張力變化對全浮動芯棒連軋管機組軋制力影響的有限元分析

王寶明++蘇惠超++王超峰

摘 要：本文應用有限元模擬軟件MSC.MARC，對全浮動芯棒連軋過程進行分析，通過調整連軋機第一機架軋輥的轉速改變軋制張力，得到了連軋張力變化時對軋制力的影響規律。研究結果表明，穩軋階段第二機架軋制力平均值隨張力的變化分為三個階段：軋輥轉速為1.8～3.0rad/s時，軋制力平均值隨軋輥轉速的增加基本呈線性上升，有較大幅度升高；軋輥轉速在3.0～4.0rad/s時，升高得相對平緩；軋輥轉速為4.0～5.0rad/s時，升高的幅度最小。穩軋階段第二機架軋制力峰值隨張力的變化也可劃分為三個階段：軋輥轉速為1.8～2.0rad/s時，軋制力峰值升高幅度較小；軋輥轉速為2.0～4.0rad/s時，升高得較快；軋輥轉速為4.0rad/s～5.0rad/s時，升高幅度又變得緩慢。

關鍵詞：有限元分析；軋輥轉速；張力變化；軋制力

中圖分類號：TG335.71 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）13-0051-02

1 前言

無縫鋼管在熱連軋過程中，軋制力是重要的軋制力能參數之一，連軋機各機架負荷的分配、熱軋鋼管的尺寸精度以及其組織性能均受軋制力大小的影響。影響鋼管熱連軋軋制力的因素有很多，如通過調整連軋機機架轉速改變連軋張力，從而影響軋制力的大小，本文即應用有限元模擬軟件MSC.MARC對全浮動芯棒連軋過程進行分析，研究連軋張力發生變化時對全浮動芯棒連軋管機組軋制力的影響規律，為大生產中連軋工藝參數的優化、調整提供指導[1-2]。

2 有限元模型及邊界條件

2.1 設定初始工藝參數

本研究選取20#鋼材質進行熱連軋模擬仿真，空減管、連軋管尺寸分別為：Ф179.0×15.5mm、Ф152.5×5.75 mm，芯棒直徑為Ф136.5mm。

2.2 邊界條件的確定

本文利用熱力耦合大變形彈塑性有限元法建立鋼管的連軋過程有限元模型，[3]采用更新的Lagrange方法進行計算。

接觸條件設定：連軋機軋輥為合金球墨鑄鐵，可設為剛性接觸體。鋼管可設為彈塑性接觸體，從MSC.MARC材料庫中讀取其各項性能參數，泊松比為0.27，密度為7.85×103kg/m3。鋼管與軋輥間的摩擦采用庫侖摩擦模型，設為0.3。鋼管與外界環境的等效對流換熱系數取0.02kw/（m2·℃），熱輻射率設為0.8，熱功轉換系數設為0.9，軋制溫度設為1050℃。[4]

設試驗材質遵守Fourie熱傳導法則，流動法則采用Prandtl-Reuss流動方程，接觸熱傳導系數取20kw/（m2·℃），屈服準則采用VonMises準則。相鄰連軋機架的間距設為200mm，為保證穩態軋制，軋件長度取900mm，在橫截面上取30個單元，長度方向取60等份，單元的類型取7號，共采用2684個節點。[5]考慮鋼管軋制過程的對稱性，取其四分之一進行模擬分析，提高計算效率，劃分有限元網格采用八節點六面體等參單元技術。

3 模擬結果及分析

為研究機架間張力狀態發生變化對連軋軋制力的影響。設置第二、三機架軋輥轉速不變，調整第一機架軋輥轉速從而改變軋制張力，得出不同張力下第二機架的軋制力情況。本研究共為第一機架軋輥設置了7個轉速：1.8rad/s、 2.0rad/s、2.2rad/s、2.4rad/s、3.0rad/s、4.0rad/s、 5.0rad/s。

3.1 張力變化對軋制力平均值的影響

第一機架軋輥在不同轉速下，模擬得到穩軋階段第二機架軋制力平均值隨軋輥轉速的變化如圖1所示。

從圖1可以看出，第一機架軋輥轉速在1.8～3.0rad/s時，第二機架穩軋階段軋制力平均值基本呈線性趨勢增大，每上升1.0rad/s，軋制力平均值上升1061KN。軋輥轉速在3.0～4.0rad/s時，軋制力平均值升高得相對平緩，升高了744KN。軋輥轉速為4.0～5.0rad/s時，軋制力平均值升高的幅度最小，僅為153KN。

3.2 張力變化對軋制力峰值的影響

穩軋階段，第二機架軋制力峰值隨軋輥轉速的變化如圖2所示。

從圖2得知，第一機架軋輥轉速在1.8～2.0rad/s之間時，此時機架間為張力軋制狀態，第二機架軋制力峰值升高幅度較小，軋輥轉速每上升1.0rad/s，軋制力峰值上升500KN。軋輥轉速在2.0～4.0rad/s之間時，軋制力峰值升高得較快，軋輥轉速每上升1.0rad/s，軋制力峰值上升1500KN。軋輥轉速為4.0rad/s～5.0rad/s時，軋輥轉速升高幅度又變得緩慢，每上升1.0rad/s，軋制力峰值上升582KN。分析可知，軋輥轉速在2.0～4.0rad/s之間變化會引起軋制力峰值較大的波動，小于2.0rad/s或者超過4.0rad/s引起的軋制力峰值波動較小。

4 結語

（1）穩軋階段，第二機架軋制力平均值隨張力的變化分為三個階段：第一機架軋輥轉速為1.8～3.0rad/s時，第二機架軋制力平均值隨軋輥轉速的增加基本呈線性上升，有較大幅度升高；軋輥轉速在3.0～4.0rad/s時，軋制力平均值升高得相對平緩；軋輥轉速為4.0～5.0rad/s時，軋制力平均值升高的幅度最小。

（2）穩軋階段，第二機架軋制力峰值隨張力的變化可劃分為三個階段：第一機架軋輥轉速為1.8～2.0rad/s時，第二機架軋制力峰值升高幅度較??；軋輥轉速為2.0～4.0rad/s時，軋制力峰值升高得較快；軋輥轉速為4.0rad/s～5.0rad/s時，軋制力峰值升高幅度又變得緩慢。

參考文獻

[1]孟慶剛.中厚板待溫軋制過程的熱力耦合數值模擬[D].鋼鐵研究總院，2010.

[2]廖勇剛.熱連軋過程仿真及工藝優化[D].西北工業大學，2006.

[3]陳火紅.Marc有限元實例教程分析[M].北京：機械工業出版社，2002.2.

[4]楊理誠，劉波，劉利峰，等.基于線材軋制成型的三維熱力耦合彈塑性有限元研究[J].機械科學與技術，2006，25（3）：313-316.

[5]王北明.國外連軋鋼管[M].北京：冶金工業出版社，1978.