粗轧变形区温度场实验及仿真

第１６卷第２期　２００９年４月　

塑性工程学报　

０ＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＰＬＡＳＴＩＣＩＴＹ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　Ｖｏ１．１６　Ｎｏ．２　

Ａｐｒ．　２００９　

粗轧变形区温度场实验及仿真　１．　皇　，　：、　篓沙、，．．　。。８３）　、康煜华　，ｚ　刘义伦　何玉辉　（２湖南科技大学机电学院，湘潭４１１２０１）　’　。　。　。　’　

摘要：轧制变形区温度场的分布是轧制力及轧件微观结构预测的重要参数之一。采用实验和有限元的方法研究　了铝板热轧过程，侧重轧件变形区温度的分布，并对变形区接触热传递系数的分布规律进行了分析；以此作为轧辊　轧件间传热模型，建立了实验轧制的数学模型。结果表明，轧件在轧制变形区存在较大的温度梯度，并且与实验结　果吻合较好。　关键词：轧制；接触热传递系数；温度场；有限元　中图分类号：ＴＧ３３５．１　文献标识码：Ａ　文章编号：１００７—２０１２（２００９）０２—０１０５—０４　

Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｄｅｆｏｒｍｅｄ　ａｒｅａ　ｄｕｒｉｎｇ　ｒｏｕｇｈ　ｒｏｌｌｉｎｇ　

ＫＡＮＧ　Ｙｕ－ｈｕａ　，　ＬＩＵ　Ｙｉ－ｌｕｎ　ＨＥ　Ｙｕ－ｈｕｉ　（１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｓｏｕｔｈ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ　４１００８３　Ｃｈｉｎａ）　（２．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｕｎａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉａｎｇｔａｎ　４１１２０１　Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｄｅｆｏｒｍｅｄ　ａｒｅａ　ｉｓ　ｏｎｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｏｓｔ　ｉｍｐｏｒｔａｎｔ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇ　ｔｈｅ　ｒｏｌｌ　ｆｏｒｃｅ　ａｎｄ　ｍｉ—　ｅｒｏｓｔｕｅｔｕｒａｌ　ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｈｏｔ　ｒｏｌｌｉｎｇ　ｏｆ　ａｌｕｍｉｎｉｕｍ　ａｌｌｏｙｓ　ｗａｓ　ｓｔｕｄｉｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ａｉｄ　ｏｆ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｎｄ　ＦＥＭ，ｐａｒｔｉｃｕｌａｒ　ａｔｔｅｎｔｉｏｎ　ｗａｓ　ｐａｉｄ　ｔｏ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｄｅｆｏｒｍｅｄ　ａｒｅａ．Ｔｈｅ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｒｕｌｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｏｆ　ｈｅａｔ　ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｂｅ—　ｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ｓｕｒｆａｃｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒｏｌｌ　ａｎｄ　ｓｔｒｉｐ　ｗａｓ　ａｌｓｏ　ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｎ，ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｈｅａｔ　ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｍｏｄｅｌ，ｔｈｅ　ｍａｔｈｉｍａｔｉｃａｌ　ｍｏｄｅｌ　ｗａｓ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅｒｅ　ｈａｓ　ｌａｒｇｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｇｒａｄｉｅｎｔ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｄｅｆｏｒｍｅｄ　ａｒｅａ　ａｎｄ　ｉｔ　ｓｈｏｗ　ｇｏｏｄ　ａｇｒｅｅｍｅｎｔ　ｗｉｔｈ　ｔｅｒｎ—　ｐｅｒａｔｕｒｅ　ｐｏｉｎｔｓ　ｆｒｏｍ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｒｏｕｇｈ　ｒｏｌｌｉｎｇ；ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｏｆ　ｈｅａｔ　ｔｒａｎｓｆｅｒ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｆｉｅｌｄ；ＦＥＭ　

引　言　热轧生产中轧板内部温度场是轧制过程中最重　要的一个中间状态变量，厚度、板形等模型都要求　首先计算各机架的轧制温度。在对轧制过程的计算　机模拟中，温度场的模拟结果是其他一切过程模拟　的基础，即温度场的模拟结果准确程度，将决定其　他物理场的模拟精度。同时温度场的分布对轧件的　微观组织及力学性能都有直接的影响ｌ＿１七］，因此对轧　制过程温度场进行准确测试与控制尤其重要。　

＊教育部科学技术研究重点项目（１０６１２３）。　康煜华Ｅ－ｍａｉｌ：ｂｌｕｃｅｋａｎｇ＠１　６３．ｃｏｒｎ　作者简介：康煜华，男，１９７６年生，湖南冷水江人，讲师，中　南大学在读博士，研究方向为金属塑性加工及有限元分析　收稿日期：２００８—０８—１５；修订日期：２００８—０９—２５　

长期以来，传统工艺只对轧板表面进行温度测　量，而内部温度的变化很难获得。随着计算机技术　的快速发展，采用有限元法对轧制过程温度场进行　分析已在国内外得到广泛应用，并取得显著成　果ｌ３＿　。但是为了提高温度模拟结果的精度，热轧过　程中一些重要参数必须通过实验结果获得。　

１试验方法与材料　１．１测试系统　自行开发的测温系统如图１所示，采用便携式　工控机、高精度传感器、高性能模拟数字转换卡、　高增益、低误差放大板。该系统适用于各种型号的　热电偶测温，通过滤波、屏蔽干扰、补偿滞后等方　面的研究，完善系统，使系统准确、可靠、高效。　１．２实验设备　实验材料为西南铝提供的铝合金ＡＡ３１０４；实　ｌＯ６　塑性工程学报　第１６卷　堕电路Ｈ信号放大ｆ广————　耳　厂＿＿叫笪呈鱼壁壁ｌＩ垒　整　墨Ｈ墼主　堂五苤Ｉ　Ｉ　墓　ｌ　圃匦　匾　匝　卜＿＿　由Ｉ　Ｌ　Ｉ　

图１温度测试原理示意图　Ｆｉｇ．１　Ｓｋｅｔｃｈ　ｏｆ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｔｅｓｔｉｎｇ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｓｃｈｅｍｅ　

验轧机最大轧制力为１８００ｋＮ，轧辊直径４００ｍｍ；　此外，还有２５ｏｋＷ频感应加热炉以及４个ＮｉＣｒ－　ＮｉＡＩ热电偶（≠１．５ｒａｍ￣１０００ｍｍ，铠装）。轧制过程　中热电偶可能脱落，因此分别在轧件中心和表面各　安装２个热电偶形成冗余，如图２所示，确保得到　可靠的实验数据。热电偶一定要在板坯加热前冷插，　加热过程中由于金属的热胀将使热电偶紧固在孔内　不会移动，从而不会形成间隔影响测量精度。　

图２热电偶安装图　Ｆｉｇ．２　Ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｔｈｅｒｍｏ－ｃｏｕｐｌｅ　

１．３实验方案　为研究轧件轧制变形区温度场的变化，热轧按　照轧件不同的出人口厚度及温度进行了轧制试验，　工艺参数如表１所示。　

表１轧制试验工艺安排　Ｔａｂ．１　Ｐｒｏｃｅｓｓ　ｓｃｈｅｄｕｌｅ　ｏｆ　ｒｏｌｌｉｎｇ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　

试件号　入口尺　出口尺　压下　入口温　Ｎｏ．　寸／　ｒｎｍ　寸／ｍｍ　量／％　度，℃　

ｌ　１８．０　１５．６　１３．３　４１８　２　１８．Ｏ　１３．Ｏ　２８．８　４３７　３　１８．Ｏ　１１．５　３６．１　４５２　

按照工业轧制过程中的辊温，实验轧辊预热至　５０￣Ｃ。试件加热至４５０￣Ｃ保温后，出炉空冷至试验　入口温度。　

粗轧过程热机耦合模型　轧制过程的传热现象是复杂的热力学问题。轧　

件通过自由表面与周围介质有热交换，轧件内部存　在热传导，同时轧件变形时还有塑性变形功和摩擦　功转化为热量。　使用通用大型非线性有限元软件ＭＳＣ．Ｍａｒｃ，　采用热力耦合分析方法，建立起铝合金单道次粗轧　有限元模型。由于对称性，取１／２轧件与轧辊为模　拟仿真对象。为减少计算时间，并考虑轧件在连轧　机上形成稳定的轧制过程，轧件的长度要大于变形　区长度的３倍以上，取１００ｍｍ，半高为９ｍｍ，并　沿轧制方向分成５５等份，高度方向５等份，共２７５　个单元；轧辊用外围厚５ｍｍ　１／４周弓弧代替，圆周　方向８０等份，径向划成４部分，并取０．５的偏移　量，共３２０个单元，如图３所示。　

图３粗轧有限元模型　Ｆｉｇ．３　ＦＥＭ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｂｒｅａｋｄｏｗｎ　ｒｏｉｌｉｎｇ　

在接触分析中，铝合金轧件定义为可变形的弹　塑性体，其几何形状采用离散描述。轧辊则作为可　传热的刚性接触体定义，沿中心顺时钟转动，其几　何形状采用解析方式进行描述，这样便于对摩擦的　描述更为精确和使接触迭代的收敛性大大提高，以　提高计算精度。推板定义为刚体，以较小的速度沿　轧制方向运动，推动轧件咬入轧辊，随后推板离开　轧件，轧件在摩擦力的驱动下前行。　计算采用更新的Ｌａｎｇｒａｎｇｅ法描述热力耦合大　变形弹塑性有限元模型，结点单元采用四边形等参　单元，材料服从Ｖｏｎ　Ｍｉｓｅｓ准则。金属流动法则遵　循Ｐｒａｎｄｔｌ—Ｒｅｕｓｓ应力应变关系，轧件与轧辊间的摩　擦使用修改的基于切应力的剪切摩擦模型，材料本　构方程中流变应力、应变速率和温度之间，则用包　含变形激活能Ｑ项的双曲正旋形式的Ａｒｒｈｅｎｉｕｓ关　系描述。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０．９＿＿７　］。　

３结果分析与讨论　３．１轧制变形区热传递系数　根据上述模型，设轧辊与轧件之间的接触热传递　系数为常数，分别取ｌＯｋＷ／（ｍ　·Ｋ）、２ＯｋＷ／（ｍ２·　Ｋ）、３０ｋＷ／（ｍ　·Ｋ）和４０ｋＷ／（ｉＴＩ。·Ｋ），对压下量　为２８．８　轧制实验进行有限元计算。轧件变形区表　第２期　康煜华等：粗轧变形区温度场实验及仿真　１０７　面节点温度仿真值及实验测量值如图４所示。图中　轧制入口点为原点，Ｌ表示轧件相应点到轧制入口　处的水平距离。　４００　赠　３５０　３００　０　５　ｌＯ　ｌ５　２０　２５　Ｌ，／ｍｍ　图４不同ｈ　常量下轧件变形区表面　温度仿真与实验曲线对比　Ｆｉｇ．４　Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ　ｐｒｅｄｉｃｔｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍｅａｓｕｒｅｄ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｔ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｃｏｎｓｔａｎｔ　ｖａｌｕｅｓ　ｏｆ　ｈ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｔｏｃｋ　ｄｅｆｏｒｍｅｄ　ａｒｅａ　从图４中可以看出，如果将轧制接触热传递系　数设为常数，轧件变形区表面温度仿真曲线与实验　曲线之间存在较大的差异。这是因为实际上轧件变　形区上各点的热传递系数不是常数的原因造成的。　沿Ｌ方向依次设某点的热传递系数为常数ｈ　，　进行有限元分析。将该点算得的温度值减去实验值，　当差值为正时，将该点热传递系数值提高后重新计　算；相反，当差值为负值时，则减小热传递系数值　后再计算，直至表面温度计算曲线与实验曲线重合。　通过反复迭代计算，可以分别获得如表ｌ中３　种不同情况下轧件变形区Ｌ处的热传递系数值，如　图５所示。　０　５　１０　１５　２０　２５　Ｌ／ｍｍ　图５不同压下量下轧制变形区ｈ　分布曲线对比　Ｆｉｇ．５　Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｈ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｃｕｒｖｅｓ　ａｔ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｒｅｄｕｃｔｉｏｎｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｔｏｃｋ　ｄｅｆｏｒｍｅｄ　ａｒｅａ　由图５可知，在压下量为１３．３　、２８．８　９／５和　３６．１　情况下，轧件从轧制人口到出Ｉ：Ｊ的热传递系数　可表示为Ｌ的函数，变化范围为１０ｋＷ／（ｍ　·Ｋ）～　５４ｋＷ／（ｍ　·Ｋ）。当压下量较小时（如１３．３　），ｈ　随Ｌ近似呈线性变化；当压下量较大时，Ｌ上存在　有临界值Ｌ。，当Ｌ＜Ｌ。时，　随Ｌ近似呈线性变　化，当Ｌ＞Ｌ。时，ｈ　达到饱和值，即压下量分别为　２８．８　和３６．１　９／６时，则ｈ　达到了４５ｋＷ／（ｍ。·Ｋ）　和５４ｋｗ／（ｍ　·Ｋ）。这是因为随着压下量的加大，　轧辊与轧件之间压力越来越大，轧件与轧辊之间等　效接触面积增大，从而其间接触热阻减小，接触热　传递系数随之变大，但当压力达到一定数值后，轧　件与轧辊间等效接触面积基本保持不变，从而轧制　接触热传递系数达到最大值，趋于饱和。　３．２轧制变形区的温度场模拟及验证　热轧生产中轧板内部温度场是影响产品性能稳　定的主要因素之一，而内部整体温度场的变化很难　通过实验的方法获得。根据上述方法获得的轧制变　形区热传递系数分布规律，分别对压下量为２８．８　和３６．１　的实验情况进行仿真分析，可得轧板表面　及表面以下１．８ｍｍ、３．６ｒａｍ、５．４ｒａｍ和９ｒａｍ的温　度随时间的变化规律（如图６所示）。图６中可见到　轧件厚度方向具有较大的温度梯度，但轧板内部和　外表面的温度仿真曲线同实验测量值都具有较好的　致性，从而验证了轧制温度模型的正确性。