冷連軋機(jī)工作輥熱輥型的有限元研究

于鳳琴，杜鳳山，張國(guó)良

(燕山大學(xué)機(jī)械學(xué)院，河北 秦皇島066004)

冷連軋機(jī)工作輥熱輥型的有限元研究

于鳳琴，杜鳳山，張國(guó)良

(燕山大學(xué)機(jī)械學(xué)院，河北 秦皇島066004)

利用有限元軟件對(duì)某鋼廠1700冷連軋機(jī)組的產(chǎn)品規(guī)格及軋制工藝參數(shù)進(jìn)行計(jì)算工作輥的輥型參數(shù)，并將計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，數(shù)據(jù)吻合良好，證明了有限元在計(jì)算冷連軋機(jī)工作軋輥熱輥型方面的可行性和實(shí)用性。

冷軋;工作輥輥型;溫度場(chǎng)

0 前言

有限元MSC.Mentat軟件采用交替迭代方法計(jì)算熱力耦合問題，對(duì)每個(gè)增量步中的模型幾何形狀進(jìn)行更新，在新的拉格朗日坐標(biāo)下分析溫度場(chǎng)方程，采用非線性迭代解法求解熱傳導(dǎo)方程的等效溫度場(chǎng)。遞推公式收斂后，在同一增量步中，更新溫度值，評(píng)價(jià)材料力學(xué)性質(zhì)和熱應(yīng)變，迭代求解力平衡方程，收斂后，進(jìn)行下一步分析直到所需的增量步結(jié)束。

由于軋輥熱輥型動(dòng)態(tài)形成過程的時(shí)間非常長(zhǎng)，建立軋輥三維動(dòng)態(tài)仿真模型，采用有限元計(jì)算三維空間實(shí)體模型和一維時(shí)間的軋輥溫度分布，計(jì)算量非常大。由于軋輥的轉(zhuǎn)速非常高，軸向傳熱很少，所以采取與差分計(jì)算模型同樣的方法，將軋輥模型由三維簡(jiǎn)化為二維軸對(duì)稱模型，又由于軋輥兩端熱傳導(dǎo)的對(duì)稱性，僅研究軋輥輥身長(zhǎng)度的一半，這樣既保證了計(jì)算精度，又提高了計(jì)算效率。

軋輥熱凸度求解模型包含兩類邊界條件，即力邊界條件和熱邊界條件。力邊界條件包括輥身中間對(duì)稱面上節(jié)點(diǎn)自由度的約束和軸對(duì)稱中心線上節(jié)點(diǎn)位移的約束。熱邊界條件的施加是建立該模型的重點(diǎn)和難點(diǎn)。流入和流出工作輥的熱都有四部分，需要考慮換熱的位置較多，邊界條件復(fù)雜。由于軋輥是旋轉(zhuǎn)的，簡(jiǎn)化模型后，就相當(dāng)于二維軸對(duì)稱平面依次經(jīng)過加熱區(qū)、空冷區(qū)、水冷區(qū)、接觸換熱區(qū)、水冷區(qū)和空冷區(qū)，熱邊界條件是時(shí)間的函數(shù)，增加了邊界條件控制的難度［1］。

對(duì)模型簡(jiǎn)化方法與差分法類似，忽略軸承、支承輥與工作輥之間的熱量傳遞和軋輥對(duì)空間的熱輻射、軋件產(chǎn)生的塑性變形熱、及軋制過程中的摩擦熱，以等效熱流密度的形式進(jìn)行加載，隨時(shí)間的變化通過編寫用戶子程序控制實(shí)現(xiàn)。軋輥的水冷通過加載對(duì)流換熱系數(shù)及冷卻溫度來等效，其隨時(shí)間的變化也通過編寫子程序來實(shí)現(xiàn)。

熱力耦合求解流程圖如圖1所示［2］。

圖1 熱力耦合分析流程圖Fig.1 Flow chart of thermal-mechanical coupled analysis

1 熱輥型有限元求解

利用MSC.Mentat前處理圖形交互界面建立軋輥四分之一模型，如圖2所示［3-4］。軋輥輥身沿徑向共分15個(gè)單元，并從輥中心軸線到輥面逐漸加密，因?yàn)榻蛔儨囟戎挥绊戄伱孑^淺的深度，這樣劃分單元有利于提高計(jì)算精度。輥身方向44個(gè)單元，在輥身板帶與軋輥接觸的區(qū)域溫度變化劇烈，因此在此處加密單元，提高精度。輥頸處共分為32個(gè)大小相同的單元軸向8個(gè)，徑向4個(gè)。

圖2 工作輥有限元模型Fig.2 FEM model of work roll

首先定義軋輥的材料屬性，包括彈性模量、泊松比、熱導(dǎo)系數(shù)、熱膨脹系數(shù)等;其次定義接觸條件、初始溫度、力和熱邊界條件。其中力邊界條件直接在MSC．Mentat中設(shè)置，而熱邊界條件要激活USER SUB.FLUX和USER SUB.FILM選項(xiàng)，而非默認(rèn)的ENTERED VALUES選項(xiàng)，再定義模型的載荷工況，設(shè)置為準(zhǔn)靜態(tài)熱力耦合分析并定義分析時(shí)間、迭代方法和收斂判據(jù)，最后定義單元的類型，選擇編寫的子程序文件，并提交計(jì)算。

換上新輥時(shí)，軋輥溫度低，基本上沒有熱凸度，開軋一段時(shí)間后軋輥溫度逐漸上升，熱凸度隨之不斷增大，軋制一定數(shù)量的帶鋼后，吸收的熱量與散失的熱量接近平衡，輥溫分布處于穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)的熱凸度是指一個(gè)暫態(tài)的穩(wěn)定值。經(jīng)過反復(fù)的計(jì)算大量的工況，結(jié)果表明當(dāng)計(jì)算4000 s時(shí)，軋輥的熱輥型達(dá)到熱平衡，軋輥的溫度場(chǎng)和位移場(chǎng)如圖3和圖4所示。

由圖3和圖4可以看出，達(dá)到穩(wěn)態(tài)后軋輥的最高溫度為65℃，最低溫度為26.4℃，輥面最大的徑向位移為0.989 mm。

2 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集［5］

如圖5所示，某鋼廠1700五機(jī)架冷連軋機(jī)組，主體機(jī)械設(shè)備由日本三菱－日立公司設(shè)計(jì)，主要生產(chǎn)軟鋼和高強(qiáng)鋼，年產(chǎn)150萬t，其中軟鋼占84%，高強(qiáng)鋼占16%，產(chǎn)品的規(guī)格為:單卷重15～27t，厚度0.25～2.5 mm，寬度為750～1 580 mm。該冷連軋生產(chǎn)線代表了當(dāng)今世界冷軋和板型控制的先進(jìn)水平，具體有板形控制能力強(qiáng)、大壓下量等特點(diǎn)。

圖5 1700冷連軋機(jī)組圖Fig.5 Model-1 700 cold tandem rollingmill unit

本文以該冷連軋機(jī)組F1～F4機(jī)架工作輥的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。選取該冷連軋機(jī)組生產(chǎn)中的某一軋制計(jì)劃作為研究對(duì)象，對(duì)整個(gè)軋制情況進(jìn)行跟蹤，軋前的軋制規(guī)格見表1，軋制工藝參數(shù)見表2。

表1 軋制計(jì)劃表Tab.1 Rolling schedule

表2 軋制工藝參數(shù)表Tab.2 technology parameters of rolling

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，工作輥的熱膨脹量是無法直接測(cè)得的，可根據(jù)工作輥換下后的熱輥型和冷卻后的冷輥型之間的差值計(jì)算得出。軋制結(jié)束后，關(guān)閉機(jī)架冷卻水，把工作輥從軋機(jī)中抽出，對(duì)工作輥輥型進(jìn)行測(cè)量，在磨輥間充分冷卻后再測(cè)量一次。

3 有限元計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

將實(shí)際測(cè)量數(shù)值與仿真計(jì)算數(shù)值進(jìn)行比較，結(jié)果如圖6所示。計(jì)算值與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)吻合較好，在輥邊部?jī)烧咧g的數(shù)值誤差較大。因?yàn)樵谲堉七^程中，軋輥邊部很少與軋件接觸，產(chǎn)生的熱膨脹量很小，當(dāng)進(jìn)行差值計(jì)算時(shí)，難免會(huì)引起誤差甚至出現(xiàn)負(fù)值。

4 結(jié)論

有限元計(jì)算值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)比較結(jié)果，證明了有限元軟件計(jì)算的精度能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)控制要求，在計(jì)算冷連軋機(jī)工作輥軋輥熱輥型方面具有一定的實(shí)用價(jià)值。

圖6 輥型實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的比較Fig.6 The comparison between calculated and measured data

［1］程其華，徐忠建．冷連軋機(jī)工作輥溫度場(chǎng)與熱凸度模型的研究 ［J］．機(jī)械工程與自動(dòng)化，2008(3):25－27．

［2］陳火紅，尹韋奇，薛小香．MSC．Marc二次開發(fā)指南［M］．北京:科學(xué)出版社，2004:53－62．

［3］史靜．工作輥熱凸度計(jì)算模型及離線模擬分析［D］．沈陽:東北大學(xué)，2002:51－55．

［4］于輝，郭振宇，杜鳳山．四輥軋機(jī)工作輥熱輥型研究 ［J］．上海金屬，200527(1):26－28．

［5］張國(guó)良．700五機(jī)架冷連軋機(jī)工作輥熱輥型的研究［D］．秦皇島:燕山大學(xué)，2010．

Finite element study on thermal profile of work roll in cold tandem m ill

YU Feng-qin，DU Feng-shan，ZHANG Guo-liang
(College of Mechanical Engineering，Yanshan University，Qinhuangdao 066004，China)

The work roll shapewas calculated with the finite elementsoftware in allusion to the on-site data and technological parameters of 1700 cold tandem mill．The result got by finite element software MSC Mentat is compared with the datameasured on site．The data curves are fitted well．It shows the finite elementmethod is feasible and useful in calculating the thermal profile ofwork roll in cold tandem mill．

cold rolling;work roll shape;temperature field

TG333

A

1001－196X(2012)05－0062－04

2011－12－15;

2012－03－11

于鳳琴(1965－)，女，燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械系副教授，主要從事矯直以及軋機(jī)工藝等方面的研究。