第10期 李高盛等：特厚板温度梯度轧制有限元模拟与实验研究 ·1323· 过程中，控制厚度方向上温度梯度的轧制方法还没 有系统研究.因此，将这种温度梯度轧制方法与传 统工艺进行对比，分析其对特厚板心部应变与变形 奥氏体再结晶的影响及改善心部特厚板心部组织和 性能的作用是一项有意义的工作 1有限元模型的建立与实验方法 图1使用Marc软件建立的有限元模型 1.1有限元模型的建立 Fig.1 Finite element model constructed by MSC.Mar 使用有限元Mac软件建立特厚板轧制模型，见 图1.模拟轧制厚板的材质为Q345B,采用热力耦合 1100 种444 单元plane strain solidl1单元大小2.5mm×2.5mm, Q345B的变形抗力数据见文献[3].轧辊材质 1000 5 CrNiMo,采用热传导单元plane?39.模拟的工况为： ·一温度梯度1道次 轧辊辊径1110mm,板坯厚度250mm,终轧板厚125 ·一温度梯度2道次 900 ·一温度梯度3道次 mm,变形条件见表1.采用热力耦合边界条件，考虑 一均温1道次 ◆一均温2道次 了轧制过程中的自然温降以及板坯和轧辊的接触热 ←一均温3道次 传导，包括塑性功转变为热、表面摩擦生热等 800 分别对温度梯度轧制和传统均温轧制两种工艺 -100102030405060708090100110120130 进行模拟，两种工艺下各道次轧前厚度方向温度分 厚度mm 布见图2，温度梯度轧制第1道次温度梯度的形成 图2各道次轧前温度分布 采取1200℃出炉，在1100℃开始冷却，冷却速度6 Fig.2 Temperature distribution before rolling ℃·s,冷却时间60s,随后返温与水冷交替进行三 次的方式，温降曲线见图3.第2、3道次采用先返温 1100 后水冷的方式保证表面温度稳定在800℃，道次间 1000 隔时间控制在10s.均温轧制1200℃出炉，1100℃ 开轧，道次间隔时间10s.由于特厚板成品宽度很 900 大，通常为工作辊长的1/3至1/2，中心位置温度比 表面 800 1/ 较稳定，因此忽略宽度方向热传导，读取各道次变形 12 区出口处应变、应变速率、温度数值，计算两种工艺 700 50 100 下奥氏体再结晶完成后的晶粒尺寸. 时间s 表1有限元模拟的轧制规程 图3温度梯度轧制有限元模拟第1道次轧前温降曲线 Table I Rolling process of finite element simulation Fig.3 Temperature drop curve of cooling process before first pass in 道次 h/mm h'/mm △h/mm E/% rolling with temperature gradient 1 250 200 50 20.0 2 200 155 45 22.5 种采用Q345B,合金组分（质量分数)为0.16%C- 3 155 125 30 19.4 1.21%Mn-0.037%Nb-0.14%V-0.10%Ti.中频加 注：h一入口厚度：h一出口厚度：△h一压下量：e一压下率 热至1200℃保温5min.压缩规程保证与有限元模 拟压缩比相同：60mm→48mm→37mm→30mm.试 1.2大试样多道次平面应变实验 样规格见图4(b),心部插热电偶记录中心温度变 采用北京科技大学新材料技术研究院的平面应 化.温度梯度压缩（试样1）与均温压缩（试样2）表 变压缩机而在实验室模拟实际轧制过程，见图4 面温度对比见表2，其中试样1出炉后采用小水流 (a).平面应变压缩机的特点为：能够模拟轧制时板 多次冷却的方式将表面冷却至800℃.两试样均在 坯的受力状态；试样大，可以模拟热轧钢多道次变 心部温度达到1100℃时开始压缩，道次间隔采用时 形，并可满足随后性能测试的要求；采用计算机控制 间控制，固定为10s.压缩完成后直接水淬，取试样 系统可以对压缩过程实施精确的实时控制.实验钢 中心12mm×12mm全厚度金相样，而后再加热至第 10 期 李高盛等: 特厚板温度梯度轧制有限元模拟与实验研究 过程中，控制厚度方向上温度梯度的轧制方法还没 有系统研究． 因此，将这种温度梯度轧制方法与传 统工艺进行对比，分析其对特厚板心部应变与变形 奥氏体再结晶的影响及改善心部特厚板心部组织和 性能的作用是一项有意义的工作． 1 有限元模型的建立与实验方法 1. 1 有限元模型的建立 使用有限元 Marc 软件建立特厚板轧制模型，见 图 1． 模拟轧制厚板的材质为 Q345B，采用热力耦合 单元 plane strain solid11 单元大小 2. 5 mm × 2. 5 mm， Q345B 的 变 形 抗 力 数 据 见 文 献［3］． 轧 辊 材 质 5CrNiMo，采用热传导单元 plane39． 模拟的工况为: 轧辊辊径 1110 mm，板坯厚度 250 mm，终轧板厚 125 mm，变形条件见表 1． 采用热力耦合边界条件，考虑 了轧制过程中的自然温降以及板坯和轧辊的接触热 传导，包括塑性功转变为热、表面摩擦生热等． 分别对温度梯度轧制和传统均温轧制两种工艺 进行模拟，两种工艺下各道次轧前厚度方向温度分 布见图 2，温度梯度轧制第 1 道次温度梯度的形成 采取 1200 ℃ 出炉，在 1100 ℃ 开始冷却，冷却速度 6 ℃·s － 1，冷却时间 60 s，随后返温与水冷交替进行三 次的方式，温降曲线见图 3． 第 2、3 道次采用先返温 后水冷的方式保证表面温度稳定在 800 ℃，道次间 隔时间控制在 10 s． 均温轧制 1200 ℃ 出炉，1100 ℃ 开轧，道次间隔时间 10 s． 由于特厚板成品宽度很 大，通常为工作辊长的 1 /3 至 1 /2，中心位置温度比 较稳定，因此忽略宽度方向热传导，读取各道次变形 区出口处应变、应变速率、温度数值，计算两种工艺 下奥氏体再结晶完成后的晶粒尺寸． 表 1 有限元模拟的轧制规程 Table 1 Ｒolling process of finite element simulation 道次 h /mm h' /mm Δh /mm ε /% 1 250 200 50 20. 0 2 200 155 45 22. 5 3 155 125 30 19. 4 注: h—入口厚度; h'—出口厚度; Δh—压下量; ε—压下率． 1. 2 大试样多道次平面应变实验 采用北京科技大学新材料技术研究院的平面应 变压缩机［4］ 在实验室模拟实际轧制过程，见图 4 ( a) ． 平面应变压缩机的特点为: 能够模拟轧制时板 坯的受力状态; 试样大，可以模拟热轧钢多道次变 形，并可满足随后性能测试的要求; 采用计算机控制 系统可以对压缩过程实施精确的实时控制． 实验钢 图 1 使用 Marc 软件建立的有限元模型 Fig． 1 Finite element model constructed by MSC． Marc 图 2 各道次轧前温度分布 Fig． 2 Temperature distribution before rolling 图 3 温度梯度轧制有限元模拟第 1 道次轧前温降曲线 Fig． 3 Temperature drop curve of cooling process before first pass in rolling with temperature gradient 种采用 Q345B，合金组分( 质量分数) 为 0. 16% C-- 1. 21% Mn--0. 037% Nb--0. 14% V--0. 10% Ti． 中频加 热至 1200 ℃保温 5 min． 压缩规程保证与有限元模 拟压缩比相同: 60 mm→48 mm→37 mm→30 mm． 试 样规格见图 4 ( b) ，心部插热电偶记录中心温度变 化． 温度梯度压缩( 试样 1) 与均温压缩( 试样 2) 表 面温度对比见表 2，其中试样 1 出炉后采用小水流 多次冷却的方式将表面冷却至 800 ℃ ． 两试样均在 心部温度达到 1100 ℃时开始压缩，道次间隔采用时 间控制，固定为 10 s． 压缩完成后直接水淬，取试样 中心 12 mm × 12 mm 全厚度金相样，而后再加热至 · 3231 ·