Ansys热轧板带轧制速度对工作辊瞬态温度场及热膨胀的影响_图文

1、 热轧板带轧制速度对工作辊瞬态温度场及热膨胀的影响王英姿,张贵杰河北联合大学冶金与能源学院,中国唐山,063009摘要热轧工作辊瞬态温度场及热变形影响实际生产过程,而精轧轧制速度对获得最佳的温度场及热变形起着重要的的作用。根据热轧生产过程中轧辊的实际边界条件并做相应简化,借助热-结构耦合的有限元法研究了精轧机组F1轧制速度对工作辊瞬态温度场及热变形的影响规律。结果表明:热分析模型的计算值与Stenvens P G的实测值比较吻合;其他条件不变,在一定范围内,精轧F1的轧制速度越高,热变形变小。关键词工作辊;轧辊温度场;轧辊热变形;有限元法。Effect of Rolling Speed on

2、Instantaneous Temperature Distribution and Theraml Expansion of Work Roll in HotStrip RollingYingzi Wang, Guijie ZhangCollege of Metallurgy and Energy, Hebei United University, Tangshan, 063009, ChinaAbstract In unsteady state, work roll temperature distribution and theraml expansion have an enormou

3、s effect on the process of hot rolling. The rolling speed in the finish rolling as an important rollingparameter plays a crucial role of obtaining the optimum temperature distribution and thermalexpansion. Using the finite element method, it solves the regularity of temperature distributionand therm

4、al expansion with thermal-structural coupling analysis, which provide theoretic proofof optimizing gauge and profile control.Keyword Work roll; Temperature distribution; Thermal expansion; Finite element method.1前言板带在非稳态轧制过程中,由于轧制工艺参数的相对不稳定,导致轧件头部厚度高于其他部分。为了提高成材率,研究非稳态轧制过程中轧辊的温度场及热膨胀特点变得相当重要。轧制过程中,由

5、于工作辊与带钢之间的导热、与空气的自然对流以及与冷却水的强制对流,在工作辊表面产生周期性分布的温度场,从而引起热变形,影响板厚板型控制。目前研究工作辊温度场的研究方法有解析解、有限差分法和有限元法。解析解法无法解答非稳态问题,故一般很少采用。由于涉及到热结构耦合,总的计算时间比较长,综合考虑,本文采用有限元法研究精轧F1轧制速度对工作辊瞬态温度场及热变形的影响。 2 基本假设由于热轧工作辊所处工作环境的相对复杂性,精确的描述每一种热交换几乎是不可能的。根据大量的理论与文献1,2,进行如下的假设:1工作辊为均质,各向同性,弹性体且无内热源的圆柱体。2二维非稳态模型。热轧时,由于温度梯度的存在,轧

6、辊周向、径向、轴向的温度随着轧辊的旋转周期的受热和冷却都会发生变化,这是一个相当复杂的三维非稳态系统,但是考虑到轧辊的旋转周期与热凸度对轧制条件变化的响应时间相比为二阶无穷小,因此可以忽略轧辊在圆周方向的温度变化,工作辊可以简化成二维非稳态模型。3轴对称模型。假设工作辊为轴对称模型,圆柱在某一瞬态下的热行为可以用圆柱中某一子午面在一个周期内的热行为的时间积累来近似描述。3 数学模型的建立根据热平衡原理,二维瞬态温度场可根据公式3表示为:+=22221x T r T r rT K t T c (1 式中:、c 、K 分别为轧辊密度、比热、导热系数,T 为工作辊温度,r 、x 分别为柱坐标系下半径

7、方向和轴向的坐标。得出工作辊的温度场后,热膨胀的计算是根据公式4:(rdr T x T R x u R +=0014 (2 式中:(x u 为热膨胀量,为泊松比,为线膨胀系数,R 为轧辊半径,0T 为轧辊初始温度。 4 热边界条件的确定热分析时,工作辊的热边界条件周期变化,图1为简化后的工作辊圆周方向的热交换过程:AB 区是轧制时带钢与工作辊相接触的区域;BC 、EG 、IA 区域为工作辊暴露在空气中部分,发生对流传热;CD 和HI 区域是挡水板间的积水与轧辊之间的强制对流换热;DE 和GH 区域是通过冷却水对轧辊进行强制冷却,属于强制对流传热。计算过程中忽略热辐射,此外,相对于工作辊来说,支

8、撑辊从工作辊带走的热量与工作辊的摩擦热相当,可以近似认为这两部分的热量相互抵消。5 二维温度场及热膨胀分析5.1 温度场分析以热连轧机精轧第一架F1为计算原型,基本轧制参数如下: 工作辊辊身长 =1700mm ,直径 800mm ,工作辊材质为高铬合金铸铁,表1工作辊的各项物性参数。轧制速度分别取为1.22m/s 、1.40m/s 、1.53m/s 、1.68m/s ,工作辊初始温度 =30。取工作辊的四分之一建立轴对称平面温度场的有限元模型,采用PLANE55热分析单元,对实体模型进行映射网格划分,得到具有3400个热单元3526各节点的有限元模型如图2。对静态的有限元模型施加动态的旋转热载

9、荷。根据上述对边界条件的确定,各个区域的换热系数如表2所示。图1 边界条件的分布情况 图2 有限元模型表1 工作辊工艺参数和物性参数轧制工艺参数物性参数 工作辊身长L1700 mm 密度 7400 kg/m 3 工作辊直径D780 mm 比热c 540 J/(kg·K 轧制速度1v1.22 m/s 导热系数K 23.6 J/(m·s·K 轧制速度2v1.40 m/s 弹性模量E 1.82×105 Mpa 轧制速度3v 1.53 m/s 泊松比 0.27 轧制速度4v1.68 m/s 线膨胀系数 8.0×10-6 K -1 工作辊初始温度0T 3

10、0 表2 换热系数区域 周围固/流体的温度/ 换热系数/J·(m 2·s·K-1AB 980 65000BC 30 10.5CD 、HI 30 2983.9DE 30 60869EG 30 7.4GH 30 31215IA 30 5.4 图3分别为四种轧制速度下工作辊旋转八周内距离工作辊表层不同深处的温度场仿真结果。由图可见,在第一周期内,接触区温度显著上升,最高温度达到496;随后由于空气和冷却水的冷却工作辊温度急剧下降到60左右;其后伴随着缓慢的温度升高与降低的两个阶段。在入口处,由于有冷却水的强制冷却,轧辊表面的温度比中心一定深度内的 要低,因此在冷却区出现

11、了温度上升的现象。每一周期内工作辊温度的变化与Stenvens P G 的实测数据吻合。虽然工作辊每旋转一周,其表面都会经历周期的受热和冷却的阶段,但是在8周期内,工作辊表面的最高温度呈现稍微升高的趋势。 (a 1v=1.22m/s (b2v =1.40m/s (c 1v=1.53m/s (d2v=1.68m/s图3前八周期内仿真计算结果5.2工作辊热变形分析将各种速度下的瞬态热分析仿真结果作为热载荷施加到结构分析模型上,图4为四种轧制速度下,轴向工作辊表面的热变形,从图中可以看出,热变形随着轧制速度的提高而减小。这主要是由于轧制速度一方面影响轧制接触变形区的换热系数,变形区换热系数与轧制速度的平方根成正比;另一方面,轧制速度的提高,轧件与轧辊的接触时间越短。对于精轧第一架轧制速度比较低时,变形区换热系数的升高带来的热量不足以补偿由于接触时间的减少所减少的热量,而温度是与变形相对应的,也就与图3、4中描述的现象是吻合的。图4 热变形 6结论1建立准确的温度场模型是获得准确的热变形的前提。通过二维热分析结果与文献实测值的比较,验证了本文热分析模型的可行性和正确性。2通过对两种不同轧制速度的热变形结果进行比较,得出对于轧制速度相对比较低的精轧F1机架,在一定范围内,随着轧制速度的提高,可以减少达到瞬态的时间,从而减少切头损失,提高成材率。