年到1 9 7 2 年大约十年间，器本先后改造了三个大型厂和一个鞔 粱厂，主要引进了万能轧机。日率大约用了谣年时间进行了设备改造和引进新技 术，到1 9 6 5 年已可大量生产h 型锕。随着日本钢铁工业的发展，从1 9 6 7 年到1 9 7 2 年的五年里，日本的h 型钢生产又得到了巨大笈展。这期间先后兴建t j 个h 型 钢厂，特别是川媾寿4 铁公司的水岛中型厂和新日铁公霹君津大型厂扮舔式h 型镪 轧机，由于采用连续轧制、高速轧制和计葬机控制等新技术，瞄本h 型钢生产无 论在产量还是在质量上都矗名列世界前茅。据不完全统计，世界每年h 型钢产量 在2 5 0 0 万t 左右。联型钢主要生产量和地区蠢日本、荚髫、韩国、法国等。 在我晷，h 型镏的生产痨史还不到十年，孺且能生产的厂家也不多。目蓠， 安徽的马鞍山钢铁公司譬1 和山东的蒹芜钢铁公司嘲是我国生产h 型锢的两太基地。 马钢h 型钢厂是我国引进的一条热轧生产疆离2 2 0 7 0 0 m m 的h 型钢及t 形钢、 工字钢、u 形钢板挂、球扁镧、l 形钢、槽钢等普通大型钢生产线。由德国曼内新 曼遣马搭( d e m a g ) 公司，西 l 丁子( s 疆测s ) 公司和美国裱太姆( i 弘m ) 公司捉供技术和主要设备，具有9 0 年代初的先进水平。期工程年产6 0 万t ，二 朔工程年产1 0 0 万t 。莱钢h 型钢生产线为我国继马钢之后建成的又一条以生产中 小规格壬王型铡为主的现代化生产线。该生产线采用了当今世界先进的节能型连铸 坯热遴燕装一连乾短流程生产工艺，工艺装备精良，全过程计算桃控制和管理。 莱钢h 型钢生产线由包头钢铁设计研究院负责全部工厂设计和连铸机的设备 馒 计，轧线机械设备约5 3 由国外引进，其余为国外设计国内转化图纸并制造，全 套电器及液压设备由国外引进。 1 1 2h 型钢生产方式的发展趋势 经过了近一个世纪的发展，h 型钢的生产方式也发生了质的变化。最早的h 型钢工艺布置均是采用跟踪可逆式布置。基本配置为一架开坯机( b d ) 、一一组由 架万能轧机( u r ) 及一架轧边机( e ) 组成的万能粗轧机组，一架万能精轧机( u f ) ， 即b d - u r e - u f 布置。这种布置轧制道次多、产量低、产品质量不高，缺少竞争力。 上世纪7 0 年代，由于计算机自动控制技术的飞速发展，微张力控制技术的开 发，h 型钢连轧生产方式在中小规格h 型钢生产线上得到应用，并且单线年产规 模超过了百万吨大关。但是，连轧具有投资大、生产品种规格范围有限及大型工 器具准备量大的缺点，限制了它的广泛应用。与此同时，一种投资省、生产品种 规格范围较大的串列式可逆轧机工艺布置也出现了，这就是在传统的万能粗轧机 组中增加一架万能轧机，在万能精轧机组前增加一架轧边机，万能轧机区呈 u f e u r e u f 布置。由于这时的万能粗轧机组具有连轧功能，故产量提高幅度较大。 上世纪8 0 年代，又出现了三机架“x h ”紧凑型串列可逆轧制新工艺，它取 消了万能精轧机组，把第二架万能轧机配置成直腿的“h ”形孔型。这种稚置可缩 短百米左右的厂房和许多设备，节省了很多投资。现在又发展成把异型坯连铸、 热送、均热保温、三机架“x - h ”串列式可逆轧制、冷却精整到成品联成一体的， 节能紧凑型短流程工艺生产线。这是一种具有占地少、低投资、低生产成本、高 效率和很强竞争力的工艺生产方式，是h 型钢生产技术发展的一次飞跃。 1 1 3h 型钢生产技术的改进 1 1 3 1 开坯工艺的改进 坯料选择的合理性是轧钢生产十分重要的一环。h 型钢生产线上最早使用的 坯料是矩形坯相应的开坯辊上的孔型也采用闭口孔。由于闭口孔自身的特点， 轧辊的横向移动量非常小，因此这种方法生产出的坯料尺寸精度比较高。但它也 有明显的弱点，即它的切槽比较深。轧制很小的品种时，也得要求比较大的辊径 尺寸。凼此很难用这种方法 - l q f j 大规格的h 型钢。 6 0 年代末，出现了用连铸工字形异型坯轧制h 型钢的技术。这种技术的采用 可以大大减少轧制道次和产品中心偏差缺陷。然而，受连铸结晶器数量和更换时 间的限制，在新的轧制方法未出现之时，须使用多种与产品相对应的异型坯来轧 东北大学博士学位论文 第1 章绪论 制h 型钢，这是十分不可取的。通过对轧件定心特性和腰部腿部展宽、延伸轧制 技术的研究，创造了用一种工字形坯轧制多规格h 型铜的新工艺f 4 月，即：腰韶扩 展轧制；腰部压缩轧制：腿宽压缩轧制。通过这样的技术，可以实现多规格h 型 钢共用一种坯料。 对于超出连铸方坯、异型坯轧制范围的超大型h 型钢可以采用连铸板坯做原 料，通过板坯劈分的方法进行轧制【6 ，”。这种方法主要是通过列板坯端部的立轧或 劈分轧制以及端部的平整，使轧件两端获得双鼓形，再采用腰部扩展或者压缩 工艺，使腰部达到要求的尺寸。目前，这种方法已经被广泛采用，但这种方法有 一个缺点，就是开坯后异型坯的尺寸精度不高。 l i 3 2 万能轧制工艺的改进 h 型钢在万能轧机中轧制时，轧制状态如图l1 所示。坯料轧件经过开坯机轧 制后t 轧成万能轧机所需的异型坯，然后进入万能粗轧机组进行轧制。万能粗轧 机组由万能粗轧机和轧边机构成，根据工艺布置形式的不同，可以有多架万能粗 轧机和轧边机。万能粗轧机对轧件的腰厚和腿厚进行压下，轧边机对轧件的腿端 进行压下。轧件在万能粗轧机组中进行多道次可逆或连轧后，进入万能精轧机进 行轧制形成最终的成品。 万自 粗轧机轧边机 万能楷轧机 图1lh 型钢在万能轧机中的轧制状态 f i g i 1 t h e d e f o r m i n gs t a t e o f h - b e a m i nu , n i v c r s a l t r o l l s 由于万能轧机水平辊的宽度保持不变，因此，轧制过程中，h 型钢的内宽始 终保持不变。轧件通过立辊的压下来实现腿厚的减薄。在建筑安装过程中，对于 腹板高度相同，翼缘厚度不同的h 型钢，需要安装垫片才能够实现螺栓连接。这 样的安装很不方便。日本多家研究单位分别先后开发研制出了一种新型的外宽一 | | 削一 司彝 东北大学博士学位论文第1 章绪论 定的h 型锅 g - 1 1 这种方法的主要思想是通过在万能精轧机上安装一种可调整辊面 宽度的水平辊，然后通过h 型钢腰部宽度缩小轧制技术，来获得轧件外宽一定的 h 型钢。这种技术的开发使得h 型钢可以更加方便的应用到钢结构建筑上面是 h 型钢技术开发的一次大的进步。 万能轧机是四辊轧机，轧件在万能轧机上变形灵活，可以同时完成四个方向 的压下。因此它的应用十分广泛，针对不同的需要可以开发出不同的型钢产品。 钢板桩 1 2 - 1 4 i 、钢轨、型钢咀及带有凸台的h 型钢等产品均可姒通过万能 轧机进行轧制。此外，在进行品种开发的同耐，型锅的形状检测技术【is 】以及在线 数据采集系统”也取得了一定的成果。这些方面的进步为h 型钥生产的自动化控 制创造了条件。 1 1 4h 型钢在万能轧机中轧制的研究 h 型钢在万能轧机中进行s l $ j ，万能轧机的水平辊是主动辊，立辊是被动辊。 与轧辊接触后，轧件通过主动辊的旋转实现咬入，并进行轧制。由于是四辊轧制， 轧件在轧机中的变形比较复杂。日本在这方面进行了比较多的研究，并取得了一 定的结果，我国关于h 型钢变形方面的研究也比较多，但开始的比较晚。下面按 照时间顺序加以简单的介绍。 7 0 年代中期，e l 本新日铁公司的坍制铁所研制出把工艺参数的计算模型引入 自动控制系统中【2 0 】的方法，计算模型主要是采用一定的假设和数学推导的办法获 得的数值公式。宽展计算模型如下： 蝎= c 1 a v 一埘 ( i - 1 ) 式中，巧是轧件腿宽的宽展量，a v 是腿厚的压下量，埘是腰厚的压下量， c 。是宽展系数。把变形区区分为不同区域，即与立辊接触但未与水平辊接触的区 域和水平辊和立辊同时接触的区域，同时考虑了腰腿轧制力的互相影响，得到了 轧制力的计算公式： p 。= q f 。p 。、 只= q 。气+ p 只 ( 1 2 ) ( 1 3 ) 式中，只是水平辊轧制力，0 是立辊轧制力，己。，v , o 是平板轧制时的轧制 力t 巩，q 。是h 型钢特有的形状系数( 变形区不同的区域取不同的值) ，p 是立 辊轧制力的影响系数。此外，通过假设轧件在万能轧机中的摩擦条件是滑动摩擦， 摩擦力与轧件与轧辊之间的相对滑动系数成比例，并导入轧件的受力公式，得到 了轧件在轧制过程半的前滑系数公式。 计算轧 牛温度时，利用熟平衡荚系，开发了计算平均漫度的关系式和平均瀑 度与表西温度之闻差值的关系式。通过实铡溢发对公式进行修正，最终褥擞了轧 件温度计算的数值公式。 7 0 年代束，日本的平淀猛志通过对常温下轧制镪斌样的办法，得到了轧件宽 震率z 。的计算公式t “j ； 屯= 口( 岛一知) 一 ( i - 4 ) 上式认为腿部厚度方囱的压下率 ，和腰部厚度方自的压下率砧之润的差是 影响轧体宽最的主要因素，式中g 和f 是修正系数，不嗣规格的辩型钢取不网的 使。 阕一时期，j 三l 本豹中川害庄重f j 对h 型钢在万能车l | 祝中的变形特性进 亍了砑 宄p “。通过对变形慝$ l 件壤部盘鼹滚动靛情况的假定和接嚣，并通过塑辩泥进行 模拟试验，德到了宽展系数能回归公式： 声= 0 , 5 9 r i + o 甜鲁翻t 午( 。- 。l 鲁一。越剐- 耳1 e ， 式中芦为腿郏的宽餍系数+ 轨为轧翦攒部匿积与腿部颡积的 g 值， ，为转嚣 腿蓐，戳为轧前勰宽，为承平辊誊径，r ，为腿部隘下攀，为膜部压下率e 同 时根撼鞭褪之阔的延伸关系豳翔了腰部与腿部的设定压下率和实际嚣下率之间豹 荚系： 一= 1 - 4 ，一) ( ，+ o 2 ) + o 0 7 r ) + 0 0 3 ( 1 + 6 ) 式中，；舞腿部设定压下率，为腰部设定压下率。 8 0 年代初，国内学者歼始对i 型镧加以磷究。束j b 工学院的自光润等人对 壬 型钢变形嚣内的几搿参数进行了详细的群究口”，从几俺关系上把轧件与韩辊在变 形区内的接敲关系完全捺导爨采。 遮时期，疆奉豹须藤惠三幂j 用3 维鬟性变形蘸瑗对王 整钢魏胄8 过程串的轧 制力遴荦亍理论推导f “。该接母过程也是把轧 孛豹燮形嚣分为2 个区域，即与立辘 接触僵采与水平辘接触豹嚣域和永平辗和立辊同时接触豹区域。转弗8 力公式如下： 或。o f b 0 口 ( i - 7 ) 末北大学博士学位论支第1 章绪论 只= 七r b ，山q 舢+ t a n 一只 ( 1 - 8 ) g 。= u 山2 t 。+ 0 ，2 b - 一眦+ 1 0 ) ( 1 - 9 ) 如2 哆0 。2 2 5 0 “j j “w7 押w a ，2 。一8 7 j 饥0 5 川4 7 ( 1 - 1 0 ) q h t 。+ l b 。卜0 2 7 5 i a 。a f u “t 。+ l a w b t 战i f h 口 式中，b ，为水平辊内宽，b 。为平均腿长，f 。为轧后腰厚，f ，为轧后腿厚，。 为轧后腰部的面积，a ，为轧后腿部面积，0 为腿部变形区长度，k 为腰部变形区 长度，女，为轧件的变形抗力，m 。为形状变化系数。 同是这一时期，日本的中川吉左卫门又根据缩小6 倍轧件的热轧模拟试验对 h 3 0 0 x 1 5 0 ，h 3 0 0 x 2 0 0 和h 3 0 0 x3 0 0 三个品种的宽展公式进行了重新回归【”1 ， 结果如下： = ( 0 7 3 r t - 0 , 5 ) 鲁扎啦_ 0 0 0 2 8 0 年代中期东北工学院的刘相华利用刚塑性有限元方法完成了对h 型钢轧 制过程的数值模拟”i 。较早的把刚塑性有限元方法引入到轧制领域。同时利用有 限元法求解了h 型钢在轧制过程中含内热源的三维温度场，并将其用于h 型钢变 形过程的有限元分析，实现了变形过程与温度分布联合求解，为处理温度分布对 复杂断面型钢轧制过程的影响提供了一种方法。此外，通过模拟实验得到了h 型 钢宽展、前滑、轧制力的一些有规律的实验结果。根据秒流量相等的关系，忽略 腰腿之间的金属流动，得到了求解h 型钢前滑系数的公式，井通过实验对该公式 加以修正，最终的前滑计算公式“如下： s ，吐q 2 - 噜t a n 扣咖 ( 1 一1 2 ) 铲如等爿 这里p 。、p 分别是立辊轴承和辊面的摩擦系数，r ，、月和r 一分别是立辊的平 均半径、立辊轴承半径和水平辊半径，s ，为前滑，1 ，为腿部压下率，目为立辊斜 度。 同一时期，西安冶金建筑学院的赵松筠通过几何推导的方法获得了h 宽展系 数的求解公式： 办= 雨蒜装两 ( 1 - 1 4 ) 这墼 。是入目娃l 件鞭都蔼积与髓部藏积之间的比毽，或是 l 件在入韶处的 联辱，是轧件腰熬鹰下率与腿郝压下率之间匏比德，打，是轧件入西处的麟宽。 8 0 年代寒，武汉钢铁学院斡张云嘲在实验室中 n 用光电方法测囊了h 型钢的 前滑，并根据理论分轿和实验修芷，得到了壬差型锅前滑公式： 腿部， 侧前滑数学模型： 嘭矾t s 南( 1 + 铡2 + t 髅部前滑数学摸黧； 氏；半， ( i - 1 5 ) ( 1 ，1 6 ) s 一一。引钏老m + 譬别砘t 插筹。； o 4 4 1 生。堂+ 0 0 2 1 曼 幽o ，幽o 。 式中s ，为腿部相对压下率，撬为立辗辊颈半经，百为立辊平均工作半径， p 为# k 伴与轧辊的摩擦系数，矗为立辊轴零摩擦系数， ：，为轧件腰部出国厚度，r 。 为水平辊半径，n 。为轧 牛腰部咬入角。 9 0 年代中期，燕山大学的w z h a n g 等人利耀上界法扶理论上推导出了h 型钢 莪捌力的计算方法印 ，为硅测锎力能参数的计葵提供了新的思路。嗣时，拖又到 用轧件浆热平鬻关系，并对变形送参数进行简让积分，得到了求解乾辞平均湿艘 拘计算公式以及轧俘在进行多递次轧制时温度的计葬公式【”j 。 9 0 年代末以舞，有限元技术被广泛应用到轧谁4 变形领域。燕山大学的禳搬出 ( 3 3 1 、 舅力”1 、刘才1 3 5 1 等人均采翔大变形弹塑性有限元分析方法对h 婺 钢的变形 过程进行了数俊模拟，并对应力瘦变状掇进行了分横。崔叛山 3 6 , 3 1 1 幂用大变形热 力耦套霄限元程序，瓷成了h 羹钢热孰溢度场的计算，并冀徽观缓织演变的数学 东北大学博士学位论文第1 章绪论 i | 一 摸型相结合，预报了h 型钢轧后的徽鼹组织和再结晶过程， 1 1 5h 型钢的各种产品缺陷及改进措施 h 型钢的断面比较复杂，轧制过程中影响变形的因素较多，因此，最终成品 轧件的缺陷种类比较多。下面对这些缺陷种类分别加以介绍。 1 1 5 1 腰部波浪和腰部减薄 所谓的腰部波浪是指在成品轧件的腰部产生的类似水波一样的间距近似相等 的波纹。关于这种缺陷产生的原因，目前已经进行了很多的研究 3 8 4 1 】。轧制过程 中，水平辊对h 型钢腰部进行轧制，立辊对腿部进行轧制。如果由水平辊压下而 造成的腰部的延伸趋势与因立辊压下而造成的腿部的延伸趋势不一致时，轧件为 了保持整体延伸的一致性，在轧件的腰部就会产生缺陷。这种缺陷通常不会发生 在腿部主要是因为轧件腿部的厚度要大于腰部，腿部抵抗变形的能力要比腰部 强。当腰部的延伸趋势大于腿部的延伸趋势时，轧件的腰部会产生波浪。当腰部 的延伸趋势小于腿部的延伸趋势时，轧件的腰部会减薄，严重时会在腰部出现断 裂。日本住友金属公司的草埸芳昭等通过模拟试验对这种缺陷进行了研究1 4 “，回 归出了产生这种缺陷的条件。 腰部压下率与腿部压下率之间的比例关系用参数表示： _ ；一“j 傅 ( 1 - 1 8 ) 式中“是腿厚压下率，“是腰厚压下率，冉是断面减少率。 轧件的形状特性系数用s 表示： s = b l 日l b 。，乜，+ “。j ( 1 - 1 9 ) 式中b ，是腿部宽度( 去掉腰厚) ，日是腰部内宽，a ，是腿部断面积，。是腰 部断面积。 产生波浪缺陷的界限 产生拉薄缺陷的界限 = - 05 s + 02 2 = l ( s 一0 1 l 母一0 0 0 5 ( 1 - 2 0 ) ( 1 - 2 1 ) 在上面的各式中，为腰部压下率与腿部压下率之间的关系，s 为轧件的形状 特性系数。公式( 1 2 0 ) 为产生波浪缺陷的界限，公式( 1 - 2 1 ) 为产生拉薄缺陷的 界限。如图1 2 所示，产生拉薄缺陷时的n ：值要大于产生波浪缺陷时的n 值。编 排轧制规程时，分别按照公式( 1 - 1 9 ) 和( 1 - 1 8 ) 计算s n n ，然后看计算后的n 是否在和n ：2 n ，如果不在n 和：之间，则会有缺陷产生，需要重新调整规 程。 东北大学博士学住论文 第1 章绪论 1 1 5 2 中心偏差 糕 瞄 型 尝 葵 漤 腰腿压下率关系系数n 图1 2 腰部波浪产生条件 f i g 1 2 t h eg e n e r a t i n gc o n d i t i o no f w e bb u c k l i n g 中心偏差是指轧件上下腿长之间的差值，即：j = 堕笋，a 和6 为轧件的上、 下腿长，如图1 3 所示。 图1 3 h 型钢中心偏差图示 f i g 1 3 t h e g r a p h i c p r e s e n t a t i o n o f h - b e a m o f f - c e n t e r 中心偏差是h 型钢主要的产品缺陷之一，产生这种缺陷的原因很多，下面分 别加以介绍。 1 坯料尺寸不均造成的中心偏差。开坯孑l 型设计不合理能够造成异型坯上下 腿长不同。以板坯劈分法为例，当进行劈分轧制时，如果轧件在劈分孔中没有完 全对中，那么轧件在该道次就会产生左右不对称的现象，进入异型孔后，就会出 现上下腿长不同的缺陷，该缺陷会一直保留到开坯轧制完成也不会消除。另一方 东北大季博士学位论文宣51 章绪论 匿。来料温度不均，也会造成异型坯上下腿长不同。 2 万能轧机咬入过程中，升降辊道位置不对正，造成中心偏差。轧件在万能 轧机中进行轧制，如果升降辊道位置不对正，轧件会发生咬偏的现象，产生中心 偏差。 3 万能轧机水平辖位置安装不正导致中心偏差。轧制过程中，水平辊因受到 轧制力的作用要产生移动( 沿! f l n 2 j 相反的方向) 。位移量的大小为轧辊和机架的 弹性变形量以及间隙量( 轧机平衡装置没有完全消除的间隙量) 之和。轧辊压靠 日 ，该位移量会被抵消一部分，但不会完全消除。轧制时，轧制力根大( 远大于 轧辊压靠时所受到的轧制力) ，上下水平辊因轧制力的作用产生的位移量的不可能 完全相同。如果上水平辊的位移量与下水平辊的位移量相差很多，那么原本对正 的轧辊就会出现不对正的现象，最终导致轧件产生中心偏差。 中心偏差是h 型钢的主要产品缺陷，很难通过调整轧机的办法完全的加以解 决。随着建筑上对产品质量要求的提高，这种缺陷越来越被人们所重视。日本住 友金届公司的鹿岛制铁所研究出了一种改善中心偏差的方法p ”，具体做法是：先 在l r f 轧机入口处安装一对导辊，然后调整该导辊控制轧件在u f 轧机的咬入位置， 最终通过u f 轧机的 l s t j 来纠正轧件在l r r 轧机上产生的中心偏差缺陷，该方法对 中心偏差能起到一定的改善作用，但效果不是非常明显。日本住友金属公司的铁 锅技术研究所研究出了另外一种【4 j 改善中心偏差的方法。具体做法是：在轧边帆 的两侧分别安装一个立辊，通过轧边机立辊的夹持和水平辊的压下来使轧件的腰 部发生偏移，改善轧件的中心偏差。这种方法对中心偏差纠偏的效果比较明显。 本文对此进行了深入的研究。 1 1 5 3 垂直度 垂直度是指轧件腰部与腿部之间不垂直的程度。轧件在万能轧机中进行轧制 时，很多冷却水落在轧件的上表面无法流出，使得轧件上表面的温度要比下表面 低。上下表面的温差较大时，轧件在冷却过程中上腿就会发生向内收缩的现象 由于该收缩变形为塑性变形，冷却到室温时无法还原，因此在冷却后的成品轧件 上就会出现垂直度缺陷。可以采用两种方法来解决这种缺陷，一种方法是控制轧 件上下表面的温差，即：在轧制过程中对轧件下表面进行喷水冷却，减少轧件 上下表面温度差；另一种方法是轧后矫直【“，利用矫直机来改变轧件的垂直度。 1 1 5 4 弯曲度 弯曲度是指轧件梧纵向发生弯曲的程度，纵向弯曲又分为向两侧弯曲和向上 下弯曲两种。由于温度不均是产生这种缺陷的主要原因，所以调整轧件的冷却形 东北大学博士学位论文 第l 章绪论 _ i _ _ _ i _ _ ii i i _ 式是解决该缺陷的有效方法之一【4 5 1 。 1 1 5 s 横断面性能不均匀性 h 型锅横断面的不同位置处，机械性能各不相同。这一现象在7 0 年代就被发 现和研究 4 ”。中西辉行等认为，腰腿结合部位( 以下简称r 部) 是变形的死区 金属，在断面各位置中轧制温度最高，轧后冷却速度最慢，铁素体晶粒直径在该 部位变得粗大。即使终轧温度各部位相同，由于r 部特有的变形特点和冷却速率， 各部位的铁素体晶粒直径也不相同，所以即使进行控制轧制，这里的材质改善效 果也不明显。因此，他们对万能轧机的水平辊和立辊的形状进行了改进，如图1 4 所示，采用改进的轧制方法可以使轧件r 部在最后的精轧道次获得大的压下，得 到好的机械性能。 异型坯 ( b ) 两桨万能轧机 图1 4 改进h 型钢r 部机械性能的轧制方法 f i g 1 4 t h er o i l i n gm e t h o df o ri m p r o v i n gt h em e c h a n i c a lp r o p e r t y o r t h ef i l l e tp a r to f h - b e a m 1 2h 型钢轧制理论与数值模拟研究的进展 金属成形过程伴随着很大的塑性变形，这种塑性变形既属于材料非线性问题 又属于几何非线性问题，变形机制十分复杂，加上边界条件复杂以及数学上的困 难，人们只能通过采取简化、假设和利用实验、经验数据以及图解、模型等，将 难以精确求解的数学力学问题变为工程实际问题。从而产生了各种近似程度不同， 跫霉# 适用范围不同的近似分析方法，从计算的角度上来讲，主要算法包括初等解析法 盼卅、滑移线法盼5 ”、能量法【5 s - 6 z 、弹塑性有限单元法【6 3 - 7 6 l 和刚塑性有限元法1 7 7 】 等- 很大一部分的金属成形过程是在热状态下加工完成的，热加工过程中的温度 变化情况是研究人员非常关心的问题，有限元法可以很好的对此加以解决。下面 针对一些研究手段作简要叙述。 上世纪7 0 年代初期，r 本的日下部俊【”1 利用有颜色的塑料泥模拟h 型钢在开 坯轧机和万能轧机中的变形情况。做法是，先制作两台模型试验轧机一台为2 辊开坯机，另一台为4 辊万能轧机；找出试验材料和热轧钢件的材料特性、摩擦 系数和变形特性之间的对应关系：然后按照实际生产尺寸缩放模型的尺寸：最终 在模拟轧机上进行轧制。这种研究方法不需要高的技术含量和复杂的设备，测得 的结果也比较全面