热轧带钢精轧机工作辊热变形行为的研究

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上海交通大学硕士学位论文热轧带钢精轧机工作辊热变形行为的研究摘要随着汽车、轻工、家电和电气制造等行业对板形质量要求的不断提高，板形已成为热连轧带钢生产中至关重要的一个质量问题。带钢板形质量的好坏主要与轧制过程中有载辊缝有关，因此通过控制有载辊缝可以使带钢达到良好的几何精度。控制有载辊缝不仅需要知道轧制力作用下轧辊受力变形后辊缝中点的开度，而且需要知道辊缝沿板宽方向的分布情况，这涉及到轧辊的许多方面。工作辊的热变形、工作辊的磨损以及工作辊的弯曲变形是决定有载辊缝的三个主要因素，其中热变形对辊缝的影响十分显著。热轧过程中，轧辊中部的热膨胀不仅可以带来超过300μm的热凸度，而且轧辊的热变形在整个生产过程中不断变化，造成了生产过程的不稳定。加之其边界条件的复杂性，很难建立适应各种条件的通用模型，所以工作辊的热变形计算很难达到令人满意的精度，准确预报轧辊热变形已成为热轧板形控制技术中的难点。因此对其展开研究，建立符合实际情况的热变形计算模型，不仅具有理论意义，更具有实用价值。本文结合宝钢1880mm热轧带钢生产实际，根据传热学理论，在全面分析轧辊热量传递的基础上，确定了轧辊内热传导系数、空气对流传热系数、冷却水对流传热系数以及输入轧辊的热量计算方程式。从能量守恒定律和热传导方程出发，利用通用有限元软件ANSYS建立了两种轧辊二维非稳态温度场的计算模型，包括轧辊中心横截面内温度场模型和第I页 上海交通大学硕士学位论文轴对称平面温度场模型，并给出了轧辊热凸度模拟计算流程图。针对热轧过程复杂、边界条件难以确定的难题，深入宝钢1880mm热轧生产现场进行了大量的测量与试验，主要是工作辊下机后表面温度和热辊形的跟踪测量。然后根据采集的工艺参数，利用建立的计算模型进行了仿真分析，并与现场的实测辊温和辊形数据进行比较，优化了模型边界条件的相关参数，使建立的计算模型满足现场的实际使用要求。利用建立的计算模型对轧制过程中的温度场和热变形过程进行了模拟计算，研究了轧制过程中轧辊表面和内部温度场的变化情况，以及一个单位轧制计划内轧辊总的热凸度和部分热凸度变化规律。并分析了轧辊材质、带钢宽度、轧制节奏、轧辊转速、冷却系统等参数与热变形之间的关系及其对带钢板形的影响，得出了有价值的结论，为进一步改进板形控制数学模型，提高板形精度提供了理论依据。关键词：热轧，温度场，热凸度，有限元，板形第II页 上海交通大学硕士学位论文RESEARCHONTHERMALDEFORMATIONBEHAVIOROFWORKROLLINFINISHINGTRAINSOFHOTSTRIPMILLABSTRACTAlongwithautomobile,thelightindustrialprofessions,homeapplianceandelectricalproductiontheunceasingraisingthataskedforboardshapequality,shapeofstriphasbecomeamostimportantqualityproblemintheproductionofhotstriprolling.Stripshapeismainlyconnectedwiththeloadedrollgapinthestripproduction,soitcangetstripwithhighgeometryprecisionbycontrollingtherollgap.Rollgapcontrolneedstoknownotonlyhowmuchthecenterofrollgapchangesunderrollingpressure,butalsothedistributionofrollgapalongthewidthofstrip,itinvolvesmanyfactors.Thethermaldeformation,wearandelasticdeformationofrollarethemainthreefactorsaffectingtheloadedrollgapcontrolmodel.Amongthese,thethermaldeformationofworkrollplayssignificantroleontherollgap,thethermalexpansionofrollinthemiddleplanemaybebetterthan300μm,andthethermaldeformationischangedcontinuallyinthewholerollingprocess,whichcausestheinstabilityinproduction.Andduetothecomplexityofitsboundarycondition,itisadifficultyforstripshapecontroltechnologytopredicttherollthermaldeformationwellandtrulyduringhotrolling.Therefore,theresearchonbuildingamodelforcalculatingthermaldeformationhastheimportantvalueofthetheoryandpractice.Accordingtoheattransfertheory,associatedwiththepracticalpracticeof1880mmhotrollingmillinBaosteel,andbasedonoverallanalysistotherollheattransfer,mathematicalequationsofthecoefficientofheatconductionintheroll,thecoefficientofheattransferofairandcoolingwater,quantityofheatinputtingtherollhadbeendeduced.Originatedfromtheenergyconservationlawandequationsofheatconduction,tworolltwo-dimension第III页 上海交通大学硕士学位论文unsteadystate’stemperaturefieldshadbeenestablished,includingtemperaturefieldmodelofmiddleplaneofrollandaxialsymmetryofroll.Andtheflowchartforcalculatingthethermalcrownofrollwasdrawn.Aimedatthecomplexityofrollingandboundarycondition,aseriesofexperimentsandtestswerecarriedoutonthespotof1880mmhotrollingmillinBaosteel,includingthemeasurementofsurfacetemperatureandthermalprofileofworkrollafterstoprolling.Basedontherollingtechnologicalparameters,thetemperaturefieldandthermaldeformationofworkrollwerecalculated.Andthemeasureddataonspotwereutilizedtotestthemodeltoensurethemodel’svalidityandfeasibility.Afterusingthemodeltosimulatethetemperaturefieldandthermaldeformationinhotrollingprocess,analyzedthetransformationtrendofthetemperatureatrollsurfaceandcenter,andstudiedthedevelopmenttrendoftotalthermalcrownandpartialthermalcrowninarollingunit.Furthermore,theeffectofrollmaterial,widthofstrip,rollingrhythm,rollvelocity,coolingwatersystemparametersontransformationtrendofworkrollthermalprofilewerestudied.Thispaperhasprovidedimprovingthemathematicalmodelofstripshapecontrolandincreasingaccuracyofstripshape.Keywords:hotstriprolling,workroll,temperaturefield,thermalcrown,finiteelementmethod,stripshape第IV页 上海交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日 上海交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日 上海交通大学硕士学位论文第一章绪论1.1热轧带钢板形描述近年来，随着社会的发展和科学技术的进步，用户对高质量、高附加值、高技术难度的热轧带钢产品的需求量显著增加，对钢铁产品质量、品种、性能方面的要求也越来越高。对热轧板带来说，其性能、质量及精度要求主要包括厚度精度、板形精度、成形性能及表面质量等。由于厚度自动控制(AGC)系统的不断完善和广泛采用，特别是厚度检测设备的发展和检测信号反馈时间的缩短，使模型的自学习功能大大增强，板带的纵向厚度精度也越来越高。相比之下，板形问题显得日益突出。板形精度是热[1]轧带钢的一项主要的质量指标和决定产品市场竞争力的重要因素。目前，板形控制技术已成为热轧带钢生产的核心技术之一，也是当前轧制技术研究开发的前沿和热点。板形理论从20世纪60年代发展至今，经历了四辊轧机轧辊变形分析、三维板材[2]轧制分析、辊系三维有限元分析等阶段；在板形控制技术方面，经历了基于负荷分配的板形控制、各种板形控制轧机(HC、CVC、PC等)、板形和板厚解耦控制、板形[3]和板凸度以及断面轮廓综合控制等阶段；此外，液压弯辊装置的广泛应用，实现了[4]带钢的凸度和平直度的在线调整控制。这些理论和技术的采用都使板形控制水平得到了很大的提高，板形控制精度也得到了大幅提升。1.2工作辊热辊形的概念热轧生产过程中，高温轧件自身的温度、变形区内产生的变形热以及轧件与工作辊相对滑动产生的摩擦热等一系列热流输入工作辊，使工作辊温度升高；与此同时，冷却水和周围环境的冷却作用不断地从工作辊带走热量。实践表明，这种热流输入输出综合作用的结果是工作辊沿辊身方向上温度场分布的不均匀性。在多数场合下，辊身中部的温度高于边部(但有时也会出现相反的情况)，并且在一般情况下，传动侧的辊温稍低于操作侧的辊温。通常将工作辊热膨胀后其辊身表面的轮廓形状称为热辊第1页 上海交通大学硕士学位论文[2]形。针对热轧带钢轧机，威尔摩特（Wilmotte）和米根（Migon）对轧辊的热凸度进行了理论和实验探索，确定了轧辊的两类热凸度，部分的轧辊凸度CP和总的轧辊凸度CT(如图1-1)。轧辊部分凸度是指带材中部和边部对应的轧辊直径差；轧辊的总凸度是指轧辊辊身在中部和边部对应的轧辊直径差。⎛⎞DD+WSDSCD=×2⎜⎟−(1-1)PCR⎝⎠2⎛⎞DD+WRDRCD=×2⎜⎟−(1-2)TCR⎝⎠2式中：DCR——工作辊辊身中部对应的直径；DWS——轧辊工作侧与轧件边部对应点的直径；DDS——传动侧与轧件边部对应点的直径；DWR——轧辊工作侧在边部对应点的直径；DDR——轧辊工作侧在边部对应点的直径。图1-1工作辊热辊形Fig.1-1Thermalprofileofworkroll1.3轧辊热变形行为在板形控制中的地位由于轧出带钢的断面形状即是有载辊缝形状，因此板形控制的实质就是控制带钢宽度方向上的有载辊缝，从而获得所需的带材轮廓和平直度。影响有载辊缝形状的因素较多，主要有工作辊辊形、使辊系产生弯曲变形的轧制力和弯辊力、改变轧辊辊形第2页 上海交通大学硕士学位论文[1]的热辊形和磨损辊形、以及一些可控辊形技术。有载辊缝形状可用如下方程描述：PFCR=+++ECCωωEΣ()H+++ΔωWωOE0(1-3)KKPF式中：CR——与带钢凸度有关的有载辊缝形状；P——轧制力；F——弯辊力；KP——辊系在轧制力作用下的弯曲变形，又称为轧机横向刚度；KF——辊系在弯辊力作用下的弯曲变形，又称为弯辊横向刚度；ωC——可控辊形，根据所采用的CVC或PC等技术确定其值；ωH——热辊形；ωW——磨损辊形；ωO——初始辊形，根据板形控制需要，进行辊形设计和磨辊；Δ——入口带钢凸度；E0、EC、EΣ——相关系数。从辊缝方程(1-3)中可知，影响带钢出口凸度的因素有以下三点：(1)扰动量：热辊形和磨损辊形。当负荷分配不考虑板形最优时，则轧制力亦将作为扰动量。(2)可控制量：可调节辊形(CVC或PC)。板形设定计算时，首先确定一个弯辊力，主要是确定CVC辊的抽动量或PC辊的交叉角。但CVC辊的抽动或PC辊的交叉目前仅用于空载时辊缝形状的调节，因此主要用于板形设定模型对辊缝形状的设定，而在线控制一般只用弯辊进行。当以板形最优为目标进行负荷分配时，轧制力亦是一种可控制量。(3)固定量：初始辊形和弯辊力。初始辊形设计时需考虑轧制单位的特征，一旦确定，在轧制时将固定不变。弯辊力应该是可控的，但为了保留弯辊力用于轧制在线调节，在设定计算时往往将其固定于某一值。在板带轧制过程中，工作辊的热凸度既是一个扰动量，又是一个控制量。由于工作辊的热容量很大，即工作辊温度变化的时间常数很大，所以热凸度作为控制量常常用作预控手段或补偿控制。一方面，在高温复杂的轧制条件下，工作辊热变形显得异常复杂，扰动因素繁多；另一方面，研究工作辊热变形影响因素中的可控因素，采取诸如对工作辊进行分段冷却或局部加热以及调整轧制计划等手段，控制工作辊的热变第3页 上海交通大学硕士学位论文形，以控制承载辊缝形状达到特殊的板形控制效果。理论研究与实验都表明，常规的板形控制手段——液压弯辊对复合波、局部波等较复杂的二次谐波板形缺陷修正能力有限，只能利用热辊形控制将工作辊辊形曲线控制在较为合理的形状，配合液压弯辊[5]技术来得到优良板形。此时，热辊形的控制是一种必不可少的板形控制手段。所以在轧制过程中，研究工作辊热行为，预报其热凸度，以消除其对板带质量如板形和板厚的扰动，不仅对板形控制有着直接的重要意义，而且对热轧自由规程轧制的研究具有重要的指导和参考作用。1.4国内外热变形的研究现状从当前国内外学者研究的进展来看，对轧辊热变形的求解过程大致可分为两步：首先从热传递方程出发确定轧辊的温度场；然后根据温度场的计算结果确定工作辊的热变形。求解方法主要包括解析法、有限差分法和有限元法。1.4.1解析法由于实际工作辊边界条件和传热方式的复杂性，用解析的方法求解热传导方程以获得具有实际价值的工作辊温度场和热变形的精确解几乎是不可能的。只有采用一些适当的假设和合理简化，才可获得些比较粗糙的近似解。[6]采用解析法计算工作辊温度场的典型代表是F.Unger，主要假设为：工作辊是一个直圆柱体，半径为R，长度为L1。L1大于工作辊辊面的实际长度L，成为修正工作辊长度，用以综合考虑工作辊轴承处复杂的传热情况，并假定Z≥L的工作辊部分处于温度为Ta的无限长的区域中；圆柱体是相对于平面Z=0对称的，所以只限于研究区间[0，L1]；圆柱体是均质各向同性的，且内部无热源；仅仅发生热传导，无对流传热和辐射传热；用等效边界温度ū(z)来考虑各介质对圆柱体的影响：第4页 上海交通大学硕士学位论文⎧htuuu()z++−htThttsssa(u−tTs)a⎪0≤zb≤⎪htuu++−−htsshtta()uts⎪⎪⎪htuuuzs+−httTa()ua()ub=<⎨z≤a(1-4)()z⎪htuu+−htta()u⎪⎪Ta