双机架紧凑式可逆炉卷轧机板材热连轧的温度场有限元研究

双机架紧凑式可逆炉卷轧机板材热连轧的温度场有限元研究第13卷总第51期2007年第2期共4页特钢技术SpeciMSteelTechnologyVo1.13(51)2007,No.2?34?双机架紧凑式可逆炉卷轧机板材热连轧的温度场有限元研究张德丰陆建生宋鹏周洁宋德宁(1.昆明理工大学材料与冶金工程学院,云南昆明,650093;2.昆明钢铁厂,云南昆明,650302)摘要:实现了对国内唯一一架双机架紧凑式可逆炉卷轧机板材热连轧的温度场有限元研究.采用弹塑性大变形热力耦舍有限元法研究板材热连轧过程.利用有限元理论建立了板材热连轧模型,应用MSC/MARC软件进行计算,重点分析了轧制过程和变形区中轧件的温度场分布和变化.计算结果与实际生产情况相吻合,同时表明有限元理论可以实现对板材热连轧过程的数值模拟.关键词:热连轧,有限元,热力耦合,温度场ResearchonTemperatureFieldFiniteElementduringnatHotContinuousRollingProcesswithCompactDoubleStandReversingRollingMillZhangDefengLuJianshengSongPengZhouJieSongDening(1FacultyofMaterialandMetalurglealEngineering,KunmlngUniversityofScienceandTechnology,Kunming,Yunlan650093;)2KunmingIronandSteelWorks,Kunming,Yunlan65o3o2Abstract:TemperaturefieldfiniteelementduringflathotcontinuouswUmgprocesswithcompactdoublestandreversingwilingmillwasresearched,whichistheonlyoneinChina.HotContinuousrollingprocessforflatwasstudiedwiththeaidofelasticplasticandthermalmechanicalcoupledFEM.ContinuoushotrollingmodeswasestablishedbyFEMtheoryandcomputedbyMSC/MARC.Thespecialattentionwaspaidtoanalysisondistributionandchangeoftemperaturefieldduringrolling.Calculatedresultcorrespondedtotheproductionpractice,whichshowsthathotcontinuousrollingprocesscanbesimulatedwithfiniteelementtheory.KeyWords:Hotcontinuedrolling,Finiteelementmethod(FEM),Thermalmechanicalcoupled,Temperaturefield板材热连轧生产过程的主要内容基本上可归纳为尺寸变化和温度变化两大类性质极不相同但又相互紧密联系的物理过程,并且在板材热连轧生产过程中温度制度是一个十分重要的因素,准确计算(预估)各个道次轧件的温度变化是实现热连轧计算机控制的重要前提,这是因为:(1)各道次的轧件变形阻力,轧制压力的预估是和准确确定该道次轧制温度是分不开的,而各道次轧机轧制力的预估精度将直接影响到轧件尺寸精度,板材形状好坏以及轧机负荷分配的合理性.(2)轧件的温度对产品的性能亦有重要影响.(3)轧件的温度的均匀性,不但影响其机械性能的均匀性,而且还将直接影响到产品厚度的均匀性和轧制力的均匀性J.基于以上原因本文选择昆明钢铁厂双机架紧凑式可逆炉卷轧机板材热连轧粗轧过程温度场的有限元模拟作为研究对象.本文采用大型商业有限元软件MARC作为手段,研究了板材热连轧过程中的温度场的研究.研究成果对优化热连轧工艺参数,提高板材产品质量,收件日期:2o060417作者简介:张德丰(19/8一).男,江苏海门市人,硕士研究生具有重要的理论和现实意义.1建模及理论概述1.1二维几何模型的建立本文主要研究了昆明钢铁厂双机架紧凑式可逆炉卷轧机板材热连轧过程前4个道次轧件温度场的变化情况,采用二维有限元模型进行模拟.所采用的单元为MARC中的11号平面应变单元.所建立的几何模型如图1,2所示.轧辊在热连轧过程中弹性变形非常小,可以按刚性体进行处理.后面的刚体用来推动轧件使其被轧辊咬入.当轧件与轧辊接触后,轧件靠与轧辊之间的摩擦力咬入轧辊并向前运动,这时刚体的速度降为0,轧件与轧辊自动分开.这样,后面的刚体对轧制过程的参数几乎没有影响.为了减少计算量,并考虑到模型的对称性,取轧件的1/2建模,轧件材质为15号优质碳素结构钢,其力学性能参数,物理性能均以温度变化曲线的形式输入.轧件长度为1000ram,厚度100ram,辊径2007年第2期张德丰.等:双机架紧凑式可逆炉卷轧机板材热连轧的温度场有限元研究?35?810mill,由于轧件长度是实际的1/10左右,为保证距亦为实际值的1/10,为720mm.连轧顺利进行,根据几何相似原理,两轧辊之间的问1.2边界条件的确定且一一一图1板材热连轧1,2道次二维有限元模型Fig.1Twodime璐;onaIdementtoddof1staDd2ndpassofhotc0n曲Il0IlsloIIi丑gkal1.2.1位移边界条件的确定由于在二维模型中取轧件的1/2为分析模型,所以在轧件的对称面XOZ上,单元的Y方向上的节点位移U=0.1.2.2轧件与环境的热边界条件轧件与环境问的换热Q主要是对流和辐射.在热连轧过程中,轧件空冷的时间比较长,轧件与环境的换热也十分重要,不可以忽略.二者在传热学上称为第三类边界条件,可以统一写为:p=a(t-t)FAr(1)式中:t一轧件温度,t一环境温度,a一换热系数,F一散热面积,广时间而a又可以写成对流换热系数与等效辐射换热系数h之和.等效辐射换热系数,可根据辐射定律写成:一.s(t+t)(t+t)(2)式中:.sstmBoltzmann(斯蒂芬一玻尔兹曼)常数,一材料黑度本课题轧件与外界环境问的等效换热系数:0.15roW/mJn2K.1.2.3轧件与轧辊间的接触传热在热连轧过程中,轧件与轧辊问的接触传热而损失的热量LXQ在轧件的热损失中占很大的一部分.因此在建立有限元模型时必须考虑这部分热损失,根据传热理论,轧件与轧辊之间的接触换热可以表述如下:Q=h.(t-t)FAr(3)式中:h一轧件与轧辊问的接触热传导系数,t轧辊温度本课题轧件与轧辊之间的接触热传导系数:30roW/mink,轧辊温度为450.1.2.4轧件的形变生热J,/一一,图2板材热连轧3,4道次二维有限兀模型.2TwoSmemio=lfinitedmentmeddd3rda=:l4thpassofI10lCOIIIJBIOIIS她forflat由轧制原理可知,机械功产生的热AQ,由二维变形抗力(平面变形场的变形抗力)以下式表示:,:KAV.L_nlAQKAVLn(4)=.(4)2式中:hl一入口侧板厚,h2一出口侧板厚,V.一辊缝处轧件体积,A一热功转化系数1.2.5高压水除磷LJ昆明钢铁厂使用了高压水除磷设备除去了轧件表面的氧化皮,其热力学边界条件按照传热理论:Q=h(t-t)FAr(5)式中:h一冷却水的换热系数,t一冷却水的水温本课题冷却水的对流换热系数:20mW/rnmk.1.2.6摩擦生热LJ在热连轧过程前4个道次,轧件变形区内的润滑条件不是很好,由于轧件与轧辊发生粘着,则在轧制部分的相当大的范围内出现相对不滑动区域.这时.由轧件与轧辊相对滑动所产生的摩擦热可以忽略不记.1.3热力耦合的有限元法本构模型【】采用更新的拉格朗日法研究板材的热连轧过程,塑性状态材料的流动符合PrandtlReuss(普兰德而特一罗伊斯)假设,结合VonMises(密赛斯)屈服准则,速率型的有限元方程如下:=DjjkikEki(6)式中:df,:Jaumann应力率,D蕊弹塑性本构距阵,e:应变率,式中:G=E/2(1+,),E一弹性模量,一泊松比,d一等效应力y-屈服应力对应变的导数,dijdki:偏应力,Ikiiiii:Kronecker符号.1.4板材热连轧初始条件及轧制参数板材热连轧初始条件:轧件初始温度1255,2007年第2期张德丰,等:双机架紧凑式可逆炉卷轧机板材热连轧的温度场有限元研究?37?s-)赠Q0Q2Q4Q6Q81.012时sJlJL,7E.一目,JIJ,7d,1)CJL,RLL11目jLJL=.1,R,JIJI,7n,01,JlJI,.,?n.JlJl,?,7jJ,图5轧件表面,表层,心部节点温度历史曲线Fig.5IKs【0ryelLrVe0Itemperatureatnode0l$Utf/l,surface,andcenterofroilingpiece图6为轧件表面节点288,表层节点287,心部节点278在3,4道次轧制过程中的历史温度变化曲线.轧件在2,3道次间由于存在强制水冷,轧件表面节点288在高压水喷到轧件时,温降很大,可以达到300c【=左右,水冷过后由于内外温差,表层传热给表面,表面发生一定程度的温升,但程度不大.这是因为轧件水冷后很快就被咬人轧辊,轧件一旦进入轧辊,由于接触而导致轧件与轧辊之间发生接触热传导,与此同时由于热功转化的热量和轧件内外温差而发生的表层与表面之间的传热很大程度上抵消了与轧辊之间的换热,最终轧件只出现了小幅温降,离开轧辊后由于表层的继续传热,而表面与环境之间的换热很少,轧件的温度有较大幅度的回升,紧接着轧件进入第二个轧辊就出现和前一个轧辊类似的变化趋势;轧件表层节点287由于没有与水发生直接热交换,因而不像节点288那样在初期发生大幅温降,相反由于内外温差,心部的热量传到表层,表层的热量传给表面,但心部传来的热量要远大于表层传给表面的热量.所以轧件温度反而有所上升,但水冷过后由于心部与表层温差有所减小,心部向表层传热开始减少,而表层还将继续向表面传热,表层温度有所回落,紧接着轧件被咬人轧辊,被咬人轧辊后,因为没有与轧辊直接发生热交换,但由于有内外温差,表层将传递一部分热量给表面,但由于塑性变形功转化的热量要略大于表层与表面之间交换的热量,因此轧件表层温度最终呈现小幅上扬,该阶段之所以没有出现1,2道次的较大升温,是由于3,4道次的压下量减小,塑性变形产生的热量也相应有所减小而造成的;轧件心部节点278的温度依然比较稳定,与1,2道次比较相似,也略有上升,但上升幅度没有1,2道次大,同样也是由于压下量相对较小所致.在整个轧制过程中,外界环境虽然也与轧件表面存在一定热交换,但其值比较小,在整个轧制过程中,轧件与外界环境之间因热交换而导致的温降大约为10C.轧制结束后,轧件的温度为1235,模拟的轧件的平均温度1236.131,相对误差为0.09%.s-)赠Q0Q2Q4Q6Q8时s图6轧件表面,表层,心部节点温度历史曲线Fig.6Histor/CUl3te0ftemperatureatnode0fsurface.surface.andcenter0frollingpiece3结论(1)有限元软件MSC/Mare可以比较准确地完成板材热连轧过程中轧件温度场的研究,模拟计算结果与实际生产情况基本一致.(2)在轧制速度较快的情况下,接触热传导和塑性变形温升是影响变形区中轧件温度的主要原因,二者的综合作用决定了轧件各点的温度变化规律.参考文献1孙一康.带钢热连轧的模型与控制M.北京.冶金工业出版社,5556.1061072美v.B.金兹伯格.扳带轧制工艺学M.北京.冶金工业出版社.3033053MARCAnalysisResearchCorporationUserInformationVo1.A.USA.19954赵志业.金属材料塑性变形与轧制理论M.北京.冶金工业出版社.7475