板带钢头部翘曲的有限元分析

第32卷第1期武汉科技大学学报

Vol.32,No.1

2009年2月Journal of Wuhan University of Science and Technology Feb.2009

收稿日期:2008 10 16

基金项目:国家自然科学基金资助项目(50874083).

作者简介:叶立勇(1982 ),男,武汉科技大学硕士生.E mail:yelion@

通讯作者:程晓茹(1958 ),女,武汉科技大学教授.E mail:xiaoru_ch eng@

板带钢头部翘曲的有限元分析

叶立勇,程晓茹,朱远志,王世明,李青丽

(武汉科技大学材料与冶金学院,湖北武汉,430081)

摘要:为了减轻轧件头部翘曲给轧制过程带来的影响,根据现场轧制工艺,采用弹塑性有限元法建立了三维非对称轧制有限元模型。利用该模型分析热轧板带钢生产过程中轧件头部翘曲的产生机理,并研究了不同轧制工艺下的辊速比、上下表面温差、不同摩擦系数对轧件头部翘曲的影响规律。结果表明,随着压下量的增大,轧件头部翘曲量的增大趋势减缓,采用不同的配辊方案(异径比)可控制其头部翘曲的现象。关键词:非对称轧制;热轧;翘曲;有限元

中图分类号:T G 335.11 文献标志码:A 文章编号:1674 3644(2009)01 0005 05

在板坯热轧过程中,要获得对称轧制工艺条件是十分困难的。在非对称轧制条件下,剪应力为0的中性层并不是位于板带钢(简称轧件)厚度方向的中点处,也不是定值,而是随着异步比的改变而变化的[1]

。变形区总会由于某种原因导致轧件中性层偏向一侧,即上下变形不均匀。这种不均匀变形会使头部向变形小的一侧弯曲。轧件头部翘曲现象的产生给生产带来不利影响

[2 3]

。此

外,轧件头部翘曲也影响产品质量,造成折叠缺

陷,增加切头损失。在生产中,经过观察和分析发现,影响轧件头部翘曲的主要因素是辊径差、辊速差、轧件上下表面温差、来料厚度以及上下工作辊辊面状态等。因此,控制轧件头部翘曲一直是热轧工艺的重要研究内容之一[4 6]。

张思勋等

[7]

利用大型有限元软件对轧制过程

进行了模拟,取得了一定的成果,为优化设计、缩短设计时间、全面提高产品质量提供了可能。为此,本文采用弹塑性有限元法建立了三维非对称轧制有限元模型,并研究了辊速比、上下表面温差和不同摩擦系数对轧件头部翘曲的影响规律,以期为现场轧制工艺的制定提供参考。

1 有限元模型

1.1 基本假设和网格划分

有限元建模过程是为了满足有限元求解的要求而对实际模型的合理处理,通常要对实际模型进行一定的简化,但要求模型能正确地反映实际

条件。轧件头部翘曲现象是一个典型的热力耦合问题,其影响因素很多。根据现场实际生产情况,选取典型的轧制参数建立了轧件头部翘曲过程的非对称轧制模型。图1为有限元模型。由于宽度对轧件头部翘曲影响很小,为了节约计算资源,宽度方向取100mm,长度方向取2000m m,厚度取60mm 。采用八节点六面体等单元技术划分有限元网格,并采用了1200个单元和15554个节点建模,单元大小为10mm 10mm 10mm 。在建模过程中作如下假设: 材料的材质均匀,为各向同性;!轧辊和辊道定义为刚性体,没有变形;∀轧件为可变形体,材料的物理性能参数(比热、导热系数、屈服强度、弹性模量和热膨胀系数)随温度变化;#轧制接触摩擦过程采用库仑(Cou lomb)摩擦模型;∃材料服从Vo n Mises 屈服准则;%塑性区内的行为服从流动准则和硬化定律。

该模型综合考虑了各种影响因素、重力边界

图1 有限元模型Fig.1FEM model

武汉科技大学学报2009年第1期

条件和轧制速度等,是一个动态轧制模型,与实际轧制工况相吻合。另外,从M ar c 材料库中取出材料C45的各种物性参数赋予轧件,有限元轧制模型的其他参数如表1所示。

表1 轧制有限元参数

Table 1Parameters of rolling FEM model

轧件尺寸/mm 2000 100 60压下率/%20,25,30轧制速度/mm &s -1

3000轧辊直径/mm 750上下表面温差/∋

10,30,50

辊速比 1.005,1.01,1.02,1.03,1.04

异径比 1.01,1.03,1.05摩擦系数

0.3,0.35,0.4,0.45

轧件头部弯曲量是用其头部弯曲高度表示的,以毫米为单位,向上弯为正。图2为轧件头部

翘曲量示意图。

图2 轧件头部翘曲量示意图

Fig.2Diagram of bending height of rolling workpiece at f ront end

1.2 边界条件

轧件与周围空气之间的换热主要是对流和热辐射,等效换热系数为对流换热系数与辐射换热系数之和,取轧件初始温度为1000∋,环境温度为25∋,材料热辐射率取0.8,斯蒂芬 玻尔兹曼常数为5.67W/(m 2

&K 4

),计算得到轧件与周围空气的等效换热系数为172W/(m 2&K)。

轧件与除鳞水和冷却水对流换热的等效换热系数与水流密度和轧件表面温度有关,水的温度取20∋,它们之间的对流换热系数取1000W/(m 2&K)。

轧件与轧辊之间的接触热传导系数受轧件材质、轧辊材质、轧制速度等多种因数的影响,实际值不易在试验中测取,其取值范围为17~57kW/(m 2

&K),并且与轧制压力有关[8]

。本模型选用30kW/(m 2

&K)作为轧件与轧辊之间的接触热传导系数,轧辊温度为450∋。对于大多数金属,其塑性变形功的90%可转化为热量,即热转化系数为0.9[8],轧件与轧辊相对滑动所产生的摩擦

热可忽略。

2 异径比对轧件头部翘曲的影响

在热轧带钢生产中,异径轧制被广泛采用。在生产中,轧件下翘会撞坏下卫板,轧件头部在辊道上运行会产生跳跃,影响轧制速度,有时还会插入辊道间隙内无法继续轧制,因此应该尽量避免轧件头部下弯,而允许其头部略有上翘。

当其他条件对称时,上、下辊径不相等时对轧件头部翘曲有两种影响:一种是若两辊角速度相同,则大辊径的圆周速度快,与大辊径接触的轧件表面金属在单位时间内流动的距离长,使轧件弯向小辊径侧;另一种是若两辊的轧制力相等,则在小辊径上产生的压下量比大直径辊上的压下量大,使轧件弯向大辊径侧。

由以上分析可知,当上下轧辊辊径不同时,两辊圆周速度和压下量的差别对轧件头部弯曲的影响相反。间晓强等[9]

研究表明,当压下量较小时,两辊圆周速度差别的影响起主导作用,即轧件头部弯向小直径工作辊;当压下量较大时,两辊压下量的差别起主导作用,即轧件头部弯向大直径工作辊。

为了接近生产实际,并且减少计算量,在各模

拟模型中把上辊直径设定为750m m,只改变下辊直径,并拟定3种异径比(下辊辊径/上辊辊径):1.01、1.03和1.05。在3种异径比条件下,压下率分别为20%、25%、30%时进行模拟轧制,得到轧件头部弯曲的情况。图3为轧件头部翘曲量与异径比的关系。由图3可看出,在辊径比较小时,在稍大的压下率下轧制时翘曲才比较严重;随着辊径比的增大,在较小压下率下轧制就会出现明显的轧件头部翘曲。图4为轧件头部翘曲量与压下率的关系。由图4可看出,在辊径不对称轧制条件下,压下量对轧件头部弯曲的影响较为明显,在同一异径比下,随着压下量的增大,轧件头部

图3 轧件头部翘曲量与异径比的关系

Fig.3Relationship between bending height of front end and different diameter ratio

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