热轧定宽压力机板坯侧弯形成规律有限元仿真.pdf

D0L:10.13374.issn1001-053x.2013.11.015 第35卷第11期北京科技大学学报 Vol.35 No.11 2013年11月 Journal of University of Science and Technology Beijing Nov.2013 热轧定宽压力机板坯侧弯形成规律有限元仿真王晓晨)，何峰1)，杨荃)凶，王海玉)，王晓东2)，李华2)，董立杰) 1)北京科技大学国家板带生产先进装备工程技术研究中心，北京100083 2)首钢技术研究院，北京100043 3)河北首钢迁安钢铁有限责任公司，迁安064404 ☒通信作者，E-mail:yangquant@nercar.ustb.cdu.cn 摘要某些现场热连轧生产线定宽压力机出口普遍存在板坯侧弯现象.采用有限元软件LS-DYNA建立了定宽压力机板坯定宽的有限元模型，对不同板坯中心线偏移量和锤头非对称倾斜角度下的板坯侧弯情况进行分析.造成减宽过程侧弯的原因是板坯中心线偏移，并给出其定量影响的关系式。关键词热轧：定宽压力机：板坯：侧弯：有限元法分类号TG333.7+1 Finite element study on the formation regularity of slab cambering at a slab sizing press of hot rolling WANG Xiao-chen),HE Feng),YANG Quan),WANG Hai-yul),WANG Xiao-dong?),LI Hua2), DONG Li-jie) 1)National Engineering Research Center of Flat Rolling Equipment,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083, China 2)Research Institute of Technology,Shougang Group,Beijing 100043,China 3)Qian'an Iron and Steel Co.Ltd.,Shougang Group,Qian'an 064404,China Corresponding author,E-mail:yangquan@nercar.ustb.edu.cn ABSTRACT The purpose of this article is how to eliminate slab cambering at a slab sizing press in the hot rolling steel production line in some Chinese steel plants.A finite element model of slab sizing pressing was established with the finite element software LS-DYNA.Slab cambering was analyzed at different slab center-line offsets and asymmetrical hammerhead inclination angles.It is found that slab center-line offset is the main influence factor of slab cambering during slab sizing pressing,and then a quantitative expression of influence was gained. KEY WORDS hot rolling:slab sizing press;slabs;cambering;finite element method 随着连铸与轧制技术的发展，连铸与热轧工序情况，从而得到了定宽压力机的侧弯形成规律，为之间通过定宽压力机来实现宽度连接-).在国内生产现场采取针对性工艺措施来抑制侧弯产生提供一些热连轧生产线，连铸坯经定宽压力机减宽后出理论参考现较严重的侧弯.为了对定宽压力机侧弯的形成机 1动态有限元模型的建立理进行分析，本文采用大型有限元软件LS-DYNA, 建立了板坯定宽的有限元模型，针对定宽过程的不 1.1模型建立及网格划分对称影响因素进行分析，系统研究了不同的中心线从定宽压力机的工作特性可知，板坯定宽模型偏移量和锤头偏移角度等不对称因素下的板坯侧弯具有对称特性，但由于本次模拟需要考虑传动侧与收稿日期：2013-04-12

第 35 卷第 11 期北京科技大学学报 Vol. 35 No. 11 2013 年 11 月 Journal of University of Science and Technology Beijing Nov. 2013 热轧定宽压力机板坯侧弯形成规律有限元仿真王晓晨1)，何峰1)，杨荃1) ，王海玉1)，王晓东2)，李华2)，董立杰3) 1) 北京科技大学国家板带生产先进装备工程技术研究中心，北京 100083 2) 首钢技术研究院, 北京 100043 3) 河北首钢迁安钢铁有限责任公司，迁安 064404 通信作者，E-mail: yangquan@nercar.ustb.edu.cn 摘要某些现场热连轧生产线定宽压力机出口普遍存在板坯侧弯现象. 采用有限元软件 LS-DYNA 建立了定宽压力机板坯定宽的有限元模型，对不同板坯中心线偏移量和锤头非对称倾斜角度下的板坯侧弯情况进行分析. 造成减宽过程侧弯的原因是板坯中心线偏移，并给出其定量影响的关系式. 关键词热轧；定宽压力机；板坯；侧弯；有限元法分类号 TG333.7+1 Finite element study on the formation regularity of slab cambering at a slab sizing press of hot rolling WANG Xiao-chen1), HE Feng1), YANG Quan1) , WANG Hai-yu1), WANG Xiao-dong2), LI Hua2) , DONG Li-jie3) 1) National Engineering Research Center of Flat Rolling Equipment, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) Research Institute of Technology, Shougang Group, Beijing 100043, China 3) Qian’an Iron and Steel Co. Ltd., Shougang Group, Qian’an 064404, China Corresponding author, E-mail: yangquan@nercar.ustb.edu.cn ABSTRACT The purpose of this article is how to eliminate slab cambering at a slab sizing press in the hot rolling steel production line in some Chinese steel plants. A finite element model of slab sizing pressing was established with the finite element software LS-DYNA. Slab cambering was analyzed at different slab center-line offsets and asymmetrical hammerhead inclination angles. It is found that slab center-line offset is the main influence factor of slab cambering during slab sizing pressing, and then a quantitative expression of influence was gained. KEY WORDS hot rolling; slab sizing press; slabs; cambering; finite element method 随着连铸与轧制技术的发展，连铸与热轧工序之间通过定宽压力机来实现宽度连接 [1−5] . 在国内一些热连轧生产线，连铸坯经定宽压力机减宽后出现较严重的侧弯. 为了对定宽压力机侧弯的形成机理进行分析，本文采用大型有限元软件 LS-DYNA，建立了板坯定宽的有限元模型，针对定宽过程的不对称影响因素进行分析，系统研究了不同的中心线偏移量和锤头偏移角度等不对称因素下的板坯侧弯情况，从而得到了定宽压力机的侧弯形成规律，为生产现场采取针对性工艺措施来抑制侧弯产生提供理论参考. 1 动态有限元模型的建立 1.1 模型建立及网格划分从定宽压力机的工作特性可知，板坯定宽模型具有对称特性，但由于本次模拟需要考虑传动侧与收稿日期：2013-04-12 DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2013.11.015

·1522 北京科技大学学报第35卷操作侧的非对称，因此取上下对称建立1/2模型，为Q235,有限元模型及材料所需参数[6-10如表1 如图1所示. 所示. 定宽压力机 Fringe Levels 1.2板坯和锤头运动 Time =0 0.000e+00 Contours of Effective Stress (v-m) 0.000e+00 在定宽过程中，板坯为“停一走一停”的步进 min =0,at elem#1 0.000e+00 max =0,at elem#1 式过程.以图1的坐标系为标准，板坯以一定的初 0.000e+00 人口导辊出口导辊 0.000e+00 速度沿Z轴负方向（板坯行进方向）运动到锤头前， 0.000e+00 停止运动：随后，锤头沿X方向（板坯宽度方向） 0.000e+00 0.000e+00 向板坯运动进行定宽，定宽到所需位置后，锤头沿 0.000e+00 反方向移动到本次定宽前的位置而停止：然后，板 0.000e+00 坏入口夹送辊侧压模块 0.000e+00 坯沿Z轴负方向运动400mm后又停止运动，锤出口夹送辊头再次进行定宽.不断重复上述过程即可实现板坯全长的定宽.可将上述一次定宽过程分解为四个步图1动态有限元模型骤：锤头压下一锤头升起一板坯前进一锤头压 Fig.1 Dynamic finite element model 下侧压模块、夹送辊和导辊在定宽过程中变形极 1.3边界条件的确定小，可假定没有变形，因此在有限元分析中被视为整个模型中，需对刚体限制自由度.夹送辊和刚体.板坯模型采用三维八节点六面体单元，长度导辊只能有沿自身轴转动的自由度，而不能有平动方向被均分为200份，高度方向被均分为10份，宽的自由度：锤头只能有X方向的平动自由度，不能度方向分为60份（中部单元的宽度为边部单元宽有转动自由度：由图1可知Y方向（板坯厚度方向）度的5倍)，划分后网格总数为120000个.板坯材质对称面处位移边界条件为1y=0. 表1有限元模型及材料参数 Table 1 Parameters of the finite element model and materials 板坯尺寸杨氏模量/GPa1050℃时屈1050℃时切 1050℃1050℃时板坯与长度/mm 宽度/mm厚度/mm 20℃1050℃服应力/MPa 线模量/MPa时泊松比模块动摩擦因数 5000 1400/1600 230 210 115 115 100 0.3 0.3 2 有限元结果分析减宽后的板坯主要出现跑偏，即出口板坯中心线与为分析定宽压力机侧弯产生机理，本文针对锤原来的前进方向呈一定角度：虽然也出现一定的侧头非对称倾角与板坯中心线偏移两种可能的影响因弯，但与跑偏相比并不明显.因此，定宽机锤头非素进行分析对称倾斜不是引起侧弯的主要因素，而是会引起板 2.1锤头非对称倾角对侧弯的影响坯跑偏，且板坯的跑偏量随着锤头倾角的增大而增锤头非对称倾角对侧弯影响分析是指当定宽大机一侧的锤头安装出现一定倾角时，板坯横断面改传动侧 1701 操作侧 160 变及侧弯产生情况.定义锤头逆时针倾斜为正，反 150 ■偏1° 之为负. 140 ·偏3° 当板坯宽度为1600mm、减宽量为200mm时， 130 ·偏5 如果操作侧锤头有倾角，随着锤头倾角的变化，板。120 x偏-1° 坯横断面的变化不大，如图2所示.由此说明当定 110- ·对称 T100+ 宽机锤头有非对称倾角时，并不会对板坯的横断面 0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.8 形状产生影响. 板坯宽度坐标/m 当板坯通过出口夹送辊之后，板坯在不同的锤图2不同锤头倾斜角度下的出口板坯横断面形状头倾斜角度情况下的中心线形状如图3所示.由图 Fig.2 Cross section of slabs at different hammerhead incli- 中可以看出：当操作侧锤头倾斜一定角度时，经过 nation angles

· 1522 · 北京科技大学学报第 35 卷操作侧的非对称，因此取上下对称建立 1/2 模型，如图 1 所示. 图 1 动态有限元模型 Fig.1 Dynamic finite element model 侧压模块、夹送辊和导辊在定宽过程中变形极小，可假定没有变形，因此在有限元分析中被视为刚体. 板坯模型采用三维八节点六面体单元，长度方向被均分为 200 份，高度方向被均分为 10 份，宽度方向分为 60 份 (中部单元的宽度为边部单元宽度的 5 倍)，划分后网格总数为 120000 个. 板坯材质为 Q235，有限元模型及材料所需参数 [6−10] 如表 1 所示. 1.2 板坯和锤头运动在定宽过程中，板坯为 “停 — 走 — 停” 的步进式过程. 以图 1 的坐标系为标准，板坯以一定的初速度沿 Z 轴负方向 (板坯行进方向) 运动到锤头前，停止运动；随后，锤头沿 X 方向 (板坯宽度方向) 向板坯运动进行定宽，定宽到所需位置后，锤头沿反方向移动到本次定宽前的位置而停止；然后，板坯沿 Z 轴负方向运动 400 mm 后又停止运动，锤头再次进行定宽. 不断重复上述过程即可实现板坯全长的定宽. 可将上述一次定宽过程分解为四个步骤：锤头压下 — 锤头升起 — 板坯前进 — 锤头压下. 1.3 边界条件的确定整个模型中，需对刚体限制自由度. 夹送辊和导辊只能有沿自身轴转动的自由度，而不能有平动的自由度；锤头只能有 X 方向的平动自由度，不能有转动自由度；由图 1 可知 Y 方向 (板坯厚度方向) 对称面处位移边界条件为 u1Y =0. 表 1 有限元模型及材料参数 Table 1 Parameters of the finite element model and materials 板坯尺寸杨氏模量/GPa 1050 ℃时屈 1050 ℃时切 1050 ℃ 1050 ℃时板坯与长度/mm 宽度/mm 厚度/mm 20 ℃ 1050 ℃ 服应力/MPa 线模量/MPa 时泊松比模块动摩擦因数 5000 1400/1600 230 210 115 115 100 0.3 0.3 2 有限元结果分析为分析定宽压力机侧弯产生机理，本文针对锤头非对称倾角与板坯中心线偏移两种可能的影响因素进行分析. 2.1 锤头非对称倾角对侧弯的影响锤头非对称倾角对侧弯影响分析是指当定宽机一侧的锤头安装出现一定倾角时，板坯横断面改变及侧弯产生情况. 定义锤头逆时针倾斜为正，反之为负. 当板坯宽度为 1600 mm、减宽量为 200 mm 时，如果操作侧锤头有倾角，随着锤头倾角的变化，板坯横断面的变化不大，如图 2 所示. 由此说明当定宽机锤头有非对称倾角时，并不会对板坯的横断面形状产生影响. 当板坯通过出口夹送辊之后，板坯在不同的锤头倾斜角度情况下的中心线形状如图 3 所示. 由图中可以看出：当操作侧锤头倾斜一定角度时，经过减宽后的板坯主要出现跑偏，即出口板坯中心线与原来的前进方向呈一定角度；虽然也出现一定的侧弯，但与跑偏相比并不明显. 因此，定宽机锤头非对称倾斜不是引起侧弯的主要因素，而是会引起板坯跑偏，且板坯的跑偏量随着锤头倾角的增大而增大. 图 2 不同锤头倾斜角度下的出口板坯横断面形状 Fig.2 Cross section of slabs at different hammerhead inclination angles

第11期王晓晨等：热轧定宽压力机板还侧弯形成规律有限元仿真 1523· 41 操作侧 61 操作侧 3 m 2 板坏红进方向 1 0 0 -1 -2 0 2 -2 4 3 板坯行进方向 -4 -6 5 传动侧 8 传动侧板坯纵向坐标/m 板坯纵向坐标/m (a) (b) 201操作侧 301 操作侧 15 10 板坯行进方向 m 20 10 板坯行进方向 5 0 -5 2 -10 -10 20 -15 -20 -30 -25 传动侧 40传动侧板坯纵向坐标/m 板坯纵向坐标/m (c) (d) 图3不同锤头倾斜角度下的出口板坯中心线形状.(a)-1°：(b)1°：(c)3:(d)5 Fig.3 Central lines of slabs at different hammerhead inclination angles:(a)-l°：(b)1°：(c)3°：(d)5° 2.2板坯中心线偏移对侧弯的影响为不同的板坯中心线偏移量情况下板坯横断面尺寸板坯中心线偏移对侧弯影响分析是指当板坯分布，其中图5(a)为板坯未经过出口夹送辊时，图中心线与定宽机中心线出现一定偏移时，板坯横断 5(b)为板坯经过出口夹送辊后.由图5可知：当板面改变及侧弯产生情况.定义以板坯中心线向操作坯中心线向某一侧偏移而板坯还未经过出口夹送辊侧偏移为正，向传动侧偏移为负时，则板坯横断面狗骨形状在这一侧较高，而在另当板坯中心线偏移时，沿板坯长度方向会出现一侧较低，且这一趋势随着中心线偏移量的增大而弯曲.以板坯中心线向操作侧偏移50mm为例，图增大：而当板坯经过出口夹送辊后，板坯两侧的厚 4为从板坯头部在入口夹送辊前到板坯尾部完全通度趋于相等. 过出口夹送辊的整个过程.图4()为板坯进入入口当板坯通过出口夹送辊之后，不同偏移量情况夹送辊前：图4(b)为锤头第一步定宽，可以看出由下板坯中心线形状如图6所示，其中X轴正方于板坯中心线向操作侧偏移，因此操作侧锤头先与向为板坯运动方向.由图6可知，当来料板坯中心板坯接触，且第一步操作侧的减宽量大；图4（©）为线向操作侧偏移时，经过减宽后的板坯向传动侧弯第一步定宽完成后，板坯整体被锤斜，可从图中板曲，而且随着偏移量的增大，板坯弯曲的程度也增坯与入口夹送辊的夹角看出；图4(d)为定宽中段，大.而经过出口夹送辊后的板坯横断面两侧不存在板坯进入出口夹送辊前，可以看出板坯是斜着在进楔形，这与轧制过程中形成的侧弯与楔形的对应关行定宽：图4(e)和()为板坯定宽完成以及板坯完系不同.在后续的粗轧工序中，如果想要消除板坯全走出出口夹送辊后，可以看出板坯整体有向传动在减宽时形成的侧弯，很容易导致板坯出现新的楔侧弯曲的趋势.上述模拟规律符合现场的板坯弯曲形.因此，板坯在定宽压力机处形成的侧弯，难以情况. 通过后续的轧制工序来消除，只能从定宽压力机自当板坯中心线偏移时，未经过出口夹送辊的减身着手，提高定宽机的对中精度宽后板坯横断面形状会出现明显的楔形，而经过出再结合现场定宽压力机出口板坯弯曲的实际口夹送辊后的减宽后板坯两侧厚度趋于相等。图5 情况如图7所示.由图可知现场定宽压力机出口

第 11 期王晓晨等：热轧定宽压力机板坯侧弯形成规律有限元仿真 1523 ·· 图 3 不同锤头倾斜角度下的出口板坯中心线形状. (a) –1◦；(b) 1◦；(c) 3◦；(d) 5◦ Fig.3 Central lines of slabs at different hammerhead inclination angles: (a) –1◦；(b) 1◦；(c) 3◦；(d) 5◦ 2.2 板坯中心线偏移对侧弯的影响板坯中心线偏移对侧弯影响分析是指当板坯中心线与定宽机中心线出现一定偏移时，板坯横断面改变及侧弯产生情况. 定义以板坯中心线向操作侧偏移为正，向传动侧偏移为负. 当板坯中心线偏移时，沿板坯长度方向会出现弯曲. 以板坯中心线向操作侧偏移 50 mm 为例，图 4 为从板坯头部在入口夹送辊前到板坯尾部完全通过出口夹送辊的整个过程. 图 4(a) 为板坯进入入口夹送辊前；图 4(b) 为锤头第一步定宽，可以看出由于板坯中心线向操作侧偏移，因此操作侧锤头先与板坯接触，且第一步操作侧的减宽量大；图 4(c) 为第一步定宽完成后，板坯整体被锤斜，可从图中板坯与入口夹送辊的夹角看出；图 4(d) 为定宽中段，板坯进入出口夹送辊前，可以看出板坯是斜着在进行定宽；图 4(e) 和 (f) 为板坯定宽完成以及板坯完全走出出口夹送辊后，可以看出板坯整体有向传动侧弯曲的趋势. 上述模拟规律符合现场的板坯弯曲情况. 当板坯中心线偏移时，未经过出口夹送辊的减宽后板坯横断面形状会出现明显的楔形，而经过出口夹送辊后的减宽后板坯两侧厚度趋于相等. 图 5 为不同的板坯中心线偏移量情况下板坯横断面尺寸分布，其中图 5(a) 为板坯未经过出口夹送辊时，图 5(b) 为板坯经过出口夹送辊后. 由图 5 可知：当板坯中心线向某一侧偏移而板坯还未经过出口夹送辊时，则板坯横断面狗骨形状在这一侧较高，而在另一侧较低，且这一趋势随着中心线偏移量的增大而增大；而当板坯经过出口夹送辊后，板坯两侧的厚度趋于相等. 当板坯通过出口夹送辊之后，不同偏移量情况下板坯中心线形状如图 6 所示，其中 X 轴正方向为板坯运动方向. 由图 6 可知，当来料板坯中心线向操作侧偏移时，经过减宽后的板坯向传动侧弯曲，而且随着偏移量的增大，板坯弯曲的程度也增大. 而经过出口夹送辊后的板坯横断面两侧不存在楔形，这与轧制过程中形成的侧弯与楔形的对应关系不同. 在后续的粗轧工序中，如果想要消除板坯在减宽时形成的侧弯，很容易导致板坯出现新的楔形. 因此，板坯在定宽压力机处形成的侧弯，难以通过后续的轧制工序来消除，只能从定宽压力机自身着手，提高定宽机的对中精度. 再结合现场定宽压力机出口板坯弯曲的实际情况如图 7 所示. 由图可知现场定宽压力机出口

.1524 北京科技大学学报第35卷定宽压力机 Mises等效应力/Pa 定宽压力机 Mises等效应力/Pa Time =0 0.000e+00 Time=0.24792 2.060e+08 Contours of Effective Stress (v-m) 0.000e+00 Contours of Effective Stress (v-m) 1.854e+08 min =0,at elem#1 0.000e+00 min =0.at elem#1 1.648e+08 max 0,at elem#1 0.000e+00 max=2.06042e+08,at elem#122206 1.442e+08 0.000e+00 1.236e+08 0.000e+00 1.030e+08 0.000e+00 8.242e+7 0.000e+00 9e口/ 6.181e+07 0.000e+00 4.121e+07 0.000e+00 2.060e+07 0.000e+00 0.000e+00 (a) (b) 定宽压力机 Mises等效应力/Pa 定宽压力机 Mises等效应力/Pa Time=0.30989 1.702e+08 Time=0.9297 2.415e+08 Contours of Effective Stress (v-m) 1.532e+08 Contours of Effective Stress (v-m) 2.174e+08■ min =0,at elem#1 1.362e+08 min 0,at elem#1 1.932e+08 max=1.70205e+08,at elem#5071 1.191e+08 max=2.415e+08,at elem#122850 1,691e+08 1.021e+08 1.449e+08 8.510e+07 1.208e+08 5.808e07 9.660e+07 .106e+07 7.245e+07 3404eL07 4.830e+07 1.702e-+07 2.415e+07 0.000e+00 0.000e+00 袋 (c) (d) 定宽压力机 ises等效应力/Pa 定宽压力机 Mises等效应力/Pa Time=2.1073 3.017e+08 Time=2.9131 2.720e+08 Contours of Effective Stress (v-m) 2.716e+08 Contours of Effective Stress (v-m) 2.448e+08■ min =0,at elem#1 2.414e+08 min =0,at elem#1 2.176e+08 max=3.01725e+08,at elem#119479 2.112e+08 max=2.71978e+08,at elem#1196321.904e+08 1.810e+08 1.632e+08 1.509e+08 1.360e+08 1.207e+08 1088e+08 9.052e+07 8.159e+07 6.034e+07 5.440e+07 3.017c+07 2.720e+07 0.000e+00 0.000e+00 (e) (0 图4板坯定宽全过程.(a)进入入口夹送辊前；(b)第一步定宽；(c)第一步定宽后；(@)进入出口夹送辊前；(e)定宽完成；()完全走出出口夹送辊 Fig.4 Whole process of width reduction:(a)at the front of pinch roll entrance;(b)the first step of width reduction;(c)after the first step of width reduction;(d)at the front of pinch roll exit;(e)after width reduction;(f)complete walk-out of pinch roll exit 传动侧 190 操作侧传动侧 124 操作侧 180 122 170 ,偏-100mm 120 160 ·偏25mm ,偏-100mm 118 150 偏50mm ·偏25mm 140- 116 偏75mm .偏50mm 30 114 偏100mm 偏75mm 120 110 ·对称 ,偏100mm ·对称 100 108 0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.8 0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.6 0.8 板坯宽度坐标/m 板坯宽度坐标/m (a) (b) 图5不同中心线偏移量的板坯横断面形状.(a)板坯未经过出口夹送辊；(b)板坯经过出口夹送辊后 Fig.5 Different center-line offsets corresponding to the cross sections of slabs:(a)before slabs going through the pinch roll exit; (b)after slabs going through the pinch roll exit