康永林¹，朱國明¹，汪水澤²，陶功明³，張思勛⁴

（1．北京科技大學材料學院，北京　100083；2．武鋼研究院，湖北　武漢　400080；3．攀鋼集團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程特點的基礎上，提出了數字化熱軋系統(tǒng)的構成框圖、板帶熱軋過程數值模擬平臺和型鋼軋制數字化系統(tǒng)的基本架構。針對我國某熱連軋生產線典型低合金高強鋼Q345B鋼的實際生產過程，對粗軋、精軋及軋后冷卻殘余應力形成的全過程進行了模擬分析和組織轉變模擬預測，給出了數字化技術在百米重軌產品設計開發(fā)及尺寸精度控制中的應用以及在復雜斷面型鋼產品設計開發(fā)中應用的實例。

關鍵詞：數字化技術；軋制；板帶；型鋼

1　前言

最近，美國麥肯錫公司咨詢顧問Brian Harrmann和芝加哥UI實驗室數字化制造與設計創(chuàng)新研究院首席技術官King William P等指出：數字化制造技術將會改變產業(yè)鏈（從研發(fā)、供應鏈、工廠運營到營銷、銷售和服務）的每個環(huán)節(jié)。在未來10年里，數字化制造技術將會使企業(yè)通過“數字線”連接實物資產，促進數據在產業(yè)鏈上的無縫流動，鏈接產品生命周期的每個階段，即從設計、采購、測試、生產到配送、銷售和使用^［1］。還有學者指出：當前，材料表征、建模和仿真，以及數據分析活動日趨活躍。為了發(fā)揮先進材料制造的潛力，需要給予這些新興能力源源不斷的支持^［2］。在德國的“工業(yè)4.0”計劃和中國的“中國制造2025”中，都對數字化技術給予了充分的重視。

實際上，近年來，在國內外冶金材料加工制造領域，材料數據庫開發(fā)、數字化平臺建設、數值模擬分析、材料組織性能預報、成形加工工藝分析優(yōu)化等與數字化相關的研究與應用一直受到重視，許多學者、研究人員和工程技術人員應用建模仿真、數值模擬、數據分析等技術在軋制新產品、新工藝、新技術開發(fā)方面做了大量工作并取得了顯著的成效。本文僅就數字化技術在板帶及型鋼軋制中應用的部分進展進行分析討論，供有關專家學者參考。

2　數字化軋制系統(tǒng)的構成框架

眾所周知，鋼鐵材料的熱軋過程從坯料加熱到最終軋制成材，需經過多道次復雜的塑性變形過程，最終軋件的組織性能、尺寸形狀精度、表面及內部質量，不僅與材料成分、組織轉變有關，也與全軋程的工藝控制過程密切相關。可以說，鋼鐵材料的多道次軋制過程是一個涉及到材料在不同狀態(tài)、不同變形工藝條件、多臺套軋制設備與多級控制系統(tǒng)綜合作用下的、涉及到多學科、海量信息數據的復雜的系統(tǒng)工程。

因此，針對各種工程所需要的鋼材組織性能與尺寸形狀，為了高效地設計、開發(fā)和生產各類高質量鋼材，僅僅依靠傳統(tǒng)的反復試驗—試軋—修正的經驗技術方法已經遠遠不夠，需要建立和應用現代化的數字化、智能化的軋制工藝設計、分析評價、綜合優(yōu)化的系統(tǒng)。圖1為數字化軋制系統(tǒng)的構成框架圖，其中，材料數據庫、組織模型庫、工藝模型庫及設備數據與模型庫是基礎。在此基礎上，針對目標鋼材產品進行初步工藝設計與規(guī)劃，通過數字化建模及邊界條件處理、全軋程三維熱力耦合數值模擬分析、工藝與組織性能分析，并進一步進行全軋程的數字化、智能化工藝評價與優(yōu)化，最終形成全軋程材料—工藝—設備—控制一體化的數字化軋制系統(tǒng)。

3　板帶材軋制數字化分析及應用

3.1　板帶熱軋過程數值模擬平臺的基本架構

汪水澤等采用三維熱力耦合有限元方法，結合常規(guī)熱連軋生產線現場主要設備能力參數、PDI數據、軋制規(guī)程、控制冷卻條件等軋制工藝參數，建立了針對熱軋板帶的數值模擬平臺，以實現熱軋板帶全軋程三維熱力耦合仿真分析、彈性輥軋制過程仿真分析。模擬平臺的基本架構如圖2所示，以LSDYNA為后臺計算模塊，在此基礎上開發(fā)材料庫、模型庫以及相關工藝參數的輸入平臺，實現GUI界面與后臺計算模塊的數據傳遞。結合計算機編程技術與有限元數值模擬技術，開發(fā)板帶熱軋全過程數值模擬平臺，具體包括除鱗、定寬壓力機、粗軋、精軋、層流冷卻等關鍵工序的模擬計算模塊以及彈性輥軋制模擬計算模塊，具備實現板帶熱軋全過程數值模擬分析的能力^［3］。

3.2　板帶全軋程數值模擬分析

針對我國某2250mm熱連軋生產線典型低合金高強鋼Q345B的實際生產過程，進行了全過程模擬分析。板坯尺寸為230mm×1　875mm×8665mm，成品厚度為12.0mm，加熱溫度為1250℃，粗軋除鱗時間為4s，除鱗返紅時間為10s；定寬壓力機的單邊壓下量為35mm，定寬壓力機到R1間隙時間10s；粗軋出口到精軋前高壓水除鱗機時間為30s，高壓水除鱗時間4s，返紅時間5s。板帶熱軋全過程軋制道次多達15道次，通過一次性數值模擬較難實現，并且軋制時間較長，若一次性完成整個軋制過程，求解時間亦無法忍受。在此，根據軋制規(guī)程表，將整個軋制過程分成多個時間段進行計算。

板坯出加熱爐后至粗軋機前可分為4個時間段：出加熱爐至除鱗的空冷過程、高壓水除鱗的冷卻過程、除鱗后至定寬壓力機前的返溫過程，以及定寬壓力機的減寬過程。板坯至粗軋機后需要進行多道次軋制。在整個計算過程中，每一個時間段的求解結果（結構及溫度）作為下一時間段求解模型的初始條件，在計算過程中未考慮各道次變形后的殘余應力。

將穩(wěn)定階段的軋制力提取出來，與實測值進行對比，結果如表1所示。由表1可見：與實測結果相比，模擬計算軋制力誤差在5.0％以內。提取粗軋過程所有軋制道次帶鋼表面與芯部節(jié)點的溫降曲線，組合成粗軋全過程的溫降曲線，結果如圖3所示。

3.3　軋后冷卻殘余應力模擬分析

模擬帶鋼軋后冷卻過程。帶鋼精軋出口溫度為880℃，卷取溫度為640℃，軋后冷卻過程計算分為4個子過程：（1）空冷過程，持續(xù)時間約為2s；（2）水冷過程，持續(xù)時間約為10s；（3）空冷過程，持續(xù)時間約為10s；（4）模擬帶鋼卷取后的緩慢冷卻過程。層流冷卻過程中帶鋼表面的邊部和中心溫度變化如圖4所示。對于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，由此產生相變不均勻而產生內應力，從表面上看無明顯板形缺陷，但沿縱向進行分條后，邊部出現明顯的翹曲。取現場實際生產的Q460板試樣測量殘余應力分布情況，殘余應力測量值及其分布結果，與數值模擬預測結果十分接近^［3］。

3.4　組織轉變模擬預測

熱軋過程中奧氏體向鐵素體、珠光體和貝氏體的轉變過程，直接決定了熱軋產品最終的組織狀態(tài)，如鐵素體晶粒尺寸、各相組織體積分數等，進而決定了產品的最終性能。因此，建立準確的奧氏體相變模型是進行低合金高強鋼熱軋全過程數值模擬分析的重要組成部分。采用超組元模型，利用KRC活度模型計算奧氏體相變熱力學參數，包括：（1）奧氏體相變時的相界面平衡濃度和相變驅動力；（2）各相相變的形核驅動力；（3）各相相變的平衡開始溫度。

在此基礎上，考慮奧氏體相變動力學的特點，建立了A→F、P和B連續(xù)冷卻相變的動力學模型。選擇典型低合金高強鋼（w（C）＝0.17％，w（Si）＝0.2％，w（Mn）＝1.5％，w（Nb）＝0.045％）進行熱軋組織轉變模擬分析。圖５為鐵素體相變開始溫度計算值與實測值比較。圖6為貝氏體轉變體積分數計算值與實測值比較。

４　型鋼軋制數字化技術及應用

4.1　型鋼軋制數字化系統(tǒng)構成

型鋼軋制的核心技術是孔型系統(tǒng)設計與系列軋輥配輥及輥型加工。對于特殊用途復雜斷面型鋼孔型系統(tǒng)的設計與工藝控制技術的開發(fā)，依據傳統(tǒng)理論和經驗，難以確定十分復雜的金屬三維流動規(guī)律，新產品開發(fā)難度大、規(guī)律難尋，只能反復嘗試，難以實現高效、優(yōu)化設計與控制。其主要工作流程：依靠傳統(tǒng)經驗進行孔型系統(tǒng)設計—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，導致設計開發(fā)周期長、成本高、效率低、技術延續(xù)性差等問題。針對軋制過程的數值模擬分析，現有的案例大多數是采用通用軟件完成的。各家開發(fā)的軟件、模型及方法局限性大，軟件操作人為干預因素較多，對現場技術人員要求高、軟件操作難以掌握，不利于推廣應用^［4-7］。

本文作者等針對型鋼軋制生產線產品設計開發(fā)的特點，建立了復雜斷面型鋼軋制設計開發(fā)及質量控制數字化系統(tǒng)，圖7為該數字化系統(tǒng)構成實現的示意圖。該系統(tǒng)包含復雜斷面型鋼參數化孔型系統(tǒng)設計CAD，軋制過程CAE分析，軋輥機加工NC代碼自動生成，數控機床自動加工CAM 及軋制在線控制四大塊數字化、網絡化連接的有機整體，現場技術人員經過短期技術培訓就可以熟練地掌握和應用該數字化系統(tǒng)。

4.2　數字化技術在百米重軌產品設計開發(fā)及尺寸精度控制中的應用

以我國某軌梁軋制線開發(fā)生產新型重軌過程為例，說明鋼軌及復雜斷面型鋼軋制CAD－CAE－CAM數字化系統(tǒng)的應用過程及效果。結合數值模擬和軌梁廠實際工藝裝備，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、萬能軋制模塊、萬能連軋模塊、半萬能軋制模塊、除鱗／道次間隙／控制冷卻模塊，進行全軋程熱力耦合數值模擬系統(tǒng)分析。通過全軋程熱力耦合數值模擬系統(tǒng)，從坯料出加熱爐到終軋全過程進行計算分析，獲得軋制全程的相關信息。圖8為典型軋制道次三維FEM 數值模擬模型，圖9為典型道次BD1～BD4軋制力模擬值與實測值的比較。提取典型道次軋制力模擬曲線與實測值比較^［8］，軋制力模擬值和實測值偏差在3％～7％。

百米重軌等超長軋件軋制普遍存在軌端部0～20m內斷面尺寸偏差0.8～3.0mm“高點”的技術難題，“高點”會對高速列車形成沖擊，影響行車平穩(wěn)安全^［9］。大量實踐及數值模擬分析研究表明：造成鋼軌端部斷面尺寸波動的原因主要是百米軌進鋼沖擊、搖擺、溫度變化、軋機輥縫、張力、彈性曲線不合理等多種實際生產工藝因素復雜作用的結果。結合生產實際應用CAE技術，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，建立了精確預測軋制過程金屬變形的系列基礎模型，即鋼軌頭部寬展模型、軌底寬展模型、單項規(guī)格補償模型、全斷面補償模型等。根據系統(tǒng)模型分析得到軋件尺寸和性能波動規(guī)律，結合控制系統(tǒng)對軋件全長實施在線動態(tài)精確控制，通過一整套復雜斷面型鋼軋制金屬流動變形及全斷面補償模型預測并在線動態(tài)控制，得到百米重軌等超長復雜斷面型材軋件全長尺寸及性能波動性的精確控制，使這一難題得到解決。

4.3　數字化技術在復雜斷面型鋼產品設計開發(fā)中的應用

我國某型鋼生產線，利用開發(fā)的復雜斷面型鋼數字化技術成功開發(fā)出叉車門架用160Ja、180Jb鋼等多款非對稱復雜斷面型鋼新產品（見圖10）。叉車門架鋼由矩形連鑄坯經12～15道次軋制而成。在過去，該類斷面型鋼一直是由大尺寸矩形鋼經多道機加工制造，不僅加工成本高，材料消耗大，而且效率低、性能差。

5　結語

鋼鐵產品的軋制過程是一個集材料形變、相變與工藝、設備及控制系統(tǒng)動態(tài)變化的海量數據不斷交織作用的過程，發(fā)展和應用數字化技術是提升新產品、新工藝研發(fā)效率、降低成本、獲得內在規(guī)律、進行質量控制的最有效手段和必然趨勢，具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/span>

發(fā)展數字化技術，一是要建立好相關的硬件與軟件基礎平臺，即：高效計算和數據處理能力的計算機，精準豐富的材料數據庫、模型庫、設備數據庫、以及大型數值模擬分析與求解器等工程軟件；二是具備適應不同工藝條件的軟件與模型二次開發(fā)能力和條件，能夠針對特定工藝條件進行獲取、處理和分析海量數據并進行優(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科知識并經實踐鍛煉的相對穩(wěn)定的相關技術人才隊伍。

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