论文Q235板带钢钢卷冷却过程数值模拟.docx
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论文Q235板带钢钢卷冷却过程数值模拟
学校代码：
11517
学号：
201050616136
HENANINSTITUTEOFENGINEERING
毕业论文
题目Q235板带钢钢卷冷却过程数值模拟
学生姓名曹镇静
专业班级机械设计制造及其自动化1121班
学号201150616314
系（部）机械工程学院
指导教师（职称）赵永涛
完成时间2013年6月5日
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论文作者签名：
年月日
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对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。
论文作者签名：
年月日
河南工程学院
毕业设计（论文）任务书
题目Q235板带钢钢卷冷却过程数值模拟
专业机械设计制造及其自动化1121学号201150616314姓名曹镇静主要内容、基本要求、主要参考资料等：
热连轧板带材可以作为薄板和中厚板直接使用，还可作为冷轧板，焊管和冷弯型钢生产的原料，用途十分广泛。
热轧过程中同时发生着金属变形、传热及物理冶金变化等多种现象，各种现象间相互作用、相互影响。
对板带热轧过程进行准确的数值模拟需要将变形、传热和物理冶金变化严格耦合起来。
通过查阅文献，了解国内外热轧板带材的轧制过程，有限元模拟发展及现状，以有限元分析软件DEFORM/MSC.Marc/ANSYS为工具建立了热轧板带的有限元模型，在验证了模型可靠性的基础上，利用模型对轧制过程进行了数值模拟，以探求轧制过程中的规律，解决工业试验不便解决的问题，为工艺优化提供技术支持和理论依据，为最终预报产品的性能，进而优化生产工艺，推动生产技术的发展打下基础。
据原料，产品，设备，在咬入条件允许下，分配道次压下率，指定轧制速度，确定道次轧制温度，计算轧制压力，轧制力矩，校核轧辊强度，确定轧制规程。
并预期通过DEFORM/MSC.Marc/ANSYS等工具建立热轧板带钢精轧过程的有限元模型，利用所建立的轧制冷却模型，模拟了板带钢钢卷冷却过程中温度场等的变化情况。
分析轧件和轧辊的摩擦系数，压下力，轧件初始温度，轧制速度等对板带钢钢卷冷却过程的影响，优化轧制工艺。
参考文献:
[1]支颖，刘相华，周晓光等.热轧钢卷冷却过程温度演变的模拟和分析[J].钢铁研究学报，
2009.8：
275~278
[2]孙蓟泉，连家创.钢卷冷却过程中的热应力[J].燕山大学学报，1998.7：
222~224
[3]郑轲.热轧带钢卷取温度控制数学模型[J].鞍钢技术，2000.1：
35~38
[4]刘相华.轧制参数计算模型及其应用[M].化学工业出版社，2007.7：
217~219
[5]倪亚平.使用冷却水槽实现钢卷快速冷却技术[J].冶金自动化.2008：
622~623
[6]谢海波,张中平,刘相华等.利用神经网络提高热轧带钢卷取温度的控制精度[J].东北大学
学报（自然科学版），2005.9：
871~873
[7]赵志毅，杨晓臻，薛润东等.卷取后冷却速度对高强度热轧钢组织的影响[J].北京科技
大学学报，2008.10：
1127~1132
完成期限：
指导教师签名：
专业负责人签名：
2013年3月12日
目录
摘要I
ABSTRACTII
1绪论1
1.1热轧带钢的发展1
1.2课题研究的意义和背景2
1.3本文研究内容3
2文献综述4
2.1卷取温度的控制4
2.2卷取机5
2.2.1地下式卷取机的配置及工艺6
3、Q235碳素结构钢的介绍8
4.钢卷冷却工艺的制定9
5、钢卷冷却的有限元模拟10
5.1问题分析10
5.2有限元模拟分析简介11
5.3有限元模拟12
5.3.1建立模型12
5.3.2模拟处理器21
5.3.3后处理器22
5.4钢卷冷却过程中的热应力25
5.4.1钢卷的位移方程25
5.4.2温度场的确定及其变化26
6、热传递28
7、钢的组织变化过程32
8、结论36
致谢37
参考文献38
Q235板带钢钢卷冷却数值模拟
摘要
热轧过程中同时发生着金属变形、传热及物理冶金变化等多种现象，各种现象间相互作用、相互影响。
卷取后的钢卷，一般处于自然冷却的状态，虽然这个阶段中，相变、再结晶等组织变化已经基本完成，但是，温度的不均匀以及热收缩的不均匀仍然会对产品的质量造成一定的影响[1]。
本文通过DEFORM-3D工具建立板带钢钢卷冷却过程的有限元模型，利用
所建立的有限元模型模型，对钢卷冷却过程进行了数值模拟。
分析温度，冷却速
度及方式等对带钢钢卷冷却过程的影响，优化轧制工艺。
采用Deform有限元的方法模拟出钢卷在20h内的温度场分布，和钢卷的温
降曲线。
与此同时，在钢卷表面取几个有代表性的样本点，用现场实际测量的
20h的温度变化过程，与有限元的模拟结果相对比，得到模拟值与实际测量结果
的吻合度，同时还能从模拟结果中对比得出钢卷在强制冷却的过程中的温降比自
然冷却中的所节省的温降时间。
采用强制冷却可以加快钢卷的冷却速度，减少库存的压力，所以对钢卷的冷却方式和冷却速度的研究具有一定的现实意义。
关键词钢卷/有限元分析/数值模拟
Q235PLATESTRIPCOILCOOLING
NUMERICALSIMULATION
ABSTRACT
Occursimultaneouslyinthehotrollingprocessofmetaldeformation,heattransferandthechangeofphysicalmetallurgymultiplephenomenon,interaction,mutualinfluencebetweenvariousphenomena.Afterwindingcoil,generallyintheconditionofnaturalcooling,althoughthisphase,thephasetransformation,recrystallizationorganizationchangehasbeenbasicallycompleted,butthetemperatureisnotuniformandnon-uniformthermalshrinkagewillcausecertaininfluencetothequalityoftheproduct.
BasedonDEFORM3dtoolstoestablishfiniteelementmodelofplatestripcoilcoolingprocess,takeadvantageofTheestablishedmodel,thefiniteelementmodelofsteelcoilcoolingprocessaresimulated.Analysisoftemperature,coolingspeedDegreeandwayofstripsteelcoilcoolingprocess,theinfluenceoftheoptimizationofrollingtechnology.
UsingfiniteelementmethodtosimulatetheDeformsteelrolltemperaturefielddistributioninthe20h,andthetemperatureofsteelcoilDeclinecurve.Atthesametime,inthesurfaceofthesteelcoilinseveralrepresentativesamplepoints,usingactualmeasurementTemperaturevariationprocessof20h,comparedwiththefiniteelementsimulationresult,andgetthesimulationvalueandtheactualmeasurementresultsAlignment,atthesametime,alsocanfromthesimulationresultsobtainedinthesteelcoilintheprocessofforcedcoolingtemperaturedropintheratiosinceButsavetemperaturedropinthecoolingtime.Adoptstheforcedcoolingcanspeedupthecoolingspeedofsteelcoil,reduceinventorypressure,sothesteelcoilcoolingmethodandcoolingspeedresearchhascertainpracticalsignificance.
Keywords：
steelcoil/numericalsimulation/finiteelementanalysis
1绪论
1.1热轧带钢的发展
热轧卷板是以板坯为原料，经加热后粗轧、精轧制成带钢。
从最后一台精轧机出来后，通过层流冷却冷却至卷取温度，由卷取机卷成钢卷，冷却后根据用户的不同需求，经精整作业根据订货合同将冷却后的钢卷加工成各种宽度、卷重的钢卷并进行包装。
热轧钢被广泛应用在船舶、桥梁、机械等制造行业，它具韧性好、强度高、易成型及良好的焊接性等良好的性能。
板带刚是钢铁的主要产品之一，其中的热轧带钢更是重要的钢铁品种，对钢铁行业的进步和发展起着重要的作用。
在轧制行业中，高新技术在热轧板带钢的生产中的应用最集中，也是人们所关注的领域。
板带钢薄且宽的特性决定了板带钢在工业中的广泛应用。
从板带刚的生产上来讲，生产方法简单，有利于调整和改变规格；从应用上来讲，板带钢表面积大，是船体，车厢等包覆件产品不可缺少的材料，同时板带钢还可冲压、弯曲、焊接、切割等，使用比较灵活。
因此，板带钢在桥梁、汽车、建筑、电器等多方面都有广泛的应用。
板带钢的发展已有70多年的历史，一般可以认为它的发展经历了3个不同的时期。
在1960年以前被称为第一阶段，在这一时期，热轧带钢生产工艺上最重要的进步是将厚度自动控制技术用到精轧机上，从根本上改变了原料带钢的厚度差。
从20世纪60年代到70年代，是热轧宽带钢发展的又一重要时期，在热轧宽带钢生产技术向现代化技术方面取得的飞跃性的进步。
在这一时期，计算机控制技术在热轧宽带钢的生产中得到了全面的应用。
后来，日本和欧洲在1969~1974年期间在热轧带钢的主要生产工艺的技术指标方面又做了改进，这一时期就是第三时期。
在20世纪90年代热轧宽带钢在工艺方面又有了重大突破，是日本的无头连续轧制宽带钢技术，解决了生产0.8~1.2mm超薄带钢的一系列的难题[19]。
热轧带钢在发达国家产量约占轧钢的50%以上，在国际市场处于领先地位。
近年来，我国钢铁工业产量快速增长，但是高附加值产品的数量和质量卷存放仓库面积小的厂家而言，清楚钢卷的冷却时间，或者采用强制冷却的方式加快钢卷的周转，低，我国热轧带钢产品一般厚度的下限是1.2mm，而实际上很少有厚度小于2.0mm的热轧带钢，即便是窄带钢，产品的厚度一般也不小于2.5mm。
因此，很多希望使用厚度不大于2mm的带钢产品作为原料的用户，只能改用冷轧带钢。
如果能大量生产薄规格的热轧带钢，代替很大一部分的冷轧带钢的使用，则可以大大地降低成本。
所以，对热轧板带钢的研究具有现实意义，也是轧制行业发展的要求[19]。
1.2课题研究的意义和背景
热轧厂在生产过程中，通常钢卷需要在仓库中冷却到精整线温度，根据热轧钢卷冷却的实际所需时间：
冬季约天，夏季约5天。
时间较长，继而会产生好多问题：
1、因生产周期过长，钢卷库存量增大，；2、影响产品的力学组织性能，和质量；3、设备会因温度过高而老化，容易损坏；4、周转慢精整线因卷取温度过高，冷却时间长，需要停机待料。
因而，对钢卷冷却工艺进行研究具有研究意义。
钢卷从卷取机上卸下来后，处于自然冷却状态。
在这个阶段，相变、再结晶等物理变化过程基本完成，但由于钢卷温度不均匀，导致热收缩不均匀仍可能对板形的质量造成影响。
同时，带钢卷取以后，散热面积减小，热交换缓慢，以致有时会因钢卷太热影响发货。
对钢也需要分析钢卷冷却的温度场。
此外还有，高温卷取后，卷取后钢材的组织性能和均匀性是否还会变化也不太清楚。
热轧钢卷库是为钢卷冷却等待下一道工序而设定的，库存能力在保证生产线生产能力的情况下，一般钢卷冷却到50℃，以便下道工序的加工，和直接外运。
热轧钢卷库由于需要钢卷冷却，就目前而言，需要较大的存放面积，主要的因素就是冷却速度，因此在设计钢卷库时要认真考虑冷却和单位面积的平衡。
为了缩短冷却时间，通常采取以下措施[18]：
（1）把钢卷放在高架式的台架上提高散热效果；
（2）加强厂房的通风；
（3）钢卷水冷；
（4）由风机等强制冷却；
我国热轧宽带钢钢卷的规格：
厚度：
1.2~25.4mm宽度：
600~1900mm钢卷内径：
762mm钢卷外径：
最大2150mm钢卷质量：
最大43.6t单位宽度质量：
最大23㎏/㎜。
1.3本文研究内容
通过查阅文献，了解国内外板带钢钢卷冷却过程，有限元模拟发展及现状，以有限元方法建立了板带钢钢卷冷却过程的有限元模型，在验证了模型可靠的基础上，利用模型对板带钢钢卷冷却过程进行数值模拟，以探求板带刚钢卷冷却过程的规律，为工艺优化提供支持和理论依据，为最终预报产品的性能，进而优化生产工艺，推动生产技术的发展打下基础。
在终轧温度确定的情况下，经层流冷却，控制卷取温度，最后确定钢卷冷却的冷却方案。
并预期通过DEDORM-3D建立板带钢钢卷冷却过程的有限元模型，利用所建立的轧制冷却模型，模拟了板带刚钢卷冷却过程中温度场等的变化情况。
分析温度，冷却速度，冷却方式等对钢卷冷却过程的影响。
热轧钢卷是中间有间隙的层叠圆柱状卷曲的钢带，钢卷与周围空气的对流和钢卷表面的热辐射是主要的传热方式。
钢卷径向是钢层和界面层相叠而成的，两个临钢层中间的界面层对传热的过程有很大的影响。
钢卷的表面并不是光滑的，当钢卷的卷取比较实在是，相邻钢层的实际接触点包括实际接触点和这些接触点之间的间隙。
钢卷钢层之间的相互辐射削弱了孔内的散热，因此辐射引起的损失可以忽略不计。
钢卷冷却传热主要包括：
实际接触点间和间隙中空气的热传导以及热辐射。
在模拟中，采用合理的简化，将交替层叠的钢层和界面层简化为连续分布，导热系数是根据不同情况而采用不同的系数。
只考虑钢卷的径向和轴向的热传导，忽略周向的传热。
钢卷轴向导热系数为钢的导热系数，径向导热系数按照不同的情况取轴向导热系数的百分比，被称为等效径向导热系数。
因为钢卷内外层以及中间层的力学性能不同，所以等效径向导热系数也要做适当的调整。
表面的换热系数的计算主要取决与冷却方式的不同。
在自然冷却、强制空气冷却、水空气雾化冷却条件下的换热系数是不一样的，分别是：
15~20、42~47、和2250~2350
[17]。
2文献综述
2.1卷取温度的控制
热轧带钢生产的最后一道工序是带钢的卷取和冷却，也是决定最终产品的综合力学性能的重要的一道工序。
其中最重要的是卷取温度的控制，卷取温度控制是热轧带钢生产中非常重要的环节,控制精度直接影响到带钢最终的组织性能。
同时钢卷的冷却和卷取温度密切相关，卷取温度是影响成品带钢的重要参数，卷取温度控制的目的就是将带钢从终轧较高的温度降到所需的卷取温度，获得良好的组织力学性能。
卷取温度的控制系统要求：
（1）保证带钢在全长上卷取温度恒定，允许温度差小于20℃；
（2）保证带钢的冷却速度在每个区段恒定，与轧制速度无关；
（3）冷却过程为对称性，即上下表面散热情况相同。
卷取温度需要满足一定的要求，温度过高对刚的组织性能及对钢卷的冷却都有一定的不良影响，因此带钢从精轧机到卷取机之间一定要对带钢进行冷却，缩短生产线，从终轧到卷取机这个区间带钢的组织转变复杂，对带钢控制冷却，有利于获得所需的金相组织，获得良好的力学性能。
最常用的冷却方式是层流冷却，虽然装置设备多，控制复杂，但冷却精度高。
所以目前得到广泛使用。
轧机和卷取机之间的工艺流程图如下图所示[27]：
图2.1卷取机之间的工艺流程图
卷取温度的控制是热轧带钢中非常重要，控制过程主要通过数学模型来进行描述的，冷却中的热交换过程是复杂的非线性方程，并且冷却中带钢会发生组织变化，这些都是数学模型难以精确表达的。
然而，从神经网络入手，对带钢的卷取温度的偏差进行预测，可以提高数学模型的精度[3]。
数学模型是根据生产过程中的各种物理规律，应用数学方程来描述生产过程中参数间动态静态的关系。
在模型结构形式上采用了一些简化措施，参数变量液是尽量地少，这就决定了数学模型的不完整，因而不能提供精确的预报。
数学模型的缺陷如下所示：
（1）加速度影响模型的精度不是很高，在加减速时，波动大，控制精度差。
（2）没有考虑到带钢内部厚度方向的热传导，因而系统误差大，特别是厚板，预设定精度差；
（3）对于厚度大于16mm的带钢，穿带速度变化大时，头部的温度设定时好时坏。
（4）使用的工艺极限参数和实际不符合，对于厚板，速度低于一定的数值时，温度控制精度低[14]。
由于数学模型中的缺点，神经网络作为一种新的方法，在热轧带钢卷取温度
的预报方面显示啦较大的优势。
神经网络是通过一系列的学习样本训练，使它具有预测的功能。
学习样本包括带钢工艺参数、数模计算中的中间结果和对于的实际卷取温度，通过训练，卷取温度的规律将存储于神经网络中，之后通过向神经网络输入一定的工艺参数，就可以完成卷取温度的预报。
但在国内，神经网络的应用在带钢卷取温度的预报中还处于测试阶段，但应用潜在的前景十分广阔。
为提高传统数学模型的计算精度，采用神经网络和数学模型相结合的方法，将神经网络的优势与可以表达一定物理意义的传统数学模型相结合，对于卷取温度的预测将是十分有利的。
利用BP网络的方法预报的卷取温度的偏差，反馈给数学模型，改变控制策略，提高数学模型对后面带钢的卷取温度预报精度。
2.2卷取机
热带钢卷取机有地下和地上式，卷筒和无卷筒式。
其中地下式最为常见。
卷取机按助卷辊的数量分类可以分为：
8根助卷辊、2根助卷辊、4根助卷辊、3根助卷辊。
目前采用3辊式卷取机，厚带钢卷取机一般采用4辊式。
本课题中选用全液压三助卷辊地下卷取机。
2.2.1地下式卷取机的配置及工艺
由于卷取机位于工作辊道的下面，所以被称为地下式的卷取机。
它具有卷取速度快，而且卷取的钢卷密实，生产率高，最适用于卷取宽而厚的带钢等特点。
但是由于卷取机的工作条件恶劣，出故障的概率比较高，为了保证卷取机正常工作，卷取机一般布置三台以上。
带钢在进入卷取机前，需要快速得冷却到卷取温度的范围内（终轧温度一般为850~900℃，降至卷取温度550~650℃）。
所以精轧机和地下卷取机一般保持在120~150m左右，在之间的输送辊道上下面都设有层流冷却装置，通过调整水量、喷头的开关来控制卷取温度。
在生产率高，厚度范围大的生产线上，要求安装两台卷取机在末架轧机60~70m的距离，用来卷取薄带钢；安装2~3台卷取机距末架轧机180~200m的距离，用来卷取厚带钢[19]。
地下式卷取机结构：
由夹送辊、前后导尺、导板、助卷辊、卷筒组成。
主要构成如图所示：
图2.2地下式卷取机主要构成如图
它的作用主要有两点：
1、控制轧机出口的张力2、将带材卷取成卷[26]。
三辊式地下卷取机卷取工艺过程：
1、准备状态带钢刚离开精轧机时，卷取机就已经处于准备工作状态。
此时，上张力辊向下压，助卷辊抱住卷筒。
在辊缝调整机构的作用下，它们之间都有与带钢厚度相适应的辊缝。
在带钢进入卷取机时，张力辊正确导向，借助导板装置，使带钢能够顺利地卷上卷筒。
2、正常卷取当带钢卷3到5圈之后，带钢在卷筒和轧机间形成稳定的张力，张力辊放松，所有助卷辊打开，正常卷取开始。
卷筒和轧机加速，卷取同步。
3、收卷状态当带钢的尾部快要离开轧机时，卷取机开始收卷。
此时，夹送辊控制压力，带钢在芯轴和夹送辊之间形成张力，带钢尾部过减速点之后，夹送辊、辊道和卷取机同时减速，助卷辊合拢，压紧外侧钢卷，使钢卷尾部稳速通过夹送辊。
带钢尾部一定要在钢卷下方，并有一定的角度，避免卸卷时钢卷松散。
带钢脱离轧机时，传动电动机发电，张力辊压紧，带钢在张力辊和卷筒之间形成张力。
卸卷时，助卷辊打开，小车上升托住钢卷，助卷辊打开，卷筒收缩，钢卷移出，卸卷小车把钢卷送至钢卷中心线后，升降液压缸下降到最低位置，再返回卷取机的中心位置，等待下一次卷取。
之后卷取机恢复准备状态。
此时，运卷小车到钢卷中心站，同时，运卷小车的升降液压缸上升，托起钢卷并送至钢卷运输链上。
此后，液压缸降到最低位置，运卷小车复位到初始位置。
卷取机在高速、冲击力较大的恶劣条件下进行运作，结构复杂，故障率高。
根据卷取机的环境条件及工作特点，对卷取机性能有如下特殊要求：
（1）卷取机刚性高，不易变形；
（2）保持高机械精度的结构；
（3）耐反复冲击的高强度结构；
（4）发生故障率低的机械结构；
（5）设备结构应有利于检修和维护。
由于卷取机结构复杂且工作繁重，发生故障的比其他设备的频率高。
从20世纪80年代开始，出现了液压型和气-液型卷取机。
这两种卷取机设备精度和卷取能力都高于气动式卷取机。
液压型卷取机助卷辊和夹送辊辊缝由液压伺服系统完成，设定的精度非常高，冲击和振动由液压缸吸收。
气-液型卷取机夹送辊和助卷辊的辊缝由液压缸完成设定，咬钢产生的冲击和振动由气缸吸收。
本课题中选用全液压三助卷辊地下卷取机[27]。
表2-1全液压三助卷辊地下卷取机
项目
单位
参数
卷取机型式
全液压三助卷辊地下卷取机
卷取带钢厚度
mm
1.2~12.7
卷取带钢宽度
mm
700~1300
钢卷外径
mm
1200/1400~
2000/2050
钢卷内径
mm
~
762
最大卷重
kg
25300
卷取最大张力
kg
8200
卷取速度
m/s
18
穿带速度
m/s
10
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