窜辊对热轧轧辊变形及轧件凸度影响的有限元分析

莱钢科技　第１期【总第１３３期）　窜辊对热轧轧辊变形及轧件凸度影响的有限元分析　赵培林　陈学涛　王金秀　刘莱萌　（１技术　研发中心２板带厂）　摘要：应用有限元分析软件ＬＳ—ＤＹＮＡ．．采用弹塑性有限元法对四辊热轧轧件的轧制过程进行了模　拟，并分析了轧后板形情况。计算模型耦合了　撑辊与工作辊之间受力、工作辊与轧件之间受力及其三者之　间的变形问题，使计算结果更精确可靠。通过模拟总结出了轧后轧件凸度的变化特点，得出了窜辊对轧后轧　件凸度的影响；通过对工作辊变形的分析，得出了工作辊变形对轧件凸度的影响。该仿真模拟过程对于实际　生产具有指导意义。　关键词：四辊热轧窜辊挠度板凸度弹塑性有限元　制过程进行了模拟。计算模型将辊系弹性变形与轧　件弹塑性变形作为整体统一考虑，减少了模型过多　的假设，从而可全面、完整地考虑变形过程，使计算　结果更加精确、可靠。　通过工作辊窜动来控制轧辊磨损，进而控制轧　辊辊型是轧制过程中非常重要的调节板形的手段。　１　前言　采用有限元方法模拟轧制过程，由于无需对实　际问题做过多假设，因而在轧制过程中得到广泛应　用ｕｌ　。其中三维有限元网格为所研究的物理模型　提供了最贴切的表示。刚塑性有限元法虽忽略轧件　的弹性变形，但其计算效率高，应用在热轧中ｌ１　能　得到令人满意的精度　Ｊ。　目前应用三维弹塑性有限元法研究辊系变形，　本次仿真模拟主要针对莱钢１５００　ｍｍ热连轧机精　轧机组进行的。通过仿真分析，力图发现窜辊对板　形的影响，使得能够很好的指导现场实际生产。　多数将轧件和辊系分别模拟。但由于辊系与轧件之　间的接触及摩擦关系相当复杂，其相互作用的轧制　力及摩擦力分布很难获得，而采取假设轧制力分布　的方法降低了结果的精确度。为此，利用有限元分　析软件ＬＳ—ＤＹＮＡ，针对四辊热轧机轧制轧件的轧　作者简介：赵培林（１９７３一），男，２００５年３月毕业于东北大学材料与　冶金学院钢铁冶金专业，硕士。现为技术研发中心工程师，主要从事　板带钢研究与开发工作。　２仿真方法　Ｌｓ—ｄｙｎａ求解器包括显式求解算法和隐式求　解算法。本文中涉及到的轧制仿真分析过程中，采　用显式时间积分算法进行了结构仿真分析。显式积　分算法计算快，是条件稳定算法，需要小的时间步长　来保证计算的稳定性。此种求解方法很适合金属变　形过程的仿真模拟。　的效果。截至２００７年底，裂边现象大幅减少，产品　的综合合格率由９９．ｏ７％提高到９９．６３％，宽带钢的　裂边已得到有效控制。　特邀编辑：朱伟华　Ｃａｕｓｅ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　Ｑｕａｌｉｔｙ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｎ　Ｃｒａｃｋｅｄ　Ｅｄｇｅ　ｏｆ　Ｈｏｔ　Ｒｏｌｌｄ　Ｗｉｅｄｅ　Ｓｔｒｉｐ　Ｚｈｕ　Ｂａｏｊｉｎｇ　Ｈａｏ　Ｓｈａｏｆｅｎｇ　Ｚｈａｉ　Ｚｈｅｎｇｌｏｎｇ　（１　Ｔｈｅ　Ｑｕａｌｉｔｙ　Ａｓｓｕｒａｎｃｅ　Ｄｅｐｔ．；２．Ｔｈｅ　Ｓｐｅｃｉｌａ　Ｓｔｅｅｌ　Ｐｌａｎｔ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏｏ　ｍａｎｙ　ｅｘｉｓｔｉｎｇ　ｃｒａｃｋｅｄ　ｅｄｇｅ　ｄｅｆｅｃｔｓ　ｈａｖｅ　ａｐｐｅａｒｅｄ　ｓｉｎｃｅ　ｔｈｅ　１５００－ｍｍ　ｈｏｔ　ｒｏｌｌｅｄ　ｗｉｄｅ　ｓｔｉｒｐ　ｗｅｎｔ　ｉｎｔｏ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｉｎ　Ｌａｉｗｕ　Ｓｔｅｅｌ　Ｇｒｏｕｐ，Ｌｔｄ．Ｔｈｉｓ　ｐａｔｔｅｒ，ｔｈｒｏｕｇｈ　ａｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｒａｃｋｅｄ　ｅｄｇｅｓ　ｏｆ　Ｑ３４５　Ｂ，ｆｏｕｎｄ　ｔｈｅ　ｃａｕｓｅ　ｏｆ　ｃｒａｃｋｅｄ　ｅｄｇｅ　ｄｅｆｅｃｔ，ａｎｄ　ｗｏｒｋｅｄ　ｏｕｔ　ｓｏｕｎｄ　ｍｅａｓｕｒｅｓ，ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ　ｉｍ—　ｐｒｏｖｉｎｇ　ｔｈｅ　ｐｒｏｄｕｃｔｓ　ｕｐ—ｔｏ—ｓｔａｎｄａｒｄ　ｒａｔｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｈｏｔ　ｒｏｌｌｅｄ　ｗｉｄｅ　ｓｔｉｐ；ｒｃｒａｃｋｅｄ　ｅｄｇｅ；ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｃａｕｓｅｓ；ｑｕａｌｉｔｙ　ｃｏｎｔｒｏｌ　维普资讯 http://www.cqvip.com

莱钢科技　２００８年２月　３模型介绍　３．１几何模型　制宽度为１０５０　ｍｍ轧件的四辊轧制过程，得出不同　窜辊量时轧件对凸度的影响，并分析了轧制过程中　因窜辊量不同所引起的工作辊挠度的变化。　４．１工作辊变形　工作窜辊改变了轧制过程辊系的受力，使工作　为保证模型简化的准确性，本文采用轧辊全长　度的建模方法。轧辊网格划分采用“０”型网格，能　够保证轧辊网格均匀，使得表面单元网格满足弹性　辊轧制的需要。轧件采用弹塑性材料模型。模型参　数见表１。　表１模型参数　辊在轧制过程中的弯曲及压扁变形产生变化。图２　为不同窜辊量的条件下工作辊挠度的变化曲线。　－２．　２．　－－２．　－２．　２．　—三　ｌＯ－８　．６　－４　－２Ｏ＂２４　６　８　ｌＯ　－ｘ轧辊节点编号　图２不同窜辊量时工作辊挠度变化曲线　模型参数采用修正的Ｌａｇｒａｎｇｅ法描述的大变形　弹塑性有限元模型；Ｖｏｎ　Ｍｉｓｅｓ屈服准则。另外，考　从图２可见，整体上看，窜辊量的大小影响到　轧辊挠度的大小，即轧辊弯曲程度的大小。无窜辊　作用时，工作辊轴线具有一定的弯曲，两边挠度关　于中心线对称；随着窜辊量的增加，在小于２０　ｍｍ　范围内轧辊弯曲程度进一步加大。窜辊量为１０　ｍｍ　时，比没有窜辊时，轧辊挠度最大值增加了０．０３７　ｍｍ。窜辊量为２０　ｍｍ时，比窜辊量为１０　ｍｍ时，　轧辊挠度最大值增加了０．０２７　ｍｍ。随着窜辊量继　续增加，曲线Ｄ、Ｅ的最大值比ｃ曲线最大值减　小，这是由于工作辊与轧件和支撑辊有效接触区　长度逐渐减小，工作辊挠度随之逐渐减小的原因　造成的。　虑到与现场的实际情况相一致，将传动轴进行了简　化处理，将传动载荷加载在了简化模型上。　３．２单元网格的划分　轧辊与轧件均采用八节点六面体单元。八节点　六面体等参单元采用三维线性插值方程表达节点的　坐标和位移，因此在整个单元中应变值趋于恒　定Ｅ　。　观察五条曲线，可以发现，随着窜辊量的增加，　工作辊的挠度曲线中心点向着传动侧移动。实际工　作中要避免这种不稳定现象的发生，以保证板形良　好。比如，采用特殊设计的辊型曲线等，各条生产线　采用不同的手段，但是目的是相似的。　图１八节点六面体单元　轧辊长度方向压扁变形在中心区基本不变，从　３．３轧制条件　而导致轧后轧件中心区的厚度出现减小现象。轧辊　窜辊工艺一般利用来消除轧辊局部磨损对板形的影　响，但是，如果轧制薄规格带钢的时候，需要综合考　虑各种因素的影响，需要根据具体情况进行分析，区　为了使计算结果更精确，轧辊、轧件的物理性能　及轧制条件基本按实际条件选取。物理性能：轧辊　与轧件的泊松比为０．３，密度为７．８５　Ｘ　１０　，７．８　Ｘ　１０３　ｋｓ／ｍ　，弹性模量分别为２．１５６　Ｘ　１０　、２．１００　Ｘ　１０　ＭＰａ；辊系为弹性体，轧件视为弹塑性体，模拟四　辊热轧机在不同窜辊条件下的轧制过程。　别哪种属于主要影响因素。以此，通过制定合理的　工艺制度进行处理。一　４．２轧件形状　４模拟结果　主要模拟了在相同轧制条件下窜辊量改变时轧　根据模型得出轧件在不同窜辊时的轧后截面轧　件形状。截取轧件边部节点绘制轧件与轧辊接触表　面如图３所示。　４９　维普资讯 http://www.cqvip.com 赵培林，等：窜辊对热轧轧辊变形及轧件凸度影响的有限元分析　眦／饕掣　＆＆　＆　＆＆　第１期（总第１３３期）　ｊＩ　毛毛幺　轧后板凸度及对工作辊挠度的影响。　．　（１）针对莱钢１５００　ｍｍ中宽带轧制工艺，建立　了轧制过程仿真模型来对轧制过程进行了仿真模　拟，主要针对轧制过程中窜辊制度进行了分析。　（２）对工作辊挠度变化曲线的分析表明：工作辊　挠度的变化对轧件横断面中心区的形状有一定影响。　（３）与轧辊的挠度变化方向保持一致。单独考　Ｘ乳件节点辅号　虑轧辊挠度影响时，轧件的横截面为负凸度。　（４）从窜辊对轧后板凸度影响的分析表明：窜　辊量小于２０　ｍｍ时，随着窜辊量的增加，轧辊挠度　增加，轧件中心凸度逐渐增加；随着窜辊量增加到　图３不同窜辊■时轧件凸度变化曲线　由图３可以发现，轧件受到轧辊的作用后，与轧　辊的挠度变化方向保持一致。单独考虑轧辊挠度影　响时，轧件的横截面为负凸度。轧件与轧辊接触变　４０　ｍｍ时，轧辊与轧件的有效接触面积减小，从而导　形曲线分布整体上呈现出传动侧较操作侧稀疏的现　致轧辊挠度减小，轧件中心凸度值减小。　象。这是由于轧辊挠度中心点随着窜辊量的改变而　参考文献　向传动侧移动造成的。这种变化导致了轧件与轧辊　接触的表面形状随着窜辊量的改变产生差异。此　外，轧件表面形状还取决于与轧件接触的轧辊的弹　性压扁。　［１］王国栋．板形控制和板形理论［Ｍ］．北京：冶金工业出版　社，１９８６．　［２］Ｙｕｕｊｉ　Ｍｉｔａｉ，Ｈｉｓａｓｉ　Ｉｒｉｂｅ．Ａｎｄｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｓｔｉｒｐ　Ｒｏｌｌｉｎｇ　ｂｙ　Ｔｈｒｅｅ—Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｒｉｉｇｄ—Ｐｌａｓｔｉｃ　ＦＥＭ［Ｒ］．Ｊａｐａｎ：ＮＩＰ・　Ｐ０Ｎｓ１ＥＥＬ　ＴＥＣＨＮＩＣＡＬ　ＲＥＰ０ＲＴ．Ｊａｎ．１９９２：１Ｉ５．　从数值上分析，在窜辊量不同的轧制条件下，　轧后轧件断面的整体中心凸度：无窜辊时中心Ｉ凸度　为一０．４５７　ｍｍ；窜辊量在２０　ｍｍ时中心凸度达到　最小一０．５４６　ｍｍ。随着窜辊量的继续增加，凸度　逐渐减小。在窜辊量３０　ｍｍ时，带钢中心凸度为　一［３］Ｘｉｏｎｇ　Ｓ，Ｌｉｕ　Ｘ，Ｗａｎｇ　Ｇ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｖｅｒｔｉｃａｌ—Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ　Ｒｏｌｌｉｎｇ　Ｐｒｏｃｅｓｓ　ｄｕｒｉｎｇ　Ｗｉｄｔｈ　Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ　ｂｙ　Ｆｕｌｌ　Ｔｈｒｅｅ・・Ｄｉ—－　ｍｅｎｓｉｏｎａｌ　Ｒｉｇｉｄ－Ｐｌｓｔａｉｃ　Ｆｉｎｉｔｅ　Ｅｌｅｍｅｎｔ　Ｍｅｔｈｏｄ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｍａｔｅｉｒｌａｓ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ｐｅｆｒｏｒｍａｎｃｅ，１９９７，（６）：７５７—　７６５．　０．４９６　ｍｍ；窜辊量４０　ｍｍ时中心凸度减小到了一　０．５０７　ｍｍ。与轧辊挠度变化基本相吻合。　［４］Ｔａｋａａｋｉ　ＩＧＵＣＨＩ，ＩＫＵＯＹＡＲＩＴＡ．３－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｆｌａｔ　Ｒｏｌｌｉｎｇ　ｂｙ　Ｒｉｇｉｄ－Ｐｌｓｔａｉｃ　ＦＥＭ　Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ　Ｓｔｉｃｋｉｎｇ　另外，轧辊的传动侧与操作侧的差异可导致一　定的误差出现。　ａｎｄ　Ｓｌｉｐｐｉｎｇ　Ｆｒｉｃｔｉｏｎａｌ　Ｂｏｕｎｄａｒｙ［Ｊ］．ＩＳＩＪ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，　１９９１，１（６）：５６０Ｉ５６５．　５　结论　应用弹塑性有限元法对四辊热轧过程进行了模　拟，分析了轧件轧后板凸度的特点，窜辊量的大小对　［５］刘相华．刚塑性有限元及其在轧制中的应用［Ｍ］．北京：　冶金工业出版社。１９９４．　特邀编辑：马光亭　ＦＥＭ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｅｆｆｅｃｔ　Ｏｆ　Ｒ０ｌｌ　Ｓｈｉｆｔ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＲＯＵｅｒ　ａｎｄ　Ｃｒｏｗｎ　ｏｆＨｏｔ　Ｓｔｒｉｐ　ｉｎ　Ｈｏｔ　Ｒｏｉｌｉｎｇ　Ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆＰｌａｔｅ　Ｚｈａｏ　Ｐｅｉｌｉｎ。　Ｃｈｅｎ　Ｘｕｅｔａｏ。　Ｗａｎｇ　Ｊｉｎｘｉｕ　Ｌｉｕ　Ｌａｉｍｅｎｇ　ｆ　１　Ｔｈｅ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｒ＆Ｄ　Ｃｅｎｔｅｒ　２　Ｔｈｅ　Ｓｈｅｅｔ／Ｓｔｉｒｐ　Ｐｌｎｔ）ａ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｈｏｔ　ｒｏｌｌｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｏｆ　ｆｏｕｒ—ｈｉｇｌｎ　ｈｏｔ　ｓｔｉｒｐ　ｍｉｌｌ　ｗａｓ　ｓｉｍｕｌａｔｅｄ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　３－Ｄ　ｅｌａｓｔｉｃ—ｐｌａｓｔｉｃ　ＦＥＭ　ｗｉｔｈ　Ｌｓ—ＤＹＮＡ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｍｏｄｅｌ，ｔｈｅ　ｅｌａｓｔｉｃ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｗｏｒｋ　ｒｏｌｌ　ａｎｄ　ｂａｃｋｕｐ　ｒｏｌｌ，ｔｈｅ　ｐｌｓｔａｉｃ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｔｒｉｐ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｏｆ　ｓｔｒｉｐ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｗｏｒｋ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｂａｃｋｕｐ　ｒｏｌｌ　ｗｅｒｅ　ｔａｋｅｎ　ｉｎｔｏ　ａｃｃｏｕｎｔ．Ｂａｓｅｄ　ｕｐｏｎ　ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ，ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｈａｎｇｅ　ｏｆ　ｈｅ　ｔｃｒｏｗｎ　ｏｆ　ｓｔｉｒｐ　ｗｅｒｅ　ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｗｏｒｋ　ｒｏｌｌ，ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｒｏｌｌ　ｓｈｉｔｆ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｗｏｒｋ　ｒｏｌｌ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃｒｏｗｎ　ｏｆ　ｓｔｉｒｐ　ｗａｓ　ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅ　ＦＥＭ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｉＳ　ｓｉｇｎｉｉｆ—　ｃａｎｔ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｈｏｔ　ｓｔｒｉｐ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｆｏｕｒ—ｈｉｇｈ　ｈｏｔ　ｒｏｌｌｉｎｇ；ｒｏｌｌ　ｓｈｉｆｔ；ｎ《Ｉｘｉｂｉｌｉｔｙ；ｃｒ０ｗｎ　ｏｆ　ｓｔｒｉｐ；ｅｌａｓｔｉｃ—ｐｌａｓｔｉｃ　ＦＥＭ　５０