四辊CVC热带钢轧机板形控制特性的仿真

四辊CVC热带钢轧机板形控制特性的仿真

王英睿1　袁建光1　刘宏民2　王英华3

1.宝山钢铁股份有限公司厚板厂,上海,200941

2.燕山大学机械工程学院,秦皇岛,0660043.特变电工衡阳变压器有限公司,衡阳,421007

　　　　摘要:用流面条元法分析带材的三维塑性变形,用影响系数法分析辊系的弹性

变形,将两者耦合,建立了四辊轧机板形和板凸度的分析计算模型。对四辊CVC热

带钢轧机板形控制特性的仿真表明,随着CVC工作辊横移距离的增加,前张应力沿横向的差距增大;随着工作辊弯辊力的增加,前张应力沿横向的差距增大,且变化主要集中在板宽的边部;随着板宽的增加,前张应力沿横向的差距先减小后增大。

关键词:四辊CVC轧机;流面条元法;影响系数法;板形;弯辊力;仿真

(2004)24—中图分类号:TG333　　　文章编号:1004—132Ⅹ2229—03

王英睿　博士

SimulationoftheShapeControlCharacteristicsof4-highCVCHotSteelStripMill

WangYingrui1　YuanJianguang1　LiuHongmin2　WangYinghua3

1.BaoshanIron&SteelCo.Ltd.,Shanghai,200941

2.YanshanUniversity,Qinhuangdao,0660043.TBEAHengyangTransformerCo.Ltd.,Hengyang,421007Abstract:Thethree-dimensionalplasticdeformationsofstripwereanalyzedbyusingthestreamsurfacestripelementmethod,theelasticdeformationsoftherollswereanalyzedbyusingtheinfluencecoefficientmethod,theanalyzingandcomputingmodelsofshapeandcrownwereestablishedbycombiningthem.Thesimulationresultsoftheshapecontrolcharacteristicsof4-highCVChotsteelstripmillindicatethatwiththeincreasingoftheshiftingdistanceofCVCworkroll,thetransversedifferenceoffronttensionstressincreases.Withtheincreasingofthebendingrollforceofworkroll,thetransversedifferenceoffronttensionstressincreases,andthechangeconcentratesontheedgesofstripinthewidthdirectionmainly.Withtheincreasingofstripwidth,thetransversedifferenceoffronttensionstressdecreasesfirstly,andthenincreases.

Keywords:4-highCVCmill;streamsurfacestripelementmethod;influencecoefficientmethod;shape;bendingrollforce;simulation

0　引言

板形和板凸度是板带材的重要质量指标,板形控制是板带轧机的关键技术。轧机板形控制性能的研究,对板形和板凸度的预设定控制以及板形控制技术的发展具有重要的意义。文献[1]对CVC轧机冷轧宽带材的板形控制特性进行了模拟,由于没有考虑金属横向流动对变形区形状的影响,不能精确分析轧件的三维变形,所以不能准确地分析CVC冷轧机的板形控制特性。文献[2,3]对四辊热

带钢连轧机的板形控制模型进行了研究,也没有考虑金属横向流动对变形区形状的影响,并且认为变形和应力沿厚度方向是均匀分布,故不能精确分析轧件的三维变形,无法建立精确的四辊热带钢连轧机板形控制模型。文献[4,5]分别对六辊HC冷轧

收稿日期:2004—02—26

基金项目:国家自然科学基金资助项目(50175095,50374058)

机和六辊CVC冷轧机的板形控制特性进行了研

究,考虑了金属横向流动对变形区形状的影响,并得到了较精确的仿真结果,但由于没有考虑变形和应力沿厚度方向的变化,所以仍无法精确地应用于热带钢或厚板轧制。

为了解决上述问题,本文采用流面条元法[6]分析带材的三维塑性变形,实现了轧件三维塑性变形的精确分析;采用影响系数法[7]分析辊系的弹性变形,并考虑其热变形;将上述二者集成,建立了四辊轧机板形和板凸度的分析计算模型。对某厂四辊CVC热带钢轧机板形控制特性进行了仿真。

1　理论模型

采用流面条元法[6]分析轧件的三维塑性变形。按照图1所示的方法,沿着金属的流动轨迹,将变形区划分为n个流面(曲面)条元,图中l为变形区长度,B为板宽。在入口处(x=0),条元节面的横

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中国机械工程第15卷第24期2004年12月下半月

向坐标为yi(i=0,1,2,…,n),在纵向(x方向)其他位置,条元节面的横向坐标是未知的。为了便于数值分析和计算,将xyz坐标系下的曲面条元映射ηλ坐标系下的平面条元,见图2。为ξ

及其各特征参数的示意图,图中Rs(y)和Rx(y)分

别表示上下工作辊的半径,A为上下工作辊中心距,S(y)为CVC辊型形成的辊缝,Dmax和Dmin分别为工作辊的最大、最小直径,e为工作辊最大、最小直径截面间距的一半,δ为工作辊横移量,Lw为工作辊的辊身长度,L为CVC工作辊有效工作长度。

图1　变形区流面条元划分图2　映射坐标系下变形区条元模型

)和后张应力变形区带材的前张应力σ1(η,λ

σ)的数学模型为[7]0(η,λ

σ)=σ󰁡1+1(η,λ

ES1(1-2[1

21-νσ00)

图3　CVC辊型简图

]

图4　CVC辊型各特征

参数示意图

1-ν

-

5uy5uz)(1+)S0(1+

5η5λE由图3,根据辊缝对称条件及上下工作辊CVC

辊型曲线反对称特点可得[3]

Rs(y)=R-Rx(y)=R+

(1)

σ)=σ)+󰁡0+σ0(η,λ00(η,λ

S05Wy5WzE)+(1+)][(1+-1}2{5η5λξ=xn1-νSn

(2)

ΔReΔRe3(y-δ)+(y-δ)34e4eΔReΔRe3

(y-δ)-(y-δ)34e4e

(3)(4)

式中,uy和uz分别为出口(x=l)横向和高向位移函数,二者沿横向采用三次样条插值函数拟合,沿高向假设为二次曲线,可用出口截面上有限个点的位移插值求出[6];Wy和

Wz分别为变形区内金属的横向和高向位移函数,沿纵向ΔRe=(Dmax-Dmin)/2

式中,R为CVC工作辊在y=0处的半径。

以某厂四辊CVC轧机轧制热带钢为例分析四辊CVC轧机的板形控制特性。假设出入口厚度保

持不变,理论模拟了各种因素对板形的影响。轧件材质为低合金钢,来料宽度为1235mm,厚度为391214mm,出口厚度为241477mm,变形抗力为

μm;前张力为100MPa,来料板凸度为700

186150kN,后张力为0;工作辊弯辊力为1077kN,直

分别假设为四次和二次曲线,在出口截面上分别与uy和uz相等[6];S0和S1分别为入口截面和出口截面的截面积;Sn

和xn分别为中性面的截面积和纵向坐标;σ󰁡1和σ󰁡2分别为平均前张应力和平均后张应力;E和ν分别为带材的弹性

)可以表模量和泊松比;σ00为来料纵向残余应力,σ00(η,λ

)=0。示为多项式函数,当来料板形良好时,σ00(η,λ

采用影响系数法分析辊系的弹性变形。工

作辊与支撑辊之间的弹性压扁采用半平面体模型进行计算,与轧件接触的工作辊表面的压扁采用半空间模型进行计算,然后利用工作辊与支撑辊之间的变形协调方程求解出工作辊与支撑辊之间的辊间接触压力,进而求出轧后板厚横向分布。

轧件三维塑性变形分析的任务是确定单位宽度轧制压力p1和前后张应力σ1和σ0等的横向(y方向)分布。辊系弹性变形分析的任务是确定工作辊与支撑辊之间单位宽度接触压力q的横向分布和负载辊缝形状h1(即出口板厚的横向分布)。将二者耦合,便可以建立四辊轧机板形和板凸度的分析计算模型,并得到给定轧制条件下的出口板形(σ1的横向分布)和板凸度(h1的横向分布)。

[7]

径为850mm,辊身长度为2250mm;支撑辊直径为

1500mm,辊身长度为2050mm;两端工作辊弯辊力间距为3150mm,两端压下支点间距为3150mm;e=650mm,ΔRe=015998mm;原始CVC工作辊轴移距离δ0=-10mm,CVC工作辊轴移距离δ=

μm。-95mm,工作辊的热凸度为3502.1　CVC工作辊横移特性的仿真

图5示出了工作辊弯辊力Fw=1077kN,CVC

工作辊横移距离δ分别为-75mm、-25mm、25mm和75mm时前张应力σ随1在出口横截面上的分布。着CVC工作辊横移距离的增加(由负到正),前张应力沿横向的差距增大,从δ=-75mm时的33MPa变化到δ=75mm时的79MPa。可见,在轧制较厚的板带时,如果辊缝凸度有较大的变化,即板带的比例凸度变化比较大,则将会对前张应力的分布造成一定的影响。

2.2　工作辊弯辊特性的仿真

图6示出了CVC工作辊横移距离δ=

-95mm,CVC工作辊弯辊力Fw分别为0、

2　四辊CVC热带钢轧机板形控制特性的

仿真

　　图3和图4分别给出CVC工作辊的辊型简图

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四辊CVC热带钢轧机板形控制特性的仿真———王英睿　袁建光　刘宏民等

　　　(a)δ=-75mm(b)δ=-25mm

　　　(a)B=1035mm(b)B=1235mm

　　　(c)δ=25mm(d)δ=75mm

　　　(c)B=1435mm(d)B=1635mm

图5　CVC工作辊横移对前张应力的影响(Fw=1077kN)

图7　板宽对前张应力的影响(δ=10mm,Fw=0)

300kN、600kN和900kN时前张应力σ1在出口横

截面上的分布。随着工作辊弯辊力的增加,前张应力沿横向的差距增大,且变化主要集中在板宽的边部。

性进行了仿真。仿真结果表明,随着CVC工作辊横移距离的增加,前张应力沿横向的差距增大;随着工作辊弯辊力的增加,前张应力沿横向的差距增大,且变化主要集中在板宽的边部;随着板宽的增加,前张应力沿横向的差距先减小后增大。同时可见,CVC工作辊横移对前张应力影响较大,适合于板形的预设定;工作辊弯辊力对板形的控制能力较小,但控制灵活方便,适合于在线调节板形;当宽厚比很大时,再继续增加宽厚比,板带沿厚度方向的变形和应力变化很小。

参考文献:

[1]　王宏旭,刘宏民.CVC轧机冷轧宽带材板形控制特

　　　(a)Fw=0(b)Fw=300kN

性的数值模拟.钢铁研究,1997(2):21～23,54

　　　(c)Fw=600kN(d)Fw=900kN

[2]　刘宏民,SanfilippoF,DoliciF.热带钢连轧机板形

图6　工作辊弯辊力对前张应力的影响(δ=-95mm)设定控制数学模型.钢铁,1996,31(10):30～34

[3]　郭剑波.热带钢连轧机板凸度和板形控制技术的研

2.3　板宽对板形和板凸度的影响

为了能准确地研究板宽对热轧板带板形的影响,尽量排除其他影响因素的干扰,在下面的仿真

研究过程中,设定CVC工作辊横移量δ=10mm(δ+δ0=0),工作辊弯辊力Fw=0,且前张力T1随着板宽等比变化。

图7示出了板宽B分别为1035mm、1235mm、1435mm和1635mm时前张应力σ1在出口横截面上的分布。随着板宽的增加,前张应力沿横向的差距先减小后增大。同时可见,随着板宽的增加,σ1沿高向的变化很小,这可能是由于这4种轧制情况的宽厚比已经很大,再继续增加宽厚比,板带沿厚向的变形和应力都不会有什么明显变化的缘故。

究:[博士学位论文].秦皇岛:燕山大学,1998

[4]　彭艳,郑振忠,刘宏民.六辊轧机冷轧带材板形控制

的仿真研究.中国机械工程,2000,11(9):1061～63

[5]　刘宏民,郑振忠,彭艳.六辊CVC宽带轧机板形控

制特性的计算机模拟.钢铁研究学报,2001,13

(1):14～18

[6]　刘宏民,王英睿.模拟板带轧制三维变形的流面条

元法.机械工程学报,2003,39(7):94～100

[7]　王英睿,江光彪,刘宏民.基于流面条元法的四辊热

带钢连轧机轧制过程的整机仿真.中国机械工程,

2003,14(21):1853～1856

(编辑　苏卫国)

作者简介:王英睿,男,1974年生。宝山钢铁股份有限公司厚板厂博士后研究人员。研究方向为轧制过程数值模拟方法。发表论文10余篇。袁建光,男,1961年生。宝山钢铁股份有限公司厚板厂厂长、教授级高级工程师。刘宏民,男,1959年生。燕山大学校长、教授、博士研究生导师。王英华,男,1974年生。特变电工衡阳变压器有限公司工程师。

3　结论

本文采用流面条元法分析带材的三维塑性变形,采用影响系数法分析辊系的弹性变形,并将二

者耦合,建立了四辊轧机板形和板凸度的分析计算模型,并对四辊CVC热带钢轧机的板形控制特

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