[发明专利]一种考虑不均匀变形热的大方坯轧制温度场计算方法

说明书

本发明提供一种考虑不均匀变形热的大方坯轧制温度场计算方法，属于钢铁冶金技术领域。该方法首先使用三维结构有限元方法建立大方坯单道次轧制计算模型；然后进行轧制过程应力与应变场的输出；最后使用二维温度有限差分方法建立大方坯单道次轧制温度场计算模型。棒线材轧制温度预测模型一般假设变形热均匀分布在整个断面上，没有考虑不均匀变形热对轧制温度场的影响，与之相比采用这种考虑不均匀变形热的温度场计算方法，更符合大方坯轧制时变形不均匀分布的实际情况，可以提高模型精度。与建立完全三维热力耦合模型相比，采用间接耦合的方式可以减少建模规模，缩短计算时间，省时高效。

技术领域

本发明涉及钢铁冶金技术领域，特别是指一种考虑不均匀变形热的大方坯轧制温度场计算方法。

背景技术

为了改善偏析对高碳钢线材产品的影响，现在很多特钢企业采用大方坯两火成材工艺，利用九机架连轧机组对大断面方坯进行大变形量的轧制，轧成小方坯后，再利用高速线材机组轧制成成品。在大断面方坯轧制过程中，由于采用箱方孔型且道次变形量大，轧件内部沿厚度方向和宽度方向的应力、应变分布非常不均匀。轧制变形热是轧制过程中塑性功转化而来，塑性功是轧件内应力和应变在变形区内的积分，应力应变分布不均匀将直接导致轧制过程中变形热分布不均匀。但是棒线材轧制温度预测模型一般假设变形热均匀分布在整个断面上，没有考虑不均匀变形热对轧制温度场的影响，对计算结果带来了误差。

也有研究人员采用热力耦合有限元方法，建立轧制过程变形-温度完全耦合的有限元模型进行计算，可以考虑不均匀变形导致的变形热的不均匀分布，但是由于采用了热力耦合单元，与单纯进行变形计算的结构单元相比，增加了一个温度自由度，导致计算量大，计算时间长。

发明内容

本发明提供一种考虑不均匀变形热的大方坯轧制温度场计算方法，通过二维有限差分与三维有限单元方法进行间接耦合计算，利用三维结构有限元法计算获得的轧件在轧制过程中的应力和应变场，通过数据文件传递给二维有限差分温度场计算模型，获得轧件横截面不同位置的不同变形热。

该计算方法包括步骤如下：

S1：使用三维结构有限元方法建立大方坯单道次轧制计算模型：

S11：根据轧件和轧辊的几何尺寸建立大方坯单道次轧制三维几何模型；

S12：对S11中建立的几何模型进行单元划分，先选择单元类型，其中，轧件选择8节点六面体单元，轧辊选择四边形壳单元，然后根据计算需要对几何模型的每个边确定网格划分的数量，对轧件和轧辊分别进行单元划分；

S13：在轧件上施加初始速度，在轧辊上施加旋转速度载荷，并确保轧件和轧辊直接接触:；

S14：设定计算时间和时间步长，进行大方坯轧制变形的有限元求解，并保存计算结果；

S2：轧制过程应力与应变场的输出：

S21：选取轧件长度方向1/2处的横截面作为轧件代表截面，获取代表截面处每个节点的节点号和节点位置坐标；

S22：获得轧件代表截面进入轧制区和离开轧制区的时刻，将轧制区内的纯轧制时间分为10等分，获取轧件代表截面上每个节点在纯轧区内10个时刻的等效应力值、等效应变值，并保存数据文件；

S3：使用二维温度有限差分方法建立大方坯单道次轧制温度场计算模型：

S31：根据轧件钢种获取相应的热物性参数值，包括导热系数K和比热容C；

S32：根据轧件轧前的几何尺寸进行二维的空间离散；

S33：确定轧件轧前的时间、纯轧制时间、轧后的时间；

S34：对轧件赋初始温度；