型钢轧制操作教学全套课件教学资源包案例6.docx

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1、精轧区带钢热轧热力耦合有限元仿真带钢热轧实质上是轧件大变形弹塑性热力耦合的过程。由于加工过程中，塑性变形功转变为热，同时还存在轧件与轧辊接触导热，与周围环境对流及辐射换热，可能使变形体内产生了较大的温度梯度。而温度、应变、应变速率、流动应力相互关联，并且影响到材料的相变、再结晶等过程。所以热轧过程是一个包含几何非线性、材料非线性、接触非线性等复杂多变量耦合问题。要精确解析该过程，必须建立考虑其温度场影响的分析轧件变形的精确数学模型。目前，很多学者使用商用有限元软件建立模型对热轧过程进行分析研究。目的是证明模型的正确性，准确性，得到热轧工艺参数对温度场影响规律。但是对于轧制工艺参数对轧制力的影响

2、规律却很少提及。下面将采用大型非线性有限元商用软件MSC.MARC的弹塑性大位移理论和精确的接触分析方法，根据某厂热连轧精轧机组设备参数，建立二维刚性辊有限元模型，模拟了Q235宽带钢的整个精轧过程。通过对比仿真所得结果与实测结果，证明模型的正确。并且预测轧制工艺参数对温度场，轧制力的影响。对以后热轧工艺参数的匹配规律研究提供重要的分析平台和起到重要的指导作用。1模拟试验的工艺参数中间板坯经过连续式加热炉，出炉后经过高压水除鳞，由粗轧机连续轧制3道次后经过必要的工艺过程，再经过如图1所示六架精轧机组连续轧制6道次，因此将以上工艺过程简化为如图l所示的几何模型，所涉及的工艺参数如表1所示。2数学

3、物理模型及边界条件2.1有限元几何模型的建立由于这里所要研究的是薄板热轧过程的温度及轧制力变化特性，为简化计算，采用二维有限元模型模拟，轧件的长度取400mm，中间坯厚度为39mm，宽度为1440mm。由于轧机上下对称，故取轧件二分之一分析，厚度方向划分为6个单元，长度方向为100单元，共划分600个单元。所采用的单元是Quad(4)平面应变单元，几何模型如图2所示。将轧辊设为刚性体，轧件作为弹塑性体考虑。计算模型采用更新的Langrange法描述的大变形弹塑性有限元模型。材料的屈服准则采用VonMises准则，流动准则采用Prandtl／Reuss法则。材料模型数据(比热容，导热系数，热膨胀

4、系数，杨氏模量，泊松比，流变应力)均取自文献。2.2有限元数学模型及边界条件(1)钢件向固体内部导热，导热系数可看作常数。同时将塑性变形功所产生的热量作为内热源处理，因此二维含内热源热传导方程可以表示为：(2)轧件与轧辊接触面采用剪切摩擦类型，则(3)轧件与工作辊之间的导热可表示为(4)轧件与空气对流辐射换热可表示为(5)轧件与高压水换热(6)轧制过程中，轧件的温度升高主要是在变形区域，塑性变形发热用下式表示(7)边界条按如下处理：位移边界条件uy=0，轧件的对称面作为绝热边界处理。张力边界条件为：当轧件处于稳态轧制时，将前后张力加载到轧件模型前后断面的节点上。3模拟结果与分析3.1模拟结果的

5、验证为了验证模型的正确性，按照实际机架的轧制力、终轧温度验证。图3显示的是精轧第一道次轧制力随时间的变化曲线。表2为模拟值与实测值比较。从图4可以看出精轧道次开轧温度为987％，经过高压水表除鳞面温度有短暂的下降，通过六道次精轧后，终轧温度为872℃，精轧道次实测温度与模拟温度值偏差为13℃。从模拟结果可知，模拟的精度较高，具有较高的参考和实用价值。3.2各道次变形情况经过六道次精轧机组后，轧制结束，如图5a所示为轧件进入第一道次的轧制模型图，图5b为轧件第六道次的情况。3.3各工艺参数对温度及轧制力的影响3.3.1压下量的影响对于轧件不同变形率对温度和轧制力的影响，分别取了压下率为50％、4

6、0％、30％、15％进行对比分析。如图6可以看出，变形刚开始、压下率大的轧件的表面温度和中心温度都大于压下率小的轧件。这是由于轧件在大变形率条件下塑性变形产生的热量大于轧件在小变形率条件下。变形结束后压下率大轧件的中心温度下降很快，这主要是由于轧件厚度变得越薄，使得其内部导热热阻减小。随着压下率的增加，轧件与轧辊直接的接触表面也发生变化，从图上可以得出变形率大的变形使换热更加容易。也如图7也可得出随着变形率增大轧制力明显增大。这是由于轧件变形抗力随着变形率增大而变大。3.3.2轧制速度的影响分别取轧制速度1.6m／s、2.4m／s、3.2m／s、4.2m／s进行模拟计算分析。不同轧制速度对温度

7、的影响如图8所示，从图可知，随着轧制速度增加，轧件的表面温度增加，而中心温度没有发生明显的变化。这主要是因为随着轧制速度的增大，轧辊与轧件接触的时间越短，换热量也减小。但中心温度没有明显的变化是由于压下量相同，塑性变形热变化不大。如图9轧制速度大的轧制力大于速度小的轧件。这主要是因为，轧制速度大的情况下，轧件的变形速率也大，使得轧件的变形抗力也增大，引起轧制力增大。3.3.3摩擦系数的影响取不同摩