带钢热连轧精轧工作辊热凸度的有限元分析

带钢热连轧精轧工作辊热凸度的有限元分析 时 旭 1 焦四海1 王金涛2 1 宝山钢铁股份有限公司 研究院 技术中心 上海 201900 2 宝山钢铁股份有限公司热轧厂 上海 201900 摘要 摘要 采用 Abaqus 有限元分析软件 对热轧精轧机第一机架的工作辊热凸度进行了分析 计算采用轴对称模型 通过编制 用户子程序施加各个过程的热交换边界条件 通过计算 得到了在整个换辊周期内 工作辊在各个时刻的温度及热凸度 对 原始辊型的设计及轧制过程参数的调节具有指导意义 关键词 关键词 轧辊热凸度 轧辊温度 有限元 1 前言 带钢的板形是热轧带钢重要的质量指标 工作辊的热凸度是影响带钢板形的重要因素 在热轧过程中 工作辊会因为与 带钢接触而温度升高 而又在随后的冷却水喷射降温 由于工作辊温度的变化 必然导致工作辊产生热凸度变化 这种热凸 度直接影响带钢轧后的板形 因此对工作辊轧制过程的热凸度进行分析 得到轧制过程产生的热凸度 对原始辊型的设计及 轧制过程参数的控制具有指导意义 2 几何模型建立 工作辊在轧制过程中高速旋转 虽然在某个精确的时刻 轧辊周向的温度分布有所不同 但对于工作辊整体而言 其温 度及热凸度在周向是稳定 均匀的 因此可以将工作辊热凸度的计算简化为轴对称方法 工作辊辊身长度 1580mm 工作辊直径 820mm 原始辊型凸度 250um 3 边界条件 轧制过程工作辊热交换如图 1 所示 工作辊与轧件接触的轧制区域为工作辊的热量输入区域 其余的水冷 空冷或湿冷 及与支撑辊接触的区域均为工作辊热量输出区域 图 1 工作辊热交换示意图 3 1 轧件与工作辊接触 设定轧件入口厚度为 38 0mm 压下量为 35 则接触的圆弧长度为 71mm 带钢宽度为 1100mm 在轧辊轴向与带钢接触部分为轧辊加热 而与轧辊非接触区域为湿冷区域 工作辊 支撑辊 喷嘴 喷嘴 轧件 工作辊 轧件 轧件温度为 1050 每块轧件的轧制时间为 80s 间歇 40s 轧制速度为 1110mm s 3 2 喷嘴喷水 根据喷嘴喷水试验提供的资料 冷却水在周向喷嘴的覆盖范围为 200mm 轴向为均匀全部覆盖 在轧件出口处的三个喷嘴 认为冷却水喷射区域连续 冷却水接触的圆弧长度为 600mm 在轧件入口处的一个喷嘴 冷却水接触的圆弧长度为 200mm 3 3 其余部分 其余部分为湿冷区域 认为冷却水仍然残留在轧辊上的部分 4 结果分析 模拟了整个工作辊的换辊周期 工作辊运转 2 小时 40 分钟 9600s 及空冷 30 1800s 分钟的情况 2 小时 40 分钟正 好是轧完第 80 块钢后水冷 40 秒钟 4 1 工作辊径向温度分布结果 工作辊中部径向温度分布的结果如图 2 所示 a 第 80 卷轧制中 b 水冷 40s 后 c 空冷 30min 后 图 2 工作辊中部径向温度分布的结果 由图 2a 可见在轧制第 80 块带钢时 轧辊中部辊芯处的温度为 52 图 2b 水冷 40s 后轧辊表面温度只有 31 在距轧 辊表面 50mm 处温度最高大约为 57 而图 2c 空冷 30min 后 温度较为均匀 温度差只有 0 58 最低温度在轧辊圆心为 52 9 而在距轧辊表面 110mm 处温度最高为 53 48 4 24 2 工作辊轴向温度分布结果 轧辊表面轴向温度分布结果如图 3 所示 a 第 80 卷轧制中 b 水冷 40s 后 c 空冷 30min 后 图 3 轧辊表面轴向温度分布 图 3a 在轧制过程轧辊辊面轴向温度差为 41 18 在带钢宽度范围内 带钢中部与边部对应的轧辊表面温差为 2 88 图 3b 显示了在轧后水冷 40s 后 温度大幅度降低 轧辊温差为 2 93 带钢宽度范围温差为 1 29 图 3c 为空冷 30min 后 整个轧辊温差为 18 3 而带钢宽度范围内为 11 42 4 3 工作辊热凸度结果 轧辊表面轴向热变形量分布如图 4 所示 a 第 80 卷轧制中 b 水冷 40s 后 c 空冷 30min 后 图 4 轧辊轴向热胀量分布 图 4a 为轧制过程热变形量分布结果 轧辊中部热胀量最大 为 122 13um 在带钢宽度范围内热凸度为 57 44um 图 4b 经过 40s 水冷后 轧辊中部热胀量最大为 110 38um 在带钢宽度范围内热凸度为 53 91um 图 4c 经过 30min 空冷后 轧辊 中部热胀量最大为 110 48um 在带钢宽度范围内热凸度为 52 30um 工作辊半径在带钢宽度范围内的凸度变化如图 5 所示 0 0 01 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 07 020004000600080001000012000 roller R in strip width mm time s 图 5 热凸度与时间关系 图 5 表明随着轧制时间的持续 热凸度逐渐增加 图中曲线的下轮廓线表明冷却结束前即钢板入口前轧辊热凸度 而曲 线的上轮廓线表明轧制周期结束前即一块带钢轧完时刻的轧辊热凸度 因此上下轮廓线的差异大小表明在轧制过程中轧辊热 凸度的变化 在 9600s 之后 轧辊进入空冷阶段 在空冷过程中 由于温度趋于均匀 热凸度降低 5 结论 本文对工作辊在一个换辊周期内 轧制过程中的温度及热凸度进行了分析 结果如下 1 工作辊在径向的温度分布在与带钢接触时最高 随后的水冷使轧辊表面温度降低 温度最高出现在距轧辊表面大约 50mm 的位置 随着温度的渗透 一个周期轧制完成 轧辊中心温度为 52 5 2 轧辊轴