ANSYS Workbench 在高铬钢辊环生产中的应用

刘 宇，李 崇，赵海军，高玉章

（唐山钢铁集团重机装备有限公司，河北唐山 063000）

ANSYS 作为有限元分析软件，广泛的应用于各个工程领域，而ANSYS Workbench 是ANSYS公司近年来提出的全新版本，是其将旗下的软件集中整合在一个工作平台上，目的是在保持核心技术多样化的同时建立协同仿真环境。ANSYS Workbench 特点是客户化、集成性、参数化，它提供了软件之间的数据耦合和数据传输[1]，展现了全新的项目视图功能，能以简单的操作完成复杂的有限元分析流程，已经成为工程应用仿真软件发展的一个方向。高铬钢辊环主要应用于板带钢立辊轧机，是以高铬钢为辊环外层材质，以石墨钢为内层材质，采用离心复合浇注工艺铸造而成，由于高铬钢辊环外层的高铬低碳的化学成分可形成分散不连续，镶嵌在马氏体上的细小的M7C3 型碳化物[2]，这种碳化物有较高的显微硬度且对热裂纹不敏感，使高铬钢辊环具有优良的耐磨性和抗热裂性，可延长轧制周期，减少磨削量，提高生产效率，但高铬钢辊环铸造生产难度较高，特别是直径较大，离心层较厚的辊环，容易产生结合层夹渣和裂纹质量缺陷，所以生产前对每层离心时间的控制和如何减少离心层内的热应力是生产的难点，也是利用ANSYS Workbench 亟需解决的问题。

本文主要研究ANSYS Workbench 应用在高铬钢辊环铸造生产及热处理过程中的热分析及热应力耦合分析,为高铬钢辊环的开发设计提供参考依据。

1 建模与网格划分

1.1 建模原则和假设

实践中的高铬钢辊环的铸造及热处理过程十分复杂，影响因素较多，如果利用ANSYS Workbench 有限元分析软件进行模拟分析，需要对其进行建模，将实际情况转化成模型再进行模拟分析，建模的主要原则是在不失模拟真实性的情况下尽量简化，主要做法是抓住影响模拟的主要因素，忽略对模拟影响小甚至略微的因素，这样既保证了模拟接近真实性又简化了模拟条件。

在这种建模原则下，提出以下几点假设：

（1）工作层和内层每浇注一层就作为一个独立的模型单元，单元之间彼此为绑定对称接触，层与层之间相互独立并忽略之间的互熔，而且不考虑离心凝固过程中液态钢水的流动，只考虑传热。

（2）热分析初始状态均为稳态，温度场所加载荷为瞬时、线性。热应力耦合分析初始状态也为稳态，其温度场及应力场所加载荷也均为瞬时、线性。

（3）简化边界条件，将复杂的边界条件统一综合成一个边界条件，以减少建模量和边界条件数量。

（4）模型具有圆周和中心对称的特性，所以可简化成一个截面或一个点作为代表特征进行热分析和热应力耦合分析。

（5）在热分析和热应力耦合分析时直接进行线性迭代分析，忽略冷却过程中的相变因素，将相变因素转移到对高铬钢的材料物理特性数据的修正中。

1.2 网格划分

本文以ø1240mm×1500mm 高铬钢辊环毛坯为例，外层为高铬钢材质，厚度为ø1240mm～ø880 mm（外层分两次浇注为ø 1240mm～ø 1060mm～ø880mm），内层为石墨钢材质，厚度范围为ø880mm～ø540mm，在Engineering Data 对材料物理特性进行编辑，输入高铬钢材质的导热率、弹性模量、线性膨胀系数、密度、比热焓、泊松比等相关数据。

对模型进行网格划分，网格划分越细密，收敛性越好，分析精度越高[3]，但计算量会增大，所以要选择合理的网格尺寸，尽可能划分为规格一致的网格，这里利用Mapped Face Meshing 对模型进行网格划分，下图分别为外层一次浇注+内层和外层两次浇注+内层的网格划分。

图1 外层一次浇注+内层网格划分

图2 外层两次浇注+内层网格划分

图3 外层轴向截面温度场分布云图

1.3 边界条件

本文模拟过程有三类边界条件，根据大量试验数据，分别设定换热系数。

（1）辊模与涂料及外界空气统一作为一种边界条件。

（2）外界空气与离心外层内表面或离心内层内表面直接接触面作为边界条件。

（3）辊模两端端盖与离心外层或离心内层的接触面作为边界条件。

2 离心凝固过程模拟分析

先对高铬钢辊环外层进行稳态分析，设定初始温度1520℃，加载热交换边界条件，再进行瞬时线性迭代热模拟分析。

大量试验数据及实践经验表明，当高铬钢辊环外层浇注后，当外层内表面温度达到1220±20℃时，浇注石墨钢内层，熔合质量最佳，因此，对高铬钢辊环外层内表面温度进行有限元热分析，得到温度场分布云图和温降曲线。

根据温度场分布云图，可知辊环最低温度处于外层内表面，而最高温度处于外层最外面，其温度由外向内逐步降低，并且外层两端边缘a 点的温度小于中间部位b 点的温度，所以在设计内层浇注间隔时间时要兼顾两者的温度，既不能让边缘温度太低，也不能让中间部位的温度过高，边缘温度太低，容易出现边缘部位的结合不良，中间部位温度太高，容易造成中间部位熔合较多，影响工作层厚度。

图4 离心外层降温曲线

通过温降曲线可知，由于辊环边缘a 点降温速度较快，温度较低，达到1200℃时的时间为19分45 秒，中间部位b 点降温相对较慢，达到1240℃时的离心时间为19 分20 秒，为了兼顾两者的温度同在1200～1240℃范围内，所以取两者离心时间的中间值19 分32 秒作为参考离心时间，即为内层的浇注间隔时间，而此时b 点温度为1238℃。离心内层工艺要求的浇注温度1490℃，所以以外层1238℃、内层1490℃作为初始温度，加载边界条件，再对其进行热分析，当离心内层内表面温度达到950℃，可计算出辊环最小停转时间为7400s，即高铬钢辊环内层浇注后的离心下机时间。

3 离心层内应力模拟分析

高铬钢辊环生产的一个难点是容易炸裂，因为其合金较高，线性膨胀系数较大，特别是直径较大的辊环更为明显，这里通过ANSYS Workbench研究高铬钢辊环外层一次浇注+内层，与外层分两次浇注+内层的应力对比。

按照热分析同样的进行建模与网格划分，考虑到辊环浇注后凝固冷却时的实际边界条件，设定辊环离心层受到辊模内壁及两个端盖面三个方向的约束，加载之前的瞬时热分析结果，再进行热应力耦合分析。

图5 外层一次浇注和外层两次浇注直径尺寸对比

外层一次浇注过程，由ø1240mm 浇注到ø880mm,再浇注内层到ø540mm，以外层1220℃，内层1490℃作为初始温度。

外层两次浇注过程，外一层由ø1240mm 浇注到ø1060mm,外二层由ø1060mm 浇注到ø880mm,再浇注内层到ø540mm，通过热分析可知，当外二层内表面温度为1220℃时，外一层的内表面温度已经降温到1010℃时，以外一层和外二层的这两个温度及内层的1490℃为初始温度。

两种过程按照同样的边界条件加载，先进行热分析，再进行热应力耦合模拟分析，考虑到高铬钢辊环在25h 时容易炸裂，所以都以90000s 作为分析时间点，得到应力场云图及距离-应力曲线。

图6 外层一次浇注应力场云图

图7 外层二次浇注应力场云图

通过对外层一次浇注和外层两次浇注的两个Equivalent Stress 应力场云图对比可知，外层一次浇注在距离辊环最外缘275mm 时出现应力最大峰值，在325mm 出现次峰值。外层二次浇注在距离辊环最外缘70mm、140mm、325mm、345mm 时出现四个次峰值，距离265mm 时应力峰值达到最大，由此可见，通过两者对比，一是外层二次浇注最大峰值较外层一次浇注最大峰值明显降低，二是外层二次浇注在距离最外缘有四个次峰值，说明外层二次浇注将应力进行了分摊，避免了应力的过分集中，降低了整个离心层内的应力最高峰值，使应力小于高铬钢材质的抗拉强度，降低了开裂的风险，这就提供了一种安全可靠的铸造生产工艺。实践证明，自从生产采用外层二次浇注后，未出现因铸造应力造成的炸裂现象，所以对于大直径的高铬钢辊环在工艺设计时离心外层要设计为两次浇注，浇注间隔时间可由上述热分析确定。

4 热处理喷淬过程模拟分析

高铬钢辊环的热处理对辊环性能的提高十分重要，高铬钢辊环铸造后主要进行喷淬火+回火热处理，其目的是生成更多的马氏体和Cr7C3 碳化物，以提高硬度及耐磨性，因此在喷淬冷却时，高铬钢辊环从外到内能够降低到工艺要求的转变温度的外层深度决定了其淬透层厚度，即为要求的工作层厚度，在高铬钢辊环所要达到的淬透层内设置A 点，辊环外层表面设置B 点作为标记点，用ANSYS Workbench 对这两点同时进行热分析，模拟喷雾淬火过程。

图8 外层一次浇注和外层二次浇注距外缘距离-应力值对比图

图9 喷淬588s 时辊环温度场云图

图10 喷淬时间-降温曲线

根据热处理工艺，辊环在热处理炉加热到完全奥氏体化温度980℃，需要喷雾淬火到500℃，因此以980℃作为初始温度，主要边界条件为高铬钢辊环外层的热交换，利用实验测定的换热系数，得到喷淬时间-降温曲线，可知当A 点冷却达到临界点500℃的时间为588s，即为喷淬时间，同时可知外表面B 点此时的温度为56℃。实际淬火过程中可通过测量外表面B 点温度值来预知内部A 点的温降情况，从而控制整个淬火冷却降温过程。

5 结论

（1）利用ANSYS Workbench 对离心外层内表面温度进行计算，确定内层的浇注间隔时间和辊环的离心时间。

（2）对比外层一次浇注和外层分两次浇注后辊环产生的内应力，得出外层二次浇注内应力减小，因此大直径的辊环生产时可以通过外层两次浇注以防止因内部应力高于抗拉强度而产生炸裂。

（3）利用ANSYS Workbench 模拟喷淬热处理过程，当淬透层深度的温度降低到工艺要求的转变温度所对应的时间即为喷淬时间，可根据对应的辊环表面温度来监测淬透层深度的温度。