康永林¹，朱國(guó)明¹，汪水澤²，陶功明³，張思勛⁴

（1．北京科技大學(xué)材料學(xué)院，北京　100083；2．武鋼研究院，湖北　武漢　400080；3．攀鋼集團(tuán)攀枝花鋼釩有限公司軌梁廠，四川　攀枝花　617062；4．山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司，山東　萊蕪　271105）

摘　要：在分析鋼鐵材料熱軋過(guò)程特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了數(shù)字化熱軋系統(tǒng)的構(gòu)成框圖、板帶熱軋過(guò)程數(shù)值模擬平臺(tái)和型鋼軋制數(shù)字化系統(tǒng)的基本架構(gòu)。針對(duì)我國(guó)某熱連軋生產(chǎn)線典型低合金高強(qiáng)鋼Q345B鋼的實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程，對(duì)粗軋、精軋及軋后冷卻殘余應(yīng)力形成的全過(guò)程進(jìn)行了模擬分析和組織轉(zhuǎn)變模擬預(yù)測(cè)，給出了數(shù)字化技術(shù)在百米重軌產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)及尺寸精度控制中的應(yīng)用以及在復(fù)雜斷面型鋼產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中應(yīng)用的實(shí)例。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化技術(shù)；軋制；板帶；型鋼

1　前言

最近，美國(guó)麥肯錫公司咨詢(xún)顧問(wèn)Brian Harrmann和芝加哥UI實(shí)驗(yàn)室數(shù)字化制造與設(shè)計(jì)創(chuàng)新研究院首席技術(shù)官King William P等指出：數(shù)字化制造技術(shù)將會(huì)改變產(chǎn)業(yè)鏈（從研發(fā)、供應(yīng)鏈、工廠運(yùn)營(yíng)到營(yíng)銷(xiāo)、銷(xiāo)售和服務(wù)）的每個(gè)環(huán)節(jié)。在未來(lái)10年里，數(shù)字化制造技術(shù)將會(huì)使企業(yè)通過(guò)“數(shù)字線”連接實(shí)物資產(chǎn)，促進(jìn)數(shù)據(jù)在產(chǎn)業(yè)鏈上的無(wú)縫流動(dòng)，鏈接產(chǎn)品生命周期的每個(gè)階段，即從設(shè)計(jì)、采購(gòu)、測(cè)試、生產(chǎn)到配送、銷(xiāo)售和使用^［1］。還有學(xué)者指出：當(dāng)前，材料表征、建模和仿真，以及數(shù)據(jù)分析活動(dòng)日趨活躍。為了發(fā)揮先進(jìn)材料制造的潛力，需要給予這些新興能力源源不斷的支持^［2］。在德國(guó)的“工業(yè)4.0”計(jì)劃和中國(guó)的“中國(guó)制造2025”中，都對(duì)數(shù)字化技術(shù)給予了充分的重視。

實(shí)際上，近年來(lái)，在國(guó)內(nèi)外冶金材料加工制造領(lǐng)域，材料數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)、數(shù)字化平臺(tái)建設(shè)、數(shù)值模擬分析、材料組織性能預(yù)報(bào)、成形加工工藝分析優(yōu)化等與數(shù)字化相關(guān)的研究與應(yīng)用一直受到重視，許多學(xué)者、研究人員和工程技術(shù)人員應(yīng)用建模仿真、數(shù)值模擬、數(shù)據(jù)分析等技術(shù)在軋制新產(chǎn)品、新工藝、新技術(shù)開(kāi)發(fā)方面做了大量工作并取得了顯著的成效。本文僅就數(shù)字化技術(shù)在板帶及型鋼軋制中應(yīng)用的部分進(jìn)展進(jìn)行分析討論，供有關(guān)專(zhuān)家學(xué)者參考。

2　數(shù)字化軋制系統(tǒng)的構(gòu)成框架

眾所周知，鋼鐵材料的熱軋過(guò)程從坯料加熱到最終軋制成材，需經(jīng)過(guò)多道次復(fù)雜的塑性變形過(guò)程，最終軋件的組織性能、尺寸形狀精度、表面及內(nèi)部質(zhì)量，不僅與材料成分、組織轉(zhuǎn)變有關(guān)，也與全軋程的工藝控制過(guò)程密切相關(guān)?？梢哉f(shuō)，鋼鐵材料的多道次軋制過(guò)程是一個(gè)涉及到材料在不同狀態(tài)、不同變形工藝條件、多臺(tái)套軋制設(shè)備與多級(jí)控制系統(tǒng)綜合作用下的、涉及到多學(xué)科、海量信息數(shù)據(jù)的復(fù)雜的系統(tǒng)工程。

因此，針對(duì)各種工程所需要的鋼材組織性能與尺寸形狀，為了高效地設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)各類(lèi)高質(zhì)量鋼材，僅僅依靠傳統(tǒng)的反復(fù)試驗(yàn)—試軋—修正的經(jīng)驗(yàn)技術(shù)方法已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，需要建立和應(yīng)用現(xiàn)代化的數(shù)字化、智能化的軋制工藝設(shè)計(jì)、分析評(píng)價(jià)、綜合優(yōu)化的系統(tǒng)。圖1為數(shù)字化軋制系統(tǒng)的構(gòu)成框架圖，其中，材料數(shù)據(jù)庫(kù)、組織模型庫(kù)、工藝模型庫(kù)及設(shè)備數(shù)據(jù)與模型庫(kù)是基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)目標(biāo)鋼材產(chǎn)品進(jìn)行初步工藝設(shè)計(jì)與規(guī)劃，通過(guò)數(shù)字化建模及邊界條件處理、全軋程三維熱力耦合數(shù)值模擬分析、工藝與組織性能分析，并進(jìn)一步進(jìn)行全軋程的數(shù)字化、智能化工藝評(píng)價(jià)與優(yōu)化，最終形成全軋程材料—工藝—設(shè)備—控制一體化的數(shù)字化軋制系統(tǒng)。

3　板帶材軋制數(shù)字化分析及應(yīng)用

3.1　板帶熱軋過(guò)程數(shù)值模擬平臺(tái)的基本架構(gòu)

汪水澤等采用三維熱力耦合有限元方法，結(jié)合常規(guī)熱連軋生產(chǎn)線現(xiàn)場(chǎng)主要設(shè)備能力參數(shù)、PDI數(shù)據(jù)、軋制規(guī)程、控制冷卻條件等軋制工藝參數(shù)，建立了針對(duì)熱軋板帶的數(shù)值模擬平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)熱軋板帶全軋程三維熱力耦合仿真分析、彈性輥軋制過(guò)程仿真分析。模擬平臺(tái)的基本架構(gòu)如圖2所示，以LSDYNA為后臺(tái)計(jì)算模塊，在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)材料庫(kù)、模型庫(kù)以及相關(guān)工藝參數(shù)的輸入平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)GUI界面與后臺(tái)計(jì)算模塊的數(shù)據(jù)傳遞。結(jié)合計(jì)算機(jī)編程技術(shù)與有限元數(shù)值模擬技術(shù)，開(kāi)發(fā)板帶熱軋全過(guò)程數(shù)值模擬平臺(tái)，具體包括除鱗、定寬壓力機(jī)、粗軋、精軋、層流冷卻等關(guān)鍵工序的模擬計(jì)算模塊以及彈性輥軋制模擬計(jì)算模塊，具備實(shí)現(xiàn)板帶熱軋全過(guò)程數(shù)值模擬分析的能力^［3］。

3.2　板帶全軋程數(shù)值模擬分析

針對(duì)我國(guó)某2250mm熱連軋生產(chǎn)線典型低合金高強(qiáng)鋼Q345B的實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程，進(jìn)行了全過(guò)程模擬分析。板坯尺寸為230mm×1　875mm×8665mm，成品厚度為12.0mm，加熱溫度為1250℃，粗軋除鱗時(shí)間為4s，除鱗返紅時(shí)間為10s；定寬壓力機(jī)的單邊壓下量為35mm，定寬壓力機(jī)到R1間隙時(shí)間10s；粗軋出口到精軋前高壓水除鱗機(jī)時(shí)間為30s，高壓水除鱗時(shí)間4s，返紅時(shí)間5s。板帶熱軋全過(guò)程軋制道次多達(dá)15道次，通過(guò)一次性數(shù)值模擬較難實(shí)現(xiàn)，并且軋制時(shí)間較長(zhǎng)，若一次性完成整個(gè)軋制過(guò)程，求解時(shí)間亦無(wú)法忍受。在此，根據(jù)軋制規(guī)程表，將整個(gè)軋制過(guò)程分成多個(gè)時(shí)間段進(jìn)行計(jì)算。

板坯出加熱爐后至粗軋機(jī)前可分為4個(gè)時(shí)間段：出加熱爐至除鱗的空冷過(guò)程、高壓水除鱗的冷卻過(guò)程、除鱗后至定寬壓力機(jī)前的返溫過(guò)程，以及定寬壓力機(jī)的減寬過(guò)程。板坯至粗軋機(jī)后需要進(jìn)行多道次軋制。在整個(gè)計(jì)算過(guò)程中，每一個(gè)時(shí)間段的求解結(jié)果（結(jié)構(gòu)及溫度）作為下一時(shí)間段求解模型的初始條件，在計(jì)算過(guò)程中未考慮各道次變形后的殘余應(yīng)力。

將穩(wěn)定階段的軋制力提取出來(lái)，與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表1所示。由表1可見(jiàn)：與實(shí)測(cè)結(jié)果相比，模擬計(jì)算軋制力誤差在5.0％以?xún)?nèi)。提取粗軋過(guò)程所有軋制道次帶鋼表面與芯部節(jié)點(diǎn)的溫降曲線，組合成粗軋全過(guò)程的溫降曲線，結(jié)果如圖3所示。

3.3　軋后冷卻殘余應(yīng)力模擬分析

模擬帶鋼軋后冷卻過(guò)程。帶鋼精軋出口溫度為880℃，卷取溫度為640℃，軋后冷卻過(guò)程計(jì)算分為4個(gè)子過(guò)程：（1）空冷過(guò)程，持續(xù)時(shí)間約為2s；（2）水冷過(guò)程，持續(xù)時(shí)間約為10s；（3）空冷過(guò)程，持續(xù)時(shí)間約為10s；（4）模擬帶鋼卷取后的緩慢冷卻過(guò)程。層流冷卻過(guò)程中帶鋼表面的邊部和中心溫度變化如圖4所示。對(duì)于14mm 厚的Q460厚規(guī)格鋼板，由于沿板寬及板厚方向的冷卻不均勻，由此產(chǎn)生相變不均勻而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，從表面上看無(wú)明顯板形缺陷，但沿縱向進(jìn)行分條后，邊部出現(xiàn)明顯的翹曲。取現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)的Q460板試樣測(cè)量殘余應(yīng)力分布情況，殘余應(yīng)力測(cè)量值及其分布結(jié)果，與數(shù)值模擬預(yù)測(cè)結(jié)果十分接近^［3］。

3.4　組織轉(zhuǎn)變模擬預(yù)測(cè)

熱軋過(guò)程中奧氏體向鐵素體、珠光體和貝氏體的轉(zhuǎn)變過(guò)程，直接決定了熱軋產(chǎn)品最終的組織狀態(tài)，如鐵素體晶粒尺寸、各相組織體積分?jǐn)?shù)等，進(jìn)而決定了產(chǎn)品的最終性能。因此，建立準(zhǔn)確的奧氏體相變模型是進(jìn)行低合金高強(qiáng)鋼熱軋全過(guò)程數(shù)值模擬分析的重要組成部分。采用超組元模型，利用KRC活度模型計(jì)算奧氏體相變熱力學(xué)參數(shù)，包括：（1）奧氏體相變時(shí)的相界面平衡濃度和相變驅(qū)動(dòng)力；（2）各相相變的形核驅(qū)動(dòng)力；（3）各相相變的平衡開(kāi)始溫度。

在此基礎(chǔ)上，考慮奧氏體相變動(dòng)力學(xué)的特點(diǎn)，建立了A→F、P和B連續(xù)冷卻相變的動(dòng)力學(xué)模型。選擇典型低合金高強(qiáng)鋼（w（C）＝0.17％，w（Si）＝0.2％，w（Mn）＝1.5％，w（Nb）＝0.045％）進(jìn)行熱軋組織轉(zhuǎn)變模擬分析。圖５為鐵素體相變開(kāi)始溫度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比較。圖6為貝氏體轉(zhuǎn)變體積分?jǐn)?shù)計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比較。

４　型鋼軋制數(shù)字化技術(shù)及應(yīng)用

4.1　型鋼軋制數(shù)字化系統(tǒng)構(gòu)成

型鋼軋制的核心技術(shù)是孔型系統(tǒng)設(shè)計(jì)與系列軋輥配輥及輥型加工。對(duì)于特殊用途復(fù)雜斷面型鋼孔型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與工藝控制技術(shù)的開(kāi)發(fā)，依據(jù)傳統(tǒng)理論和經(jīng)驗(yàn)，難以確定十分復(fù)雜的金屬三維流動(dòng)規(guī)律，新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)難度大、規(guī)律難尋，只能反復(fù)嘗試，難以實(shí)現(xiàn)高效、優(yōu)化設(shè)計(jì)與控制。其主要工作流程：依靠傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行孔型系統(tǒng)設(shè)計(jì)—軋輥配輥及輥型加工—試軋—孔型系統(tǒng)修改加工—再試軋＋試錯(cuò)，導(dǎo)致設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)、成本高、效率低、技術(shù)延續(xù)性差等問(wèn)題。針對(duì)軋制過(guò)程的數(shù)值模擬分析，現(xiàn)有的案例大多數(shù)是采用通用軟件完成的。各家開(kāi)發(fā)的軟件、模型及方法局限性大，軟件操作人為干預(yù)因素較多，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員要求高、軟件操作難以掌握，不利于推廣應(yīng)用^［4-7］。

本文作者等針對(duì)型鋼軋制生產(chǎn)線產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的特點(diǎn)，建立了復(fù)雜斷面型鋼軋制設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)及質(zhì)量控制數(shù)字化系統(tǒng)，圖7為該數(shù)字化系統(tǒng)構(gòu)成實(shí)現(xiàn)的示意圖。該系統(tǒng)包含復(fù)雜斷面型鋼參數(shù)化孔型系統(tǒng)設(shè)計(jì)CAD，軋制過(guò)程CAE分析，軋輥機(jī)加工NC代碼自動(dòng)生成，數(shù)控機(jī)床自動(dòng)加工CAM 及軋制在線控制四大塊數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化連接的有機(jī)整體，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員經(jīng)過(guò)短期技術(shù)培訓(xùn)就可以熟練地掌握和應(yīng)用該數(shù)字化系統(tǒng)。

4.2　數(shù)字化技術(shù)在百米重軌產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)及尺寸精度控制中的應(yīng)用

以我國(guó)某軌梁軋制線開(kāi)發(fā)生產(chǎn)新型重軌過(guò)程為例，說(shuō)明鋼軌及復(fù)雜斷面型鋼軋制CAD－CAE－CAM數(shù)字化系統(tǒng)的應(yīng)用過(guò)程及效果。結(jié)合數(shù)值模擬和軌梁廠實(shí)際工藝裝備，采用分段組合方法，將鋼軌軋制分為五大模塊：二輥孔型軋制模塊、萬(wàn)能軋制模塊、萬(wàn)能連軋模塊、半萬(wàn)能軋制模塊、除鱗／道次間隙／控制冷卻模塊，進(jìn)行全軋程熱力耦合數(shù)值模擬系統(tǒng)分析。通過(guò)全軋程熱力耦合數(shù)值模擬系統(tǒng)，從坯料出加熱爐到終軋全過(guò)程進(jìn)行計(jì)算分析，獲得軋制全程的相關(guān)信息。圖8為典型軋制道次三維FEM 數(shù)值模擬模型，圖9為典型道次BD1～BD4軋制力模擬值與實(shí)測(cè)值的比較。提取典型道次軋制力模擬曲線與實(shí)測(cè)值比較^［8］，軋制力模擬值和實(shí)測(cè)值偏差在3％～7％。

百米重軌等超長(zhǎng)軋件軋制普遍存在軌端部0～20m內(nèi)斷面尺寸偏差0.8～3.0mm“高點(diǎn)”的技術(shù)難題，“高點(diǎn)”會(huì)對(duì)高速列車(chē)形成沖擊，影響行車(chē)平穩(wěn)安全^［9］。大量實(shí)踐及數(shù)值模擬分析研究表明：造成鋼軌端部斷面尺寸波動(dòng)的原因主要是百米軌進(jìn)鋼沖擊、搖擺、溫度變化、軋機(jī)輥縫、張力、彈性曲線不合理等多種實(shí)際生產(chǎn)工藝因素復(fù)雜作用的結(jié)果。結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用CAE技術(shù)，在虛擬工藝環(huán)境條件下，得到重軌軋制頭部寬展、底部寬展及水平輥壓下的影響規(guī)律，建立了精確預(yù)測(cè)軋制過(guò)程金屬變形的系列基礎(chǔ)模型，即鋼軌頭部寬展模型、軌底寬展模型、單項(xiàng)規(guī)格補(bǔ)償模型、全斷面補(bǔ)償模型等。根據(jù)系統(tǒng)模型分析得到軋件尺寸和性能波動(dòng)規(guī)律，結(jié)合控制系統(tǒng)對(duì)軋件全長(zhǎng)實(shí)施在線動(dòng)態(tài)精確控制，通過(guò)一整套復(fù)雜斷面型鋼軋制金屬流動(dòng)變形及全斷面補(bǔ)償模型預(yù)測(cè)并在線動(dòng)態(tài)控制，得到百米重軌等超長(zhǎng)復(fù)雜斷面型材軋件全長(zhǎng)尺寸及性能波動(dòng)性的精確控制，使這一難題得到解決。

4.3　數(shù)字化技術(shù)在復(fù)雜斷面型鋼產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用

我國(guó)某型鋼生產(chǎn)線，利用開(kāi)發(fā)的復(fù)雜斷面型鋼數(shù)字化技術(shù)成功開(kāi)發(fā)出叉車(chē)門(mén)架用160Ja、180Jb鋼等多款非對(duì)稱(chēng)復(fù)雜斷面型鋼新產(chǎn)品（見(jiàn)圖10）。叉車(chē)門(mén)架鋼由矩形連鑄坯經(jīng)12～15道次軋制而成。在過(guò)去，該類(lèi)斷面型鋼一直是由大尺寸矩形鋼經(jīng)多道機(jī)加工制造，不僅加工成本高，材料消耗大，而且效率低、性能差。

5　結(jié)語(yǔ)

鋼鐵產(chǎn)品的軋制過(guò)程是一個(gè)集材料形變、相變與工藝、設(shè)備及控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)變化的海量數(shù)據(jù)不斷交織作用的過(guò)程，發(fā)展和應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)是提升新產(chǎn)品、新工藝研發(fā)效率、降低成本、獲得內(nèi)在規(guī)律、進(jìn)行質(zhì)量控制的最有效手段和必然趨勢(shì)，具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/span>

發(fā)展數(shù)字化技術(shù)，一是要建立好相關(guān)的硬件與軟件基礎(chǔ)平臺(tái)，即：高效計(jì)算和數(shù)據(jù)處理能力的計(jì)算機(jī)，精準(zhǔn)豐富的材料數(shù)據(jù)庫(kù)、模型庫(kù)、設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)、以及大型數(shù)值模擬分析與求解器等工程軟件；二是具備適應(yīng)不同工藝條件的軟件與模型二次開(kāi)發(fā)能力和條件，能夠針對(duì)特定工藝條件進(jìn)行獲取、處理和分析海量數(shù)據(jù)并進(jìn)行優(yōu)化，在虛擬環(huán)境下，提出可供選擇的最佳方案；三是具有一批具備多學(xué)科知識(shí)并經(jīng)實(shí)踐鍛煉的相對(duì)穩(wěn)定的相關(guān)技術(shù)人才隊(duì)伍。

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