（材料加工工程专业论文）冷轧带钢温度及轧辊温度场模拟.pdf

ad i s s e r t a t i o ni n m a t e r i a l sf o r m i n g e n g i n e e r i n g !jfli l l l l r fi r j li f l l l f l ljfi fi i 1 1 1 1 1 f y17 1 6 。| 3 , 。! i 6 j i j i j19ji j i l l t h e s t r i pt e m p e r a t u r ec a l c u l a t i o na n dt h e s i m u l a t i o no f r o l lt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n d u r i n gc o l dr o l l i n g s u p e r v i s , p r o f e s s o r e r v i s o r ： r o t e s s o r p r o f e s s o r b yt uy a n f e n g l i ux i a n g h u a z h a n gx i a o m i n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u l y2 0 0 9 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果除加 以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获 得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 缘参醉 同 期：矽听歹口 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定：即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年口 导师签名： 签字日期： k勘qll 胁 协此 力 名鼻卟 签 狄 一砩 作 ： 文期 沦日 位字 学签 东北大学硕士学位论文摘要 摘要 随着冷连轧技术的发展，带钢轧制的- 盘速化已成为现代化冷连轧机发) 4 f l , j 趋势。商速 冷轧过程中，单位时l 日j 内带钢的变形热、带钢与轧辊之间产生的摩擦热将人人增加，这给 冷轧过程中的冷却和润滑提出挑战。 良好的冷却系统设计足基于对带钢冷轧过程中各种热的行为准确计算。本文将变形区 分为入口弹性区、入口塑性区、粘着区、出u 变形区以及出口弹性区并对每个区问的长度 进行计算。冷轧过程中，带钏在变形过程中会产生加工硬化，因此在计算变形热时本文采 用了分段积分的方法。摩擦热的影响因素包括轧制力大小、摩擦系数以及轧辊与带材之间 的相对滑动速度。在计算摩擦热时，本文假设轧制压力在变形区内按抛物线分命，而轧辊 与轧件之i 日j 的相对滑动速度则采， 丰j 秒流量相等原理确定。 在冷轧过程中，变形热、摩擦热的生成与分配是影响带钢温度变化的主要因素。变形 热直接产生于带钢内部，其进入轧辊足以接触传导方式发生的。在处理带钢与轧辊之间的 导热系数时，本文建立了其与! f l , t i i j 力、带材屈服强度、带钢表面粗糙度、轧辊表面粗糙度 等因素的函数关系。摩擦热产生于轧件与轧辊的接触界面上，本文按照轧辊与带钢之间的 初始温度比例关系将其分配给轧辊和带钢。 通过理论分析，本文开发了一个能够计算带钢出口温度、机架间带钢温度分布以及基 于a n s y s 平台的模拟软件。通过与现场数据比较，结果表明该软件具有较高的计算精度。 本文使用该软件分析了各种工艺参数对带钢出口温度的影响规律。模拟计算结果表明，随 着摩擦系数、加工硬化、轧辊温度等的增加带钢的温度升高，随着张应力的增大带钢的温 度降低。为了适应连轧机的需要，本文使用该软件计算了带钢出口温度、乳化液状态以及 轧制速度对经过机架间冷却后带钢温度的影响规律。计算表明，带钢冷却后的温度随着带 钢出口温度、乳化液浓度、轧制速度、乳化液温度等的上升而上升，随着乳化液流量密度 上升而降低。 本文基于商业软件a n s y s 模拟了实际轧制条件下轧辊的温度场。给出了轧辊初始 温度、冷却强度、轧制速度、带钢温度等因素对轧辊温度场的影响规律，并通过回归公 式获得轧辊平衡温度与冷却液流量之间的关系式，为现场工作辊冷却提供了理论依据。 关键词：冷轧、带钢温度、轧辊温度场、模拟 ， 东北大学硕士学位论丈 a b s tr a c t a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o l dr o l l i n gt e c h n o l o g y , t h es u r f a c eq u a l i t yo ft h es t r i pi s b e c o m i n gm o r ea n dm o r ei m p o r t a n ti no r d e rt om e e tt h ed e m a n do fc o n s u m e r t h eh i g hs p e e d i sac h a r a c t e r i s t i co fm o d e mt a n d e mc o l dr o l l i n g t h eh e a tg e n e r a t ed u r i n gh i g hs p e e dc o l d r o l l i n gw i l ld oa f f e c ts t r i pq u a l i t yi ft h e r ei sn oe n o u g hc o i l i n gf o rt h es t r i pa n dr o l l s t h eh i g hq u a l i t yo fc o l dr o l l i n gp r o d u c ti sb a s e du p o nu p s t a n d i n gc o o l i n gs y s t e m t h e c o o l i n gs y s t e md e s i g n i n gn e e dag o o du n d e r s t a n d i n go ft h et h e r m a lb e h a v i o rd u r i n gt a n d e m c o l dr o l l i n g t h eh i g hp r e c i s i o nc a l c u l a t i o nf o re a c hp a r to fp l a s t i cd e f o r m a t i o nz o n ea n dt h e r o l lf o r c ed i s t r i b u t i o na r em o r ea n dm o r ei m p o r t a n t t h ep a p e rd i v i d et h ep l a s t i cd e f o r m a t i o n z o n ei n t of i v ep a r t ss u c ha si n l e t - e l a s t i cr e g i o n ，i n l e t p l a s t i cr e g i o n ，s t i c kr e g i o n ，o u t l e t - p l a t i c r e g i o na n do u t l e t - e l a s t i cr e g i o n t h ep a p e rc a l c u l a t e st h el e n g t hf o re a c hr e g i o nu n d e rt h e a n a l y s i so fk a r m a n - e q u i t i o n t h ei n t e g r a lm e t h o r di se m p l o y e di n t ot h ed e f o r m a t i o n h e a t g e n e r a t i o n sc a l c u l a t i o nb e c a u s eo ft h ew o r k - h a r d e n i n gd u r i n gc o l dr o l l i n g t h ec a l c u l a t i o n o ff r i c t i o n h e a tg e n e r a t i o ni sm a d eu n d e rt h ea s s u m p t i o nt h a tap a r a b o l ad i s t r i b u t i o no fr o l l f o r c ei nt h ec o n t a c tr e g i o n t h ee q u a ls e c o n df l o wt h e o r yi su s e dt od e t e r m i n et h er e l a t i v e v e l o c i t yb e t w e e nr o l la n dw o r k p i e c ew h i c ha f f e c tt h ef r i c t i o n h e a tg e n e r a t i o n t h eg e n e r a t i o na n da l l o c t i o no fd e f o r m a t i o n - h e a ta n df r i c t i o n h e a ta r em a r j o rf a c t o r s a f f e c t i n gt h es t r i pt e m p e r a t u r e t h ed e f o r m a t i o n - h e a ti sg e n e r a t e di nt h es t r i p ，a n dg e ti n t o r o l l sb yc o n d u c t w h i l et h ec o n d u c tc o e f f i c i e n tt a k e si n t oa c c o u n tt h ee f f e c to fr o l lf o r c e ，s t r i p y i e l ds t r e n g t h ，s t r i ps u r f a c er o u g h n e s sa n dr o l lr o u g h n e s s t h ep a p e ra l l o c a t et h ef r i c t i o n - h e a t i n t or o l la n ds t r i pb yt h e mt e m p e r a t u r er a t i o t h es i m u l a t i o ns o f t w a r eh a sb e e nd e v e l o p e du s i n gm i c r o s o f tc + + p l a t f o r m t h e s o f t w a r ec a ns i m u l a t et h es t r i pt e m p e r a t u r ea tm i l lo u t l e ta n dt h es t r i pt r m p e r a t u r eb e h a v i o r b e t w e e nt o wm i l l s t h es o f t w a r ec a nm a k ea na n s y sl o gf i l ef o rt h ec o m i n gr o l lt e m p e r a t u r e s i m u l a t i o n t h es o f t w a r eh a sah i g ha c c u r a c yb yc o m p a r i n gt h es i m u l a t i o nr e s u l ta n do n l i n e d a t a t h es t r i pt e m p e r a t u r ea tm i l lo u t l e ti s a n a l y s e d ，w h i c h a r ei n f l u e n c e d b yf r i c t i o n c o e f f i c i e n t ，w o r k - h a r d e n ，r o l lt e m p e r a t u r e ，r o l l i n gs p e e d ，t e n s i o n r e s u l to ft h ep a r a m e t r i c s t u d yi n d i c a t e st h a tt h es t r i pt e m p e r a t u r er i s i n gw i t ht h ei n c r e a s i n go ff r i c t i o nc o e f f i c i e n t ， w o r k - h a r d e n ，r o l lt e m p e r a t u r e ，r o l l i n gs p e e d ，a n dd e c r e a s i n gw i t ht h ei n c r e a s i n go ft e n s i o n t h er e s u l ts h o w st h a tt h ei n c r e a s i n go ff o r w a r dt e n s i o nr e s u l ti nr i s i n go ft h es t r i pt e m p e r a t u r e i i i - 东北大学硕士学位论丈 a b s tr a c t a tm i l lo u t l e tb u tb a c k w a r dt e n s i o nm a k i n gt h eo p p o s i t ew a y t h es t r i pt e m p e r a t u r eb e h a v i o rb e t w e e nt o wm i l l si sa n a l y s e da sw e l l t h er e s u l ts h o w s t h a tah i g h e ro u t l e t - t e m p e r a t u r em a k i n gah i g h e rs t r i pt e m p e r a t u r eu n d e rs a m ec o i l i n gp r o c e s s t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h es t r i pt e m p e r a t u r eu n d e rs a m ec o i l i n gp r o c e s si n c r e a s i n gw i t ht h e i n c r e a s i n go fo i lc o n c e n t r a t i o n ( v 0 1 ) o ft h ee m u l s i o n ，r o l l i n gs p e e d ，t h et e m p e r a t u r eo f e m u l s i o n ，b u td e c e a c i n gw i t ht h ei n c r e a s i n go fe m u l s i o nf l u xi n t e n s i o n t h es i m u l a t i o no fr o l lt e m p e r a t u r ef i e l di sc a r r i e do u tb yc o m m e r c i a ls o f ta n s y s t h e p a p e rg e tt h er e s u l t so ff a c t ss u c ha sr o l li n i t i a lt e m p e r a t u r e ，c o o l i n gi n t e n s i o n ，r o l l i n gs p e e d ， s t r i pt e m p e r a t u r ew h i c ha f f e c tt h er o l lt e m p e r a t u r ef i e l d a tl a s t ，t h ep a p e rs e tu pt h er e l a t i o n s h i p b e t e e nr o l le q u i l i b r i u mt e m p e r a t u r ea n de m u l s i o nf l u xi n t e n s i o nw h i c hc a nb ee x t e n d e dt ot h e i n d u s t r yo p e r a t i o n k e y w o r d ：c o l dr o l l i n g ，s t r i pt e m p e r a t u r e ，r o l lt e m p e r a t u r ef i e l d ，s i m u l a t i o n 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要i i a j i i s t r a c t ii i 目j j 乏i 第l 章绪论。1 1 1 国内外冷轧带钢温度研究概况1 1 2 国内外轧辊温度场研究概况1 1 3 本研究的彳亍景、h 的和意义一6 1 4 本文研究的主要内容7 第2 章冷轧带钢温度计算8 2 1 预位移一滑动摩擦模型简介8 东北大学硕士学位论文目录 3 4 2 乳化液的影h i 匈3 4 3 4 3 带材速度的影n i 句一3 5 3 5 小结3 6 第4 章轧辊温度场模拟模型的建立3 7 4 1 温度场有限无模拟基本理论3 7 4 1 1 微元体内的能量守恒3 7 4 1 2 导热微分方程3 8 4 1 3 初始条件和边界条件4 0 4 1 4 有限元计算公式4 0 4 2 轧辊温度场模拟模型的建立及边界条件处理4 2 4 2 1 模型的建立及网格的划分4 2 4 2 2 初始条件4 3 4 2 3 轧辊接触边界条件的处理4 4 4 2 3 1 轧件与轧辊接触热传导4 4 4 2 3 2 乳化液与轧辊的热传导4 4 4 2 3 3 空气与轧辊的热传导4 5 4 2 3 4 支撑辊与工作辊的接触热传导4 5 4 3 小结4 6 第5 章轧辊温度场的有限元模拟4 7 5 1 模拟条件及参数4 7 5 2 模拟结果的分析4 7 5 2 1 轧辊初始温度的对轧辊温度场的分析4 7 5 2 2 冷却方式对轧辊温度场的影响4 9 5 2 3 冷却强度对轧辊温度场的影响5 0 5 2 4 轧制速度对轧辊温度场的影响一5 2 5 2 5 带钢温度对轧辊温度场的影响5 2 5 3 小结5 3 第6 章结论5 4 参考文献5 5 j 目e 谢5 9 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 国内外冷轧带钢温度研究概况 现代高速冷轧机设备的装机功率普遍达到3 万千瓦以上，带钢的功率输入大约在2 0 0 千瓦以上。轧制过程巾，输入功率主要转变成热能。这些热量会使轧辊及带钢温度显著上 s t 。轧辊及带俐温度的上升会显著影响轧制过程、轧制条件以及带材的力学性能【lj 。国内 外很多! 学者都非常火注山于这些热能给轧制过程的冷却带米的i u 题。 在冷轧中，带铡温度是影响热能流向的重要因素，不但直接影响轧辊热变形计算精度， i 叮上上也是轧辊热i n l 度控制的主要依据。热量的产生及流向足决定带俐最终温度的凶素。由 于没有适合的数学模型，早期带钢与轧辊之f h j 的热行为分析主要是根抛经验和实际测量进 行的。轧制过程热行为的理论分析丌始于1 9 6 0 年，j o h n s o n 和k u d o 使用上界法预测了带 钢的温度f 2 j 。1 9 6 1 年g r a u e r 试图利用图解程序来预测铝箔轧制中带材的温度【3 】。1 9 7 8 年， g d l a h o t i 对带钢温度做了最初的分析，但是其分析仅限于咬入区1 4 】。1 9 8 4 年，a a t s e n g 5 】 丌发了有限差分模型，分析了轧辊与带钢的温度分布。该模型可以很好的用于高速、温度 剧变、弯曲边界等条件下。但是，其分析只局限于咬入区部分，其模型没有考虑辊面由于 对流换热造成热量流失。而且，带钢与轧辊之间的传导系数是无限大的，这使得带钢表面 温度与轧辊表面温度是相同的。该模型还假定带钢与轧辊之间的摩擦热时恒定的，这与实 际是不相符合的。1 9 9 0 年，t s e n g 6 】使用了一个可以将轧辊与带钢耦合在一起的分析模型。 在这个模型中，带材的温度是按分离变量法求得的。而且该模型给出了轧辊和带材在接触 界面上两个热传输模型的兼容条件。这个模型可以方便的研究几何形状、工艺条件的改变 对热行为的影响。但是它的局限性就是过少的解的级数影响计算精度。而且，由于摩擦模 型和热模型没有关联，塑性变形热和摩擦热只能人为的进行设定。1 9 9 8 年，c h a n gd f 【7 】 开发了一个塑性变形与热效应关联的简单模型。该模型通过组合有限差分与解析解来降低 计算时间。但是该模型在计算包含有整个轧辊或者一个很大板带区域的情况下会变得很复 杂。2 0 0 6 年，a k t i e u 8 】提出了一个综合有t s e n g 处理接触热传导方式的热模型，分析了 油水乳化液作用的混合摩擦情况下，各种工艺参数对温度场形成的影响。但是该模型在计 算摩擦热时，带材速度采用的是整个变形区内的平均速度，这就影响了摩擦热的计算精度。 1 2 国内外轧辊温度场研究概况 板形的好坏主要取决于轧制时的辊缝形状，影响辊缝形状的因素主要有轧辊的弹性变 形、热变形和轧辊的磨损等。辊缝形状的精确计算不仅依赖于轧辊弹性变形、磨损辊形等 的计算精度，而且取决于轧辊热凸度的计算精度。因此，在板形理论中，轧辊的热变形理 2 0 世纪6 0 年代初就有相关学者对轧辊热行为进行了研究。早期研究主要集中于热应 力和轧辊寿命的预测，直到2 0 世纪8 0 年代初期轧辊的瞬态热变形的研究才取得了明显的 进展【”。17 1 。根据温度场的计算特点，轧辊热变形的计算大致可分为黑箱法、经验公式法、 解析法和数值模拟法几大类。 一 2 0 世= 纪6 0 年代，l a r k e 总结热变形研究最初的一些成果【l8 1 ，也就是所谓的黑箱法。 这些研究认为轧辊热凸度与轧辊中心和轧辊端部之间的温差成j 下比。这些研究还认为，温 度按二次曲线沿辊身长度方向分布，这就决定了轧辊的热凸度沿辊身也按二次曲线分布。 黑箱法以轧制过程中实测的轧辊表面温度为依据计算轧辊热变形，没有考虑整个轧制过程 中轧辊温度场的动态变化。同时黑箱法认为轧辊表面和内部温度是一致的，这与实际是不 相符合的。实际上，不仅轧辊表面和内部温度不同，而且轧辊内部的同一个部位也是动态 变化的。另外采用二次曲线来描述轧辊表面温度分布也与实际情况不相符合。 1 9 6 8 年前苏联学者博罗维克提出经验公式法。他计算了稳态、非稳态和周期性热交 换三种状态下轧辊的温度场分布情况【1 9 1 。这种方法给出的轧辊横截面的温度场分布考虑了 轧辊温度分布的不均匀性和周期性，与l a r k e “黑箱法”相比有较大进步。但是博罗维克试 图用静态的经验公式来对动态变化轧辊温度场进行描述是不够精确的。e u h g e r 采用一系 列的假设和数学简化给出了轧辊温度场的解析式 1 8 1 。陈先霖、邹家祥利用分离变量和点 源函数法求出t * l 辊三维瞬态温度场【i9 】。成田健次郎、安田健一等人通过一些基本假定， 采用热平衡积分法求解热传导控制方程获得轧辊温度场的多项式解。 相对于解析法的大量简化和假设，数值解法求解的轧辊温度场具有更高的精度。1 9 5 4 年，p e c kcf 用有限差分法计算了轧辊温度场【2 0 】：1 9 7 3 年b e e s t o n j m 等人在忽略热源存 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 在及轧辊蒯向温度变化的情况下，取轧辊轴向剖面的四分之一做为研究对象，采用将热传 导方程化为欠舒方干l ! 的方法建立了轧辊的差分方程，并求了其数值解。w i l m o t e 和 m i g n o n 2 1 】建立了轴刘称有限差分法模型米研究轧辊热膨胀的轴向平均值。结果农明轧辊 轴向的热膨胀变化量在对应板宽范吲内是一平坦的呈“钟形”形状的曲线。盐崎宏行等人【l 8 j 从能量守恒角度出发建立了轧辊的差分方程，边界上的温度及换热系数根据轧辊圆周上各 部分不同情况采用等效温度及等效换热系数来处理。有村等人【1 8 】从热传导方程出发，忽 略了轧辊的周向传热，取轧辊轴向剖而的四分之一为研究对象，采用泰勒级数展丌法建立 了轧辊的差分方程。“有村模型”是差分轴对称模型的典型代表，它至今仍被很多研究者所 采用。n a k a g a w a 2 2 j 借助三维十t 格朗h 有限筹分模型，研究了热i i i i 度的瞬h 、j 建、过程，得 出了压下量、轧件温度及冷去f j 条件是影响热凸度的三个丰要冈素。a a z a r k h i n 2 4 】f 吏用 上风差分格式计算了高速旋转下轧辊的温度场。他指出，高速转动的轧辊温度只在很小的 表层急剧变化，而且在相同网格密度下，高的p e c l e t 数可以提高计算精度。该研究还表明 温度计算精度受半径方向上阿格的密度影响较大。 在我国对轧辊温度场的研究相对较晚，随着计算机技术同益广泛应用于轧制问题的研 究，8 0 年代中期以来，数值模拟法一直是轧辊温度场和热变形的主要研究方法。吴兴宝 提出了模拟计算热轧轧辊在车l aj j 过程中温度场的数学模型，并对轧辊内热应力变化情况进 行了研究【2 4 1 。杨利坡等【2 5 1 考虑水冷、空冷、轧辊与轧件接触热传导等动边界条件，采用 有限差分法，建立了热连轧轧辊瞬态温度场变步长分析计算模型。该模型能实现轧辊温度 场的动态分析和精确计算，预测轧制过程以及轧后空冷时的轧辊瞬态温度场，计算值与实 测值吻合良好。陈宝官和陈先霖【2 6 】在轧辊温度场的有限元计算方面做了有代表性的工作。 在处理边界条件上提出了假设轧辊不动，而变形区围绕轧辊转动的处理方法，然后利用有 限元程序求解轧辊的温度场。 李世煊和钟掘【2 。7 】对轧辊温度场研究中，将轧辊的表面视为由边界点组合而成，追踪 从轧件咬入开始辊面上每点的热载荷变化规律，建立了热载荷数学模型，提出了轧辊温度 场的三维仿真数学模型，由于热流载荷的复杂性，轧辊温度场的三维仿真实际上是一个复 杂的“四维”计算问题。由于利用上述三维模型进行轧辊温度场计算的计算量很大。因此， 文献在进行仿真计算时忽略了轧辊周向传热，采用了简化的二维轴对称模型，并在时域上 采用“变步长”的方法进行温度场求解。这种处理方法虽能大大节省计算时间，但这种处理 导致轧辊表面温度变形区内温度全为t l ，而冷却区内温度全为t 2 ，与实际情况差距过大。 目前，数值模拟法是轧辊温度场研究的主流，其常用计算方法有有限差分法和有限元 法。这二种方法的数学基础不同，因此它们在离散方法、解的精度、数据的处理量也各有 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 各的特点。有限差分法具有方法简单，计算速度快等优点，只需要简化处理f ! f j 可在工程上 得到住线应川，防l 此得剑了广泛成刷。而有限单元法虽然计算黄人，对计算设备要求留， 但是与有限差分法相比，其单几形状、疏密任意选取，可进行不均匀离敞处理，计算精度 高，在实际工程中逐渐广泛应用。由于计算时间的限制，在实际 ：程中多用于离线分析模 拟。 综上所述，在目自订轧辊热辊型计算中普遍采用的轴对称模璎由于未能处理好轧辊温度 场周期性动边界问题，因而既不能准确地描述轧辊温度场和热变形的周期性变化规律，也 就无法分析并求出真币影响板形质量的轧辊出口热变形量，而采用三维瞬态温度场模型则 计算母人，编程复杂。冈而轧辊温度场汁算模型仍有待进一步完善。 轧辊温度场的计算在很大程度上取决于边界条件的处理及效果【2 8 2 9 】，轧件在变形区内 产生的塑性变形热、轧辊与轧件之间由于相对滑动产生的摩擦热以及轧辊与轧件之间由于 温差而产生的接触导热，这些热量输入轧辊使轧辊温度升高，与此同时起润滑和冷却作用 的乳化液喷射在轧辊上不断从轧辊带走热量以及轧辊与环境之间的散热使轧辊的温度降 低。边界条件处理的是否恰当将直接影响轧辊温度场求解的精度。由于实际轧制过程中工 作辊温度场边界条件和传热方式的复杂性和随机性，如果边界条件处理的粗糙，热力学参 数不能准确确定，那么计算结果会与实际情况有很大的出入，因此，边界条件的处理在轧 辊热变形研究中占据着十分重要的地位。 轧制区边界条件的确定涉及n j f l a 0 区内轧件塑性变形热、轧辊与轧件的接触传热、轧 辊与轧件在接触弧长内因相对滑动而产生的摩擦热等多个因素，它是温度场求解的一个重 点和难点。从国内外现有文献资料来看，多数文献采用第三类边界条件来处理j f l a , j 区热流 边界问题，即以轧件等效温度和等效传热系数来综合描述轧制过程中轧辊与轧件的热传递 和热交换，该值无法通过实验方法来直接给出，所以问题的关键在于如何准确确定轧件等 效温度和等效导热系数是关键，至今还没有理论或实验研究成果公开发表。 现代带钢冷连轧机轧制速度高，轧辊温度场处于周期性动态变化过程，尤其是在换辊 后的一段时问内，轧制处于热不稳定状态，尽管传统厚度a g c 模型具有自学习能力，能 够对静态轧辊的热膨胀量进行补偿，但是对过渡时间内不断变化的膨胀量难以取得良好的 补偿效果，使带钢厚度超差，而且容易发生断带，影响冷连轧生产的质量和产量。王益群 等【3 0 】针对该问题，对轧辊温度场和轧辊径向热膨胀量进行了理论分析和计算。建立了基 于人工神经网络的轧辊热膨胀量预报模型，用机理模型作为教师对神经网络模型进行离线 训练，实现了机理模型和非机理模型的有机结合，较好地保证了预报的精度，为进一步提 高板厚控制的精度和成品质量奠定了基础。在对冷连轧机工作辊温度场分析及膨胀量预报 东北大学硕士学位论丈 第l 章绪论 过程中，按照预位移滑动摩擦模型对摩擦热进行了计算，将轧辊与轧件i 训的接触血分为 入f 滑动胯擦区、变形停滞区、f i 滑动摩擦【孓三个区域，但是其汁算忽略了弹性变形的 影响。王伟和连家创【3 1 3 2 】对板带轧机工作辊温度模型进行了研究，在刈轧制变形区摩擦热 计算过程中忽略了弹性区的摩擦热，根据轧辊与轧件的热平衡关系，建立了轧辊温度计算 模型，同时对影响轧辊和轧件温度的主要因素进行了分析，提高了计算精度，为轧辊温度 特性分析提供了理论依据。胡秋和肖n , j t ”】采用包含粘着摩擦和滑动摩擦在内的预化移滑 动摩擦模型计算了轧制区摩擦热，并综合考虑了轧件塑性变形热和轧制区摩擦热，推导了 轧件温升模型，但没有考虑弹性变形区的影响。 往冷轧过程中，轧辊和轧件接触向处十“混合摩擦状态”，在中性面及其附近轧辊与轧 件处于粘着状态( 称为粘着区) ，而在此| 又：以外轧辊与轧件之间处于相对滑动状态，并由 此摩擦功产生摩擦热。而冷轧时通常酸沈后轧件的温度不超过8 0 ，而摩擦热导致的轧 件平均温升往往达几十摄氏度，轧件表面有时甚至出现数百度的局部高温，这时如对摩擦 热忽略或者计算粗糙，就不能满足工程需要，此时影响轧辊温度场的因素主要为轧辊与轧 件的温度差而导致的接触导热、轧件塑性变形热、轧制区摩擦热。在这三个因素中，轧件 塑性变形热发生在轧件内部，由于轧辊与轧件接触时问很短，所以只有极小一部分传给轧 辊( 文献 1 2 】建议耿2 3 ) ，而摩擦热发生在轧辊与轧件接触表面，相当部分热量则由 界面直接传给轧辊，而与轧件和轧辊的接触时间无关，一般取传给轧辊的摩擦热为4 0 6 8 【l2 1 ，其对轧辊的热分配系数要比塑性变形热大得多，因此，摩擦热的计算精度直接影 响到轧辊温度场和热变形的计算精度。 目前，轧辊与轧件接触面摩擦热的计算普通采用( 库伦摩擦模型) 模型或( 纯剪切 摩擦模型) 。全滑动摩擦认为整个变形区内摩擦系数是恒定不变的，全粘着模型则认为变 形区内摩擦力是恒定的。同时上述两种处理方法不仅影响了轧制区摩擦力的计算，也直接 影响到轧制力的计算，如薄板轧制中的经典计算公式斯通公式就是采用的纯滑动摩擦模 型，这就影响到摩擦热的计算。而实际轧制时轧辊与轧件接触表面处于混合摩擦状态，既 有滑动区又有粘着区，全滑动摩擦和全粘着摩擦只不过是混合摩擦的两种极端情况，因而 采用这两种摩擦模型对摩擦热的进行计算比较粗糙的。 弹性变形与塑性变形的基本区别之一是塑性变形将机械能大部分转变成热能，即文献 中称为变形热。在轧制过程中，这种变形热的影响是不可忽视的。首先，由于变形热的影 响，使轧件的温度升高，从而改变材料的物理性能。另外，变形热本身又受到材料的物理 及加工工艺的影响。关于轧件温升模型曾有不少文献对其进行过研究【3 4 。3 7 】。黄光杰、汪凌 云p 酬根据刚粘塑性材料模型，推导出轧制时变形热及温升的计算公式，并应用其计算了 东北大学硕士学位论文 第l 章绪论 铝箔! f l n 时的温升。 轧辊热变彤汁算虽然取得了一定发展，但辊缝内带钢的变彤功和摩擦热一直没有合适 的解析方法进行汁算，它们在带钢和轧辊之| h j 分配也无法准确确定。分配入轧辊热的氍是 求解轧辊热变形的自订提，因此冷轧轧辊热变形的计算精度受到了一定限制。由于轧制时变 形区内摩擦机理的复杂性，一直以来摩擦热的汁算采用纯滑动摩擦模型或纯剪切摩擦。摩 擦热的计算是确定轧辊热流边界的难点之一，是影n l j j 4 l 辊温度场求解精度的一个重要因 素。 在现代冷轧生产过程中，随着轧制速度的提高，乳化液的流量达到最大值。乳化液流 量的变化势必对带钢的温度产生影n i 匈，尤其是对带钢边部产生影响。工作辊的温度分布在 带钢板形控制中非常重要，所以传统的方法是通过控钳j l f l 辊温度来实现板形控制。提高轧 机板形控制能力需要轧辊的温度具有较宽的调整范围，乳化液与工作辊之间必须保持足够 的温差，提高其控制能力，以补偿由于弯辊力在轧辊轴向上分布不均而引起的板形不良， 所以应尽使其保持和需要控制的范围相一致。低的工作辊温度，以便有效接受温升。而实 际上对于冷轧过程中温度控制涉及轧辊和带钢两个方面。文献 3 l 】介绍了在冷轧薄板上采 用新的温度模型控制技术，提高了带钢板形质量，其主要思想是拓展了温度控制范围，考 虑了带钢温度变化影向的控制模型，随着温度模型控制技术的改进和完善，温度模型还会 有很大的发展，特别在控制板形、控制带钢温度和计算轧辊凸度方面应用将更广阔。 1 3 本研究的背景、目的和意义 工艺冷却和润滑是冷轧工艺的重要组成部分，它是带钢冷轧过程的关键技术，在轧制 过程中起着重要的作用。冷轧过程中通过对轧辊和带钢的冷却来控制带钢的板形，提高轧 辊的寿命。同时轧辊温度过高还会使冷轧润滑剂失效，油膜破裂，影响冷轧过程的正常进 行。冷轧过程中的润滑可以起到提高带钢表面质量、降低轧制功率消耗、延长轧辊寿命等 作用。循环的乳化液不仅能带走摩擦热及变形热，而且还能冲走轧辊及带钢表面上的金属 粉尘，使带钢表面具有好的表面光洁度。乳化液良好的润滑性和冷却性是实现轧机高速轧 制的关键技术。 冷轧技术发展到当今时代，带钢的表面质量越来越受到高度关注，用户对产品质量的 要求不断提高。随着冷连轧技术的发展，带钢轧制的高速化已成为现代化冷连轧机发展的 一大趋势。伴随着轧制速度的提高，轧制变形区的温度、摩擦条件、前滑等情况变得十分 复杂，在冷轧带钢表面很容易产生与工艺润滑密切相关的划痕、热滑伤等质量缺陷，大大 降低了产品的质量及市场竞争力。为了获得良好的板形质量，需要严格控制轧辊的温度和 热凸度。而轧制过程中轧件的变形热、轧件与轧辊接触产生的摩擦热以及工艺冷却和润滑 制度，都会使轧辊的温度发生改变，进而影响到轧辊的凸度和带钢的板形，因此，准确地 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 计算轧制过程巾产生的热量是关键。与此同时，带钢表l 砸温度、润滑油膜厚度以及摩擦系 数等参数之i h j 是相+ ：联系、互年h 影响的。随f i 带钏农嘶温度的变化，润滑油的黏度也会随 之改变，从而影响油膜厚度和摩擦系数，而随着摩擦系数的改变，又会影响轧制功牢，进 而影响带钢的温度。影响板型的因素，除了辊系弹性变形、轧辊的磨损外，轧辊的热变形 是另一个十分重要的影响因素，它会直接导致轧辊的凸度变化，从而影响带钢的平直度。 工作辊热变形的有效控制是降低轧辊损耗、控制板形、提高成材率的有效措施。但是在板 带钢轧制过程中，轧辊热变形的预测精度不高一直是困扰现场生产的难题。轧件在辊缝内 的塑性变形功、轧件与轧辊之l u j 的摩擦热与轧制的工艺参数有重要关系，不同条件下的轧 制将带来不同的轧辊冷却问题，实现不同轧机特性实行不同的冷却方法。因此，带钢温度 及轧辊温度场的研究具有现实的意义。 本研究就是针对上述问题，结合宝钢梅山1 4 2 0 m m 冷轧生产线乳化液系统设计的具 体任务，对冷连轧过程中变形区内和机架之间影响带钢温度的变形热、摩擦系数、油膜厚 度、摩擦热、带钢与轧辊热量的分配、带钢冷却等问题进行深入系统的研究，建立相关的 计算模型，开发温度场计算软件，根据计算软件的计算结果结合a n s y s 强大的计算功能 确定不同具体条件下轧辊的温度场状态，进而为获得最佳工艺润滑方式提供理论基础。 1 4 本文研究的主要内容 冷轧过程中带钢温度的变化将直接影响冷轧带钢的质量、轧辊的热变形，本研究是针 对宝钢梅山1 4 2 0 m m 冷轧生产线乳化液系统设计的具体任务，开展与乳化液系统设计相关 的基础研究工作，给出乳化液系统设计的理论依据，为新一代冷轧机设计奠定理论基础。 本文研究的主要内容如下： ( 1 ) 通过对冷轧过程中变形区内轧件塑性变形热、轧件与轧辊间的摩擦热以及带钢 与轧辊热量的分配进行分析，建立冷轧带钢的变形热模型、轧制过程中的摩擦热模型以及 轧件与轧辊之间热量分配模型，在综合考虑上述模型的基础上，建立轧制变形区内带钢温 度的计算模型。 ( 2 ) 利用所建立的冷轧带钢温度计算模型，开发冷轧带钢温度计算软件，并对冷轧 过程中带钢温度的主要影响因素进行分析。 ( 3 ) 采集现场的轧制试验数据，对丌发软件的计算结果及模拟结果进行验证。 ( 4 ) 利用自行开发的计算软件，获得不同的边界条件对轧辊温度场进行模拟。对轧 辊温度场的主要影响因素进行分析。 ( 5 ) 利用a n s y s 商业软件与自行开发的软件获得的边界条件对轧辊温度场进行模 拟，获得乳化液流量与轧辊温度的关系。 东北大学硕士学位论文 第2 章冷轧带钢温度计算 第2 章冷轧带钢温度计算 冷轧过程中，带钢凶为产生塑性变形会产生大量热量。同时由。j 订滑后滑的纯在，轧 制过程中带钢与轧辊之间又会产生摩擦