2800mm中厚板轧机轧制力模型研究

D0I:10.13374/i.issn1001053x.2002.03.065 第24卷第3期 北京科技大学学报 VoL24 No.3 2002年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jun.2002 2800mm中厚板轧机轧制力模型研究 戴江波”张清东》 陈先霖) 孙林) 张光新”张晨) 1)北京科技大学机械工程学院，北京时间1000832)武汉钢铁集团)公可，武汉430083 摘要在考虑温度场对轧制力能参数影响的条件下，利用ANSYS软件对热轧板带的塑性 变形过程进行了力能参数的计算，并由此获得2800mm轧机轧制压力的计算模型.经在武钢 2800mm轧机生产现场实测大量数据，进一步完善轧制力模型，使之具有良好的计算精度. 关键词中厚钢板；轧制力；模型 分类号 TG335.12 轧制力对于各类轧机都是非常重要的参 K=f(T,u,e) (3) 数，它广泛应用于轧机机械设备的强度设计与 式中，T为变形热力学温度，K;u为变形速度，s； 校核，同时又是制定工艺制度、调整轧机，以及 e为变形程度. 强化轧制以扩大产品范围和充分合理地挖掘设 至于化学成分的影响，目前往往采用对每 备潜力的重要原始参数.在计算机控制技术中， 一种钢种积累一套o=fT,4,e)数据的方法，或 轧制力模型对于轧机辊缝设定、负荷分配、厚调 在公式的系数中对成分加以考虑.针对武钢轧 系统的增益系数确定、最优控制具有很重要作 板厂，轧件变形平均阻力数学模型： 用.轧制力模型的预报精度直接影响设定精度， R=R。exp(-B,T).e (4) 它对厚度精度和板形质量产生直接影响.本文 式中，BB,B,B为拟合系数 利用ANSYS软件对2800mm轧机轧制力进行 变形速度的计算公式为： 计算，得到相应的计算模型 299 2000.".H-h (5) 1 轧制力计算理论模型 式中，V为轧辊辊面速度；H,h为轧件的入口、出 口厚度；R为工作辊半径.变形程度计算公式为： 由于单位压力在接触弧上的分布是不均匀 e=Inh H (6) 的，为便于计算，一般均以单位压力的平均值 中厚板精轧机的轧制特点是，接触弧水平 一平均单位压力来计算总轧制力.平均单位 投影和轧件平均厚度h之比大于1，即Ihm>l,一 压力P可写成下列一般形式： 般在1.5~7.0.此时沿轧件厚度方向变形比较均 Pm=nok=nio nzo naok (1) 匀，因而由于轧件的不均匀变形而产生的外区 k=1.15K (2) 影响较小，而接触弧上摩擦力（外摩擦）是造成 式中，n,为应力状态影响系数；h为摩擦对应力 应力状态的主要因素.同时由于轧件宽度B较 状态的影响系数；2为考虑外区对应力状态的 大，Bl>5,轧制时宽展量很小，因此一般采用下 影响系数；，为考虑张力对应力状态的影响系 式计算轧制力P: 数；K材料变形阻力， P=B.K.le'no (7) 轧件变形阻力不仅与金属材料的化学成分 接触弧长l。: 有关，而月还取决于塑性变形的物理条件（变 l。=VR·(H-h (8) 形温度、变形速度与变形程度). 外摩擦（应力状态）影响系数的计算有很多 在变形阻力研究中都采用以下函数形式： 形式，在此使用的是北京科技大学1964年对鞍 收稿日期2001-12-10 蛟江波男，39岁，工程师，博士生 钢1700mm半连轧机进行测试，得到的经验 *国家自然科学基金资助课题(No.59835170) 公式：

第 2 4 卷 第 3 期 2 0 02 年 6 月 北 京 科 技 大 学 学 报 JO u r n a l o f U n iv e rs iyt o f S e ic n e e a n d eT c h n 0 l o yg B e ij i n g V心】 . 2 4 N o . 3 J u n . 2 0 02 2 8 0 0 m m 中厚板轧机轧制 力模型研究 戴江 波 ” 张清东 ” 陈先霖 ” 孙 林 2, 张光新 ” 张 晨 ` , l )北京科技大学机械工程学院 , 北京时间 10 0 0 83 2) 武汉 钢铁 (集团)公司 , 武汉 4 3 0 0 83 摘 要 在考 虑温 度场 对轧制 力能参数 影 响的条 件下 , 利用 A N S Y S 软 件对 热轧板带 的塑性 变形 过程进 行 了力能 参数 的计算 , 并 由此 获得 2 8 0 0 m m 轧机 轧制 压力 的计算模型 . 经 在武钢 2 8 0 m m 轧 机生 产现 场实测 大量 数据 , 进一 步完善轧制 力模型 , 使之具有 良好 的计算 精度 . 关键 词 中厚 钢板 ; 轧制 力 ; 模 型 分 类号 T G 3 3 5 . 12 轧 制力 对 于各 类 轧机 都是 非 常 重要 的参 数 , 它广泛 应用于轧机 机械设 备 的强度设计 与 校 核 , 同时 又是 制定工艺制度 、 调整轧机 , 以及 强化 轧制以扩大 产品范 围和 充分合理地挖掘设 备潜 力的重要原始参数 . 在计算机控制技术 中 , 轧制力模 型对 于轧机辊缝设定 、 负荷 分配 、 厚调 系统 的增 益系数确定 、 最优控制具有 很重要作 用 . 轧 制力模 型 的预报精度直接影响设定精度 , 它对厚度精 度和 板形质量 产生直接影 响 . 本文 利用 A N S Y S 软件对 2 8 0 0 ~ 轧 机轧制力进行 计算 ,得 到相应 的计算 模型 . 天一 f( T, u , e) (3 ) 式 中 , T 为变形 热力学温度 , ;K u 为变形速度 , s 一 ` ; e 为变形 程度 . 至于 化学 成分 的影 响 , 目前往往 采用 对每 一种钢 种积累 一套。 = f( T, u , e) 数据 的方法 , 或 在公式 的系数 中对成分 加 以考虑 . 针对武钢轧 板 厂 , 轧件变形平均 阻力 数学模型 : 无= 八 · ex (P 一八乃 · 沪 · 己 ( 4) 式 中 , 两 ,刀 1 , 几 , 乃为拟合 系数 . 变形 速度 的计算公 式为 : Z o .o v 厉二再 u 一万不不 ` 丫一天一 ( 5 ) 1 轧制力计算理 论模型 由于 单位压力在接触弧上 的分布是不均 匀 的 , 为便于 计算 , 一般均 以单位 压力 的平均 值 — 平均单位 压力来计算 总轧制力 . 平均单 位 压力p 。 可 写 成下列一般 形式 : 式 中 , V为轧辊辊面速度 ; H, h为轧件 的入 口 、 出 口 厚度 ; R为工作辊半径 . 变形程度计算公 式为 : , H e = m 下 ( 6 ) 收稿 日期 2 001 一 12 一 10 戴江 波 男 , 39 岁 , 工程 师 , 博 士生 * 国家 自然 科学 基金 资助课 题(N 。 . 5 9 8 3 51 70) 中厚板精轧机 的 轧制特点是 , 接触 弧水平 投影和 轧件平 均厚度h m之 比大于 1 , 即 l/ h 。 >l , 一 般在 1 . 5一 .7 0 . 此时沿轧件 厚度方 向变形 比较均 匀 , 因 而 由于 轧件 的不 均匀 变形而产 生的外 区 影 响较小 , 而接触弧上摩擦 力 ( 外摩擦 )是造成 应力状 态的 主 要 因素 . 同时 由于 轧件宽度B 较 大 , B/ l > > 5 ,轧制时宽展量 很小 , 因此一般采用 下 式计算轧 制力尸 : P 二 B · K · I c · n l 。 ( 7 ) 接触 弧 长cl : cl 一 扭 · ( H 一 h) (8 ) 外摩擦 (应 力状 态 )影 响系数 的计算有很 多 形式 , 在此使用 的是北京科技 大学 1 9 64 年对鞍 钢 17 0 0 m m 半 连轧 机进 行测 试 , 得到 的经验 公式 : 1 、尸、少. 1. 2 了丫 、. p 。 = n 沂= n l 。 n Z 。 n 3决 人声二 1 . 1 5 K 式 中 , n 。 为应 力状态 影响 系数 ;n , 。 为摩擦 对应 力 状 态的 影 响系数 ; 头 。 为考 虑外 区对应 力状态 的 影 响系数 ; n 3 。 为考虑 张 力对应力状 态 的影 响系 数 ;天材料变形 阻力 . 轧件变形阻力不仅与金属 材料的化学成分 有 关 , 而且还 取 决于 塑 性变形 的 物理条件 叹变 形温度 、 变形速 度与变形程度 ) . 在变形阻力研究 中都采用 以下 函数形式 : DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2002. 03. 065

Vol.24 戴江波等：2800中厚板轧机轧制力模型 319 n2.=0.72+0.28l./hn (9) 轧件入口厚度为120mm,道次压下量为20mm, 则变形速度u.=2.34s'；另外此轧机为可逆轧 应用ANSYS有限元方法计算中 机，生产中一般实行低速咬入的轧制工艺，所以 厚板轧制力 在轧制初始阶段轧制速度一般不大于2ms. 材料的平均变形速度处于2m·s的水平，属低 在轧制力预测方面，由于轧制过程属于多 变形速度的情况.在这种情况下，变形速度对变 变量、非线性、时变的耦合复杂系统，目前还没 形的阻力影响很小，材料的变形阻力将主要由 有成熟的理论能够准确地计算出生产条件下轧 变形温度与变形程度来决定，即采用与变形速 件的轧制力.本文采用较为成熟的有限元软件 度无关的弹塑性材料模型. ANSYS对不同温度分布的钢板及不同轧制过 (2)材料模型.按应变速率2s选择Q235 程力能参数进行轧制过程的模拟，得到变形体 钢的塑性变形阻力，材料的应力一应变关系如 内部应变和应力分布及轧制力理论模型 图2；材料的其他参数为波松比0.3，热容560 2.1 ANSYS有限元轧制过程仿真 J(gK),导热系数29W(mK)',密度7.8×10 采用ANSYS隐式算法计算二维刚性辊轧 kg.m 制过程.假设轧辊为没有划分网格的刚性辊，并 (3)摩擦系数的确定.考虑轧机的最大咬人 赋予刚性目标单元targetl69,轧辊的运动通过 角，取摩擦系数 polit节点进行控制，可使轧辊匀速转动；轧件采 (4)乳件温度的确定.在实际生产过程中， 用plane42单元进行网格划分，在其与工作辊的 件的温度分布并不是均匀的.这一点可由非接 接触面上赋予接触单元contact171;轧辊与轧件 触式THV550红外热像仪测量结果（如图3所 间的接触为库伦摩擦.轧辊转动引导轧件向前 示)证实，经过对现场红外成像近400幅的分析， 运动适当距离时计算1次，直至完成轧制过程， 轧件厚度方向上温度相差约30-100℃（见图4）， 模型见图1. 非均匀分布模型温度给定是按第1,2行节点温 度为1040℃，第3,4行为1080℃，第5,6行约为 1120℃，第7行为1080℃循序排定，即钢板的平 均温度为1080℃. 在计算过程中，给钢板以一种如上述分布 的温度和另一种均匀分布温度为初始条件，进 行轧制过程的非线性分析，得到变形体的应变 和应力分布及接触边界的应力分布.最后通过 积分得到轧制力⑨. (⑤)结果分析及理论建模.在相同的变形速 度、变形程度下，以及2种不同温度分布下进行 轧制过程计算，获得铅垂方向应力和接触表面 的压应力分布，结果见图5和图6.从压应力分 图1 ANSYS模型 布图中可以看出，轧件在温度分布均匀时，最大 Fig.1 ANSYS model 接触压应力值为73.6MPa,当B=2m时，总轧制 (1)工艺参数的确定.仿真用材质为Q235 压力为21.79MN;而温度不均匀分布时最大接 钢.高温下Q235钢机械物理特性可以参考文献 触压力值为45.4MPa,同样当B=2m时，总轧制 [3]或从相关手册中选取 压力为15.64MN;由此可见温度分布对轧制力 轧制过程变形区内材料的平均变形速度 有显著影响.这一点由实际轧制力数据充分证 为： 明.进一步仿真可知，轧件纵向和横向温度不均 M=(W)-(m月) (10) 匀分布时，轧制力也有类似的影响.因此，仅仅 考虑轧件的平均温度计算轧制力存在着较大的 针对武钢轧板厂2800mm中厚板轧机，轧 误差，而在现场在线控制中，所测温度实为钢板 辊的辊面速度v=4m·s,轧辊直径取900mm

·320· 北京科技大学学报 2002年第3期 250 1150 200 850℃ 1100 0 150 950℃o 0 1050℃→ 100 1050 11509x 50 1000 1250℃ 14284256708498 0 10 0.1 0.2 0.30.4 h/mm 图4钢板侧面厚度方向上的温度分布 图2材料的应力一应变关系 Fig.4 Armor plate's distribution of temperature along Fig.2 Relation of stress and strain of material way of ply 的表面温度，其轧制力计算误差是不可避免的 1314℃ 通过对各种工况、不同温度分布以及不同 的力能参数条件下有限元模拟，获得30组数据， 将其代入公式（⑦），计算得到轧件变形阻力，再由 公式(4)多元曲线拟合的方法，确定P,B,B,B. 由此有限元仿真所得的总轧制力的计算模型： P。=B-[556.45-2.72-0.d14.ea127] V反UH-xo7202s2.9810aW） 482℃ 由于在有限元仿真计算过程中没有考虑工 图3热像仪实测钢板温度场 作辊的弹性变形、轧件钢种及宽展等因素，所以 Fig.3 Measured substantive temperature of armor 上式存在误差，精度只能达到87%左右，因此必 plate by thermal meter 须通过实测数据再做修正. (a)均匀温度 (b)图4温度 图5不同温度分布时轧件沿垂方向应力分布 Fig.5 Armor plate's distribution of stress along way of ply at equality's distribution of temperature (a)均匀温度 (b)图4温度 图6不同温度分布时轧件接触表面压应力分布 Fig.6 Distribution of press's stress on armor plate's surface at equality's distribution of temperature

Vol.24 嫩江波等：2800中厚板轧机轧制力模型 ·321· 3总轧制力模型的修正 0326×108+111855%+141.236 B 对镇静钢(Q235-A)进行了现场的数据采 123345.361+652.871箭 (14) 集，采集数据共180组.在利用现场实测数据回 将式(14)代入式11)，就得修正后的轧制Q235A 归统计轧制力公式时采用了下列形式： 时轧制力计算模型.经修正后轧制力计算模型 P'=K,·Po或K,=P7P。(12) 有了较高的精度 式中，P为实测轧制力；K,为轧制力修正系数. 将K,回归统计成包含某些因素的线性公式，可 4结论 以较好地反映影响轧制力预报误差的规律.材 (1)建立了一种轧制力模型，并与现场实测 料成分为普碳钢(Q235-A).需考虑的因素：(1)锰 数据取得较好吻合，所得轧制力模型具有较高 对钢有非常大的强化作用，轧制力差别较大；(2) 的精度.这种建模思路，可推广适用于其他轧机 含有成分较多的金属如C,Si,Mn和Cu;而Nb,Ti, 的轧制条件. Re对轧制力的计算影响不大，可不考虑；(3)轧 (2)运用ANSYS有限元仿真钢板轧制过程， 件在宽度方向上的金属流动引起轧制力的变 不仅可以获得较全面的变形区内应力应变信 化；(4)辊系的弹性变形，特别是由于工作辊弹性 息，也可以较准确地模拟各种初始条件和边界 压扁，使得辊径增大，引起的轧制力变化较大 条件，是一种有效的研究方法. 对Q235钢有较高的轧制力预报精度的公式为： K-ataR(H-ar会a6将 参考文献 a0+ar管 I杨觉生.金属塑性变形物理基础M北京：治金T业 (13) 出版社，1998 式中，a,a2,,a4,a,C6,a,为拟合系数；wc,wa, 2吴迪平，不对称热轧轧件弯曲问题研究D]:[博士论 wc,ws为钢中C,Mn,Cu,Si质量分数；B,B为轧件 文]北京：北京科技大学，2000 的入口、出口宽度. 3周纪华，管克智，金属塑性变形阻力[M北京：机械T 业出版社，1989 利用实测数据，经曲线多元回归获得的修 4许光明，崔建忠.液固项复合轧制力能参数的ANSYS 正系数模型为： 软件模拟[.钢铁研究学报，2001,13(1少：19 K,0.7704-1.482×103.√R-(H-h)+ Development of Rolling Force Model for 2800 mm Steel Plate Finshing Mill DAI Jiangbo".ZHANG Qingdong".CHEN XianLin,SUN Lin,ZHANG Guangxin,ZHANG Chen" 1)Mechanical Engineering School,UST Beijing,Beijing 100083,China 2)Wuhan Iron and Steel Co.Ltd,Wuhan 430080,China ABSTRACT Considering the effect of temperature on rolling parameter,the ANSYS software was used to calculate the rolling parameter in the producing process of 2800 mm heavy-late machine,the stress distribution within the deforming body,the stress distribution on the contact surface and rolling force.The model of rol- ling force was built on the basis of these parameter.At last,the parameters are improved in rolling process. The calculated results are close to the measured ones. KEY WORDS plate;rollingforce;model

V 心 l 一 戴江波 等 2 4 : 8 中厚板 轧机轧 制力模 型 2 0 . 1 2 3 - 总 轧制力模型的修正 3 Q ( 对镇静钢 峨 进行 了现场 的数据采 2 3 ) 5 集 , 采集数据共 1 80 组 . 在利用 现场实测数据 回 归统计轧制力公式时采用 了下 列形式 : 尸二 凡 · 0P 或 凡 二 尸 ,0P/ ( 1 2) 式 中 , ’P 为实测轧 制力 ; 凡 为轧制力 修正 系数 . 将凡 回 归统计 成包 含某些 因素的 线性公式 , 可 以较好地反 映影响轧制力预报误差 的规律 . 材 料成分为普碳钢 (Q 2 35 一) . 需考虑的因素 : ( l) 锰 对钢有非常大 的强化作用 , 轧制力差别较大 ; (2) 含有成分较多 的金属 如 C , 5 1 , M n 和 e u ; 而 确 , T i , R e 对 轧制力的计算影响不大 , 可 不 考虑 ; (3) 轧 件在 宽度 方 向上 的金 属流 动引起 轧制 力 的变 化 ; ( 4 )辊系的弹性变形 , 特别是 由于 工作辊弹性 压扁 , 使得辊径增大 , 引起的 轧制力变化较大 . 对 Q 2 35 钢有较 高的轧制力预报精度 的公式为 : 0 . 3 2 6 x l 0 - 12 3 3 4 5 . 3 3 奈 ’ ` ’ ` 6枷 6 5 2 · · 5 , · 带 ` 4 , ` · 2 3 8 7 瓷 尊黔 l U ( 14 ) 将 式 ( 14 )代 入式 ( 1 1) , 就得修 正后 的轧制 Q 2 35 A 时轧制力计算模型 . 经修正后 轧制力计算模型 有了 较高的精 度 . 凡一+az 扭不瓜两 十 a3会 。器 a5 氏 瓷 粉 + 嘶盗 式 中 , a l , a Z , a 3 , a 。 , a s , a 6 , a 7 为 拟 合 系 数 ; w e , ( 1 3 ) W枷 , w e 。 , w s ,为钢 中 C , M n , C u , 5 1质量分数 ; B 。 , B l为轧件 的人 口 、 出 口 宽度 . 利用 实测数据 , 经 曲线 多元 回归获得的 修 正 系数模型 为 : 凡二 0 . 7 7 0 4 一 l . 4 8 2 x l o 一 , · 扭 · (H 一 h ) + 4 结论 ( l) 建立 了一种轧制力模型 , 并 与现场实测 数 据取得较好吻合 . 所得轧制力模 型 具有较高 的精度 . 这种建模思路 , 可推广适用于其他轧机 的 轧制条件 . (2 )运 用 A N S Y S 有 限元仿真钢板 轧制过程 , 不 仅 可 以获 得较 全面 的变 形 区 内应 力应 变信 息 , 也可 以较准确地模 拟各种初始条件和 边界 条件 , 是 一种有效的研究方法 . 参 考 文 献 1 杨 觉生 . 金 属 塑性变形 物理 基础 IM ] . 北京 : 冶金工 业 出版 社 , 19 9 5 2 吴 迪平 . 不对 称热 轧轧件 弯曲问题研究 [D] : 「博士 论 文 ] . 北京 : 北京科 技大 学 , 2 0 0 0 3 周 纪华 ,管克 智 . 金属 塑性变形 阻 力 [M l . 北 京 : 机械 工 业 出版社 , 1 9 89 4 许光 明 ,崔建 忠 . 液 固项 复合轧制力 能参数的 A N s y s 软件 模拟 [J ] . 钢铁研 究学 报 , 2 0 0 1 , 1 3 ( x ) : 19 D e v e l o P m e n t o f R o lli n g F o r c e M o d e l if ) r 2 8 0 0 m m S t e e l P l at e F i n s h i n g M ill DA I iaJ ” g b o , ), Z子丈4 N G Qi ” g do 馆 , ), C H五刃 iX a nL i n ,气 S UN L in , ), !Z 先4N G G u a n g x in , ), Z H通刀 G hC e n , , l )M e e h an i e a l nE g in e e r i n g S e h o o l , U S T B e ij ign , B e ij i n g 1 0 0 0 83 , C hin a Z )W u h an Ior n a n d s t e e l C o , L ul , W u h an 4 3 0 0 80 , Ch i n a A B S T R A C T C o n s id e r i n g ht e e fe e t o f t e ln P e r a t u r e o n r o lli n g P ar am e t e r , ht e A N S Y S s o fl w ar e w a s u s e d t o c a l e u lat e ht e r o lli n g P ar am e t e r i n ht e P r o du e ing P r o e e s s o f 2 8 0 0 r n n l h e a Vy 一 lat e m a e h i n e , ht e s tr e s s d i s tr ib u t i o n w it h i n ht e d e fo mr i n g b o 即 , ht e s etr s s d i s tr ib ut i o n o n ht e c o nt a e t s ur af c e a n d r o lli n g fo r e e . T h e m o d e l o f r o l - li n g fo r e e w a s b u ilt o n ht e b a s i s o f ht e s e Par am e t e r . A t l a st , ht e Par am e t e r s aer imP or v e d i n r o lli n g Pr o e e s s . T h e e a l e u l at e d r e s u lt s a r e c l o s e t o ht e m e a s ur e d o n e s . K E Y W O R D S Pl a t e : r o lli n g fo r c e : m o d e l