二次冷軋機組工作輥溫度場與熱行為仿真研究

韋 曉 李秀軍 王亞南

(1:寶山鋼鐵股份有限公司 上海 201900；2:北京科技大學 北京 100083)

1 前言

在軋制過程中，金屬軋件在軋制變形區內產生塑性變形熱，軋輥與軋件之間由于相對滑動產生摩擦熱，這些熱量的一部分從軋制區傳入軋輥使軋輥溫度升高，與此同時，軋輥周圍的環境，包括潤滑冷卻液、空氣以及機架，會從軋輥表面帶走熱量[1]。不斷流入和流出的熱量使軋輥溫度場時刻發生著微妙的變化，軋輥內部溫度特征的改變，由此引起的軋輥幾何等性能的變化稱為軋輥熱行為[2]。冷軋過程中的軋輥熱行為主要是軋輥物理特征的變化，體現為輥徑的變化(熱膨脹)以及輥徑變化的軸向分布變化(熱凸度)[3]。軋輥熱變形直接關系到空載輥縫的設定精度和控制精度，從而直接影響著帶鋼厚度和板形質量[4-5]。某廠二次冷軋機組由兩機架UCM軋機組成，1#機架負責軋制，2#機架負責平整，主要生產極薄規格DR材產品，產品最薄規格可達到0.1mm。該機組1#機架工作輥有兩種輥徑，分別是小輥徑工作輥φ300/φ340×1220mm和大輥徑工作輥φ410/φ460×1220mm[6-7]。該機組生產特點不同于冷連軋機組，其軋制過程不連續，每卷帶鋼軋制間歇期較長，導致軋輥熱凸度不穩定，尤其是在新輥上機后的一段軋制過渡過程中。軋輥熱凸度不穩定，尤其對薄料板形影響敏感，直接影響到成品帶鋼的板形質量。本文基于ANSYS有限元仿真軟件，通過APDL參數化語言，建立大小輥工作模式下工作輥溫度場與熱凸度有限元仿真模型，仿真計算生產中，在以每個生產計劃軋制時間為周期和以每卷帶鋼軋制時間為周期的工作輥熱平衡的建立過程中，其溫度場和熱凸度的變化過程，從而確定生產過程中工作輥熱凸度大小變化規律，為輥縫控制精度的實時補償控制提供了依據。

2 有限元建模

2.1 熱傳導區域劃分

為方便分析，根據現場冷卻液系統和實際生產情況將換熱區域劃分為八個區域，如圖1所示。

圖1 工作輥圓周方向換熱區域劃分

圖1中，A 為帶鋼與工作輥接觸區域，包括接觸熱傳導、塑性變形熱、摩擦熱等，使工作輥產生溫升；B、H 為帶鋼向工作輥熱輻射區域，使工作輥產生溫升；C、G 為冷卻水與工作輥接觸區域，使工作輥發生溫降；D、F 為工作輥與空氣對流換熱區域，使工作輥發生溫降；E 為工作輥與支承輥接觸區域，使工作輥發生溫降。在計算模型中，忽略所有輻射換熱。

2.2 邊界條件的等效與簡化

在實際生產軋制過程中，邊界條件和傳熱方式影響因素多且復雜，模型計算量大，因此對模型作如下簡化：

① 假設軋機及軋輥的操作側與傳動側的結構參數一致；

② 忽略軋輥間、軋輥與環境間的輻射換熱，忽略軋輥間的熱傳導。

③ 工作輥兩端按照絕熱邊界處理；

④ 帶鋼和工作輥之間的熱量傳遞在模型中等效為熱流密度處理。

2.3 建立工作輥軸對稱溫度場模型

由于1220DCR機組平均軋制速度為600m/min，軋輥轉速高，軋制過程中軋輥表面受到周期性熱載荷和對流換熱，周期大約為0.14s，由此可見軋輥表面循環載荷周期很小，因此忽略軋制過程中圓周方向的溫度場變化。因此，基于邊界條件等效和簡化，利用 ANSYS有限元軟件中的APDL編程語言，建立二維工作輥軸對稱有限元模型，加密工作輥表面網格。變量載荷以數組元素的形式存入數組中，構成循環載荷庫，所有加載時間步也作為數組元素放在數組中。軋輥每個轉動周期內，程序自動調用對應時間及時間對應的載荷，數組中的元素加載在軋輥上，程序隨著時間的進行，自動循環執行載荷的加載和求解。單純溫度場分析采用PLANE5單元，熱-結構耦合單元采用PLANE13，模型如圖2所示。

圖2 二維工作輥軸對稱有限元模型

模型中工作輥大輥半徑為225mm，小輥半徑為165mm，輥長均為1220mm，帶鋼寬度為900mm，帶鋼鋼種為DR-9CA。工作輥初始溫度和環境溫度均為25℃，冷卻液溫度為40℃，根據相關理論經驗公式，水冷系數取1000W/(m·K)，空冷系數取40W/(m·K)。軋輥物性參數如表1。

表1 工作輥物性參數

3 結果與分析

3.1 工作輥溫度場分析

根據現場實際情況，模型中每卷帶鋼軋制時間，即軋制期時長設置為30min，每卷帶鋼軋制間歇期時長設置為10min，待軋輥溫度場穩定時，在某卷帶鋼軋制完成時，立即停機從軋機中抽出工作輥進行工作輥表面溫度測量，在模型中此過程時長設置為5min，即從某卷帶鋼軋制完成到抽出工作輥開始測量表面溫度時，模型中設置時長為5min。

如圖3所示為小輥生產模式時，從工作輥上機開始軋制時刻開始計時，第四卷帶鋼軋制結束5min后工作輥溫度場分布，此時工作輥已經達到熱平衡狀態；圖4所示為不同時刻的工作輥表面溫度沿軸向分布，圖中兩虛線區域為帶鋼與軋輥接觸區域，即帶鋼寬度。

T=9300s(第四卷帶鋼結束5min后時)

圖4 不同時刻工作輥表面溫度分布

如圖5所示為大輥生產模式時，從工作輥上機開始軋制時刻開始計時，第四卷帶鋼軋制結束5min后工作輥溫度場分布，此時工作輥已經達到熱平衡狀態；圖6所示為不同時刻的工作輥表面溫度沿軸向分布，圖中兩虛線之間區域為帶鋼與軋輥接觸區域，即帶鋼寬度。

T=9300s(第四卷帶鋼結束5min后時)

圖6 不同時刻工作輥表面溫度分布

從工作輥溫度云圖中可以看出，無論大小輥生產模式，工作輥達到熱平衡狀態時，在工作輥軸向，中間與帶鋼接觸的部分溫度明顯高于與帶鋼未接觸的部分，并且在與帶鋼接觸的部分，即帶鋼寬度部分，也呈現出中間溫度明顯高于兩邊溫度的規律；

從圖4和圖6中可以看出，隨著軋制時間的增加，工作輥表面沿軸向的溫度逐漸變的分布平緩，尤其是在工作輥與帶鋼接觸的區域。從工作相同時間的大、小輥徑工作輥溫度場分布中可以看出，小輥更容易達到熱平衡，根據工作輥溫度云圖及表面軸向溫度分布可以看出，小輥徑工作輥在軋制2～3卷帶鋼時即基本達到熱平衡狀態，大輥徑工作輥在軋制完4卷帶鋼時基本達到熱平衡狀態。

如圖7所示為小輥生產模式下，某生產計劃的下機工作輥(上工作輥)溫度實測值與計算值的對比圖。

圖7 計算值與實測值比較

從圖7中可以看出，工作輥溫度計算值和現場實測值最大誤差小于2℃，并且分布趨勢一致；因此計算值和實測值較為吻合，也驗證了本文的計算模型能夠較好地模擬熱軋工作輥的溫度場分布。

3.2 工作輥熱變形分析

工作輥發生熱變形是因為工作輥溫度升高引起的軋輥產生熱膨脹所致，熱膨脹是熱和結構兩個的物理場之間的相互作用的結果，故本分析采取熱-結構耦合的方式來分析軋輥熱變形，將所求得的節點溫度作為體載荷加載到模型上進行結構分析。

如圖8所示為小輥生產模式下時，從工作輥上機開始軋制時刻開始計時，在不同時刻的工作輥內部的徑向熱膨脹量(徑向位移量)分布。圖9所示為不同時刻工作輥表面徑向熱變形量分布，a)為工作輥從上機開始軋制到熱平衡過程中，每卷帶鋼軋制結束時熱凸度，b)為第四卷帶鋼從開始軋制到結束期間不同時刻工作輥熱凸度。

如圖10所示為大輥生產模式下時，從工作輥上機開始軋制時刻開始計時，在不同時刻的工作輥內部的徑向熱膨脹量(徑向位移量)分布。圖11所示為不同時刻工作輥表面徑向熱變形量分布，a)為工作輥從上機開始軋制到熱平衡過程中，每卷帶鋼軋制結束時熱凸度，b)為第四卷帶鋼從開始軋制到結束期間不同時刻工作輥熱凸度。

從圖8～圖11中可以看出，無論大小輥生產模式，隨著軋制時間增加，工作輥溫度升高，熱膨脹量逐漸增大。小輥徑工作輥隨著工作輥從軋制第一卷帶鋼到第四卷帶鋼逐漸達到熱平衡的過程中，工作輥在軋制區的熱膨脹量之差越來越大，即熱凸度越來越大，在T=1800s、4200s、9000s時，軋制區熱膨脹量之差，即熱凸度分別大約為15μm、18μm、23μm；大輥徑工作輥在T=1800s、4200s、9000s時，軋制區熱膨脹量之差分別大約為12μm、18μm、26μm。因此，大輥徑工作輥在達到熱膨脹穩定的過程中，熱膨脹量大于小輥徑工作輥，并且在達到熱平衡時，大輥徑工作輥軋制區熱凸度略微大于小輥經工作輥。因此工作輥從上機開始軋制到達到以生產計劃為周期的熱平衡狀態中，產生了動態變化的熱凸度，需在板形控制技術上予以動態消除熱凸度的影響。

圖8 不同時刻工作輥徑向熱變形

在工作輥溫度達到熱平衡時，由于每卷帶鋼存在軋制間歇期，導致工作輥在這期間存在溫降，導致工作輥在軋制每卷帶鋼帶頭部分時，會存在一個以每卷帶鋼軋制時長為周期的新的熱平衡狀態的建立過程，如圖9(b)和圖11(b)，第四卷帶鋼在軋制前600s內，工作輥熱凸度基本已經重新達到新的熱平衡狀態，小輥徑工作輥軋制區熱凸度從17μm增加到23μm，大輥徑工作輥軋制區熱凸度從20μm增加到25μm。因此，每卷帶鋼開始軋制約前1/3長度內，工作輥熱凸度處于動態變化狀態，在生產中可以根據板形調控技術給予輥縫精度的動態補償以消除其對板形的影響。

圖9 不同時刻工作輥表面徑向熱變形量

圖10 不同時刻工作輥徑向熱變形

圖11 不同時刻工作輥表面徑向熱變形量

4 結論

通過仿真計算軋制過程中工作輥溫度場和熱凸度變化，為輥縫控制精度的補償控制提供了依據，得到以下結論：

(1)在以每個生產計劃軋制時間為周期的工作輥熱平衡的建立過程中，隨著軋制時間的增加，工作輥表面沿軸向的溫度逐漸變的分布平緩，尤其是在工作輥與帶鋼接觸的區域。從工作相同時間的大、小輥徑工作輥溫度場分布中可以看出，由于小輥直徑較小，達到熱平衡時所需的時間較大輥短，小輥更容易達到熱平衡，根據工作輥溫度云圖及表面軸向溫度分布可以看出，小輥徑工作輥在軋制2～3卷帶鋼時即基本達到熱平衡狀態，大輥徑工作輥在軋制完4卷帶鋼時基本達到熱平衡狀態；

(2)在以每個生產計劃軋制時間為周期的工作輥熱平衡的建立過程中，無論大小輥生產模式，隨著軋制時間增加，工作輥溫度升高，熱膨脹量逐漸增大。小輥徑工作輥在T=1800s、4200s、9000s時，軋制區熱凸度分別大約為15μm、18μm、23μm；大輥徑工作輥在T=1800s、4200s、9000s時，軋制區熱凸度分別大約為12μm、18μm、26μm。因此工作輥從上機開始軋制到達到以生產計劃為周期的熱平衡狀態中，產生了動態變化的熱凸度，需根據板形調控技術予以輥縫精度動態補償，以消除工作輥熱凸度對輥縫精度的影響。

(3)在以每卷帶鋼軋制時間為周期的工作輥熱平衡的建立過程中，由于每卷帶鋼存在軋制間歇期，導致工作輥在這期間存在溫降，導致工作輥在軋制每卷帶鋼帶頭部分時，會存在一個新的熱平衡狀態的建立過程，這個過程主要發生在每卷帶鋼的軋制前600s內，即每卷帶鋼前1/3長度處，其間，小輥徑工作輥熱軋制區凸度從17μm增加到23μm，大輥徑工作輥軋制區熱凸度從20μm增加到25μm。因此，每卷帶鋼開始軋制約前1/3長度內，工作輥熱凸度處于動態變化狀態，在生產中可以根據板形調控技術給予輥縫精度的動態補償以消除其對板形的影響。