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1、2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会 2007年5月 沈阳 428 精轧前立辊压下量对轧件边部应力影响的研究 * 喻海良 1, 刘相华1, 陈礼清1, 李长生1，时立军2 (1.轧制技术及连轧自动化国家重点实验室(东北大学), 沈阳 110004； 2.天津三星电子显示器有限公司，应用开发部，天津) 摘要摘要: 采用有限元方法和几何更新方法对不锈钢粗轧过程变形行为进行模拟，得出精轧前轧件的截面尺寸，然后，采 用截面延伸的方法建立轧件模型，对其精轧立-平轧制过程变形行为进行了模拟，分析了精轧前立辊压下量对轧制过 程中轧件边部应力的影响。研究结果表明：当立轧压下量为 0-2 mm 之间时，
2、随着压下量的增加，立轧过程中轧件角 部金属压应力显著增加，同时平轧过程中轧件承受拉应力时间减少；当立轧压下量为 2-5 mm 时，立轧过程轧件角部 金属承受压应力几乎没有变化，然而平轧结束后，随着立辊压下量的增加，轧件角部压应力减少。 关键词关键词: 立轧压下量；裂纹；有限元 Research on Effect of Edge Roll Reduction on Plate-edge Stress before Finish Rolling YU Hailiang, LIU Xianghua, CHEN Liqing, LI Changsheng,Shi Lijiu （1.The State
3、 Key Laboratory of Rolling and Automation, Northeastern University, Shenyang 110004； 2. Tian jin Samsung electronics display Co.ltd R and D centre） Abstract: Slab dimensions before finish rolling were obtained through analysis of the rough rolling processes of one kind of stainless steel by FEM and
4、updated geometrical method, with which the FEM models of finish rolling process with edge roll was established, and influences of the reduction of edge roll on stress change regularity in slab edge was analyzed. Results showed: the reduction of edge rolling increased from 0 mm to 2 mm, the compressi
5、ve stress in slab corner clearly increased in edge rolling, and the zone of tensile stress during whole rolling process decreased; the reduction of edge rolling increased from 2 mm to 5 mm, the compressive stress in slab corner seldom changed, and the compressive stress decreased after horizontal ro
6、lling. Key words: reduction of edge rolling；crack；FEM 1 前言 不锈钢板带热轧过程中，由于轧件内部存在夹杂物等原因，轧件可能出现边裂1。采用现有轧 制条件，通过改进轧制工艺，减少轧件边裂具有重要的意义。立-平轧制是一种重要的轧制工艺，其 主要用来对轧件尺寸进行调宽和平面形状控制。人们广泛采用有限元方法对立-平辊轧制过程的进行 研究。 Huisman 等2使用弹塑性有限元方法研究了轧辊半径对轧件轧边时变形行为的影响； Nikaido3 采用刚塑性有限元方法分析了狗骨材的平展问题；刘慧4等利用显式动力学有限元方法分析了立辊 形状对板坯断面形状的
7、影响；熊尚武5,6等开发了三维刚塑性有限元程序，对立平轧制过程中轧件不 稳定状态下轧制问题和宽展率问题进行了研究；作者7,8结合显式动力学有限元方法和几何更新方法 对多道次立-平轧制过程中进行了模拟，分析了孔型立辊内倒角半径对轧件头尾形状的影响。并且作 者9对立-平轧制过程中轧件角部横向裂纹的扩展与闭合行为进行了分析。上述研究成果均是在立辊 大压下的情况下进行分析研究的。然而，精轧前立辊对轧件的压下量较小，对于精轧前立辊对减少 *基金项目：国家自然科学基金重点项目，项目编号：50534020；国家 973 项目，项目编号：2006CB605208-1 2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨
8、会 2007年5月 沈阳 429 轧件边部横向裂纹的影响，尚缺乏详细的分析。 本文利用显式动力学有限元方法和几何模型更新方法对某不锈钢粗轧和精轧前立辊和第一机架 轧制过程轧件的变形行为进行了模拟， 分析了精轧前立辊压下量对轧件边部应力分布和变化的影响， 并讨论了精轧前立辊压下量对减少不锈钢精轧过程轧件边裂的影响。 2 有限元模型建立 2.1 轧制条件和参数 对轧件粗轧后精轧立辊和第一机架轧制过程进行了模拟。其中立辊直径为 630 mm，水平辊直径 为 825 mm。轧制前轧件截面形状采用有限元方法和几何模型更新方法对粗轧 5 道次过程分析求得， 其中粗轧前轧件尺寸为 1 250200 mm，粗
9、轧后轧件厚度为 40 mm。分析过程中，轧辊采用刚性材 料模型，轧件采用双线性加工硬化材料模型。轧制过程中立轧压下量分别为 0 mm（方案 1） 、1 mm （方案 2） 、 2 mm （方案 3） 、 3 mm （方案 4） 、 4 mm （方案 5） 、 5 mm （方案 6） ， 平轧压下量为 21 mm。 轧制分析过程中，其它轧制条件和材料参数如表 1 所示。整个模拟过程流程如图 1 所示。 表 1 主要参数和轧制条件 Table 1 Main parameters and rolling conditions 参数值 摩擦系数0.35 轧制速度, m/s0.8 弹性模量, GPa21
10、0 泊松比0.3 轧辊 密度, kg/m37850 弹性模量, GPa117 泊松比0.36 密度, kg/m37850 轧件 变形抗力, MPa120 图 1 模拟流程图 Fig. 1 Simulation flaw chart 2.2 有限元模型 建立单道次粗轧模型 开始 I=1 I=I1 修改轧制条件，建立下 一道次轧制模型 提取轧件中部截面形状（切头尾） 建立精轧立平轧制过程模型 求解立平轧制过程轧件变形行为 分析轧制过程轧件角部应力情况 结束 求解轧件变形行为 几何模型更新 N Y 改变立轧压下量 J=1 J=J1 N Y JM IN 2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会 2
11、007年5月 沈阳 430 由于粗轧过程中轧件头尾容易出现轧叠（如图 2.a 所示为粗轧结束后轧件头部形状） ，同时考虑 到轧制过程的对称性，采用二分之一轧制模型进行有限元分析。粗轧结束后，轧件将进行切头切尾， 所以精轧过程轧件几何模型由粗轧后轧件中部截面延伸求得。整个轧制模型采用 6 面体 8 节点单元 进行划分，由于轧件边部变形较大，对轧件边部单元进行细化。最后轧制模型网格划分如图 2.b 所 示。轧件对称面上所有节点进行约束，UZ=0。轧制过程中，轧辊以恒定的轧制速度进行转动，轧件 以一定的初速度送入轧辊。 图 2 轧制模型及网格划分 Fig. 2 Meshing and rolling
12、 models 3 计算结果与分析 图 3 所示为当立轧压下量为 5mm 时，轧制过程中轧件上X分布等值面，其中（a）为立轧过程 中， （b）为平轧过程中。从图上可以看出，立轧过程中轧件上应力分布主要影响轧件的边部，轧制 变形区内轧件上应力分布主要为压应力，然而，平轧过程中，轧件边部存在着一定的拉应力。不过 相对轧件变形抗力而言，拉应力较小。 图 3 轧制过程轧件 X分布 Fig. 3 X distribution on slab during rolling, (a) edge rolling, (b) horizontal rolling 由于轧件角部金属为不连续面和冷却速度不均匀等原因，
13、轧件角部容易产生裂纹源。为了很好 地分析立辊压下量对轧制过程控制轧件边部裂纹的影响，取轧件边部上的 2 点（如图 4 所示） ，建立 轧制过程中轧件边部X与轧制时间的关系，分析立轧压下量对轧件边部应力的影响。 （a） （b） 2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会 2007年5月 沈阳 431 图 4 轧件上取点 Fig. 4 Points in slab 图 5 所示为轧制过程中轧件上各位置的应力X变化曲线，其中（a）为第 1 点， （b）为第 2 点。 立轧过程中， 当立轧压下量从 0 mm 增加至 2 mm 时， 轧件角部压应力显著增加， 从 2 mm 增加至 5 mm 时，轧件压
14、应力几乎未发生变化；平轧过程中，此处金属逐渐承受着拉应力，五种情况下轧件角部 金属承受的最大拉应力值几乎相同。平轧结束后，拉应力逐渐降低而重新出现压应力。 012345 -150 -100 -50 0 50 100 Stress along X direction, MPa Time, s 0mm 1mm 2mm 3mm 4mm 5mm (a) 012345 -100 -50 0 50 100 Stress along X direction, MPa Time, s 0mm 1mm 2mm 3mm 4mm 5mm (b) 图 5 轧制过程中轧件边部金属应力变化 Fig. 5 Slab edg
15、e metal stress change regularity during rolling process，(a) Position 1；(b) Position 2 轧制过程中随着立轧压下量的增加，轧件边部逐渐形成狗骨形状。对于本次模拟实验中立轧后 轧件的狗骨形状如图 6 所示。由于立轧过程压下量比较小，在轧件边部形成的狗骨较小，从图中可 以看出，当立辊压下量在 0-2 mm 时，轧件变形主要集中在边部减薄区域，几乎没有形成狗骨；当立 轧压下量在 3-5 mm 时，轧件边部减薄区域消失，同时，在轧件边部形成“狗骨”形状，与此同时， 几种轧制条件下轧件的影响区长度几乎相同，只是随着立轧压下
16、量的增加，轧制狗骨高度增加。文 献10中分析了狗骨形状对轧件角部应力的影响， 得出狗骨高度对平轧过程中轧件角部金属沿轧向应 力分布的影响较小，因而，当立轧压下量使板材边部减薄区域消除后，轧制过程中，轧件角部拉应 力的变化较小。因而，过多地增加精轧立辊压下量，对轧件边部控制并没有太多的益处。相反，如 图 7 所示，随着立轧压下量的增加，立轧过程轧制力显著增加。由于板带轧制过程中轧件宽厚比较 大，根据弹性梁挠曲准则，随着立轧轧制力的增加，而使轧件出现失稳，造成轧制不稳定。 1 2 轧制方向 截面 2007年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会 2007年5月 沈阳 432 图 6 轧件边部狗骨形状
17、图 7 立轧轧制力 Fig. 6 Dog-bone in plate Fig. 7 Rolling force in vertical rolling 由于不锈钢边部存在着一定的夹杂和微裂纹，使得热轧过程中，裂纹扩展而形成宏观的边裂和 纵裂1。精轧前采用立辊对轧件边部进行轧制，轧件边部应力分布如图 3.a 所示，承受着较大的压应 力，这使得轧件边部裂纹源得到一定程度的愈合，从而使得随后的连轧过程中，轧件边裂行为减少。 关于轧件边部微裂纹愈合程度与立辊压下量之间的关系，有待进一步的深入研究和探讨。 4 结论 本文对精轧立-平轧制过程进行了三维有限元分析，分析了立轧压下量对轧件边部应力分布的 影响
18、，得出： (1) 当立轧压下量为 0-2 mm 之间时， 随着压下量的增加， 立轧过程中轧件角部金属压应力显著增加， 同时平轧过程中轧件承受拉应力时间减少。 当立轧压下量为 2-5 mm 时， 立轧过程轧件角部金属 承受压应力几乎没有变化，然而平轧结束后，随着轧制压下量的增加，轧件角部压应力减少。 (2) 随着精轧立辊压下量的增加，轧件边部减薄区域逐渐消失而形成小的狗骨形状，随着立轧压下 量的增加，狗骨影响区长度变化较小，而狗骨高度增加，是轧制过程中轧件角部应力变化的主 要原因。 参考文献 1 季志雷，施荣华. 不锈钢连铸坯热连轧严重裂边的成因研究.宝钢技术, 2000, 1: 20-27.
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20、n. Soc. Technol. Plasticity, 1984, 277(25): 129-135. 4 刘慧, 高彩茹, 王国栋, 等. 立辊形状对板坯断面形状的影响J. 塑性工程学报, 2003, 10(5): 86-88. 5 S. Xiong, X. Liu, G. Wang, et al. A three-dimensional finite element simulation of the vertical-horizontal rolling process in the width reduction of slabJ. J. Mater. Process. Techno
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