簡介
我國熱軋H 型鋼的生產量從1999 年的11.31 萬t，逐年大幅度增長，從目前已投產和即將建成的生產線來看，總產能達到1 300 萬t 以上，產品規格覆蓋大、中、小，最大設計規格為HN900 mm × 300mm。同時，隨著數值計算的不斷發展，數值模擬在H 型鋼軋制過程中的套用也越來越廣泛。數值模擬使材料加工過程在虛擬的環境下再現，模擬出H 型鋼在軋制過程中的應力、應變、金屬流動、溫度變化、組織演變以及軋後的殘餘應力、性能分布等情況。數值模擬在熱軋H 型鋼中的成功套用，為新產品開發、設備故障分析、產品缺陷分析、設計方案的最佳化和改進等提供了可靠和快捷的技術手段 。
大型H型鋼軋制過程數值模擬
採用數值模擬方法，對大型H 型鋼的軋制過程進行計算，獲得軋制過程中的金屬流動、應力應變、軋制力參數以及軋制過程中的軋件溫度分布，完成虛擬環境下對軋制過程中軋件變形及溫度場變化規律的跟蹤，從而指導工藝設計及生產。
1 應力應變模擬結果
通過H 型鋼軋制過程的數值模擬，可以得到不同道次、不同變形條件下軋件各部位、任何時刻應力應變的分布及變化，通過應力應變的計算結果，判斷軋件各部位的變形狀態及受力狀態，用以對孔型及工藝設計提供參考。軋件在萬能軋制過程中，翼緣與腹板部位連線處應變最高。靠近腿腰連線部位軋件所受的壓應力最大。
2 金屬流動模擬結果
H型鋼軋制過程中，軋件各部位的金屬流動決定了最終產品形狀和尺寸，通過金屬流動的模擬結果可以直接指導孔型及工藝設計。腿腰連線部位翼緣外側的金屬向翼緣端部流動，翼緣內側金屬沿著水平輥輥面向角部位流動。這種“內翻”現象也很好地說明了軋件作為一整體，為彌補由於腿腰延伸不同，斷面內部金屬存在流動現象。
在H型鋼軋制過程中，由於立輥為從動輥，其被動性阻礙金屬沿軋制方向向前的流動，腿部壓下越大，阻礙的效果越明顯，導致腹板部位的前滑減小，後滑增加。在H 型鋼軋制過程中，分析軋制變形區內的金屬前後滑不能簡單地將H 型鋼腹板和翼緣分開看待，而是將其作為一個整體，腿腰延伸比作為影響前後滑的主要因素之一，需要進行這種考慮。
3 溫度場模擬結果
大型H 型鋼整個軋制過程中，影響軋件各部位溫度變化的因素較多，其中包括：
1）軋件各部位的表面體積比不同，其中腹板部位的表面體積比始終最高，而翼緣部位較低，腰腿連線部位最低，這直接導致在整個軋制過程中軋件各部位的散熱情況不同；
2）軋輥溫度低，在和軋輥相接觸的軋件表面，在接觸時間內降溫劇烈，兩者之間的熱傳導使溫度降低；
3）變形區內塑性功轉換成熱量，使軋件內部關鍵點的溫度升高；
4）由於H 型鋼斷面形狀複雜，軋輥冷卻水在腹板與兩側翼緣構成的溝槽內積蓄，導致軋輥冷卻水直接冷卻腹板，也是造成大型H 型鋼斷面溫差的重要原因之一。
軋制過程中軋件各部位溫度呈現整體下降趨勢；軋件表面與軋輥接觸的部位各道次溫度均有一個急速下降的拐點，但出變形區後，軋件表面迅速返紅；軋件內部關鍵點在變形區內，其溫度有所上升；軋件各部位對應關鍵點溫差隨著軋件的減薄逐漸減小，而不同部位的表面溫差卻在增大。
4 軋制力模擬結果
在軋件咬入和拋出的過程中，無論是水平輥還是立輥，軋制力曲線均出現較高的峰值，而穩定軋制階段軋制力相對穩定。通過軋制力的計算結果與實測結果的對比，可以看出有限元計算結果與實際結果吻合很好，證明數值模擬的方法針對該工藝實用，可以作為研究基礎進行推廣和作為開展相關工作的基礎。針對不同腿腰延伸比的情況計算，腿腰延伸比增加時，立輥軋制力增加，腿部對腰部的牽拉作用增強，導致水平輥軋制力減小。
5 軋制缺陷模擬結果
對於H型鋼軋制過程中的非正常軋制狀態的數值模擬，可以幫助調節工藝參數，避免質量事故甚至生產事故的產生。特別是H型鋼軋制過程中的軋制缺陷，如軋制產生的腹板波浪、腹板偏心、翼緣不平直、翹頭、側彎、摺疊、壓痕等，這些缺陷都可以通過數值模擬的方法進行模擬和預測，由此分析缺陷產生的原因，並指導生產工藝改進、避免缺陷產生。
在軋制過程中，由於腿腰延伸比配置的不合理，特別是當腹板的壓下量過大時，腹板內部受到的附加壓應力足夠大到使腹板產生屈曲失穩，最終形成腹板波浪。
大型H型鋼軋後殘餘應力數值模擬
針對大型H型鋼因終軋斷面溫差以及軋件斷面金屬流動不均勻而導致軋後大型H型鋼內部存在較大的殘餘應力相關問題進行數值模擬。
1 因溫度分布不均產生的殘餘應力模擬
軋後H 型鋼腹板部位整體表現為壓應力狀態，翼緣與腹板連線部位表現為拉應力狀態，翼緣端部表現為壓應力狀態，腹板部位的壓應力最高值處於H型鋼長寬方向的對稱中心部位；該規格產品腹板部位的最高殘餘應力超過160 MPa，腰腿連線部位的最高殘餘拉應力為250MPa 以上。
2 大型H型鋼腹板冷卻波浪模擬
由於軋後大型H 型鋼斷面溫差的存在，導致在冷卻過程中腹板部位受壓，由此將導致腹板冷卻波浪。
3 翼緣切割過程殘餘應力場轉變模擬
在大H型鋼使用過程中，由於殘餘應力的影響，導致施工過程中切割翼緣時產生腹板開裂，嚴重時產生腹板爆裂現象。通過數值模擬方法，可以獲得切割翼緣時H 型鋼殘餘應力場的轉變的模擬結果。
4 大型H型鋼殘餘應力控制方法模擬
大型H 型鋼內部殘餘應力的存在，往往造成不利的影響，需要對其進行控制。通過軋後翼緣外側強制冷卻的方法以及控制終軋斷面溫度的方法，可以均衡或降低大型H型鋼產品內部的殘餘應力。
大型H型鋼組織演變及性能預報
在大型H型鋼全軋程以及軋後冷卻過程熱力耦合數值模擬的基礎上，以大型H 型鋼全軋程三維熱力耦合有限元計算結果為基礎，結合相關組織演變及性能預報模型，對大型H 型鋼的組織演變及性能預報進行數值計算成為可能。
1 奧氏體組織演變數值模擬
以大型H型鋼軋制全程熱力耦合數值模擬計算結果為基礎，結合對應鋼種的動態再結晶、亞動態再結晶、靜態再結晶以及晶粒長大等奧氏體組織演變冶金動力學模型，這些模型以有限元結果為基礎，可以計算出晶粒尺寸、殘餘應變、再結晶份數等組織結果。
2 相變組織狀態預測結果
終軋結束，在奧氏體晶粒尺寸計算結果的基礎上，以冷卻過程中的溫度場計算結果，通過相變模型，藉助於CCT 曲線，對相變進行計算。
3 性能預測
在相變組織分布模擬結果的基礎上，結合組織性能對照模型，可以對產品的屈服強度、抗拉強度、硬度等性能進行預測 。
總結
1）通過數值模擬，對大型H 型鋼軋制過程中的金屬流動以及應力應變場進行動態模擬分析，為研究大斷面型鋼的變形機理提供重要的理論指導。
2）通過軋制過程的數值模擬，可以獲得軋制力、扭矩等軋制力能參數的準確的模擬結果，為軋制過程中的設備能力校核及工藝制定提供可靠的參考。
3）通過對軋制過程中軋制缺陷的數值模擬，獲得軋制過程中非正常軋制狀態下的缺陷模擬預測結果，可以直接指導生產工藝，為提高成材率，避免殘次品的產生提供可靠的依據。
4）通過在虛擬的環境下大型H 型鋼軋後殘餘應力的模擬分析，為H 型鋼殘餘應力的控制提供了有效的解決方法和思路。
5）通過組織性能預報的數值模擬，可以為大型H 型鋼的產品設計提供理論支持，提前預知產品的性能 。
