厚板矫正冷却过程的基础研究中文.docx

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厚板矫正冷却过程的基础研究中文

厚板矫直和冷却过程的基础研究

摘要：

开发了数字分析厚板轧辊矫直和冷却中发生的应变和残余应力的方式。

编制和合并了一个包括矫直辊变形分析的轧辊矫直机模型和一个基于有限元的用于冷却过程的热弹性塑性模型。

使用这些模型进行一系列的分析，得出下列结论：

（1）厚板中的残余应力可以通过热矫直减少，但是厚板不均匀冷却又会造成进一步的残余应力。

（2）冷矫直机的框架刚度要足够高以降低钢板中的残余应力。

关键词：

板形纠正、矫直、轧辊矫直机、厚板轧制、热机控制过程、数字分析、热弹性塑性有限元、残余应力

1.简介

近年来，厚板制造中高强度材料和在线热处理材料在增加。

由于这些产品对热轧后钢板进行急冷以实现材质特性，与通常的空冷过程中制造的钢板相比，板形较差。

另外，由于残余应力释放，有时二次加工后的形状（弯曲、镰刀弯）很差。

为了解决这些问题，必须理解轧制后的冷却（加速冷却）工程以及热矫直和冷矫直工程。

过去，有关厚钢板形状轧辊矫直机的理论分析和操作条件设定方法的论文很多，但是有关统一处理冷却和矫直过程的论文却不多见。

本文中，为了研究冷却过程中最合适的材料矫直条件和残余应力控制，建立了冷却过程中热弹塑性有限元残余应力分析模型和考虑矫直过程中材料温度分布的弹塑性分析模型，用计算例进行报告。

2.分析模型

图1中示出了本分析模型的构成。

用分析冷却工程的热弹塑性有限元模型的残余应力和温度分布输出，作为分析矫直工程的矫直机模型的输入，求出最终的解。

2.1矫直机模型（反复弯曲弹塑性计算）

矫直机模拟模型，是联合轧辊变形的反复弯曲弹塑性模型。

根据以下假定计算内部应力。

●由于板宽/板厚很大，忽略板宽方向的歪斜。

●忽略板厚方向的应力。

●板厚、板宽、板纵向作为各种主应力方向。

●外部张力与板宽方向相同，在矫直过程中不变。

●忽略材料的包辛格效应

●对形状不良的钢板进行矫直时，在板全宽范围内都与轧辊接触。

根据Prandtl-Reuss流动法则和VonMises屈服条件，δx、δy和δz分别为厚板长度、宽度和厚度方向的应力，当量应力为δeq，当量塑性歪斜为δq，假如

，

则根据假定，构成式变成下列公式：

另一方面，假定曲率为

、中立轴的延伸率为

，歪斜的合适条件是

另外，作为力的平衡条件，

t:

板厚，b:

板宽，δT:

张力

如果从δx、δy、δz等厚板初期状态，进行弯曲（给予曲率履历），消除应力增量和歪斜增量，可以求得应力和歪斜状态。

在数值计算中，假定

（1）式中的

，通过构成式计算，进行收敛计算，直到

（2）式得到满足为止。

卸载时弯曲和残余应力的计算，可以求出纵向张力δT和X、Y方向力矩Mx、My为0。

首先

（2）式中张力为0，求出残余曲率，由此计算的力矩Mx、My被释放，求出作用在直板上的力矩-Mx、-My，根据下列公式计算残余应力。

t:

板厚z:

与中立轴的距离

关于形状矫直，按照下列想法进行。

假定形状不良的厚板也与矫直机轧辊全面接触，厚板宽度方向各部分相同长度上，延伸的部分发生压缩应力，部延伸的部分发生拉伸应力，宽度方向上应力总和为0。

形状矫直计算是在这个内部应力上加上弯曲应力，使宽度方向的延伸歪斜差异变小。

另外，提供了如何决定矫直机内施加在材料上的曲率的分析方法，本文中采用精度良好的下列公式进行计算。

δi:

各辊缩进量，t:

板厚，p:

辊半节距

而且，上述模型适用于具有下列特征的矫直机。

（1）反复弯曲弹塑性模型，在板厚和板宽方向上分割板的横断面，在有温度分布的情况下输入对应于温度分布的材料机械性能，能够计算各分割中材料的机械性能和初期残余应力。

（2）板宽方向上各分割中，考虑辊子变形，可以得出相互啮合的分布。

但是有时板宽上发生啮合时会影响相邻的啮合，也就是说不考虑各板宽啮合之间的限制。

（3）为了评价矫直机纵向刚度和辊子变形控制，与板轧制用轧辊变形分割模型轧辊相连，工作辊变形是由与支承辊的接触以及材料的矫直负荷引起的。

图2中是与轧辊变形模型相连的本模型的流程图。

根据材料侧的矫直负荷计算轧辊变形。

根据轧辊变形，进行矫直计算，保持板宽方向相互啮合分布。

反复进行这个过程，负荷收敛一致时就是所得的解。

2.2热弹塑性模型

热弹塑性有限元模型，是计算从加速冷却开始到停止和热矫直后的常温为止的时时刻刻的热履历、热应力以及纵切镰刀弯量的模型。

这里设置下列假定。

（1）材料是弹完全塑性体，并考虑热传导性、热容量以及弹性模量、屈服应力的温度依存性。

膨胀系数只有单纯的温度依存性，如图13所示，根据平均温度的平均冷却速度求出线性膨胀系数。

（2）在冷却不均匀的情况下，水冷热传导系数发生变化。

由于本模型是图4中示出的板宽度方向切片模型，在板宽方向上热传导系数发生变化。

另外，表面和里面具有相同的冷却。

（3）温度计算通过切断面绝热，在应力计算中，切断面保持平面并平行移动，在镰刀弯量计算中，切断面保持平面并自由旋转，侧面释放。

3.计算结果

矫直机模型具有与轧辊变形模型相连的特点，首先评价矫直机的刚度，然后通过冷却和热、冷矫直过程评价残余应力。

3.1矫直机刚度对形状矫直能力的影响

（1）计算条件

按表1中的矫直机规格和条件进行计算。

图5示出了将矫直机支承辊也作为评价对象的构造。

（为了评价支承辊的构造本身，将图5中小车的横向刚度设为无限大。

）

（2）计算结果

为了评估形状矫直效果，将矫直后陡度相对于矫直前陡度减少的多少作为矫直率。

另外，矫直前的形状是陡度定为0.3%的边缘波浪。

（a）矫直机横向刚度的影响

假定矫直机的纵向刚度无限大，在不考虑轧辊变形的情况下，厚板的矫直率如图6所示。

由于两者几乎没有差异，本计算中作为例子的矫直机支承系统本身，要考虑抑制矫直辊弯曲的足够能力。

表1轧辊矫直机规格和用于数字分析的材料性能

工作辊

Ф275x4700mm，11辊

支承辊

Ф280x4700mm，在辊子宽度方向上分成5个辊子

工作辊间距

290mm

材料

屈服应力392MPa

硬化系数980MPa

厚板尺寸

厚度20~60mm，宽度2600mm

矫直机设定

入口啮合3.8mm

出口啮合-0.4mm

通常的矫直机，如图5所示，带有抑制工作辊弯曲的支承辊系统。

同时，为了在辊子宽度方向上均匀矫直，必须提高小车和框架的刚度或者增加辊子的凸度。

（b）支承辊推入的影响

图7示出了支承辊的中央辊推入矫直的情况下边缘波浪矫直效果。

支承辊使工作辊中央部弯曲时，板中央部受到比板端部更大的弯曲，有效地矫直边缘波浪，矫直率提高。

3.2加速冷却和矫直引起的残余应力变化

（1）热弹塑性模型的确定性

图8中加速冷却装置出口侧的表面温度空冷到常温后，测定纵切镰刀弯量，与计算结果进行比较。

计算和实机试验结果的倾向一致。

另外，图中的OLAC是在线加速冷却的缩写，使用的是加速冷却装置。

（2）加速冷却和热矫直的残余应力计算

图9示出了25mm厚x2600mm宽钢板不均匀冷却时，板宽方向300mm间距上90℃温差（高温部570℃、低温部480℃）时纵向残余应力的板厚方向分布。

由于不均匀冷却，在板厚方向上平均，低温部分形成拉伸残余应力，高温部分形成压缩残余应力，低温部分的残余应力和高温部分的残余应力在板宽方向上相匹配。

图10示出了上述材料热矫直前后纵向残余应力在板厚方向分布的变化。

热矫直后的残余应力，在板断面的各分割中，输入图9的残余应力和板宽方向温度分布进行计算。

另外，假定矫直中没有温度变化。

从计算结果中对热矫直残余应力进行细分。

图11中示出了纵向残余应力在板宽方向分布变化的计算结果。

每个板宽分割中，取板厚方向分布平均值，高温部发生压缩残余应力，低温部发生拉伸残余应力，热矫直后高温部和低温部的残余应力分布下降。

图12示出了冷矫直前后残余应力的变化。

图10热矫直后残余应力，用作冷矫直前的残余应力，用考虑冷却时发生的热应力，作为输入值。

图13示出了纵向残余应力板宽方向分布变化的计算结果。

热矫直中，板厚方向平均拉伸残余应力在低温部，通过其后的冷却发生压缩和变化，残余应力变得相当大。

图12和图13中，通过冷矫直减少了相当大的残余应力，是约2000吨的矫直负荷。

这个计算例中板厚为25mm，由于矫直负荷与板厚的平方成比例，板厚大时，冷矫直中矫直负荷会变得相对大。

冷却不均匀造成的残余应力，通过热矫直消除，也会在随后的冷却过程中发生。

为了减少这种残余应力，需要进行强有力的冷矫直。

（3）通过冷矫直减少残余应力

下面探讨通过冷矫直机降低残余应力的条件。

但是，实际上残余应力是厚板制品的问题，降低残余应力通过厚板纵切时的镰刀弯的大小进行评价。

图14和图15中，通过冷矫直降低镰刀弯。

框架的横向刚度（为方便起见，用6505吨的负荷加载在框架上时被矫直材料厚道方向的弯曲量作为指标）用横轴表示。

矫直前的残余应力较大，发生约25mm/10m的镰刀弯。

关于冷矫直后残余应力下降，如图14和图15所示，如果取较大的塑性变形率，矫直机框架刚度没有影响，否则框架刚度有影响。

由于塑性变形率和造成材料塑性弯曲的力矩的关系是非线性的，轧辊挠度大小施加在材料上的弯曲力矩在板宽方向分布程度，随塑性变形率的大小而不同。

即使在3000吨级的矫直机中，当板厚在40mm以上时，框架刚度小的矫直机上不能进行镰刀弯的冷矫直。

但是，如果是能够补偿框架刚度的矫直机，虽然不能进行大压下矫直，但是可以减少残余应力。

4.小结

为了研究厚板加工热处理中歪斜问题，建立了冷却和矫正工程统一的分析系统。

关于冷却过程，建立了热弹塑性有限元模型。

对于矫正过程，建立了轧辊变形分割模型和弹塑性弯曲模型一体化的模型。

根据上述模型，进行基本的研究可以得出下列结论：

（1）为了进行高效的矫直，高的矫直机机构横向刚度是很重要的。

与目前的支承辊系统相比，高效的矫直更取决于框架的横向刚度。

（2）冷却不均匀的材料进行热矫直时即使降低残余应力，其后通过冷却进行冷矫直时又发生大的残余应力。

（3）通过冷矫直高效降低残余应力，需要框架刚度高的冷矫直机，或者需要补偿矫直机框架刚度的机构。