3.5 Методика расчета ндс при прокатке полос в продольно-клиновом стане с использованием программного комплекса «msc.SuperForge»
Для разработки методики моделирования структурообразования сталей при прокатке в продольно-клиновом стане необходимо было исследовать НДС заготовки при прокатке в данном стане.
Предлагаемый процесс прокатки полос является чрезвычайно сложным процессом. Связано это с тем, что во время прокатки заготовка деформируется непрерывно в пяти клетях с валками уменьшающимися диаметром в направлении прокатки.
На первоначальном этапе моделирования, используя программный комплекс «Inventor», создавали виртуальные объемные модели стана, клетей, валков и заготовки.
В последующем объемные виртуальные модели стана, клетей, валков и заготовки была импортирована в CAE программу «MSC.SuperForge» и соответствующим образом размещали в программе.
Для исследования процесса прокатки в продольно-клиновом стане использовали прямоугольную заготовку размером 5×20×50 мм. Прокатку полос моделировали в трехмерной среде с разбиением заготовки на четырех узловые элементы (CTETRA). Для модели тонкого сляба потребовалось 2518 элементов и 3180 узла. Материал заготовки - сталь Ст3сп (аналог DIN C10). Из базы данных программного комплекса «MSC.SuperForge» задавали реологические свойства. При этом материал заготовки принимали изотропным упругопластическим с нелинейным упрочнением (BISO). Начальную температуру заготовки приняли равным 1100 оС. На поверхности валка с заготовкой коэффициент трения принимали равным 0,3. Валки рассматривали как абсолютно твердые тела.
Запускали программу «MSC.SuperForge». Шаговым методом рассчитывали перемещения U, компоненты тензора деформации ε, компоненты тензора скорости деформации ξ, компоненты тензора напряжения σ, интенсивность деформаций, интенсивность напряжений, сила нормального давления, распределение температур по объему заготовки. При этом для наглядности отображения результатов расчета взяли данные для четырех стадии в процентном отношении к полному времени деформирования, т.е. были выбраны следующие интервалы: первая стадия - 20, вторая стадия - 40, третья стадия - 60 и четвертая стадия - 80 процентов от полного времени деформирования.
3.6 Методика моделирования структурообразования сталей при прокатке полос в продольно-клиновом стане
Современной тенденцией на рынке листовых сталей является расширение номенклатуры при одновременном ужесточении требований к качеству, в том числе структуре и механическим свойствам [93]. Структура горячекатаных листов является неравномерным по толщине, что связано, прежде всего, с неравномерностью деформации и температурным градиентом. Поэтому важным этапом является выбор рациональных температурно-деформационных режимов прокатки.
Удовлетворить в полном объеме требования к структуре и свойствам производимой на стане горячей прокатки листовой стали возможно путем организации контроля и управления формированием структуры и свойств стали в технологической линии стана [91, с. 62 – 154]. Оперативно реагировать на запросы рынка, существенно сократив при этом сроки и затраты на освоение новых видов металлопродукции, позволит автоматизированное проектирование технологических режимов производства проката. В качестве первого шага в этом направлении должно быть математическое моделирование структурообразования при прокатке в различных станах.
Начальный размер зерна аустенита после нагрева в печи принимали равным 250 мкм. Размер зерна аустенита dγ низколегированной стали в зависимости от начальных размеров зерна do, времени выдержки t, температуры Т и универсальной газовой постоянной R определяли по формуле [94]:
(3.46)
Для горячей прокатки характерным является прохождение метадинамической или статической рекристаллизации [95]. Одним из методов моделирования рекристаллизации является выражение «Johnson – Mehl – Avrami – Kolmogorov» (JMAK). После статической рекристаллизации низколегированной стали размер зерна аустенита можно определить, используя следующее выражение [94]:
(3.47)
где εинт - интенсивность деформаций.
Анализ формулы (3.47) показывает, что для прогнозирования структурообразования при горячей прокатке полос в продольно-клиновом стане необходимо определить НДС при различных режимах прокатки.
На рисунках 3.5 – 3.19 представлена картина распределения интенсивности деформаций и напряжений, также температуры при прокатке полос в продольно-клиновом стане.
Процесс прокатки в предлагаемом стане, можно разделить условно на четыре стадии. Поэтому для наглядности отображения результатов расчета были взяты данные для четырех стадии в процентном отношении к полному времени деформирования, т.е. были выбраны следующие интервалы: первая стадия - 20, вторая стадия - 40, третья стадия - 60 и четвертая стадия - 80 процентов от полного времени деформирования.
Расчет и анализ напряженно-деформированного состояния показывает, что:
1. При прокатке в первой клети продольно-клинового стана интенсивность деформации (εинт) и напряжения (σi) локализуются в зонах захвата металла валками (рисунки 3.5, 3.6);
а) 20% б) 40%
в) 60% г) 80%
Рисунок 3.5 – Картина распределения интенсивности деформации
при прокатке полос в первой клети
а) 20% б) 40%
в) 60% г) 80%
Рисунок 3.6 – Картина распределения интенсивности напряжений
при прокатке полос в первой клети
а) 20% б) 40%
в) 60 % г) 80%
Рисунок 3.7 – Картина распределения температурного поля
при прокатке полос в первой клети
а) 20% б) 40%
в) 60 % г) 80%
Рисунок 3.8 – Картина распределения интенсивности деформации
при прокатке полос во второй клети
а) 20% б) 40%
в) 60 % г) 80%
Рисунок 3.9 – Картина распределения интенсивности напряжений
при прокатке полос во второй клети
а) 20% б) 40%
в) 60 % г) 80%
Рисунок 3.10 – Картина распределения температурного поля
при прокатке полос во второй клети
а) 20% б) 40%
в) 60 % г) 80%
Рисунок 3.11 – Картина распределения интенсивности деформации
при прокатке полос в третьей клети
а) 20% б) 40%
в) 60 % г) 80%
Рисунок 3.12 – Картина распределения интенсивности напряжений
при прокатке полос в третьей клети
а) 20% б) 40%
в) 60 % г) 80%
Рисунок 3.13 – Картина распределения температурного поля
прокатке полос в третьей клети
а) 20% б) 40%
в) 60 % г) 80%
3.14 – Картина распределения интенсивности деформации
при прокатке полос в четвертой клети
а) 20% б) 40%
в) 60 % г) 80%
Рисунок 3.15 – Картина распределения интенсивности напряжений
при прокатке полос в четвертой клети
а) 20% б) 40%
в) 60 % г) 80%
Рисунок 3.16 – Картина распределения температурного поля
при прокатке полос в четвертой клети
а) 20% б) 40%
в) 60 % г) 80%
Рисунок 3.17 – Картина распределения интенсивности деформации
при прокатке полос в пятой клети
а) 20% б) 40%
в) 60 % г) 80%
Рисунок 3.18 – Картина распределения интенсивности напряжений
при прокатке полос в пятой клети
а) 20% б) 40%
в) 60 % г) 80%
Рисунок 3.19 – Картина распределения температурного поля
при прокатке полос в пятой клети
Рисунок 3.20 – Распределение размеров зерен по поперечному сечению полосы при прокатке в первой клети (сечение 1 - Нi/Н0 = 0,5; сечение 2 - Нi/Н0 = 0,75; сечение 3 - Нi/Н0 = 0,9)
Рисунок 3.21 – Распределение размеров зерен по поперечному сечению полосы при прокатке во второй клети (сечение 1 - Нi/Н0 = 0,5; сечение 2 - Нi/Н0 = 0,75; сечение 3 - Нi/Н0 = 0,9)
Рисунок 3.22 – Распределение размеров зерен по поперечному сечению полосы при прокатке в третьей клети (сечение 1 - Нi/Н0 = 0,5; сечение 2 - Нi/Н0 = 0,75; сечение 3 - Нi/Н0 = 0,9)
Рисунок 3.23 – Распределение размеров зерен по поперечному сечению полосы при прокатке в четвертой клети (сечение 1 - Нi/Н0 = 0,5; сечение 2 - Нi/Н0 =0,75; сечение 3 - Нi/Н0 = 0,9)
Рисунок 3.24 – Распределение размеров зерен по поперечному сечению полосы при прокатке в пятой клети (сечение 1 - Нi/Н0 = 0,5; сечение 2 - Нi/Н0 = 0,75; сечение 3 - Нi/Н0 = 0,9)
2. С увеличением обжатия величины интенсивности деформации (εинт) и напряжения (σi) увеличиваются в центре и по краям деформируемой заготовки (рисунки 3.5, 3.6);
3. Непрерывная прокатка заготовки в последующих клетях продольно-клинового стана позволяет постепенно перенести участки сосредоточенной деформации от центра к средней части полосы, а затем в зону контакта валков с прокатываемой заготовкой (рисунки 3.8, 3.11, 3.14, 3.17);
4. Постепенный перенос участков с локализацией деформации от центра к поверхности проводит к более равномерному распределению накопленной деформации;
5. Наиболее равномерное распределение накопленной деформации по высоте и длине прокатываемой полосы получено при прокатке с единичным обжатием в первой клети - 20%, во второй клети - 20%, в третьей клети - 20%, в четвертой клети - 15%; в пятой клети - 10%;
6. В процессе прокатки в первой клети температура в зонах контакта «горячий металл – валки» уменьшается (рисунок 3.7);
7. При прокатке во второй, третьей, четвертой и пятой клетях участки металла с высокой температурой перемещаются вместе с очагом деформации (рисунки 3.10, 3.13, 3.16 и 3.19);
8. При прокатке в продольно-клиновом стане интенсивно охлаждаются участки полос, находящиеся в зоне контакта металла с валком, вне зоны очага деформации и интенсивно нагреваются участки металла, находящиеся в очаге деформации (рисунки 3.7, 3.10, 3.13, 3.16 и 3.19).
В результате расчета размеров аустенитного зерна установили, что:
После прокатки в первой клети предлагаемого стана размер зерна аустенита в центре полосы сравнительно мелкозернистый и равняется 70...84 мкм, в то время как в поверхностных зонах полосы размер зерна аустенита сравнительно крупнозернистый (132...146 мкм) (рисунок 3.20, где Нi и Вi – расстояние до исследуемой точки по высоте и ширине прокатываемой полосы; Н0 и В0 – высота и ширина полосы, соответственно);
Прокатка в последующих клетях продольно-клинового стана позволяет постепенно выравнить размеры аустенитного зерна, которые по всему сечению прокатываемой полосы равняются 51...73 мкм (рисунки 3.21, 3.22, 3.23, 3.24).