一种确定板带钢热轧过程工作辊温度场的有限元方法与流程

本发明属于金属轧制领域，尤其是一种确定板带钢热轧过程工作辊温度场的有限元方法。

背景技术：

中国作为制造业大国，每年的钢产量十分庞大。工作辊是轧钢生产中主要的消耗设备。目前，我国工作辊的平均消耗速度为2kg/t，每年需要数十万吨的工作辊，而相较于发达国家的工作辊消耗量仅为我国的50％-70％。提高工作辊的使用性能，降低其消耗水平将节省大量资金。在板带钢热轧过程中，工作辊表面受到周期性的来自板带钢急速热量传入导致的温度急剧升高和随后的冷却水、空气等造成的温度急剧降低，工作条件十分恶劣。工作辊温度场的分布不仅决定着工作辊的工作周期、使用寿命，而且通过影响工作辊的热凸度和辊缝形状进而对产品质量也有重要影响。因此，研究板带钢热轧过程中工作辊温度场的分布具有重要意义。

由于工作辊热边界条件的复杂性，传统的温度计算方法受其求解机理限制，很难准确地确定温度场分布。有限元法作为一种数值计算方法，可以有效并且准确地计算轧制过程中工作辊的温度场。过去由于受有限元法技术的限制，有限元模型往往简化热边界条件的方法导致计算结果误差较大，或者采用调用子程序的方法造成操作复杂难以在工程实际中推广使用。

技术实现要素：

为解决以往热边界条件过于简化或者调用子程序导致操作复杂的问题，本发明提供一种快速有效的确定板带钢热轧过程工作辊温度场的有限元方法。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种确定板带钢热轧过程工作辊温度场的有限元方法，它包括以下步骤：

步骤一，建立工作辊有限元模型

以工作辊为研究对象，对工作辊横截面进行单元划分；

步骤二，定义边界条件

根据工作辊的热轧工况，定义边界条件，包括位移边界条件和热边界条件；

步骤三，建立传热层有限元模型

建立与工作辊表面接触的单元网格；

步骤四，确定工作辊与传热层的传热系数

根据热轧工况，确定工作辊与传热层的换热系数，其中：

咬入区的综合换热系数hstrip，按照下式计算：

hstrip＝a1+a2(a3+a4exp(a5ts))

式中：ts为轧件温度(℃)，a1，a2，a3，a4，a5为常数，其值分别为52350，-4175，4.168，1.712×10-6，0.014；

空冷区的换热系数hair，按照下式计算：

式中：tw为工作辊表面温度(℃)，tair为周围空气温度(℃)，d为工作辊直径(m)；

喷射冷却区的换热系数hwater，按照下式计算：

hwater＝6870wcw^0.19pcw^0.27

式中：wcw为冷却水流密度(l/s·m²)，p为冷却水喷射压力(mpa)；

挡水板积水冷却区的换热系数hwiper，按照下式计算：

re＝vwlc/υcw

prcw＝ρcwccwυcw/kcw

式中：re为雷诺数，prcw为挡水板积水的prandtl数，vw为工作辊速度(m/s)，υcw为冷却水流动粘度(m²/sec)，kcw为冷却水的导热系

数(w/m·k)，lc为挡水板积水与工作辊接触弧长度(m),ccw为冷却水的比热容(j/(kg·k)，ρcw为冷却水的密度(kg/m³)；

步骤五，定义工作辊与传热层的接触关系

根据热轧工况，定义工作辊与传热层的接触关系，实现工作辊的周期性热边界条件；

步骤六，计算板带钢热轧过程工作辊温度

提取板带钢热轧过程工作辊温度场分布的详细信息。

进一步地，步骤一中，工作辊有限元模型沿径向采用从中心至表面逐渐加密和沿周向等分的网格划分方式。

进一步地，步骤二中，根据工作辊的热轧工况，设定工作辊在x和y向的位移为零，定义工作辊的初始温度。

进一步地，步骤三中，传热层采用单层单元，单元类型为四节点平面单元。

进一步地，骤五中，定义工作辊和传热层的接触体类型，定义工作辊与传热层的接触方式。

进一步地，步骤五中，设定传热层转速和转动中心，根据热轧工况，存储传热层不同区域单元分别为咬入区、空冷区、喷射冷却区及挡水板积水冷却区，设定存储单元的初始温度，将步骤四所得的换热系数赋予不同的存储单元，通过具有转速的传热层实现工作辊周期性热边界条件的加载。

有益效果：

1.通过本发明提出的有限元方法，可以充分考虑工作辊的热轧工况，操作简单，省略了子程序调用；

2.本发明提出了一种高效精确的确定板带钢热轧过程工作辊温度场的有限元方法，为研究工作辊的热行为提供了有效途径。

附图说明

图1为本发明一实施例的有限元模型图；

图2为图1中a部分放大图；

图3为本发明一实施例的第一圈热轧时工作辊表面的温度随时间变化关系图；

图4为本发明一实施例的热轧过程中工作辊沿不同深度位置处温度随时间变化关系图；

图5为本发明一实施例的热轧十三周后工作辊温度分布云图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

以板带钢热轧精轧机用工作辊初始热轧阶段温度场的计算为例，具体包括以下步骤：

步骤一，建立工作辊1有限元模型

以工作辊1为研究对象，对工作辊1横截面进行单元划分，考虑轧辊表面承受较大的温度梯度，工作辊1的有限元模型沿径向采用从中心至表面逐渐加密，在距离表面0.01r范围内进行细化，周向等分为360份，定义轧辊的材料属性，密度ρ＝7580kg/m³，比热c＝465.0j/(kg·k)，导热系数k＝54.0w/(m·k)，弹性模量e＝210gpa，泊松比ν＝0.3，热膨胀系数α＝11.5×10^-6/k；

步骤二，定义工作辊1边界条件

根据工作辊1热轧工况，定义边界条件，定义工作辊1在x和y方向上的位移为0，工作辊1的初始温度为30℃；

步骤三，建立传热层2有限元模型

建立与工作辊1表面接触的单元层，单元层等分为360份；

步骤四，确定工作辊1与传热层2的传热系数

根据热轧工况，确定咬入区、空冷区、喷射冷却区及挡水板积水冷却区的换热系数，其中：

咬入区的综合换热系数hstrip，按照下式计算：

hstrip＝a1+a2(a3+a4exp(a5ts))

式中：ts为轧件温度(℃)，a1，a2，a3，a4，a5为常数，其值分别为52350，-4175，4.168，1.712×10-6，0.014；

空冷区的换热系数hair，按照下式计算：

式中：tw为工作辊1表面温度(℃)，tair为周围空气温度(℃)，d为工作辊1直径(m)；

喷射冷却区的换热系数hwater，按照下式计算：

hwater＝6870wcw^0.19pcw^0.27

式中：wcw为冷却水流密度(l/s·m²)，pcw为冷却水喷射压力(mpa)；

挡水板积水冷却区的换热系数hwiper，按照下式计算：

re＝vwlc/υcw

prcw＝ρcwccwυcw/kcw

式中：re为雷诺数，prcw为挡水板积水的prandtl数，vw为工作辊1速度(m/s)，υcw为冷却水流动粘度(m²/sec)，kcw为冷却水的导热系数(w/m·k)，lc为挡水板积水与工作辊1接触弧长度(m)，ccw为冷却水的比热容(j/(kg·k)，ρcw为冷却水的密度(kg/m³)；

步骤五，定义工作辊1与传热层2的接触关系

定义工作辊1的接触体类型为弹性体，传热层2的接触体类型为可传热刚体，工作辊1与传热层2的接触方式为面段-面段接触，摩擦系数为0，设定传热层2转动速度为热轧速度，转动中心为工作辊中心坐标值，根据热轧工况，存储传热层2不同区域单元分别为咬入区、空冷区、喷射冷却区及挡水板积水冷却区，设定存储单元的温度，将步骤四所得的换热系数赋予对应的存储单元，通过具有转速的传热层2实现工作辊1周期性热边界条件的加载；

步骤六，计算板带钢热轧过程工作辊温度

提取热轧过程中工作辊1温度场分布的详细信息。图3是工作辊1热轧第一圈时工作辊1表面的温度随时间变化，其中1-2是咬入区，2-3和6-1是挡水板积水冷却区，3-4和5-6是喷射冷却区，4-5是空冷区，由图3可以看出，工作辊1在咬入区温度迅速上升，随后在水冷区和空冷区温度逐渐降低。图4是在20s内工作辊1表面及其沿径向不同深度位置处温度随时间变化对比，由图4可以看出，工作辊1表面温度在经历5圈热轧后达到了动态平衡，此时表面最高温度为430℃，此外，由图4可以发现，工作辊1的温度梯度变化由外向内逐渐减小。图5是在稳定热轧状态时，工作辊1沿径向从表面至中心温度分布，由图5可以看出工作辊1温度梯度集中于距离表面深度50mm内，超过50mm处温度保持初始温度不变。

由图3-5可知，确定工作辊1的热轧工况后，可通过本发明快速有效地确定板带钢热轧过程工作辊1温度场的分布。

对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。