基于不同热力条件下轧辊的变形分析.pdf

5 8 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y ．b g r i m m ．c n 2 0 1 4 年第t 期 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 7 - 7 5 4 5 ．2 0 1 4 ．0 1 ．0 1 5 基于不同热力条件下轧辊的变形分析 郭喜平1 ，申世杰1 ，周双2 1 ．内蒙古科技大学，内蒙古包头0 1 4 0 1 0 ；2 ．包头钢铁集团轨梁厂，内蒙古包头0 1 4 0 1 0 摘要应用A n s y s 有限元软件，从传热学和力学角度对万能轧机轧辊的温度场和应力场迸行热力耦合场 分析，得到了稳定状态下轧辊温度场和应力场的分布规律，并研究了不同温度和轧镧力情况下轧辊的变 形情况。结果表明，轧辊温度场和应力场呈周期性变化，而且轧辊的变形情况与温度场和应力场分布成 正相关关系，模拟数据与现场测得数据误差小于5 ％，证明模型是可靠的。 关键词A n s y s ；轧辊；温度场；应力场；耦合；变形 中图分类号T H l 2文献标志码A 文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 4 0 1 0 0 5 8 0 4 R o l l e r ’SD e f o r m a t i o nA n a l y s i su n d e rD if f e r e n tT h e r m a l a n dM e c h a n i c a lC o n d i t i o n s G U O X i p i n 9 1 ，S H E NS h i - j i e l ，Z H O US h u a n 9 2 1 ．I n n e rM o n g o l i aU n i v e r s i t yo fS c i e n c e T e c h n o l o g y ．B a o t o u0 1 4 0 1 0 ，I n n e rM o n g o l i a ，C h i n a 2 ．R a i la n dB e a mP l a n to fB a o t o uI r o na n dS t e e lG r o u p ，B a o t o u0 1 4 0 1 0 ，I n n e rM o n g o l i a ；C h i n a A b s t r a c t T h et e m p e r a t u r ea n ds t r e s sc o u p l i n gf i e l d so fr o l l e rw e r ea n a l y z e db yA n s y ss o f t w a r eb a s e do n h e a tt r a n s f e rt h e o r ya n dm e c h a n i c st h e o r y ．T h ed i s t r i b u t i o no fr o l l e r ’St e m p e r a t u r ea n ds t r e s sf i e l d sa ta s t e a d ys t a t ew a so b t a i n e d ．T h er o l l e r ’Sd e f o r m a t i o ns i t u a t i o na td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e sa n dr o l lf o r c e sw e r e s t u d i e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h et e m p e r a t u r ef i e l da n ds t r e s sf i e l do fr o l l e rc h a n g e sp e r i o d i c a l l y ．T h e r o l l e r ’Sd e f o r m a t i o np r e s e n t sap o s i t i v ec o r r e l a t i o nt ot h ed i s t r i b u t i o no ft e m p e r a t u r ef i e l da n ds t r e s sf i e l d ． T h ed a t ae r r o rb e t w e e ns i m u l a t i o na n dm e a s u r e di n s i t ui Sb e l o w5 ％．T h em o d e li Sr e l i a b l e ． K e yw o r d s A n s y s ；r o l l e r ；t e m p e r a t u r ef i e l d ；s t r e s sf i e l d ；c o u p l i n g ；d e f o r m a t i o n 轧机部件中轧辊的工作条件最复杂。在热轧生 产过程中，工作辊要承受周期性的轧制力、热应力、 接触应力等。这些不均匀分布并随时间变化的力是 由于轧辊的磨损、温度和轧辊孔型的变化引起的。 实际生产时轧件断面会出现波浪、凹形、鼓形等不规 则形状，这些断面形状主要是因为轧辊变形导致孑L 型变化所致。所以轧辊的变形直接影响轧件的质 量口] 。万能轧机在轧制型钢的过程中，轧辊首先与 轧件之间直接接触，随后轧辊的外表面会被水和空 气冷却。轧辊在高温轧件的作用下会产生热膨胀， 收稿日期2 0 1 3 0 7 0 5 基金项目内蒙古自治区自然科学基金项目 2 0 1 2 M S 0 7 1 7 作者简介郭喜平 1 9 6 2 一 ，男，内蒙古包头人，硕士，副教授 而轧辊受到约束产生热应力和应变，同时在轧制作 用力产生接触应力和弹塑性变形。因此必须考虑热 弹性变形与热变形的相互影响，合理施加热运动和 力载荷边界条件，从而更加准确地计算轧辊的变形 量，给轧辊辊型设计提供指导‘引。 1 轧辊温度场的模拟条件 1 ．1 轧辊传热边界条件 在实际轧制过程中，随着轧辊的转动，边界条件 也在不断变化，所以需要对计算模型进行边界条件 万方数据 2 0 1 4 年第1 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 5 9 处理。由于轧辊的对称性，为了计算方便建立轧辊 1 ／2 模型，假设轧辊不动，让边界条件绕轧辊做反向 运动。如图1 所示。图中A 、B 为冷却水喷水嘴的 位置，沿辊环外表面共划分为4 个区域l ～2 区为轧 辊与轧件接触热交换区域；2 ～3 区为人口轧辊的直 接水冷区；3 ～4 区为辊环与空气对流区；4 ～1 区为 出口轧辊的直接水冷区。 2 l 图1 轧辊的热边界条件 F i g ．1 T h e r m a lb o u n d a r yc o n d i t i o n so fr o l l e r 1 ．2 热轧辊温度场求解 选用热单元s o l i d 7 0 进行热分析，采用瞬态的热 分析方法。取轧辊热膨胀系数为1 ．1 1 0 _ 5K _ 。、 杨氏模量2 ．1 1 0 1 1P a 、泊松比0 ．3 、轧辊直径9 8 0 m m 、轧辊转速6 0r ／m i n 、轧辊初始温度1 5 0 ℃、轧 件温度9 0 0 ℃、冷却液温度3 0 ℃。轧辊外表面与轧 件的接触传热系数取6 5 0w ／ m 2 K ；空气与轧辊 间的对流传热系数取1 0w ／ m 2 K ；冷却水与轧 辊间的对流传热系数取60 0 0W ／ m 2 K E3 。。 2 轧辊温度场的模拟结果及分析 2 ．1 轧辊径向温度场 轧辊与轧件接触处最高温度达到2 9 5 ℃，而在 冷却后温度只有1 5 0 ℃。从图2 可以看出，随着轧 辊与轧件接触温度升高，热量由轧辊表面向轧辊内 部扩散，当轧辊热量达到平衡状态轧辊温度趋于稳 定[ 4 { ] 。温度在轧辊表层1 0m m 内波动，模拟温度 与实际所测温度基本吻合，相差5 ％以内。 2 ．2 轧辊周向温度场 处于轧制区内轧辊表面温度最高 图3 ，轧辊 与轧件通过热传导迅速升温，所以轧辊表层热量由 中部向边部流动，处于轧辊边部的温度较低。温度 不均匀分布导致轧辊热膨胀的不均匀，从而产生不 均匀分布的热应力。 一 匿●0 k 一 图2 轧辊的径向温度分布云图 F i g ．2 R a d i a lt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no fr o l l e r 图3 轧辊的周向温度分布云图 F i g ．3 C i r c u m f e r e n t i a lt e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o no fr o l l e r 采用间接耦合方法来分析辊环的热结构耦合 场。首先对辊环的温度场进行分析，然后把进入动 态平衡即稳定轧制状态下轧辊的温度作为耦合场分 析的前提条件加载到轧辊上，再对轧辊进行热结构 耦合分析，最终得到即近似为轧辊稳定轧制状态下 的应力n ’5 ] 。由于A n s y s 有限元软件具有热结构耦 合分析功能，通过转换热单元为耦合单元s o l i d l 8 0 ， 读入温度场分析结果文件，将温度场文件直接加载 到轧辊耦合分析中去，设定约束即可求得稳定状态 轧辊的耦合应力场分布情况。 3 ．2 轧辊耦合应力场分析 图4 为处于稳定状态下的轧辊应力场。由图4 可知，在非轧制区的应力场分布比较均匀，进入轧制 区的应力变化比较剧烈，尤其是轧辊的中心应力场 最大，由中心向两侧应力逐渐减小。轧制区等效应 力最大为1 4 7M P a ，远远小于立棍的屈服强度，即还 处在弹性变形阶段，不会产生残余应力[ 引。轧辊应 力场呈周期性变化，应力场分布与变化趋势和温度 场变化基本相同。 3 轧辊三维热力耦合模拟及分析 4 3 ．1 轧辊三维热力耦合计算 不同轧制情况下轧辊弹性变形分析 在轧制过程中，轧制力使轧辊发生压扁、弹性变 万方数据 6 0 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 4 年第1 期 图4 轧辊的周向应力云图 F i g ．4 C i r c u m f e r e n t i a ls t r e s s n e p h o g r a mo fr o l l e r 形，同时轧件由内向外温度的不均匀分布将导致热 应力和热变形，且两者互相耦合，共同影响轧辊的变 形情况[ 6 ] 。 图5 为轧辊的变形曲线。 由图5 可知，轧辊中部变形最大，向边部逐渐减 小，基本呈碗型分布，最大变形量4m m 。轧辊变形 量与温度和轧制力的分布大致呈正相关关系，变形 最大的部位也是轧制力最大的部位。 图6 为不同温度和轧制力情况下轧辊的弹性变 形量曲线。随着温度的升高轧辊的弹性变形量增 大，并且变形量曲线基本随温度变化发生平移。随 着轧制力的增加轧辊变形量增大，而且变化幅度比 较大。 比较图6 a 和图6 b 可以看出，温度对轧辊变形 母的影响比轧制力大．因为轧制力要比热膨胀产牛 0 ．4 5 ’ 0 “ l 3 5 } I J Ⅲ} ； 12 S } 靼f J 2 f } 制0 ．1 5 } n I l IP I I J 5l 1 } 一⋯。i ；1 萧T 青j 汀葛『_ 茹了再赢可j 百≮⋯ 吁轧韩削| J b 的距离／r a N 图5 轧辊的变形量曲线 F i g ．5 D e f o r m a t i o nc u r v eo fr o l l e r 的热应力大得多，随着温度降低热应力也相应减小， 此时轧制力成为变形的主要因素[ 7 墙] 。在其他轧制 条件不变的情况下，降低温度和减小轧制力可以减 小轧辊的变形量。 轧辊的变形使得轧辊孔型发生相应的变化，和 轧件接触部位的轧辊孔型发生变化。水平辊在R 角处轴向和径向均产生较大位移，而轧辊在轴向发 生较大的位移。轧辊的热应力、轧制力和轧辊与轧 件之间的摩擦都能使得轧辊孔型发生变化。 i 轧辊轴心的距离／r a m 图6 不同温度 a 和轧制力 b 时轧辊的弹性变形量曲线 F i g ．6 E l a s t i cd e f o r m a t i o nc u r v eo fr o l l e ra td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s a a n dr o l lf o r c e 【b 5模拟结果的验证6结论 通过某钢厂实际轧辊温度的测试结果，轧辊表 面的温度与轧辊温度场的模拟结果基本吻合，误差 在5 ％以内，从而证明轧辊温度场的模拟模型是可 靠的；应力场的分析和现场测的结果误差也在5 ％ 以内；变形量的结果与文献[ 8 ] 基本一致。说明整个 模型的建立是可靠的。 1 轧辊的温度随着时间不断上升，在轧制稳定 后轧辊温度趋于稳定。轧辊周向中部温度最大，向 边部温度逐渐降低。 2 稳定轧制状态下的轧辊表面受到周期性的 拉、压应力，而且在轧制区轧制力变化剧烈。 3 轧辊的变形分布成碗型，即中间部位变形大， 万方数据 2 0 1 4 年第1 期有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 6 1 向边部变形逐渐减小。 4 模拟得到的温度场数据与实际数据误差小于 5 ％，变形场分布情况和实际情况相符。 5 降低温度和减小轧制力可减小轧辊变形量。 参考文献 [ 1 3 赵志国．热轧过程中轧辊的温度场和应力场分析I - D ] ． 河北秦皇岛燕山大学，2 0 1 1 ． [ 2 ] 蒋孝煜．有限元法基础[ M ] ．北京清华大学出版社， 1 9 9 9 6 2 - 8 9 ． [ 3 ] 王补宣．工程传热传质学[ M ] ．北京科学出版社， 1 9 9 8 3 0 1 0 ． [ 4 3 陈国操，有限元法在热轧辊三维温度场分析中的应用 r - j ] ．化纤与纺织技术，2 0 0 5 ，9 3 3 2 3 5 ． [ 5 ] 孔祥伟，刘相华．轧辊温度场及轴向热凸度有限元计算 [ J ] ．钢铁研究学报，2 0 0 0 ，9 1 2 5 1 5 4 ． [ 6 ] 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