合金鋼棒材軋制的平均軋輥半徑計算模型
李松松，李偉，岳恒全，高甜，王海軍，于輝
(燕山大學機械工程學院， 河北 秦皇島 066004)
摘要：在合金鋼棒材生產(chǎn)中，軋制過程中橢圓與圓孔型對棒材成品的尺寸精度及質量缺陷起決定性作用，在計算軋制工藝規(guī)程時一般用平均軋輥半徑等效代替軋槽輪廓變化的軋輥半徑，因此,平均軋輥半徑計算模型的可靠程度對軋制工藝(軋制速度、壓下量、軋制力等)的合理選取和產(chǎn)品幾何尺寸精度的提升具有重要作用。在現(xiàn)有平均軋輥半徑模型基礎上，考慮不同合金鋼種寬展影響，利用孔型軋制表面輪廓預測模型推導得出變形軋件斷面形狀與軋制臨界點的求解公式，提出了用出口軋件斷面面積與臨界平均寬度來計算等效矩形平均高度的方法，得到了橢圓與圓孔型平均軋輥半徑的新計算模型，并進行了軋制試驗驗證。試驗結果表明，與現(xiàn)有模型相比，新計算模型在一定程度上提高了平均軋輥半徑的計算精度。同時，基于合金成分影響系數(shù)探究了不同合金鋼種軋制變形后的臨界點分布對應關系。考慮到孔型側壁直線的存在，對圓孔型軋制接觸狀態(tài)進行了階段劃分，當合金成分系數(shù)較小(碳結鋼與珠光體-馬氏體鋼)時，軋制臨界點落于圓弧軋槽上，所有計算模型均有效；當合金成分系數(shù)超過1.33(奧氏體鋼與鐵素體鋼)時，軋制臨界點擴展至側壁直線上，原有計算模型失效，軋制工藝參數(shù)由新計算模型求解。基于新模型的合金鋼種軋制臨界分布對棒材軋制鋼種變換工藝參數(shù)的快速制定具有重要指導意義。
關鍵詞：合金鋼； 棒材軋制； 平均軋輥半徑； 臨界點； 等效矩形
1 引言
作為鋼鐵工業(yè)重要的軋制產(chǎn)品，棒線材廣泛應用于交通運輸、石油化工、電力設備及機械制造等領域。目前合金鋼棒材生產(chǎn)逐漸向多品種、變批量的方向發(fā)展，日益提高的成品尺寸公差精度對孔型設計與軋制變形控制提出了更高要求。箱-橢圓-圓孔型順序連軋工藝廣泛應用于合金鋼棒材生產(chǎn)中，研究表明，箱形孔作為延伸孔型主要用于減小軋件斷面面積，而橢圓與圓孔型對棒材成品的尺寸精度及折疊、耳子等質量缺陷起決定性作用。在橢圓、圓孔型軋制過程中，軋制變形區(qū)中沿軋輥軸線方向的軋輥半徑不是常量，這導致軋輥不同部位的線速度會發(fā)生變化。在計算棒材軋制工藝規(guī)程(軋制力、軋制力矩、軋制速度等)時，一般用平均軋輥半徑等效代替軋槽輪廓變化的軋輥半徑，因此，精確的平均軋輥半徑計算模型是合理確定軋制工藝規(guī)程的關鍵因素之一。
Wusatowski Z提出了一種在保持軋件斷面面積不變的情況下，以直線橫截面代替曲線截面的平均軋輥半徑計算模型，但該模型沒有考慮出口軋件與軋槽之間的接觸狀態(tài)，且在求解時需已知出口變形軋件的斷面面積與最大寬展。Saito Y等采用入口軋件形狀與軋輥孔型輪廓及輥縫來確定平均軋輥半徑，沒有考慮軋件在孔型中的橫向流動。Lee Y等參考了板帶軋制工藝，將板帶軋制中的軋制速度概念轉換至孔型軋制過程來求解平均軋輥半徑，但此模型在求解過程中需要對眾多參數(shù)進行確定和計算，使其在應用中受到極大的限制。DONG Yong-gang等提出利用變形軋件與孔型輪廓相交的可用接觸面積來計算平均軋輥半徑，沒有考慮變形軋件自由端面積對平均軋輥半徑計算精度、鋼種變換時的寬展變化與孔型側壁對軋件斷面面積的影響。綜上所述，現(xiàn)有模型在理論或幾何模型計算上的缺陷會對平均軋輥半徑的計算精度產(chǎn)生影響，需對其進行進一步優(yōu)化。
本文針對現(xiàn)有模型求解時存在的問題，考慮了合金鋼棒材軋制過程中鋼種變換時寬展變化的影響，對變形軋件形狀輪廓及軋制臨界點進行了精確預測，以出口軋件斷面與臨界平均寬度作為等效矩形相關參數(shù)，對平均軋輥半徑進行修正計算并進行軋制試驗驗證；同時以新計算模型與試驗軋輥孔型為基礎，依據(jù)軋制寬展合金成分影響系數(shù)，探究了不同合金鋼種軋制臨界點的分布狀況，研究結果可為軋制工藝參數(shù)的制定提供理論指導。
2 精選圖表
3 結論
本文在現(xiàn)有模型基礎上，考慮到合金鋼種寬展與孔型側壁對軋制工藝參數(shù)計算的影響，提出了新的軋件截面等效矩形的求解方法，并給出了平均軋輥半徑計算模型，通過與現(xiàn)有模型計算結果及軋制試驗值的比較，得出以下結論。
(1)與現(xiàn)有模型相比，新模型采用變形軋件斷面作為等效矩形面積，對軋件自由端部分等效計算獲得平均寬度，最終求解得出平均軋輥半徑。與試驗結果相比，新計算模型比現(xiàn)有計算模型的精度更高。
(2)在實際軋制過程中，考慮到寬展變化與孔型側壁對平均軋輥半徑計算精度的影響，新計算模型對圓孔型軋制接觸狀態(tài)進行分階段處理，試驗證明此種計算方法更加合理。
(3)在圓孔型軋制中，碳素結構鋼與珠光體-馬氏體鋼軋制臨界點分布于圓弧軋槽(合金成分影響系數(shù)小于1.33)，奧氏體鋼與鐵素體鋼臨界點擴展至孔型側壁直線(合金成分影響系數(shù)大于1.33)，軋制工藝參數(shù)由新計算模型求解?；谛履Ｐ偷暮辖痄摲N軋制臨界分布，對棒材軋制換鋼后工藝參數(shù)的快速制定具有重要指導意義。
