轧制力与张力测量.ppt
王宝明++苏惠超++王超峰
摘 要：本文应用有限元模拟软件MSC.MARC，对全浮动芯棒连轧过程进行分析，通过调整连轧机第一机架轧辊的转速改变轧制张力，得到了连轧张力变化时对轧制力的影响规律。研究结果表明，稳轧阶段第二机架轧制力平均值随张力的变化分为三個阶段：轧辊转速为1.8～3.0rad/s时，轧制力平均值随轧辊转速的增加基本呈线性上升，有较大幅度升高；轧辊转速在3.0～4.0rad/s时，升高得相对平缓；轧辊转速为4.0～5.0rad/s时，升高的幅度最小。稳轧阶段第二机架轧制力峰值随张力的变化也可划分为三个阶段：轧辊转速为1.8～2.0rad/s时，轧制力峰值升高幅度较小；轧辊转速为2.0～4.0rad/s时，升高得较快；轧辊转速为4.0rad/s～5.0rad/s时，升高幅度又变得缓慢。
关键词：有限元分析；轧辊转速；张力变化；轧制力
中图分类号：TG335.71 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）13-0051-02
1 前言
无缝钢管在热连轧过程中，轧制力是重要的轧制力能参数之一，连轧机各机架负荷的分配、热轧钢管的尺寸精度以及其组织性能均受轧制力大小的影响。影响钢管热连轧轧制力的因素有很多，如通过调整连轧机机架转速改变连轧张力，从而影响轧制力的大小，本文即应用有限元模拟软件MSC.MARC对全浮动芯棒连轧过程进行分析，研究连轧张力发生变化时对全浮动芯棒连轧管机组轧制力的影响规律，为大生产中连轧工艺参数的优化、调整提供指导[1-2]。
2 有限元模型及边界条件
2.1 设定初始工艺参数
本研究选取20#钢材质进行热连轧模拟仿真，空减管、连轧管尺寸分别为：Ф179.0×15.5mm、Ф152.5×5.75 mm，芯棒直径为Ф136.5mm。
2.2 边界条件的确定
本文利用热力耦合大变形弹塑性有限元法建立钢管的连轧过程有限元模型，[3]采用更新的Lagrange方法进行计算。
接触条件设定：连轧机轧辊为合金球墨铸铁，可设为刚性接触体。钢管可设为弹塑性接触体，从MSC.MARC材料库中读取其各项性能参数，泊松比为0.27，密度为7.85×103kg/m3。钢管与轧辊间的摩擦采用库仑摩擦模型，设为0.3。钢管与外界环境的等效对流换热系数取0.02kw/（m2·℃），热辐射率设为0.8，热功转换系数设为0.9，轧制温度设为1050℃。[4]
设试验材质遵守Fourie热传导法则，流动法则采用Prandtl-Reuss流动方程，接触热传导系数取20kw/（m2·℃），屈服准则采用VonMises准则。相邻连轧机架的间距设为200mm，为保证稳态轧制，轧件长度取900mm，在横截面上取30个单元，长度方向取60等份，单元的类型取7号，共采用2684个节点。[5]考虑钢管轧制过程的对称性，取其四分之一进行模拟分析，提高计算效率，划分有限元网格采用八节点六面体等参单元技术。
3 模拟结果及分析
为研究机架间张力状态发生变化对连轧轧制力的影响。设置第二、三机架轧辊转速不变，调整第一机架轧辊转速从而改变轧制张力，得出不同张力下第二机架的轧制力情况。本研究共为第一机架轧辊设置了7个转速：1.8rad/s、 2.0rad/s、2.2rad/s、2.4rad/s、3.0rad/s、4.0rad/s、 5.0rad/s。
3.1 张力变化对轧制力平均值的影响
第一机架轧辊在不同转速下，模拟得到稳轧阶段第二机架轧制力平均值随轧辊转速的变化如图1所示。
从图1可以看出，第一机架轧辊转速在1.8～3.0rad/s时，第二机架稳轧阶段轧制力平均值基本呈线性趋势增大，每上升1.0rad/s，轧制力平均值上升1061KN。轧辊转速在3.0～4.0rad/s时，轧制力平均值升高得相对平缓，升高了744KN。轧辊转速为4.0～5.0rad/s时，轧制力平均值升高的幅度最小，仅为153KN。
3.2 张力变化对轧制力峰值的影响
稳轧阶段，第二机架轧制力峰值随轧辊转速的变化如图2所示。
从图2得知，第一机架轧辊转速在1.8～2.0rad/s之间时，此时机架间为张力轧制状态，第二机架轧制力峰值升高幅度较小，轧辊转速每上升1.0rad/s，轧制力峰值上升500KN。轧辊转速在2.0～4.0rad/s之间时，轧制力峰值升高得较快，轧辊转速每上升1.0rad/s，轧制力峰值上升1500KN。轧辊转速为4.0rad/s～5.0rad/s时，轧辊转速升高幅度又变得缓慢，每上升1.0rad/s，轧制力峰值上升582KN。分析可知，轧辊转速在2.0～4.0rad/s之间变化会引起轧制力峰值较大的波动，小于2.0rad/s或者超过4.0rad/s引起的轧制力峰值波动较小。
4 结语
（1）稳轧阶段，第二机架轧制力平均值随张力的变化分为三个阶段：第一机架轧辊转速为1.8～3.0rad/s时，第二机架轧制力平均值随轧辊转速的增加基本呈线性上升，有较大幅度升高；轧辊转速在3.0～4.0rad/s时，轧制力平均值升高得相对平缓；轧辊转速为4.0～5.0rad/s时，轧制力平均值升高的幅度最小。
（2）稳轧阶段，第二机架轧制力峰值随张力的变化可划分为三个阶段：第一机架轧辊转速为1.8～2.0rad/s时，第二机架轧制力峰值升高幅度较小；轧辊转速为2.0～4.0rad/s时，轧制力峰值升高得较快；轧辊转速为4.0rad/s～5.0rad/s时，轧制力峰值升高幅度又变得缓慢。
参考文献
[1]孟庆刚.中厚板待温轧制过程的热力耦合数值模拟[D].钢铁研究总院，2010.
[2]廖勇刚.热连轧过程仿真及工艺优化[D].西北工业大学，2006.
[3]陈火红.Marc有限元实例教程分析[M].北京：机械工业出版社，2002.2.
[4]杨理诚，刘波，刘利峰，等.基于线材轧制成型的三维热力耦合弹塑性有限元研究[J].机械科学与技术，2006，25（3）：313-316.
[5]王北明.国外连轧钢管[M].北京：冶金工业出版社，1978.
