CN114798755A - 一种分析冷连轧过程中热凸度对板形影响的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的一种分析冷连轧过程中热凸度对板形影响的方法，从数值仿真角度出发，首先通过大型有限元分析软件ANSYS建立各个机架的工作辊热凸度数值仿真模型对工作辊进行热机构耦合分析获得各机架工作辊的工作辊热凸度，并以热凸度为基础，结合显示动力学有限元分析软件LS—DYNA建立各机架的轧制过程数值仿真模型，通过将各机架工作辊的工作辊热凸度引入到轧制过程数值仿真模型中模拟分析不同的工作辊热凸度情况下的板形，并综合考虑上游机架的遗传作用，从而分析各机架工作辊的热凸度变化对终轧后的带材板形的影响。

Description

一种分析冷连轧过程中热凸度对板形影响的方法
技术领域
本发明属于冷轧技术领域，涉及一种分析冷连轧过程中热凸度对板形影响的方法。
背景技术
钢铁行业作为重工业和基础原材料行业，随着经济的快速增长，市场对冷轧带材的需求量的日益增大，特别是在家电、汽车等制造业领域，冷轧带材有着不可替代的作用。在冷轧生产中工作辊的热膨胀不仅会引起辊缝的变化造成带材厚度变化，同时由于工作辊的温度分布并不均匀通常呈现为中间高两边低的分布情况，因此通常工作辊中间部分热膨胀量要高于边部，这会改变带材厚度沿纵向的分布情况，从而引起浪形缺陷。
现阶段对于工作辊热凸度的相关研究较为丰富，通常会给出工作辊的热凸度随时间变化的数学模型或有限元模型，但是对于工作辊的热凸度变化对于板形影响的研究十分匮乏，这是由于工作辊的热凸度变化不仅改变了工作辊的辊形，同时也改变了工作辊和中间辊或支撑辊间的接触状态，这种复杂的变化使得从理论推到出工作辊的热凸度变化与板形变化的关系变得十分困难。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种分析冷连轧过程中热凸度对板形影响的方法，将热凸度数值仿真模型与轧制过程数值仿真模型相结合，与传统单一的热凸度模型相比能够最直观、真实的反映工作辊的热凸度变化情况，在不同热凸度情况下的板形情况以及上游机架工作辊热凸度对板形的影响。
本发明提供一种分析冷连轧过程中热凸度对板形影响的方法，包括如下步骤：
步骤1：提取轧制生产的生产工艺参数、轧辊尺寸参数、轧辊材料参数、乳化液参数、带材的变形抗力模型；
步骤2：根据步骤1所述的轧制生产的生产工艺参数、轧辊尺寸参数、乳化液参数以及轧辊材料参数建立各机架工作辊的初始热凸度数值仿真模型并仿真获取工作辊下机后的温度场数据；
步骤3：实测各机架工作辊下机后的温度场与步骤2中仿真获取的温度场数据对比，根据对比结果调整初始热凸度数值仿真模型中边界条件；
步骤4：通过调整后的热凸度数值仿真模型进行热结构耦合，提取各机架不同时间节点的工作辊的半径增加量分布情况，即为工作辊热凸度；
步骤5：根据生产工艺参数和工作辊热凸度建立上游机架的轧制过程数值仿真模型；
步骤6：以上游机架的轧制过程数值仿真模型中带材轧后的横向厚度分布数据与变形抗力，作为紧邻的下游机架的轧制过程数值仿真模型中的带材的初始横向厚度与变形抗力，重复上述过程直到完成所有机架的轧制过程数值仿真模型；
步骤7：实测各个带材轧出的厚度中心位置厚度与轧制力对比验证各机架的轧制过程数值仿真模型；
步骤8：将末次机架的轧制过程数值仿真模型中带材轧后的横向厚度分布数据与实测的终轧后的带材横向厚度分布数据进行对比，验证轧制模型；
步骤9：根据各个机架的轧制过程数值仿真模型，选择不同时间节点，从上游机架开始依次模拟各机架在不同热凸度情况下的轧制过程；
步骤10：提取步骤9中各机架轧制模型中轧后的带材板形数据，其中包括带材的横向厚度分布数据、带材凸度权重数据、板形IU值数据、带材凸度数据；
步骤11：根据步骤10所得到的数据分析各机架工作热凸度变化对半终轧后的带材板形的影响。
在本发明的分析冷连轧过程中热凸度对板形影响的方法中，所述步骤1中的工艺生产参数包括：
各道次的工作辊和带材间的库仑摩擦系数；各道次带材的咬入速度；各道次带材的咬入厚度；各道次带材的轧出厚度；各道次带材的前张力；各道次带材的后张力；带材的变形抗力；各道次的工作辊弯辊力；各道次的中间辊弯辊；各道次的中间辊蹿辊量；各道次的轧制压力；各机架轧机轧辊的具体尺寸参数。
在本发明的分析冷连轧过程中热凸度对板形影响的方法中，所述步骤1中的轧辊尺寸参数包括：工作辊尺寸参数、中间辊尺寸参数和支撑辊尺寸参数；轧辊材料参数包括：工作辊材料参数、中间辊材料参数和支撑辊材料参数。
在本发明的分析冷连轧过程中热凸度对板形影响的方法中，所述步骤2具体包括：
步骤2.1：根据工作辊材料参数确定热凸度数值仿真模型材料属性；
步骤2.2：根据工作辊尺寸参数确定热凸度数值仿真模型的建模过程中的工作辊建模尺寸参数；
步骤2.3：根据生产工艺参数计算轧制过程中的摩擦热和变形热；
步骤2.4：根据步骤2.3中的摩擦热、变形热与工作辊的实际热量流动情况简化模型边界条件；
步骤2.5：建立热凸度数值仿真模型；
步骤2.6：利用步骤2.5所建立的热凸度数值仿真模型模拟工作辊由上机到下机整个轧制过程；
步骤2.7：利用有限元后处理软件提取步骤2.6中工作辊下机后的温度场数据。
在本发明的分析冷连轧过程中热凸度对板形影响的方法中，所述步骤2.4具体包括：
(1)轧制过程中，工作辊表面任意一点温度均呈现周期变化因此可以将工作辊的三维温度场简化为二维非稳态系统；
(2)忽略工作辊的热辐射，认为上、下工作辊温度变化是一致的，工作辊和中间辊间没有相对滑动；
(3)将工作辊与带材、乳化液间的热传递行为等效为对流换热，将工作辊辊和带材间的摩擦生热等效为热流；
(4)根据工作辊两端所用轴承的具体型号计算轴颈处的摩擦热并将其等效为热流处理或直接实测工作辊下机后的轴颈温度，给轴颈施加恒定温度；
(5)根据冷却喷嘴数量和覆盖宽度将工作辊沿长度方向划分为38个区。
在本发明的分析冷连轧过程中热凸度对板形影响的方法中，所述步骤2.5建立的热凸度数值仿真模型整体采用PLANE77单元，在工作辊表面进行网格细化处理以确保计算精度，在网格划分上工作辊由表面到芯部分为三层，由外到内逐渐稀疏以优化网格数量提高计算速度；工作辊表面径向深度10mm内的网格面积设定为4mm2，网格长度设定为2mm，以确保计算的准确性。
在本发明的分析冷连轧过程中热凸度对板形影响的方法中，所述步骤5具体包括：
步骤5.1：根据各机架工作辊材料参数确定轧制过程数值仿真模型的材料属性；
步骤5.2：根据轧辊的尺寸参数以步骤4所述的各机架工作辊热凸度形作为轧制有限元模型中各机架工作辊的辊形；
步骤5.3：根据生产工艺参数对轧制过程数值仿真模型设置边界条件，建立第一机架或上游机架的轧制有限元模型。
本发明提供了一种分析冷连轧过程中热凸度对板形影响的方法，通过建立工作辊的热凸度数值仿真模型与轧制过程数值仿真模型并将二者进行结合，实现了对工作辊的热凸度的预测与工作辊热凸度对板形影响的预测，通过有限分析软件进行建模具有广泛的适用性，同时能够对实际的生产中减小热凸度对板形的影响，提高带材的板形质量提供有效的指导。
附图说明
图1为本发明分析多机架冷连轧过程工作辊热凸度及其对板形影响的方法的流程示意图；
图2a为第四机架轧机的工作辊的径向区域划分情况；
图2b为第五机架轧机的工作辊的径向区域划分情况；
图3为热凸度数值仿真模型的工作辊网格划分示意图；
图4a为第四机架工作辊的热像图；
图4b为第五机架工作辊的热像图；
图5a为第四机架工作辊表面温度实测结果与仿真结果对比图；
图5b为第五机架工作辊表面温度实测结果与仿真结果对比图；
图6a为第四机架的工作辊热凸度图；
图6b为第五机架的工作辊热凸度图；
图6c为第四机架和第五机架1200s时的工作辊热凸度；
图7为第五机架带材厚度横向分布实测数据与仿真数据对比图；
图8a为轧制后的不同时间点带材的横向厚度分布曲线图；
图8b为轧制后的带材凸度权重曲线图；
图8c为轧制后的带材板形IU值曲线图；
图8d为轧制后的带材凸度曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优势更加清晰，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的核心思路是：同时建立各机架工作辊的热凸度数值仿真模型和轧制模型，并将热凸度数值仿真模型与轧制模型相结合，从而分析工作辊热凸度变化对板形的影响。图1展示了本发明的流程图。
现已某厂1450mm冷连轧生产线第四机架和第五机架工作辊的热凸度变化及其对带材的板形影响为例做进一步的详细说明；
步骤1；提取轧制生产的生产工艺参数、轧辊尺寸参数、轧辊材料参数、乳化液参数、带材的变形抗力模型；
直接在生产现场二级控制系统提取生产工艺参数、轧辊尺寸参数、轧辊材料参数、带材的变形抗力模型。表1、表2、表3分别为生产工艺参数、各机架的轧辊尺寸参数以及各机架的建模的轧辊材料参数。
表1生产工艺参数表
Figure BDA0003616335860000061
表2轧辊尺寸参数表
Figure BDA0003616335860000062
Figure BDA0003616335860000071
表3轧辊材料参数表
Figure BDA0003616335860000072
表4乳化液参数表
Figure BDA0003616335860000073
步骤2：根据轧制生产的生产工艺参数、轧辊尺寸参数、乳化液参数以及轧辊材料参数建立各机架工作辊的初始热凸度数值仿真模型并仿真获取工作辊下机后的温度场数据，具体过程如下：
步骤2.1：根据工作辊材料参数确定热凸度数值仿真模型材料属性：
根据表3中所示的轧辊材料参数设定热凸度数值仿真模型中的参数，热凸度数值仿真模型中轧辊材料属性设置为各向同性线弹性模型。
步骤2.2：根据表2中工作辊尺寸参数确定热凸度数值仿真模型建模过程中的工作辊建模尺寸参数；
步骤2.3：根据生产工艺参数计算轧制过程中的摩擦热和变形热；
工作辊和带材间摩擦符合干摩擦定律，同时由于轧制过程成中发生平面变形可以忽略带材与工作辊间的横向摩擦热，因此在稳定轧制过程中单位宽度工作辊和带材间的摩擦热为：
Wf＝∫τ|vr-vs|dx (1)
τ＝μp (2)
式中，τ为工作辊和带材间的剪切应力，单位MPa；vr、vs分别为工作辊的线速度和带材的表面速度，单位m/s，μ为工作辊和带材间的摩擦系数，无量纲；p为工作辊和带材间的接触应力，单位MPa。
步骤2.4：根据步骤2.3中的摩擦热、变形热与工作辊的实际热量流动情况简化模型边界条件，具体内容如下；
(1)轧制过程中，工作辊表面任意一点温度均呈现周期变化因此可以将工作辊的三维温度场简化为二维非稳态系统。
(2)忽略工作辊的热辐射，认为上、下工作辊温度变化是一致的，工作辊和中间辊间没有相对滑动。
(3)将工作辊与带材、乳化液间的热传递行为等效为对流换热，将工作辊辊和带材间的摩擦生热等效为热流。
(4)根据工作辊两端所用轴承的具体型号计算轴颈处的摩擦热并将其等效为热流处理或直接实测工作辊下机后的轴颈温度，给轴颈施加恒定温度。
(5)根据冷却喷嘴数量和覆盖宽度将工作辊沿长度方向划分为38个区。图2a和图2b为工作辊的径向区域划分情况，如图2a对于四机架根据乳化液的覆盖范围和工作辊与带材、中间辊的接触情况将工作辊的径向分为八个区间，其中，A区为带材与轧辊直接接触区，是工作辊最直接的热量来源；B、D、F、H区为弱水冷区；C区和G区为强水冷区；E区为工作辊与中间辊的直接接触区。而五机架带材出口侧并不配置冷却装置，因此对于五机架仅需设置六个区即可，如图2b。
步骤2.5：建立热凸度数值仿真模型；
热凸度数值仿真模型整体采用PLANE77单元，在工作辊表面进行网格细化处理以确保计算精度，如图3所示，在网格划分上工作辊由表面到芯部分为三层，由外到内逐渐稀疏以优化网格数量提高计算速度；工作辊表面径向深度10mm内的网格面积设定为4mm2，网格长度设定为2mm，以确保计算的准确性。
步骤2.6：利用步骤2.5所建立的热凸度数值仿真模型模拟工作辊由上机到下机整个轧制过程；
步骤2.7：利用有限元后处理软件提取步骤2.6中工作辊下机后的温度场数据。
步骤3：实测各机架工作辊下机后的温度场与步骤2.7中仿真获取的温度场数据对比，验证热凸度数值仿真模型，根据对比结果调整初始热凸度数值仿真模型中边界条件；
利用热凸度数值仿真模型模拟工作辊由上机开始轧制到下机整个轧制过程，并提取模型中工作辊表面温度。图4a为利用热成像仪拍摄第四机架工作辊的热像图，图4b为利用热成像仪拍摄第五机架工作辊的热像图。并提取实际的工作辊表面温度分布情况，与仿真数据进行对比，并根据对比结果调整热凸度数值仿真模型提高其准确性。图5a为第四机架工作辊表面温度实测结果与仿真结果对比图，图5b为第五机架工作辊表面温度实测结果与仿真结果对比图，可见仿真结果与实测结果温度分布曲线趋于一致。
步骤4：通过步骤3中调整后的热凸度数值仿真模型进行热结构耦合，提取各机架不同时间节点的工作辊的半径增加量分布情况，即为工作辊热凸度；
具体实施时，通过有限元分析软件的后处理模块提取各机架工作辊热凸度随时间的变化情况，图6a和图6b分别为第四机架和第五机架工作辊热凸度随时间变化图。
步骤5：根据生产工艺参数和工作辊热凸度建立上游机架的轧制过程数值仿真模型；
步骤5.1：根据各机架工作辊材料参数确定轧制过程数值仿真模型的各部分材料属性，如表5所示；
表5模拟计算的材料模型
Figure BDA0003616335860000101
步骤5.2：根据轧辊的尺寸参数以步骤4所述的各机架工作辊热凸度作为轧制有限元模型中各机架工作辊的辊形；
由于本实例中带材厚度横向厚度分布对比验证中带材的取样时间为开轧后1200s，因此同样提取1200s时刻的各机架的热凸度，如图6c所示。并将其作为轧制模型中工作辊的辊形。
步骤5.3：根据生产工艺参数对轧制过程数值仿真模型设置边界条件，建立第一机架或上游机架的轧制有限元模型。
考虑到目前的硬件算力限制情况，轧制过程数值仿真模型采用各机架单独建立的方式，并且综合考虑带材板形变形抗力的遗传性质，以上游机架轧制后的带材横向厚度分布于变形抗力作为紧邻下游机架轧制模型中带材的初始状态。
步骤6：以上游机架的轧制过程数值仿真模型中带材轧后的横向厚度分布数据与变形抗力，作为紧邻的下游机架的轧制过程数值仿真模型中的带材的初始横向厚度与变形抗力，重复上述过程直到完成所有机架的轧制过程数值仿真模型。
步骤7：实测各个带材轧出的带材中心位置厚度与轧制力对比验证各机架的轧制过程数值仿真模型；
直接从现场计算机二级控制系统提取四机架和五机架的轧制力和带材厚度与仿真数据对比，如表6所示：
表6轧制压力、带材厚度实测数据与仿真数据对比
Figure BDA0003616335860000111
步骤8：将末次机架的轧制过程数值仿真模型中带材轧后的横向厚度分布数据与实测的终轧后的带材横向厚度分布数据进行对比，进一步验证轧制过程数值仿真模型。
具体实施时，将第五机架带材厚度横向分布实测数据与仿真数据对比，如图7所示。
步骤9：根据各个机架的轧制过程数值仿真模型，选择不同时间节点，从上游机架开始依次模拟各机架在不同热凸度情况下的轧制过程；
步骤10：提取步骤9中各机架轧制模型中轧后的带材板形数据，其中包括带材的横向厚度分布数据、板形IU值数据、带材凸度数据、带材凸度权重数据，如图8a-8d所示。图8a为不同时间点带材的横向厚度分布曲线图，图8b为轧制后的带材凸度权重曲线图；图8c为轧制后的带材板形IU值曲线图；图8d为轧制后的带材的C40和C150凸度曲线图。
通过后处理模块首先提取各机架轧制模型中轧后的带材横向厚度分布情况，如图8a所示，根据横向厚度分布情况利用Legendre正交多项式对带材横向厚度分布进行拟合来分析工作辊的热凸度变化过程对带材凸度构成的影响：
h(η)＝h0+Cw1P1(η)+Cw2P2(η)+Cw4P3(η)+Cw6P4(η) (3)
Figure BDA0003616335860000121
式中，h(η)为带材横向厚度，h0为带材基准厚度；η为归一化相对带材中心位置的坐标；Cw1、Cw2、Cw4、Cw6、分别为各项拟合系数，其绝对值代表了该凸度分量在横向厚度分布曲线中占的权重，正负号则表明曲线的弯曲方向。
步骤11：根据步骤10所得到的数据分析各机架工作热凸度变化对半终轧后的带材板形的影响。
随着轧制时间的增加，工作辊的热凸度也不变化，如图8a所示，受工作辊的热凸度的影响，在不同的时刻带材厚度减小明显；由图8b可以观察到轧制时间每增加600s，带材凸度权重Cw2变化明显，带材凸度权重Cw6略有增加，而Cw1、Cw2几乎未发生变化，这说明工作辊由上机到热凸度稳定的过程对带材二次凸度影响最大；如图8c所示，在工作辊热凸度的影响下，带材的板形IU值由中间低两边高逐渐的分布情况逐渐过渡到中间高两边低的分布情况，这代表着在工作辊热凸度的影响下带材由边浪逐渐转换为中浪；如图8d所示，在工作辊热凸度的影响下，带材的C40凸度和C150凸度不断减小，且C40凸度下降速度更快，这表明工作辊的热凸度对带材的C40凸度影响更大。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明的思想，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种分析冷连轧过程中热凸度对板形影响的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：提取轧制生产的生产工艺参数、轧辊尺寸参数、轧辊材料参数、乳化液参数、带材的变形抗力模型；
步骤2：根据步骤1所述的轧制生产的生产工艺参数、轧辊尺寸参数、乳化液参数以及轧辊材料参数建立各机架工作辊的初始热凸度数值仿真模型并仿真获取工作辊下机后的温度场数据；
步骤3：实测各机架工作辊下机后的温度场与步骤2中仿真获取的温度场数据对比，根据对比结果调整初始热凸度数值仿真模型中边界条件；
步骤4：通过调整后的热凸度数值仿真模型进行热结构耦合，提取各机架不同时间节点的工作辊的半径增加量分布情况，即为工作辊热凸度；
步骤5：根据生产工艺参数和工作辊热凸度建立上游机架的轧制过程数值仿真模型；
步骤6：以上游机架的轧制过程数值仿真模型中带材轧后的横向厚度分布数据与变形抗力，作为紧邻的下游机架的轧制过程数值仿真模型中的带材的初始横向厚度与变形抗力，重复上述过程直到完成所有机架的轧制过程数值仿真模型；
步骤7：实测各个带材轧出的厚度中心位置厚度与轧制力对比验证各机架的轧制过程数值仿真模型；
步骤8：将末次机架的轧制过程数值仿真模型中带材轧后的横向厚度分布数据与实测的终轧后的带材横向厚度分布数据进行对比，验证轧制模型；
步骤9：根据各个机架的轧制过程数值仿真模型，选择不同时间节点，从上游机架开始依次模拟各机架在不同热凸度情况下的轧制过程；
步骤10：提取步骤9中各机架轧制模型中轧后的带材板形数据，其中包括带材的横向厚度分布数据、带材凸度权重数据、板形IU值数据、带材凸度数据；
步骤11：根据步骤10所得到的数据分析各机架工作热凸度变化对半终轧后的带材板形的影响。
2.如权利要求1所述的分析冷连轧过程中热凸度对板形影响的方法，其特征在于，所述步骤1中的工艺生产参数包括：
各道次的工作辊和带材间的库仑摩擦系数；各道次带材的咬入速度；各道次带材的咬入厚度；各道次带材的轧出厚度；各道次带材的前张力；各道次带材的后张力；带材的变形抗力；各道次的工作辊弯辊力；各道次的中间辊弯辊；各道次的中间辊蹿辊量；各道次的轧制压力；各机架轧机轧辊的具体尺寸参数。
3.如权利要求1所述的分析冷连轧过程中热凸度对板形影响的方法，其特征在于，所述步骤1中的轧辊尺寸参数包括：工作辊尺寸参数、中间辊尺寸参数和支撑辊尺寸参数；轧辊材料参数包括：工作辊材料参数、中间辊材料参数和支撑辊材料参数。
4.如权利要求3所述的分析冷连轧过程中热凸度对板形影响的方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：
步骤2.1：根据工作辊材料参数确定热凸度数值仿真模型材料属性；
步骤2.2：根据工作辊尺寸参数确定热凸度数值仿真模型的建模过程中的工作辊建模尺寸参数；
步骤2.3：根据生产工艺参数计算轧制过程中的摩擦热和变形热；
步骤2.4：根据步骤2.3中的摩擦热、变形热与工作辊的实际热量流动情况简化模型边界条件；
步骤2.5：建立热凸度数值仿真模型；
步骤2.6：利用步骤2.5所建立的热凸度数值仿真模型模拟工作辊由上机到下机整个轧制过程；
步骤2.7：利用有限元后处理软件提取步骤2.6中工作辊下机后的温度场数据。
5.如权利要求4所述的分析冷连轧过程中热凸度对板形影响的方法，其特征在于，所述步骤2.4具体包括：
(1)轧制过程中，工作辊表面任意一点温度均呈现周期变化因此可以将工作辊的三维温度场简化为二维非稳态系统；
(2)忽略工作辊的热辐射，认为上、下工作辊温度变化是一致的，工作辊和中间辊间没有相对滑动；
(3)将工作辊与带材、乳化液间的热传递行为等效为对流换热，将工作辊辊和带材间的摩擦生热等效为热流；
(4)根据工作辊两端所用轴承的具体型号计算轴颈处的摩擦热并将其等效为热流处理或直接实测工作辊下机后的轴颈温度，给轴颈施加恒定温度；
(5)根据冷却喷嘴数量和覆盖宽度将工作辊沿长度方向划分为38个区。
6.如权利要求4所述的分析冷连轧过程中热凸度对板形影响的方法，其特征在于，所述步骤2.5建立的热凸度数值仿真模型整体采用PLANE77单元，在工作辊表面进行网格细化处理以确保计算精度，在网格划分上工作辊由表面到芯部分为三层，由外到内逐渐稀疏以优化网格数量提高计算速度；工作辊表面径向深度10mm内的网格面积设定为4mm2，网格长度设定为2mm，以确保计算的准确性。
7.如权利要求1所述的分析冷连轧过程中热凸度对板形影响的方法，其特征在于，所述步骤5具体包括：
步骤5.1：根据各机架工作辊材料参数确定轧制过程数值仿真模型的材料属性；
步骤5.2：根据轧辊的尺寸参数以步骤4所述的各机架工作辊热凸度形作为轧制有限元模型中各机架工作辊的辊形；
步骤5.3：根据生产工艺参数对轧制过程数值仿真模型设置边界条件，建立第一机架或上游机架的轧制有限元模型。
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