一种大规格棒材的轧制工艺设计方法与流程

1.本发明属于大规格棒材的轧制工艺设计与优化技术领域，涉及大棒材生产工艺有限元分析；更具体的，是涉及一种大规格棒材的轧制工艺设计方法。


背景技术：

2.目前，市场上大规格合金棒材大多都是优质合金结构钢，其具有良好的淬透性、较高的抗拉强度、韧性以及疲劳强度等特点，多用于制造油井钻杆用钢等。因此，在生产中应严格控制以保证产品质量；但是，由于近年来钢铁行业市场低迷；就出现了以下的缺点：在轧制工艺的制定上，不能在保证轧件正常咬入，从而使得变形分配不均匀，这样就会出现孔型磨损不均匀、料形尺寸不一致、表面质量不过和轧制负荷分配不均匀等缺点。因此，发展一种大规格棒材的轧制工艺设计方法就很有必要了。


技术实现要素：

3.发明目的：本发明的目的是提供了一种大规格棒材的轧制工艺设计方法，其通过数值模拟在实际轧制前较为准确地预测各道次轧辊在不同轧制阶段的轧制力、轧制力矩和传动力矩，进而确定轧制过程的负荷是否超出轧机的额定负荷，了解连轧过程的堆拉钢关系，为220系列单一孔型轧制过程的工艺设计与优化提供了根据。
4.技术方案：本发明所述的一种大规格棒材的轧制工艺设计方法，具体操作步骤如下：
5.(1)、利用msc.marc有限元仿真软件，对坯型断面为225mm
×
218mm的gcr15钢建立几何模型；
6.(2)、以6机架生产φ126mm、8机架生产φ110mm规格大棒材为例，对钢材进行工艺参数分析；
7.(3)、根据轧件与轧辊接触面的磨损长度，进行轧辊磨损分析。
8.进一步的，在步骤(1)中，所述建立几何模型包括单元网格划分、给定材料特性、给定接触条件、给定初始条件、给定边界条件、给定载荷工况和结果后处理。
9.进一步的，所述单元网格划分的模拟轧件的宽度为112.5mm，高度为109mm，长度为1000mm，共6250个单元网格；
10.所述接触条件定义包括轧件定义为变形体；轧辊定义为刚性体，推板定义为刚性体，轧件与轧辊之间的接触摩擦定义为剪切摩擦。摩擦因子取0.7，接触关系为touching，轧辊传热系数取15kw/m2·
k；
11.所述初始条件定义包括定义轧件的入口温度为1030℃，车间温度定为25℃，轧辊温度定义为100℃；
12.所述边界条件定义包括所述板坯的厚度和长度、所述板坯的压下量、轧制初始加热温度；
13.所述载荷工况定义：在msc.marc有限元仿真软件的main主菜单中找到
preprocessing，单击boundary conditions后，进入载荷工况定义子菜单，进行边界条件和载荷条件的选择，从而得到载荷工况。
14.进一步的，在步骤(2)中，所述工艺参数分析包括各道次轧件变形参数及尺寸参数分析、温度场及应变分析、温度分析和等效应变及尺寸分析。
15.进一步的，在步骤(3)中，所述轧辊磨损分析：是通过轧制过程中轧件与轧辊之间的接触力反映；在轧制时，越接近成品道次，孔型中轧件的等效应变变化趋势越相似，即都在接近孔型槽底处及圆弧段与扩张段相切的部位的等效应力较大。
16.有益效果：本发明与现有技术相比，本发明的优点：(1)、工艺优化后的轧制工艺，道次压下率、道次延伸系数以及道次轧制压力都变得更加均匀；(2)、优化后的轧制工艺，改善了前后机架的堆拉系数，提高了生产过程中的稳定性；(3)、优化后的轧件中心与表面的温差有所降低，轧件断面的温度场分布均匀性得到了改善；与此同时，优化后的轧件等效应力应变的分布均匀性得到了提高，且芯部变形增大，变形的渗透性得到了提高一级芯部压实情况得到了改善；(4)、优化后的轧制工艺使得轧辊的磨损程度得到了一定程度上的改善，提高了轧辊寿命，减少了换辊时间，提高了生产效率。
附图说明
17.图1是本发明的操作流程图；
18.图2是本发明的八连轧热-力耦合模型图；
19.图3是本发明中优化前后每道次轧制力的变化对比图。
具体实施方式
20.下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
21.如图所述，本发明所述的一种大规格棒材的轧制工艺设计方法，具体操作步骤如下：
22.(1)、利用msc.marc有限元仿真软件，对坯型断面为225mm
×
218mm的gcr15钢建立几何模型；
23.(2)、以6机架生产φ126mm、8机架生产φ110mm规格大棒材为例，对钢材进行工艺参数分析；
24.(3)、根据轧件与轧辊接触面的磨损长度，进行轧辊磨损分析。
25.进一步的，在步骤(1)中，所述建立几何模型包括单元网格划分、给定材料特性、给定接触条件、给定初始条件、给定边界条件、给定载荷工况和结果后处理。
26.进一步的，所述单元网格划分的模拟轧件的宽度为112.5mm，高度为109mm，长度为1000mm，共6250个单元网格；
27.所述接触条件定义包括轧件定义为变形体；轧辊定义为刚性体，推板定义为刚性体，轧件与轧辊之间的接触摩擦定义为剪切摩擦。摩擦因子取0.7，接触关系为touching，轧辊传热系数取15kw/m2·
k；
28.所述初始条件定义包括定义轧件的入口温度为1030℃，车间温度定为25℃，轧辊温度定义为100℃；
29.所述边界条件定义包括所述板坯的厚度和长度、所述板坯的压下量、轧制初始加热温度；
30.所述载荷工况定义：在msc.marc有限元仿真软件的main主菜单中找到preprocessing，单击boundary conditions后，进入载荷工况定义子菜单，进行边界条件和载荷条件的选择，从而得到载荷工况。
31.进一步的，在步骤(2)中，所述工艺参数分析包括各道次轧件变形参数及尺寸参数分析、温度场及应变分析、温度分析和等效应变及尺寸分析。
32.进一步的，在步骤(2)中，所述工艺参数分析包括各道次轧件变形参数及尺寸参数分析、温度场及应变分析、温度分析和等效应变及尺寸分析。
33.进一步的，在步骤(3)中，所述轧辊磨损分析：是通过轧制过程中轧件与轧辊之间的接触力反映；在轧制时，越接近成品道次，孔型中轧件的等效应变变化趋势越相似，即都在接近孔型槽底处及圆弧段与扩张段相切的部位的等效应力较大；这就可能增加轧件与轧辊接触面的磨损，导致轧辊表面磨损不均，从而影响产品表面质量和轧辊的使用寿命所以对轧制过程中轧辊磨损进行分析是很有必要的。
34.实施例1
35.轧制时，机架间轧制力的变化可以推断出轧件在机架间堆拉关系的变化；图2是优化前后每道次轧制力的变化；由图2可以看出，精轧工艺在优化后的轧制力变化上，比优化前更加均匀，现针对轧制力变化分析如下：
36.现有精轧工艺轧制时，在第2道次咬入时，第1道次的轧制压力有所下降，因此说明1、2机架之间是拉钢；在第3道次咬入时，第2道次的轧制力也有所下降，因此说明2、3机架之间是拉钢。其他道次情况相同；在末尾的几个道次拉钢的程度有所减弱，尤其是在第8道次咬入时，第7道次的轧制力下降程度很小，因此说明7、8机架之间虽然也是拉钢，但拉钢程度很小；综上所述，这说明在φ110mm系列规格大棒材的轧制中，在一定程度上是张力轧制，堆拉关系总体保持的比较良好。
37.表1 φ110mm规格大棒材优化前计算与模拟的轧制力与轧制力矩
[0038][0039]
由表1可知，设计的孔型的生产线中计算与模拟得到的轧制力和轧制力矩差值不大，基本误差都在10％以下，所以结果还是比较可靠的；但是已知现有的6、7、8架轧机设计的可承受的最大轧制力矩分别为：198kn
·
m、158.7kn
·
m和126kn
·
m，与表1中新设计孔型后得到的轧制力矩比较，可得重新设计孔型后轧机提高负载能力的效果还是不错的，其中，
第7、8架轧机通过平均理论计算和有限元模拟计算出的最大负载依次为：144kn
·
m、105kn
·
m，其负载能力已接近最大设计值，而第6架轧机的现最大负载为127kn
·
m，其可承受最大轧制力矩为：198kn
·
m，还可以有提高近20％的负载能力。
[0040]
针对于第六架轧机出现的轧制力矩相对于最大负载偏小的现象可在图3轧制力曲线中可以得到验证；在图中，第六架轧机的轧制力明显小于第七架轧机的轧制力，只是略大于第八架轧机的轧制力，这是第六架轧机负载能力偏小的主要原因；这个原因明显是由于6、7、8各道次轧机载荷分配不均导致的。这里的建议是重新设计第6架轧机的孔型尺寸，以增大第6架轧机的压下量的方式来提高负载，从而进一步优化6、8架轧机的孔型来平均分配负载，使6、7、8架轧机的负载更加的平均。这也有利于提高轧机生产工作的稳定性。
[0041]
表2 φ110mm规格大棒材优化后计算与模拟的轧制力与轧制力矩
[0042][0043][0044]
由表2可知，增大负载后新设计的孔型的生产线中计算与模拟得到的轧制力和轧制力矩差值不大，基本误差都在10％以下，所以结果还是比较可靠的；已知现有的6、7、8架轧机最大可承受的轧制力矩分别为：198kn
·
m、158.7kn
·
m和126kn
·
m；与表1中新设计孔型后得到的轧制力矩比较，可得重新设计孔型后轧机提高负载能力的效果良好；其中，6、7、8架轧机的通过平均理论计算和有限元模拟得出的最大负载依次是：197.97kn
·
m、142kn
·
m、122.56kn
·
m，其负载能力均已接近最大设计值。
[0045]
本发明对轧制过程力能参数进行数值模拟，对大规格棒材的轧制工艺进行优化；优化后的轧制工艺，道次压下率、道次延伸系数以及道次轧制压力都变得更加均匀；优化后的轧制工艺，改善了前后机架的堆拉系数，提高了生产过程中的稳定性；与此同时，优化后的轧件等效应力应变的分布均匀性得到了提高，且芯部变形增大，变形的渗透性得到了提高一级芯部压实情况得到了改善；优化后的轧制工艺使得轧辊的磨损程度得到了一定程度上的改善，提高了轧辊寿命，减少了换辊时间，提高了生产效率。
[0046]
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。