王震 戚新軍 宋九梅 張玉琴

(安陽鋼鐵股份有限公司)

六輥CVC板帶冷連軋軋機(jī)ANSYS有限元仿真探討

王震 戚新軍 宋九梅 張玉琴

(安陽鋼鐵股份有限公司)

研究建立了運用通用有限元軟件ANSYS求解六輥CVC軋機(jī)輥系三維彈性變形的有限元模型，進(jìn)而以1750 mm冷軋機(jī)組為對象，運用通用有限元軟件ANSYS分析數(shù)百個工況下的數(shù)據(jù)，研究此類軋機(jī)的板形調(diào)控能力和輥間接觸壓力。

輥系變形 接觸變形 有限元 CVC軋機(jī)

0 前言

一直以來，關(guān)于寬帶鋼冷軋機(jī)板形控制技術(shù)的研究與創(chuàng)新都離不開計算機(jī)仿真。根據(jù)近20年國內(nèi)引進(jìn)的幾十條冷軋機(jī)組的實踐經(jīng)驗，在投產(chǎn)后都經(jīng)歷了“本土化”的技術(shù)改進(jìn)或改造，尤其是其中的軋輥輥形設(shè)計都在進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化和完善［1］。CVC機(jī)型是現(xiàn)代冷連軋的常用機(jī)型之一。筆者以1750 mm冷連軋機(jī)為對象，研究運用通用有限元ANSYS對此類軋機(jī)建模，對板形調(diào)控性能進(jìn)行計算，并對計算結(jié)果進(jìn)行探討為生產(chǎn)以后的輥形設(shè)計優(yōu)化做技術(shù)準(zhǔn)備。

1 CVC軋機(jī)的簡介

該系列軋機(jī)最初由聯(lián)邦德國(原西德)施羅曼一西馬克公司(SMS)于1980年發(fā)明的。它與HC軋機(jī)的不同之處在于其上下移位輥采用S型且呈反對稱布置，這樣移位輥根據(jù)所需輥縫形狀移動以改變軋制寬度范圍內(nèi)的輥縫形狀，從而大大提高該軋機(jī)的板凸度控制能力。由于該軋機(jī)具有板凸度控制能力強(qiáng)、操作方便、易改造及投資少的優(yōu)點，所以發(fā)展較快，至今已有 CVC4、CVC6、CVC4+、CVC6+等型號［2］。

2 六輥CVC軋機(jī)仿真模型的建立

2.1 輥系變形的力學(xué)模型

1750 mm六輥軋機(jī)的輥系包括支持輥、支持輥軸承和中間輥、中間輥軸承以及工作輥、工作輥軸承。其中工作輥、中間輥為平輥。由于上、下工作輥和支持輥的對稱性及中間輥反對稱，故只考慮上半部分。圖1軋輥軸承和輥頸間存在復(fù)雜的接觸關(guān)系，這里不考慮軋輥軸承和輥頸間的載荷偏移，軸承合力作用點位于軸承中心。這里只討論輥系彈性變形，因此不考慮軋件的變形。計算將軋制壓力作為固定的外力作用在工作輥上。輥系的力學(xué)模型如圖2所示，Ⅰ、Ⅱ為兩個彈性接觸對。

圖1 1750 mm輥軋機(jī)輥系示意圖

圖2 1750 mm輥軋機(jī)輥系軋輥力學(xué)模型示意圖

2.2 模型簡化

首先，利用ANSYS建立輥系變形模型，所必要的假設(shè):①工作輥、中間輥和支持輥均為勻質(zhì)、各向同性材料;②工作輥與中間輥以及中間輥與支持輥輥間無滑動。在此基礎(chǔ)上，對六輥軋機(jī)的輥系模型，作如下簡化:

1)由于六輥軋機(jī)上下兩部分結(jié)構(gòu)是相同的，所以可只取上半部分的三個軋輥進(jìn)行研究。這樣既可降低運算規(guī)模，又可細(xì)化網(wǎng)格，為提高計算精度創(chuàng)造了條件。

2)工作輥、中間輥和支持輥輥形均按點輸入，這樣可精確反映輥形的實際值。

3)去掉軋件，將它對工作輥的作用以軋制力的分布函數(shù)q(x)代替，其合力用P表示，兩個支反力和兩個彎輥力仍然作用在輥端軸頸上，兩端的支反力和兩端的彎輥力都是對稱的，它們的合力分別用FI和FW表示，如圖2所示只計算軋制線以上的輥系變形，帶鋼與輥系之間的作用通過軋制壓力分布來體現(xiàn)。

2.3 實體單元的劃分與選取

ANSYS單元庫有100多種單元類型，考慮到輥系變形模型是一個三維實體模型，因此選取單元庫中的Solid45(八節(jié)點六面體)等參單元作為主要的單元。

在單元劃分方面，為了兼顧計算精度和計算速度，在軋輥內(nèi)部，單元劃分較粗，越靠近軋輥表層，單元劃分越細(xì)。同時，在輥間接觸區(qū)、工作輥與帶鋼接觸區(qū)，將單元細(xì)分。圖3和圖4為劃分單元后的輥系計算模型。

圖3 六輥CVC軋機(jī)模型

圖4 載荷施加

2.4 邊界條件及載荷施加

1)邊界條件。為保證計算過程中模型不發(fā)生剛性移動和轉(zhuǎn)動，需施加以下約束:在模型中工作輥、中間輥和支持輥軋輥的一端輥頸選取2個節(jié)點添加X方向約束;在主視圖剖面所有節(jié)點上添加Z方向約束;在支撐輥軸頸中心點上添加Y方向約束。

2)載荷的施加。外載荷為:作用在工作輥上軋件寬度的軋制力(按均布載荷與拋物線載荷)及工作輥、中間輥兩端軸頸中心點上的彎輥力。

3 仿真工況確定

根據(jù)1750 mm機(jī)組生產(chǎn)工藝，設(shè)計如下工況:

1)軋輥輥身長度。輥身是軋輥的工作部分，軋輥長度如下:工作輥:1730 mm，中間輥:1970 mm，支持輥:1730 mm。

2)帶鋼寬度。依據(jù)軋機(jī)可軋的最窄品種和最寬品種，另外取一個中間平均寬度的工況，選擇B=800 mm、1200 mm 和1630 mm。

3)彎輥力設(shè)置。依據(jù)軋機(jī)的正彎和負(fù)彎最大彎輥力，另外取彎輥缸不動作時的工況，確定彎輥力如下:

工作輥彎輥力FW=－35/0/50 t/side;

中間輥彎輥力FI=－45/0/65 t/side。

4)單位軋制力。根據(jù)以往同類仿真計算的經(jīng)驗，取軋制力分布為2次曲線分布，分布不均系數(shù)為1.2，平均單位板寬軋制力 q=0.5/0.9/1.3 t/mm。

5)中間CVC輥軸向抽動量S。依據(jù)軋機(jī)中間輥的最大抽動量，另外取中間輥不動作時的工況，?。?20 mm/0 mm/120 mm三種情況。

將其組合計算，共得到了六輥CVC軋機(jī)在243種工況條件下的板形調(diào)控功效離散值。

4 計算結(jié)果

整理有限元計算結(jié)果并作圖(如圖5所示)。圖5 中當(dāng)B=1200 mm、q=0.9 t/mm、S=0 mm 時的承載輥縫形狀。其中A1～A9分別表示工作輥和中間輥彎輥力為 0 t和 0 t，0 t和65 t，0 t和 －45 t，50 t和 65 t，50 t和 0 t，－35 t和0 t，－35 t和 －45 t，－35 t和65 t，50和－45 t等9種情況。圖中表示了彎輥力組合對承載輥縫形狀調(diào)控作用。

圖5 承載輥縫曲線

輥縫凸度調(diào)控域指軋機(jī)各板形調(diào)控技術(shù)對承載輥縫的2次凸度CW2和4次凸度CW4的最大調(diào)節(jié)范圍，它反映了軋機(jī)輥縫形狀的調(diào)節(jié)柔性。根據(jù)求得的輥縫曲線，定義并計算輥縫凸度調(diào)控域［3］。圖6、圖7和圖8分別為帶鋼寬度為800 mm、1200 mm和1630 mm在單位軋制力0.5 t/mm時CVC軋機(jī)在承載輥縫凸度調(diào)節(jié)域比較。

圖6 帶寬800 mm輥縫凸度調(diào)節(jié)域

圖7 帶寬1200 mm輥縫凸度調(diào)節(jié)域

圖8 帶寬1630 mm輥縫凸度調(diào)節(jié)域

由圖6、圖7、圖8可以看出，當(dāng)軋機(jī)的各板形調(diào)控機(jī)構(gòu)動作時，CVC軋機(jī)明顯具有較好的承載輥縫凸度調(diào)節(jié)能力，即為柔性輥縫;隨著帶鋼寬度的增加，CVC軋機(jī)的承載輥縫凸度調(diào)節(jié)域都有所增大。

圖9為工作輥彎輥為0 t和中間輥彎輥為35 t，中間輥抽動量為－120 mm/0 mm/120 mm，軋制寬度為1200 mm，軋制力為0.9 t/mm的工況條件下中間輥和支持輥的輥間接觸壓力分布。在一定范圍內(nèi)，隨著單位板寬軋制力的提高，輥間接觸壓力分布形式不變，但平均輥間接觸壓力與q的增長呈正比。

圖9 輥間接觸壓力分布

5 討論

承載輥縫形狀直接反映軋后帶鋼的橫截面形狀，輥縫凸度調(diào)節(jié)域間接反映軋后帶鋼的橫截面形狀，都代表了一臺軋機(jī)對板形的控制能力。輥間接觸壓力分布表示軋制力大小對中間輥與支持輥輥間接觸壓力的影響。結(jié)合仿真結(jié)果討論如下:

1)軋制時，由于帶鋼的材質(zhì)、溫度、來料厚度和板形等發(fā)生變化而導(dǎo)致軋制力出現(xiàn)波動，進(jìn)而導(dǎo)致承載輥縫和機(jī)架出口帶鋼板形的變化。理想的輥縫應(yīng)該在軋制力發(fā)生波動變化時保持穩(wěn)定性。1750 mm CVC冷軋機(jī)的輥縫在帶鋼的材質(zhì)、溫度、來料厚度和板形等發(fā)生變化時隨彎輥力的變化形狀變化很小，板帶凸度調(diào)節(jié)能力很大，能夠保證良好的板形。

2)輥縫凸度調(diào)節(jié)域越大，說明彎輥力改變承載輥縫的能力越大;反之，當(dāng)要改變的承載輥縫量一定時，所需彎輥力越小，這有利于延長工作輥軸承的壽命。

3)中間輥和支持輥的有些區(qū)域輥間接觸壓力尖峰較大，很容易導(dǎo)致軋輥相應(yīng)部位疲勞磨損，嚴(yán)重時可能產(chǎn)生剝落。通過輥形的優(yōu)化可以減少軋輥軸向的不均勻磨損，避免軋輥的剝落。

6 結(jié)論

1)解決了運用通用有限元軟件ANSYS對1750 mm六輥CVC軋機(jī)輥系彈性變形的求解問題，實現(xiàn)了對此類帶特殊輥形軋機(jī)輥系變形和承載輥縫形狀的較為精確求解。

2)CVC機(jī)型有限元仿真計算的結(jié)果表明:CVC機(jī)型各板形控制機(jī)構(gòu)之間的配合，具有很大的調(diào)節(jié)域，能夠滿足高檔次面板的板形要求。

3)運用ANSYS形成了板形控制建模的方法，并成為一種新的該類軋機(jī)輥形優(yōu)化設(shè)計的工具。

［1］ 徐樂江.板帶冷連軋機(jī)板形控制與機(jī)型選擇［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2007:205～207.

［2］ 許健勇.關(guān)于帶鋼冷軋機(jī)機(jī)型選型的探討.上海金屬，2007.29(5):31－36.

［3］ 王震.安鋼1750冷軋板形控制性能比較與機(jī)型選擇［D］.北京:北京科技大學(xué)，2010:44－45.

INVESTIGATION ON ANSYS FINITE ELEMENT SIMULATION OF CVC SIX－ROLL COLD MILL

Wang Zhen Qi Xinjun Song Jiumei Zhang Yuqin

(Anyang Iron and Steel Stock Co.Ltd)

3 － D FEM model of elastic deformation of CVC6 － h mill＇s rolls was established through general FEM software ANSYS and also Hundreds of operating data were analyzed for 1750 mm cold mill to investigate shape control and contact pressure between rolls.

rolls deformation contact deformation finite element method CVC mill

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2011—9—15