带钢热连轧过程轧制力有限元模拟_刘洋

第27卷第6期2006年 12月河南科技大学学报:自然科学版Journa l o fH enan U n i v ers it y o f Science and T echno l ogy :N atura l Sc i ence V o.l 27N o .6D ec .2006基金项目:河南省自然科学基金项目(200410464013)作者简介:刘 洋(1980-),男,河南洛阳人,硕士生;周旭东(1963-),男,辽宁锦县人,教授,博士,主要研究方向为锻压过程数值模拟及其智能化.收稿日期:2006-08-16文章编号:1672-6871(2006)06-0001-03带钢热连轧过程轧制力有限元模拟刘 洋1,周旭东1,刑建斌2(1.河南科技大学材料科学与工程学院,河南洛阳471003;2.太原重型机械集团有限公司技术中心锻压所,山西太原030024)摘要:应用DEFORM -2D 软件对带钢热连轧过程的轧制力进行了有限元模拟,并与宝钢轧制力模型进行了比较。

模拟结果表明,有限元模型计算的轧制力与现场实测数据接近,且计算精度高于宝钢轧制力模型,该模拟对现场轧制工艺参数的调整优化有重要的参考价值。

关键词:金属材料;轧制力;有限元模拟;热连轧中图分类号:TG 335.1文献标识码:A 0 前言在现代计算机控制的带钢生产中,轧制力设定是一个极其重要的环节,它是带钢热连轧精轧机组计算机设定模型的核心,其设定精度直接影响到辊缝的设定,进而影响穿带的稳定性、板厚精度、板形的控制以及产品的最终质量[1]。

因此,研究带钢热轧过程中精轧机组的轧制力设定模型,对提高轧制力设定精度是非常必要的。

金属板材的热轧过程是一个非常复杂的弹塑性大变形过程,既有材料非线性、几何非线性,又有边界条件的非线性,变形机理非常复杂,难以用准确的数学模型来描述[2,3]。

因此,有限元法被越来越多的应用于模拟板带的轧制过程,它不但能解决复杂的非线性问题,而且克服了传统的物理模拟和实验研究成本高且效率低的缺点。

近几年来,有关带钢热轧轧制力有限元数值模拟的报道很多,如文献[4]等借助M arc 软件对薄板CSP 轧制第一道次的轧制力进行了模拟;文献[5]等应用ANSYS /LS-DYNA 软件对带钢精轧过程进行了有限元模拟,并对有限元计算的轧制力和传统理论计算值进行了比较;文献[6]等应用M arc 软件,分析了带钢热轧过程中轧制力的变化。

这些报道都是对带钢单道次轧制进行有限元分析得出的结果,并不能反映连轧过程中的特殊规律,而对于带钢连轧有限元模拟方面的报道还很少。

本文基于宝钢2050精轧机组轧制力数学模型和现场数据,利用DEFOR M -2D 软件来模拟带钢热连轧过程,并将模拟计算的轧制力和宝钢轧制力模型计算值以及实测值进行了对比。

1 宝钢2050精轧机组轧制力模型宝钢2050热轧机组是20世纪80年代末从德国的西马克(S M S)引进的,它所用的模型都是根据SM S 生产经验简化了的模型。

其中,精轧机组轧制力数学模型[7]为P =式中 = R k R k S k M , =Hh H, R =k k T k H R R 0W 其中 为材料硬度; 为相对压下率; R 为无轧辊压扁时材料的变形抗力;k R 为轧辊压扁对材料硬度的影响系数;k S 为与机架相关的轧制力自适应系数;k M 为与材料相关的轧制力自适应系数;H 为带钢入口厚度;h 为带钢出口厚度;k 为张力对变形抗力的影响系数;k T 为温度对变形抗力的影响系数;k H 为入口厚度对变形抗力的影响系数;R 0为工作辊参考半径;W 为带钢入口宽度。

热连轧精轧机组的后几架由于带钢变得比较薄、温度又较低,因此轧辊的压扁比较明显,这会导致轧制力的增加,在计算轧制力时必须加以考虑[8]。

宝钢2050轧辊压扁模型中,轧辊压扁对材料硬度的影响系数为[9]k R=RR=s+1+s2式中R =R1+!4PW∀h, s=!4k k T k H k S k M R2HR0其中 R 为轧辊压扁后的半径,R为轧辊原始半径;!4为轧辊压扁调整参数,∀h为带钢入口厚度与出口厚度差值,即绝对压下量。

2 带钢热连轧有限元模型的建立本文根据宝钢2050热轧厂提供的现场数据来建立有限元模型。

宝钢2050热连轧机精轧区共有7个道次,模拟7道次热连轧时,建模时带钢的长度需要很大,导致划分单元后,带钢厚度方向上单元数量太少,影响了计算精度,所以本文只模拟了带钢热连轧的前3道次,表1为精轧某带钢的轧制条件。

表1 带钢热连轧轧制条件机架号入口厚度/mm出口厚度/mm相对压下率/%带钢温度/辊速/(mm!s-1)F146.33228.17239.209091030F228.17217.16739.069061680F317.16711.87330.849012460由于带钢和轧辊的几何形状都比较简单,因此可以在DEFOR M-2D软件中采用L i n e-A rc格式建立几何模型。

建模时考虑到带钢轧制的对称性,可取1/2带钢和每道次单个轧辊作为模拟对象。

带钢宽度为1050.3mm,长度要根据机架间距来确定,现场的机架间距为6000mm,为了减少单元数量,应适当缩小机架间距,故此取机架间距为1500mm,带钢长度为1600mm。

在划分单元和选择材质时,视带钢为塑性体并对其进行均匀划分,厚度方向上为9个单元,共5292个单元。

带钢材料为Q235钢,入口温度909,对应DEFORM中的材料库应选择A I SI-1016(900~ 1200)。

为了实现带钢的咬入,模型中设计了一推板,以一定的速度作用于带钢的尾部,当带钢顺利进入辊缝后,推板速度降为0,从而使带钢进入轧制过程。

轧辊和推板均视为刚性体,轧辊直径为800mm。

模型中的边界条件主要包括速度边界条件、摩擦边界条件和热边界条件。

速度边界条件用来解决对称性问题,设定对称面上所有节点Y方向上的速度为0。

接触面上的摩擦采用剪切摩擦模型,摩擦因子取0.3。

对于热边界条件,取环境温度为20,取带钢辐射率为0.7,对流换热系数为50W/ (m2!),接触热传导系数为11k W/(m2!)。

3 模拟结果分析模拟控制采用时间增量步,当时间增量步为第1步时带钢开始在第一机架形成咬入,这时带钢在摩擦力的作用下进入辊缝并产生塑性变形,到164步时带钢尾部从第三机架中脱离,即在164步完成三机架的热连轧过程。

图1为轧制过程中带钢和轧辊的状态以及各道次局部放大图。

图2是有限元模拟的轧制力随时间的变化曲线。

当带钢在第一机架形成咬入后,轧制力随着时间步的增加急剧上升,此过程为非稳态轧制过程。

当带钢完全进入辊缝后,金属的变形量不再继续增加,轧制力只在很小的范围内波动,这表明轧制由非稳态进入稳态过程。

当带钢将要脱离第一机架辊缝时,轧制力开始急剧下降,直到完全脱离时下降为0。

轧制力在各个道次的变化规律基本相同,不同之处在于,轧制力会随着绝对压下量的减小而减小。

2河南科技大学学报:自然科学版 2006年第6期刘 洋等:带钢热连轧过程轧制力有限元模拟图1 轧制过程中带钢和轧辊的状态以及各道次局部放大图图2 轧制力随时间的变化曲线应该说明的是,在DEFORM -2D 中,弹性物体是不能作旋转运动的,而轧辊压扁对轧制力的影响又必须考虑,因此在计算轧制力时,需要用图2中的模拟结果乘以轧辊压扁对材料硬度的影响系数。

即P =P k R式中 P 为模拟计算结果,k R 为轧辊压扁对材料硬度的影响系数。

表2 轧制力计算值和实测值比较机架号F1F2F3宝钢模型计算值/M N 15.95616.28412.869相对误差/%7.543.457.22有限元模型计算值/M N 18.2816.20613.452相对误差/%5.632.953.02实测值/M N 17.25615.74113.871通过计算可以得到各道次的压扁系数依次为1.0090、1.0151和1.0246。

表2为各道次轧制力计算值和实测值的比较,从表2中的数据可知,有限元模型的计算值和实测值比较接近,相对误差在6%以内。

同时,有限元模型的计算精度高于宝钢模型,特别是在第三机架,轧制力计算精度高出4.2%。

4 结论本文应用DEFOR M -2D 软件对带钢热连轧前三道次的轧制力进行了有限元模拟,并与宝钢2050精轧机组轧制力数学模型进行了比较,分析了各道次轧制力的变化规律,并将有限元法计算的轧制力同宝钢轧制力模型计算值以及实测值进行了对比。

结果表明,有限元法计算的轧制力与现场实测数据接近,二者误差在6%以内;有限元法的计算精度高于宝钢轧制力模型,特别是在第三机架,轧制力计算精度高出4.2%;计算结果对现场轧制工艺参数的调整优化有重要的参考价值,对实际生产也有一定的指导意义。

参考文献:[1] 余华胜.提高武钢1700热连轧机压力预报精度的研究[D ].武汉:武汉科技大学,2002.[2] 徐树成,张金玲,李秀敏.板带钢轧制的有限元模拟分析[J].湖南冶金,2005,33(5):6-9.[3] 徐新平,王均安.硅钢片轧制过程的有限元数值模拟[J].上海金属,2005,27(4):30-33.[4] 李传瑞,王宝峰,麻永林.CSP 连轧过程金属变形的热力耦合模拟分析[J].特殊钢,2005,26(6):29-31.[5] 喻海良,赵宪明,刘相华.板带精轧过程轧制力的三维弹塑性有限元分析[J].钢铁研究,2005(1):14-16.[6] 张德丰,陆建生,宋 鹏,等.有限元法在板材热轧中的应用[J].南方金属,2006(1):18-20.[7] 叶红卫.宝钢2050热轧过程厚度控制技术[J].宝钢技术,2003(1):23-27.[8] 周旭东,刘香茹.热连轧过程直接法动态仿真[J].河南科技大学学报:自然科学版,2003,24(2):13-15.[9] 单旭沂.一热轧和二热轧机组精轧数模剖析[J].宝钢技术,1998(1):33-37.3Journal ofHenan University of Science and TechnologyNatural ScienceVo.l 27 No .6 (Sum No .103) Dec .2006CONTENTS AND ABSTRACTS!M at eri a l Sc i e nce and Eng i n eeri n g !Fi n ite E l e ment Sm i ul a ti o n of Rolli n g Force Duri n g Conti n uous H ot S tri p Rolli n g Pr ocess (1)……LI U Y ang 1,Z HOU Xu Dong 1,X I N G Jian B i n 2 (1.M aterial Science&Engineering C ollege ,H enan University of S cience&T echno logy,Luoyang 471003,China;2.F orging Institute of T echnology C enter o f Taiyuan H eavy M echanical Co mpany L i m it ,Ta i y uan 030024,Ch i n a)Abstrac:t B ased on the rolling force mode l and field data of Baoshan steel plan,t the ro lling fo rce during conti n uous ho t strip rolli n g process is si m ulated by usi n g the DEFOR M 2D so ft w are .The si m u lated resu ltw hich can supply an i m po rtant reference to the opti m iza ti o n o f fie l d pr ocess para m eters i n dicates that the rolli n g f o rce calcu l a ted by the FE M is closed to the m easured data .The ca lculated accuracy o f the FE M is better than tha t of Baoshan stee l p l a ntm ode.lKey wor ds :M etalm aterials ;Ro lling force ;F i n ite ele m ent si m ulati o n ;H ot continuous ro llingCLC nu m ber :TG335.1 Docu m ent code :A Arti c l e I D :1672 6871(2006)06 0001 03S t a tus and Expectati o n of Pantograph Sli d e and C ontac tW ir e (4)…………………………………Z HANG X iao Juan ,S UN Le M i n (M aterial S cience &Engineering C ollege ,H enan University of Science &Technology,Luoyang 471003,China)Abstrac:t The researches and app lication status o f pantog raph sli d e m aterials and contact w ire m aterials for electric l o co mo tive are su mm arized ,and the deve l o p m ent orientations are forcasted.There are carbon stri p ,copper po w der m etallur gy stri p and i m pregnated m etallized carbon strip wh ich are used a t presen.t The deve l o pm ent directions are carbon fi b re ,m etal fibre ,self l u bricative co m posite m aterials o fm eta l and inorganic nor m e tal for adapti n g to high speed ra il w ay and reduc i n g the w ire ∀s w ear .Copper silver ,copper ti n and copper m agnesiu m are extensive ly applied to contact w ires presentl y .Copper all o y and co mposite m eta llized m aterials w ill be developed in the future .Key wor ds :Pantog raph sli d e ;Con tactw ire ;Contact net syste m;E lectric loco m oti v eCLC nu m ber :U 264.3 D ocu ment code :A Arti c l e I D :1672 6871(2006)06 0004 04!Traffi c and Transport ati o n ,Energy and Po w er Eng i n eering !Nu m eri c al Sm i ul a ti o n of Co m busti o n ofH /O M i x ed Gas i n Co m bust o r ofM i c ro TPV Syste m (8)……………………………………………………………………………………………………………W E I Yao 1,Z HANG X iao You 1,Z HANG H ai Y an 2,MA Feng X ian 2,PANG Jian Feng 3 (1.Veh icle&M otive Po w er Eng ineering Colle g e ,H enan University of S cience&Technology,Luoyang 471003China;2.B ioche m ical D epart m ent ,San m enx ia P oly technic ,Sanm enx ia 472000China;3.Energy &M otive E ng ineering C ollege ,J iangsu University ,Zhengjiang 212013,China )Abstrac:t The wo r k i n g pri n ciple of the m icro TPV syste m is descri b ed .The co mbusti o n o fH /O m i x ed gas i n t h e m icro co m bustor tak i n g account o f the fl u i d control equa,l the co mbusti o n m ode,l potti n g nets i n the m icro co m bustor and the setup o f its layer cond iti o n is si m ulated .Fina ll y so m e para m eters ofH /O m i x ed gas w hich can m eet the need o f the m icr o TP V syste m are go tten .W hen fl u x ofH /O m i x ed gas is 1200mL /m in ,and the rati o ofH /O is 2#1,te m perature of the m icro co mbusto r w all can reach 1100K.Key wor ds :M icro TPV syste m;M icro co m bustor ;Num erical si m u lation ;Ratio o fH /O m i x ed gasCLC nu m ber :TK411.25 Docu m ent code :A Arti c l e I D :1672 6871(2006)06 0008 04Sm i ul a ti o n ofO ff w heel Prob l e m of H i g h Speed T r acked Vehi c l e ∀s Runni n g Syste m (12)………。