大棒材轧制对孔隙性缺陷压合的模拟方法研究

王旭林等

摘要：根据抚顺特钢大棒材轧制环节中，产品芯部裂缝等孔隙性缺陷现象进行客观分析，结合轧件内部孔隙分布规律，配合体积可压合塑性有限元理论实现材质密度变化状况模拟演示。事后将试验结果整理完全，并切实掌握轧制工艺环节中对部件芯部孔隙性缺陷压合的影响状况，将内部转化规律记录清晰，这对于规模化的大棒材工艺技术和产品质量改进来说意义重大，并且为后期工业可靠、稳定发展创造动力支持因素。

关键词：相对密度；孔隙性问题；塑性有限元；大棒材；模拟方法

在型钢轧制工程中，有关大棒材轧制技术一直受到业内人士的广泛重视，一方面由于其收获显著的经济效益成果，而另外就是其内部技术缺陷长期影响成品质量，为了尽可能消除棒材芯部孔隙性缺陷因素，需要在内部结构变形过程中实施闭合处理，现有的实践方案在完全遵循轧制工业流程的基础上，配合现场试验和数值模拟演算活动。但涉及传统的有限元分析手段，其对材质孔洞的几何闭合适应能力有所不足，并且伴随材质内部孔洞与特征尺寸比值逐渐减小现象，有关求解难度将不断提升，加上试验研究活动普遍存在局限特征，因此完全有必要探寻某种简单直观的实践验证方法，为优化轧制技术提供更加可靠的指导经验。

1.棒材芯部相对密度与孔隙性特征分析

铸造环节中，实际棒材芯部产生的孔隙状况呈现分散样式，结合某种密度效能研究，能够将特定部位的缺陷压合情况完全梳理。因为材质密度特征比较多样，为了保证模拟动作的简易效果，需要适当引进密度函数资料，具体表达公式为相对密度值=材料既定密度值/理想密实状态下的密度值，其中密度单位统一选取为每立方米一千克。因为相对密度值的选取范围在零和一之间，而材质内部孔隙特征存在，并呈现不断增大趋势，因此相对密度值一定会有所降低。这类孔隙性缺陷完全可以依照参数特征来描述，就是指轧制变形过程中响度密度增加量较多，实际材质孔隙性压合的质量效果就越优良。涉及塑性变形因素，在疏松环境下的密度变化效率可以用此类公式表示：三个主应变增量共同产生的相对密度增量之和/相对密度既定值。

2.可压缩性材料的刚塑性和棒材轧制有限元应用模式分析

可压缩材料在延展粉末冶金产品多孔塑性理念之后，配合刚塑性可压缩有限元模型实现阶段流程模拟演练，在每个增量步骤实施前，按照工件内部变形情况对材质密度效应进行演算和更新，这类手段比较适用于高密度材料压实要求。

为了将棒材芯部孔隙性不足对压合的制约效果总结完整，结合钢厂坯料固定尺寸标准对工序实现简化，其中表层相对密度定义为0.99，芯部结构密度为0.85，借助对称特定效应分析，具体研究对象选取坯料的四分之一即可。轧辊按照既定刚性特征实现平辊向下轧制，注意其与棒材接触摩擦模型采用剪切式类型。因为整个工业过程中存在咬入条件限制，大多数单道次相对变形量最大值不能超过既定值的三成，所以压下量的调节必须设置在原力道的四成以下。按照上述步骤完善有限元模型搭建工艺，同时分析棒材芯部相对密度值对整个表层变化状况的影响，最后科学总结孔隙性缺陷压合方案。

3.模拟结果的检验与改进

压下量控制是轧制工序中比较常见的调节手段，利用模拟流程获取的棒材中心到结构表面的相对密度值变化规律资料，能够将不同技术途径对棒材芯部的压实程度实现客观评价，进而切实巩固材质内部稳定质量，适当为工艺改进效果提出相关经验指导。

3.1.单道次轧制流程中，实际压下量对芯部孔隙性缺陷压合效果研究

为确保压下量对棒材芯部孔隙性缺陷压合影响得到完整梳理，有关部门决定采取单道次模式，配合递增式压下量转换分别完成轧制过程模拟。试验最后环节呈现出这样一类现象，在单道次轧制工艺中，当压下量越大，芯部密度值就会上升，孔隙性压合作用就越强烈。当压下量低于既定力道的百分之五时，棒材中心相对密度就基本没有什么变化，当压下量高于百分之十时，棒材中心相对密度值会呈线性增加规律，这类活动的最高极限值仅仅停留在0.93范围之内。

3.2.总压下量值稳定情况下，道次压下量分配对芯部孔隙性缺陷压合程度验证

因为在轧制工序中存在明显的咬入条件限制现象，正常状况下，不同道次轧制的相对变形量的峰值不会超过百分之三十，就算压下量适当提升，但棒材芯部相对密度不能正常提升，所以单道次的轧制技术调整始终存在局限性，这就要利用多道次轧制活动来适当补充。经过有关试验结果分析，在多道次轧制环境中，总压下量既定值保持不变，棒材芯部孔隙性改善作用不仅与道次结构相对压下量的最大值存在联系，同时还与其所在道次的出现顺序息息相关。有关技术人员总结出相关规律，当相对压下量的最大值差距情况不大时，相对压下量最大值所在道次出现的次序与芯部压合程度存在明显影响关联，只要有关道次排列顺序越靠前，实际压合状态就更稳定。这类现象主要是因为小压下量轧制工序中，涉及高密度表层金属材质会变薄，对后续道次的控制质量有所制约。所以，在制定模拟方案活动中，为强化芯部压合水准，应该尽量将轧制道次减少处理，并且增加最大相对道次的压下量；当总压下量与道次相对压下量最大值比较接近时，相关道次设置应保证靠前排列。

4.结语

经过上述实践经验补充，抚顺特钢棒材轧制工艺压下量已经做出合理改善，令后期产品芯部孔隙性缺陷问题大大减少，这个活动过程清晰地验证了模拟方法的可靠价值和实用功效，并且适当缩减经济投入空间范围，为后期规模化的生产活动创造先决条件，满足国家机械制造事业的可持续发展潜力。

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