h型钢轧件热分析的三维有限元分析

h型钢轧件热分析的三维有限元分析

0h型钢开坯制备过程中的热分析h型广泛应用于工业、建筑等领域。这是一种经济和实用性的材料。H型钢断面结构较复杂,在开坯轧制过程中变形非常大,使得轧制过程中的金属流动和温度分布非常不均匀,同时其复杂的断面也使得型钢在轧制过程中的冷却变得复杂。金属流动和温度分布等多种因素的影响,以及工件内部的温度、应变、应变率和流动应力的相互影响,进一步影响了H型钢变形后金属的微观组织及其力学性能。许多人对H型钢的轧制过程进行了仿真分析,其中,奚铁等、曹杰等借助有限元分析软件SuperForm对H型钢开坯轧制及万能轧制过程进行了模拟;罗双庆等借助有限元软件Marc完成了H型钢开坯过程中单道次的热力耦合仿真分析,研究了金属流动规律;徐旭东等利用有限元分析方法对H型钢轧制及轧后冷却过程进行了二维温度场的模拟,同时采用显式动力学有限元分析的方法模拟了不同变形参数下H型钢的万能轧制过程。本文针对某规格H型钢产品的多道次往复开坯轧制进行三维弹塑性热力耦合仿真分析,深入分析了轧制过程中轧件变形和温度场的分布情况,为进一步深入研究H型钢的轧制过程提供参考依据。1压延工艺、模拟方案和计算方法1.1工艺流程简单近终形连铸异物坯本文论及的产品规格为HN600mm×200mm(窄翼缘H型钢,高×宽),该产品采用近终形连铸异型坯,工艺流程中的主要部分如图1所示。开坯轧制采用异型孔平轧和箱型孔立轧相结合的方法,其中异型孔两个,箱型孔一个,BD(开坯)轧机轧辊及轧件简图见图2,轧制规程见表1。1.2开坯轧件仿真模型计算过程中为缩短求解时间而减少了单元量,根据H型钢的对称性进行模型的1/4简化,同时在轧件长度方向进行相应的简化处理,即缩短轧件长度至满足稳定轧制阶段的要求,本文轧件长度定为600mm,模型的简化及网格见图3。这样,仿真分析的时间设定需要进行相应的调整,本文按照如下原则设定求解时间:①各道次轧制过程仿真分析设定的物理时间需满足轧件可以完全抛出的要求;②间隙空冷仿真分析的物理时间为前后两道次实际轧制时间之和的1/2减去轧制过程仿真分析设定的物理时间,再加上实际间隙时间。轧件采用八节点六面体单元进行离散,轧辊采用四边形单元进行离散,仿真模型信息见表2。通过一次性仿真较难实现对多道次往复轧制的分析,且开坯轧制时间较长,预想一次性完成整个轧制过程的仿真分析,求解时间无法忍受。在此,笔者根据轧制规程表将整个开坯过程按照轧制道次分成多个计算模块,在整个计算过程中,每一个计算模块的求解结果作为下一道次求解模块的初始条件。在仿真过程中不考虑各道次的残余应力。坯料出加热炉后至BD轧机前可分为三个模块,即出加热炉至除鳞、高压水除鳞、除鳞后至BD轧机前。开坯轧制部分的计算模块见表3。本文采用热力耦合分析方法进行仿真,轧件钢种为低碳钢,采用温度相关材料模型。假定坯料出炉温度为1200℃,经除鳞后进入BD轧机,完成7道次往复开坯轧制。在此计算过程中,假设除鳞时间为0.5s,除鳞过程中的传热系数为4.5kW/(m2·K),轧制变形过程中塑性功转换为热的有效系数设定为0.9;轧辊采用刚性辊,假设轧辊温度恒定为300℃。轧辊与轧件之间的热交换主要以热传导的形式进行,在此假定传热系数为50kW/(m2·K)。高温下的轧件存在辐射和对流,在此选择轧件模型的表面进行相关边界条件的设定。本文的仿真分析过程中,全局坐标系下的Z方向为轧制方向,Y方向为压下方向。1.3耦合时间增量的计算在轧制过程热力耦合仿真分析中,采用显式时间积分算法进行结构计算,采用隐式时间积分算法进行温度计算。由于隐式算法是无条件稳定的,在一个耦合的时间增量Δt内,根据温度计算的时间步长可以较根据结构计算的时间步长更大,这样,在时间增量Δt内的结构增量步数和温度增量步数就不相同。经过若干耦合时间增量的计算之后,得到该道次最终的计算结果。热力耦合计算流程见图4。2模拟结果和分析2.1制阶段仿真结果由于计算模块较多,在此提取BD4R、BD7R两个计算模块稳定轧制阶段的仿真结果,如图5、图6所示。可以看出:在开坯轧制过程中,腹板部位出现了“舌头”现象,同时轧件头部的翼缘部位出现了“燕尾”现象;在开坯轧制过程中,腹板减薄较大,而翼缘厚度有所增大。2.2轧件断面温度分布在此仅提取BD4R、BD4C和BD7R、BD7C模块的温度仿真结果(图7、图8),其中间隙时间(BD4C、BD7C)的仿真结果通过不选择中间多层单元的方法以轧件断开的方式(便于观察轧件心部温度分布)显示。可以看出,轧件的边角部位温降很大,主要是因为这些部位的表面体积比较大,散热较快,导致温度下降较快。由图8可以看出:轧件断面温度分布不均,其中轧件心部温度始终保持较高水平;稳定轧制阶段轧件表面温度亦分布不均匀,其中翼缘端部表面温度较低,而腰腿连接部位表面温度较高;同时通过图8b可看出翼缘中心外侧温度相对较高。2.3轧件各部位的温度变化为深入研究整个开坯轧制过程中轧件各部位温度的变化规律,笔者沿轧件长度方向提取中间截面上的关键点(图9)进行温度跟踪分析,提取温度仿真结果,将各点温度随时间的变化作曲线,如图10所示。通过对关键点温度变化进行跟踪,可以看出:轧件各部位关键点的温度随轧制过程时间的增加均呈现下降的趋势;在除鳞过程中以及与轧辊产生接触的过程中,轧件表面部位关键点的温度急剧下降;而轧件心部关键点在轧制过程中温度出现一定的升高,这主要是塑性功转化为热的原因;另外,通过图10c可以看出,腰腿连接部位(R角部位)内部关键点在开坯过程的某几个道次出现温度升高的现象,这是因为该部位相对厚度大,散热困难,同时变形剧烈。通过图8、图10可以看出,开坯轧制后,稳定轧制阶段轧件断面温差在200K左右。3仿真结果对比分析利用热像仪对生产过程中的轧件温度(包括各开坯道次的入口与出口温度)进行现场测量。开坯轧制最后道次出口后的温度测试结果如图11所示,图中SP01～SP05表示点的编号。为便于将计算结果与现场测试结果进行对比,沿翼缘外侧和轧槽内侧分别画线(图11中LI01和LI02两条线),提取对应温度,同时提取最后道次沿轧件长度方向中间部位表面的节点的温度仿真结果,按照相应的坐标位置进行对称后作曲线,如图12所示。可以看出:翼缘外侧表面温度分布不均,其中翼缘外侧中心部位温度最高,为1300K左右,而端部温度最低,其温差在80K左右;而轧槽内部表面温度分布亦不均匀,其中腰腿连接部位的温度最高,在1350K左右,与腹板中心表面温度的差值在80K左右。4u3000热传导(1)轧件表面裸露在空气环境中,经过除鳞及七道次往复轧制,轧件表面温度首先降低,边角部位的温降最大,而在变形区内,由于轧辊温度很低,和轧辊相接触的轧件表面因为接触热传导的原因,在接触时间内剧烈