槽钢初轧孔型设计的模拟优化计算王慧玉
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第 34 卷 第 6 期 2012 年 12 月
山东冶金
Shandong Metallurgy
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修正，适当增大其弧度，使 K1 下槽的压力均衡，这会
使得楔形在中间金属的切分作用增加内侧弧金属
பைடு நூலகம்
向两侧流动，同时还会减缓下辊内侧弧度部分的压
力，有利于 K2 孔型的腿部长长。在 K2 孔型的模拟
轧制过程中，金属流向下辊的内侧弧，但有向内侧
翻卷的倾向，没有达到腿部增长的目的。
根据模拟轧制的计算结果分析，对孔型的尺寸 进行了较大的改动，重点对 K1 孔型进行修正：使用 楔形切分使坯料在 K1 孔型形成槽钢雏形，加大上下 孔型中间部位压下，上孔型外侧压下外扩，增大侧 壁斜度；下孔型基本与上孔型对称。充分发挥 K1 道 次温度高，轧制压下可以稍大的优点，改进先前设 计的不足之处。 3.2 第 2 次孔型优化的模拟计算
收稿日期：2012-04-06 作者简介：王慧玉，女，1974 年生，1996 年毕业于东北大学压力加工 专业。现为莱钢棒材厂工程师，从事型材孔型工艺技术工作。
40
mm，轧件的咬入速度为 3.5 m/s。
表 1 模拟计算仿真参数
部件
材料模型
密度/ 弹性模 （kg·m-3） 量/MPa
泊松比
屈服应 力/MPa
试验研究
槽钢初轧孔型设计的模拟优化计算
王慧玉，张思勋
（莱芜钢铁集团有限公司，山东 莱芜 271104）
Vol.34 No.6 December 2012
摘 要：针对槽钢初轧孔型优化过程中因工艺设计缺陷出现的各种问题，对轧制过程进行模拟轧制计算，为孔型设计提供
孔型充满度、金属位移流动规律并提出优化建议。结果显示：矩形坯料在开坯孔型的充分夹持有利于实现开坯切分；槽钢
总结第 1 次轧制模拟结果发现：K1 孔型主要是 增加槽钢的腰部压下，尽量使得腿部开始成型。K2 孔型的主要作用是增加腿部金属的延伸量，同时， 进一步在高温段轧制过程中增大压下，获得槽钢雏 形。为避免中间轧件下辊过大压下，对初轧孔型设 计 增 加“ 假 腿 ”，用 以 调 节 轧 件 的 上 翘 与 腿 部 的 增 长。对优化后的尺寸进行第 2 次模拟轧制过程计 算，获得的孔型轧制截面如图 3 所示。
轧辊
刚性
7 850 2.08×105 0.283
轧件 理想弹塑性材料 7 850 1.08×105 0.352 130
图 1 建立的轧制模型
3 孔型设计模拟计算
3.1 第 1 次孔型设计的模拟计算 一般来说，钢坯高度（H）与成品高度（H0）之比
应该在 1.8～2.2 之间，比例越高越容易实现工艺布 置和孔型设计。所选取的 200×165 坯料，其与成品 的腰高比为 1.0，远小于设计要求。因此，如何在轧 制过程中增加腿高非常关键。初期的孔型设计，将 K1 采取切分设计，促进开坯后腿部金属的延伸，K1 的最初设计以箱形孔开坯。从增腿效果看，箱形孔 开坯更利于长腿，而且容易实现矩形坯咬入。K2 孔 型设定为带一定侧壁斜度，这样既可以使腿部金属 尽量向下延伸，也可以消除 K1 孔型辊缝过度宽展的 金属余量。
运用模拟软件由计算机进行轧制工艺的动态 再现，继而对轧制工艺进行设计优化是可行和有效 的［1-3］，为产品轧制缺陷分析与设计方案的优化和改 进提供可靠快捷的技术手段［4-6］。本研究以 GB20#槽 钢产品孔型设计为例，根据现场实际进行初轧孔型 的模拟计算，对因设计原因造成的各种缺陷进行模 拟再现，降低经验公式计算造成的误差，缩短设计 周期，提高型材类产品的一次试轧成功率，为尺寸 精确控制技术提供过程工艺参数，使得精确定量调 整生产工艺参数成为可能。
2012 年第 6 期
然向内侧弧度处集中流动，造成下辊的内侧弧应变 压力较大。K1 孔型截图辊缝处有很小的过充满现 象发生，但通过其后几个道次轧制结果分析来看， 辊缝过充满金属量利于腿部的长长并为其后道次 尺寸的修正预留了空间。
K1
K2
图 2 第 1 次模拟计算的 K1、K2 孔型充满度
因此，建议对 K1 孔型的下半部分内侧弧度进行
孔型内侧 R 角位置的金属最为活跃，可以平衡调节腿部与腰部金属位移；槽钢“假腿”设计不仅可作为腿部尺寸平衡，也利
于腿部金属的增加。
关键词：槽钢；孔型设计；模拟计算；充满度；金属位移
中图分类号：TG332+.11
文献标识码：A
文章编号：1004-4620（2012）06-0040-02
1前言
型钢生产过程中，良好的孔型设计、辊缝设置 及合理辊形是确保生产稳定顺畅的前提，是实现产 品表面质量和尺寸合格的基础。而在轧制工艺设 计过程中，因孔型设计或辊形配置不合理等造成的 成品尺寸不足、棱角不满、折叠等缺陷，以及轧制过 程出现的弯曲、翘头、扭转等都会造成生产工艺不 稳定和产品质量不符合要求。槽钢产品的孔型设 计一般采用经验公式计算，然后进行多次的修正改 进，过程成本投入巨大。
取轧件稳定轧制阶段在原点的截面得到轧件 稳定轧制阶段的充满度情况。通过对孔型截面的 提取，获得该截面的孔型充满程度如图 2 所示。可 见，前两个道次的孔型充满度均不理想，K1 孔型并 未完全充满。分析其原因，主要是 K1 下孔型的内侧 弧度仍然偏小，中间平压部分过长导致下部金属仍
王慧玉等
槽钢初轧孔型设计的模拟优化计算
2 计算模型的建立
在模拟计算过程中，首先对模拟轧制计算过程 中的各种参数条件进行设置。假设轧辊为刚性，对 轧辊的表面层进行网格划分。模拟过程中，轧件采 用理想弹塑性材料，采用库仑摩擦［7］，所用到的其他 基本参数如表 1 所示。采用自动搜索面对面接触， 并定义了轧件与轧辊间的接触对。静摩擦系数设 为 0.38，动摩擦系数设为 0.35［8］。轧制参数设定后， 建立轧制模型如图 1 所示：将轧件长度设置为 1 500
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第 34 卷 第 6 期 2012 年 12 月
山东冶金
Shandong Metallurgy
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修正，适当增大其弧度，使 K1 下槽的压力均衡，这会
使得楔形在中间金属的切分作用增加内侧弧金属
பைடு நூலகம்
向两侧流动，同时还会减缓下辊内侧弧度部分的压
力，有利于 K2 孔型的腿部长长。在 K2 孔型的模拟
轧制过程中，金属流向下辊的内侧弧，但有向内侧
翻卷的倾向，没有达到腿部增长的目的。
根据模拟轧制的计算结果分析，对孔型的尺寸 进行了较大的改动，重点对 K1 孔型进行修正：使用 楔形切分使坯料在 K1 孔型形成槽钢雏形，加大上下 孔型中间部位压下，上孔型外侧压下外扩，增大侧 壁斜度；下孔型基本与上孔型对称。充分发挥 K1 道 次温度高，轧制压下可以稍大的优点，改进先前设 计的不足之处。 3.2 第 2 次孔型优化的模拟计算
收稿日期：2012-04-06 作者简介：王慧玉，女，1974 年生，1996 年毕业于东北大学压力加工 专业。现为莱钢棒材厂工程师，从事型材孔型工艺技术工作。
40
mm，轧件的咬入速度为 3.5 m/s。
表 1 模拟计算仿真参数
部件
材料模型
密度/ 弹性模 （kg·m-3） 量/MPa
泊松比
屈服应 力/MPa
试验研究
槽钢初轧孔型设计的模拟优化计算
王慧玉，张思勋
（莱芜钢铁集团有限公司，山东 莱芜 271104）
Vol.34 No.6 December 2012
摘 要：针对槽钢初轧孔型优化过程中因工艺设计缺陷出现的各种问题，对轧制过程进行模拟轧制计算，为孔型设计提供
孔型充满度、金属位移流动规律并提出优化建议。结果显示：矩形坯料在开坯孔型的充分夹持有利于实现开坯切分；槽钢
总结第 1 次轧制模拟结果发现：K1 孔型主要是 增加槽钢的腰部压下，尽量使得腿部开始成型。K2 孔型的主要作用是增加腿部金属的延伸量，同时， 进一步在高温段轧制过程中增大压下，获得槽钢雏 形。为避免中间轧件下辊过大压下，对初轧孔型设 计 增 加“ 假 腿 ”，用 以 调 节 轧 件 的 上 翘 与 腿 部 的 增 长。对优化后的尺寸进行第 2 次模拟轧制过程计 算，获得的孔型轧制截面如图 3 所示。
轧辊
刚性
7 850 2.08×105 0.283
轧件 理想弹塑性材料 7 850 1.08×105 0.352 130
图 1 建立的轧制模型
3 孔型设计模拟计算
3.1 第 1 次孔型设计的模拟计算 一般来说，钢坯高度（H）与成品高度（H0）之比
应该在 1.8～2.2 之间，比例越高越容易实现工艺布 置和孔型设计。所选取的 200×165 坯料，其与成品 的腰高比为 1.0，远小于设计要求。因此，如何在轧 制过程中增加腿高非常关键。初期的孔型设计，将 K1 采取切分设计，促进开坯后腿部金属的延伸，K1 的最初设计以箱形孔开坯。从增腿效果看，箱形孔 开坯更利于长腿，而且容易实现矩形坯咬入。K2 孔 型设定为带一定侧壁斜度，这样既可以使腿部金属 尽量向下延伸，也可以消除 K1 孔型辊缝过度宽展的 金属余量。
运用模拟软件由计算机进行轧制工艺的动态 再现，继而对轧制工艺进行设计优化是可行和有效 的［1-3］，为产品轧制缺陷分析与设计方案的优化和改 进提供可靠快捷的技术手段［4-6］。本研究以 GB20#槽 钢产品孔型设计为例，根据现场实际进行初轧孔型 的模拟计算，对因设计原因造成的各种缺陷进行模 拟再现，降低经验公式计算造成的误差，缩短设计 周期，提高型材类产品的一次试轧成功率，为尺寸 精确控制技术提供过程工艺参数，使得精确定量调 整生产工艺参数成为可能。
2012 年第 6 期
然向内侧弧度处集中流动，造成下辊的内侧弧应变 压力较大。K1 孔型截图辊缝处有很小的过充满现 象发生，但通过其后几个道次轧制结果分析来看， 辊缝过充满金属量利于腿部的长长并为其后道次 尺寸的修正预留了空间。
K1
K2
图 2 第 1 次模拟计算的 K1、K2 孔型充满度
因此，建议对 K1 孔型的下半部分内侧弧度进行
孔型内侧 R 角位置的金属最为活跃，可以平衡调节腿部与腰部金属位移；槽钢“假腿”设计不仅可作为腿部尺寸平衡，也利
于腿部金属的增加。
关键词：槽钢；孔型设计；模拟计算；充满度；金属位移
中图分类号：TG332+.11
文献标识码：A
文章编号：1004-4620（2012）06-0040-02
1前言
型钢生产过程中，良好的孔型设计、辊缝设置 及合理辊形是确保生产稳定顺畅的前提，是实现产 品表面质量和尺寸合格的基础。而在轧制工艺设 计过程中，因孔型设计或辊形配置不合理等造成的 成品尺寸不足、棱角不满、折叠等缺陷，以及轧制过 程出现的弯曲、翘头、扭转等都会造成生产工艺不 稳定和产品质量不符合要求。槽钢产品的孔型设 计一般采用经验公式计算，然后进行多次的修正改 进，过程成本投入巨大。
取轧件稳定轧制阶段在原点的截面得到轧件 稳定轧制阶段的充满度情况。通过对孔型截面的 提取，获得该截面的孔型充满程度如图 2 所示。可 见，前两个道次的孔型充满度均不理想，K1 孔型并 未完全充满。分析其原因，主要是 K1 下孔型的内侧 弧度仍然偏小，中间平压部分过长导致下部金属仍
王慧玉等
槽钢初轧孔型设计的模拟优化计算
2 计算模型的建立
在模拟计算过程中，首先对模拟轧制计算过程 中的各种参数条件进行设置。假设轧辊为刚性，对 轧辊的表面层进行网格划分。模拟过程中，轧件采 用理想弹塑性材料，采用库仑摩擦［7］，所用到的其他 基本参数如表 1 所示。采用自动搜索面对面接触， 并定义了轧件与轧辊间的接触对。静摩擦系数设 为 0.38，动摩擦系数设为 0.35［8］。轧制参数设定后， 建立轧制模型如图 1 所示：将轧件长度设置为 1 500