基于ANSYS的热轧工作辊温度场的有限元分析_高建红

第16卷第3期2009年6月塑性工程学报JOU RNAL OF PLAST ICIT Y ENGINEERINGVol .16　No .3Jun .　2009doi :10.3969/j .issn .1007-2012.2009.03.044基于ANSYS 的热轧工作辊温度场的有限元分析(1.上海交通大学材料科学与工程学院,上海　200240)(2.宝钢分公司热轧厂,上海　200941)　高建红1,2黄传清2王　敏1　黄建平2摘　要:根据宝钢1880热轧工作辊实际的边界条件,利用有限元软件A N SYS 建立了热轧工作辊的二维温度场有限元模型,通过将模拟结果与现场下机后工作辊表面温度实测数据的比较,验证了模型的可靠性。

在此基础上,研究了工作辊表层温度及中心温度的变化过程,模拟结果表明,轧辊旋转一周的过程中,辊面的最高温度可达525℃;每块带钢轧制过程中,辊面的最高温度在轧辊旋转6～8周之后不再增加;整个轧制过程中轧辊中心温度基本保持上升趋势。

通过修正现场热凸度补偿模型参数,提高了带钢板形质量,降低了产品的封锁率。

关键词:工作辊;温度场;有限元;热轧中图分类号:T G331 文献标识码:A 文章编号:1007-2012(2009)03-0218-04Finite element analysis of temperature fields of workroll in hot rolling mill based on ANSYSG A O Jian -hong 1,2　H U A NG Chuan -qing 2　W A NG M in 1　H U AN G Jian -ping 2(1.Depa rtment o f M aterial Science a nd Eng ineering ,Shanghai Jiao tong U niv ersity ,Shang hai 200240　China )(2.H ot Strip Rolling Plant ,Baosteel Branch ,Shanghai 200941　China )A bstract :A ccor ding to the actual boundary condition of w o rk ro ll in 1880ho t ro lling mill a t Bao steel ,a tw o dimensional model for simulating the tempe rature field of wo rk ro ll w as e stablished w ith A NS YS finite element sof tware ,the calculated results w ere co mpa red and verified w ith the mea sured data of roll surface tempera tur e af te r ro lling .O n this ba se ,the surface and cente r tem -pera ture ev olution of w or k roll w as studied .T he results o f simula tion showed that the surface highest tempera ture of wo rk roll co uld reach 525℃in a revo lutio n ,and the surface highest temper ature variatio ns reached a steady state co ndition after about 6～8rev olutions during ro lling o f a strip ,but the center temperature kept increa sing in the w hole campaig n .A fter mo dified the pa -rameters o f the model of thermal cr ow n compe nsatio n ,the quality of strip shape w as increa sed ,and the clo se off ra tio of produc ts were reduced g reatly .Key words :w ork r oll ;temperature field ;finite element me tho d ;ho t rolling高建红　E -mail :gaojh8312@y ahoo .com .cn作者简介:高建红,男,1983年生,上海交通大学,硕士研究生,助教,研究方向为轧钢工艺收稿日期:2008-10-30;修订日期:2009-02-17　引　言热轧带钢生产过程中,由于所受热载荷分布的不均匀性,造成了工作辊各个部分温度分布的不均匀性。

这种不均匀性对轧辊的使用寿命和带钢产品质量会产生严重的影响。

一方面,轧制过程中轧辊表面会产生一定厚度和致密度的氧化膜[1],若温度分布不均,则会造成局部氧化膜的剥落[2-3],从而影响轧辊的使用寿命和带钢产品质量;另一方面,轧辊轴线方向上温度的分布不均会引起轧辊热膨胀量的差异[4],使得辊缝的形状发生改变,从而影响带钢的板形质量[5]。

随着企业对产品成本的严格控制,以及用户对板形质量要求的提高,有必要对轧辊的温度场分布情况进行研究分析,从而为进一步研究带钢产品质量打下坚实的基础。

热轧工作辊温度场研究的难点在于边界条件的处理,有关学者在这方面做了大量的研究,但至今尚无较为完满的、令人信服的解答。

本文在深入了解宝钢1880热轧工作辊的实际工况后,将工作辊圆周方向的边界条件等效为10种换热过程,从而使建立的有限元模型更加贴近实际生产。

另外,还结合现场的实测数据,验证了模型的可靠性。

1　轧辊温度场有限元模型1.1精轧工作辊实际工况描述宝钢1880H SM 精轧机组由7台四辊轧机组成(F 1～F 7),各台轧机上都布置了轧辊冷却系统[6](如图1所示)。

带钢轧制过程分为轧制期和间隙期两个阶段,在轧制期间,从粗轧机轧出的带钢表面温度可达980℃～1100℃[7],进入精轧机后,通过接触弧向轧辊表面传热,使得轧辊表面的温度迅速上升,接着轧辊周围的冷却系统会对轧辊进行冷却,使轧辊的温度迅速下降;而在间隙期,只有轧辊冷却水的冷却作用,而无热量的流入,所以轧辊温度将进一步降低[8],这种加热冷却的交变过程会造成轧制过程中轧辊温度场分布的不均性。

另外,整个轧制计划中,带钢规格及轧制参数的差异也会导致工作辊温度场分布的不均匀性。

图1　精轧工作辊的实际工况Fig .1　T he actual environment of w or k roll in finishing mill1.2有限元模型的建立轧辊温度场是三维非稳态系统,在轧制过程中,轧辊轴向、径向和周向的温度都要发生变化,考虑到轧辊的回转周期对轧制条件变化的响应时间相比为二阶无穷小,所以忽略轧辊在圆周方向的温度变化,这样就可简化为二维非稳态系统[9]。

在分析过程中,由于轧辊几何形状的对称性,为节约计算时间,选取工作辊的1/4作为分析对象。

根据上述对轧辊实际工作环境的分析,采用PLANE 55单元建立轧辊的有限元模型(见图2)。

由于轧辊表面和与带钢边部接触区域的温度变化较为剧烈,因此这部分的网格划分较密。

1.3　边界条件的处理依据图1中轧辊的实际工作环境,可以对轧辊周向的换热过程进行适当的简化,整个圆周方向的图2　热轧工作辊温度场有限元模型Fig .2　T emperature field FEM of w o rk ro ll换热可等效为6种情况(如图3所示):高温带钢接触传热(AB 区域)、带钢的辐射及空气自然对流(BC 和J A 区域)、挡水板间的积水换热(DC 、J I 区域)、冷却水集管对轧辊进行强制对流冷却(D E 、H I 区域)、空气的自然对流(EF 、GH 区域)以及工作辊与支撑辊间的传热(GF 处)。

由于从接触弧内出来后,轧辊表面的温度也很高,所以带钢的辐射可忽略,直接等效为轧辊与空气的换热。

另外,工作辊的端部离轧辊中部较远,对辊身温度场分布的影响甚微,故可将其等效为与空气的自然对流。

图3　轧辊实际边界条件的简化Fig .3　Simplified boundar y conditio n o f wo rk ro ll2模型的仿真计算与验证在宝钢1880HSM 现场对轧制结束后工作辊的表面温度进行了跟踪测量,在每个单位计划轧制结束后,立即停掉机架水,将工作辊从机架中抽出,用接触式温度计对轧辊表面温度进行实测,考虑到对称性,只测量辊身长度的1/2,每隔100m m 测一点。

并在试验过程中,详细记录所有钢卷的轧制工艺参数(包括轧制规格、轧制规程、各机架轧件温度)、轧制节奏、冷却水量以及轧机抛钢到测量温度时的时间长度等。

219　第3期高建红等:基于ANSYS 的热轧工作辊温度场的有限元分析某一轧制单位停轧前依次轧制了规格为3.5mm ×1050mm 的钢卷10卷,规格为2.5mm ×1200mm 的钢卷35卷,规格为2.5mm ×950mm 的钢卷16卷,出钢记号G R4171,轧制过程中无异常情况出现。

以精轧F 1为研究对象,上机使用的轧辊材质是高速钢,F 1入口带钢平均温度在1047.5℃,冷却水温为30℃,轧辊的速度为1.2m /s ,平均轧制时间75s ,间隙时间30s 。

利用上述建立的模型模拟计算该轧制计划内工作辊的温度场分布。

图4给出了模拟计算值与实测值的比较,从图中可以看出,模拟值与实测值之间的最大误差在2℃左右,因此,利用该模型可以准确计算轧辊的温度场分布。

图4　轧辊表面温度计算值与实测值的比较F ig .4　T he co mpa rison between ca lculated a nd e xperimental sur face temperature o f W R3　模拟结果分析与讨论图5给出了轧辊旋转一周的时间内,距轧辊表层不同深度(d =0、2mm 、4.3m m 、20mm )单元节点的温度变化情况。

从图中可以看出,由于在接触弧内与高温带钢的接触,使得大量的热量向轧辊表面传递,导致轧辊表面迅速上升到525℃左右,从接触弧内出来后,由于受到空气的对流和带钢的辐射(模拟计算时忽略)以及表层热量向内部的传递,轧辊表面温度又迅速下降到330℃左右,随着轧辊的旋转,出口挡水板间的积水和冷却系统的强制冷却使轧辊温度进一步下降到较低的温度,以保证轧辊表面形成致密的氧化膜。