熱軋卷軋輥輪廓變化的研究

李慶根 宋錦春 樸學(xué)京 張 悅 鄭文贊,3 金成俊

(1:東北大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院 遼寧沈陽110819;2:清津礦山金屬大學(xué) 朝鮮清津999091;3:金策工業(yè)綜合大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 朝鮮平壤999093)

熱軋卷軋輥輪廓變化的研究

李慶根*作者簡介：李慶根，男，1981年出生，東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院高級進(jìn)修生，清津礦山金屬大學(xué) 講師(清津，朝鮮)，主要研究方向?yàn)橐苯鹪O(shè)備仿真1,2宋錦春1樸學(xué)京2張 悅1鄭文贊1,3金成俊1,2

(1:東北大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院 遼寧沈陽110819;2:清津礦山金屬大學(xué) 朝鮮清津999091;3:金策工業(yè)綜合大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 朝鮮平壤999093)

分析了熱軋卷鋼板軋制時(shí)，影響軋輥輪廓變化的諸多因素，建立了輪廓變化量的數(shù)學(xué)模型。利用有限元分析軟件MSC.MARC,對軋制過程因素變化進(jìn)行分析。由于模擬得到的有限元分析結(jié)果是不連續(xù)值，因此使用了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，預(yù)測不同軋制條件下軋輥熱變形狀態(tài)。研究了按照生產(chǎn)量、工作輥磨損量預(yù)測軋輥形態(tài)變化的方法。

熱軋卷鋼板 輪廓 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

1 引言

工作輥的熱輥型作為板形理論的重要內(nèi)容之一, 因其影響因素繁多, 邊界條件復(fù)雜, 一直是板形研究和控制領(lǐng)域里的薄弱環(huán)節(jié)。在軋制過程中, 由于工作輥熱容量較大, 在板帶和冷卻介質(zhì)的作用下沿輥身方向產(chǎn)生不均勻熱膨脹, 常用其熱凸度來控制承載輥縫形狀達(dá)到板形控制效果,這就需要精確的預(yù)報(bào)軋制過程中工作輥的溫度場及熱輥型, 從而保證預(yù)定的軋制規(guī)程[1-3]。

因此, 研究軋輥熱變形, 預(yù)報(bào)其熱凸度, 以消除其對板帶質(zhì)量的擾動(dòng), 不僅對板形控制有著重要作用, 而且對軋制規(guī)程的研究具有重要參考價(jià)值。

2 軋輥的熱變形分析

影響熱軋卷鋼板軋輥?zhàn)冃蔚囊蛩赜袔т摰拇笮　④堓伒脑缙跍囟?、卷鋼板軋制時(shí)間、軋制速度(軋輥的一次旋轉(zhuǎn)時(shí)間)、軋輥和帶鋼之間接觸時(shí)間、壓下量、被軋的金屬材質(zhì)、軋輥的大小和材質(zhì)，隨著這些因素的變化，軋輥的輪廓也產(chǎn)生變化。軋制的金屬材質(zhì)的變化改變軋制力，只影響軋輥的彎曲量。軋輥的大小和材質(zhì)已取決于軋機(jī)，所以影響軋輥?zhàn)冃蔚膮?shù)為常數(shù)。因此，影響軋輥熱變形的重要因素是帶鋼的大小、軋輥的早期溫度、卷鋼板軋制時(shí)間、軋制速度(軋輥的一次旋轉(zhuǎn)時(shí)間)、軋輥和帶鋼之間接觸時(shí)間、壓下量等。

在熱軋卷鋼板軋機(jī)的精軋線軋制時(shí)，帶鋼通過軋輥時(shí)被冷卻。隨著溫度逐漸下降，軋輥的熱變形也有所變化。帶鋼寬度越寬軋輥和帶鋼的接觸面積就越大，對軋輥表面的影響也越大。軋輥的熱傳導(dǎo)過程分別為工作輥和帶鋼之間、支承輥和工作輥之間。

考察工作輥中心軸的載面P(圖1)，載面P從接觸點(diǎn)A到B的通過時(shí)間內(nèi)，從帶鋼處受到的熱量。

因此，工作輥旋轉(zhuǎn)一周時(shí)的熱傳導(dǎo)過程，可以看做是載面P在接觸時(shí)間內(nèi)加熱，接觸完以后進(jìn)行冷卻的二維模型的熱傳導(dǎo)問題，軋制過程可以視為該過程的重復(fù)。

圖1 工作輥和帶鋼之間的接觸狀態(tài)

軋制時(shí)支承輥和工作輥由于軋制力的作用，產(chǎn)生一定的接觸面。(圖2)

考察通過支承輥的中心軸的載面Q， 載面Q經(jīng)過接觸點(diǎn)C到D，從加熱的工作輥得到熱量。

因此，支承輥旋轉(zhuǎn)一周的熱傳導(dǎo)過程也就是在接觸時(shí)間內(nèi)加熱載面Q，結(jié)束接觸后進(jìn)行冷卻的過程，可以看做是二維模型的熱傳導(dǎo)過程。

軋輥熱變形的有限元分析流程圖為圖3。

圖2 工作輥和支承輥之間接觸狀態(tài)

圖3 軋輥熱變形的有限元分析流程圖

有限元分析軟件利用MSC.MARC。

分析模型如圖4。

圖4 工作輥的熱變形分析模型

一部分的模擬結(jié)果見圖5、圖6。

從表1可以看出，帶鋼溫度越高、輥和帶鋼之間的接觸時(shí)間越長、壓下量越大、鋼板越薄，軋輥的最高表面溫度和熱膨脹量就越大。

根據(jù)模擬情況得到的有限元分析結(jié)果是不連續(xù)值，因此使用了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，以便預(yù)測不同軋制條件下軋輥的熱變形狀態(tài)。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)流程圖見圖7，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成見圖8。

圖5 工作輥的溫度狀態(tài)

圖6 工作輥的熱變化狀態(tài)

表1 按照軋制過程因素變化軋輥熱變形分析結(jié)果

圖7 預(yù)測熱變形的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)流程圖

基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)得到的連續(xù)值，預(yù)測軋輥的熱膨脹量的模型結(jié)果見表2。

圖8 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成圖

3 軋輥的磨損量分析

半連軋機(jī)精軋輥的磨損量與在軋機(jī)軋制的帶鋼的生產(chǎn)量有關(guān)。

從圖9和 圖10可以看出(數(shù)字從1到6為卷鋼精軋機(jī)軋輥機(jī)架的號(hào)碼)，軋輥的磨損量與生產(chǎn)量的關(guān)系顯示為線性方程式，模型化的結(jié)果見表3。

4 軋輥的形態(tài)變化預(yù)測方法

熱軋卷鋼板預(yù)測軋輥形態(tài)變化量的計(jì)算流程圖如圖11。

熱膨脹量和磨損量按照表2和表3的模型預(yù)測。

按照計(jì)算流程圖預(yù)測的不同軋制條件下的軋輥形態(tài)變化量見表4、表5、表6。

這樣，根據(jù)預(yù)測的軋輥形態(tài)變化量可以設(shè)計(jì)生產(chǎn)熱軋卷鋼板時(shí)的軋輥早期的外形。

表2 軋輥的熱膨脹預(yù)測模型

表3 按照生產(chǎn)量工作輥的磨損量預(yù)測

注：上表中X生產(chǎn)量的1/1000，單位是t。

圖9 每支輥生產(chǎn)量與磨損量的關(guān)系(上軋輥)

圖10 每支輥生產(chǎn)量與磨損量的關(guān)系(下軋輥)

圖11 軋輥的形態(tài)變化計(jì)算流程圖

表4 不同軋制條件下的軋輥形態(tài)變化量(25mm～2mm)

5 結(jié)論

1)1700mm半連續(xù)熱軋精軋機(jī)軋輥的熱變化量可以分析成按照軋輥縱載面的二維模型。

2)熱軋卷鋼板時(shí)，工作輥高溫區(qū)域?yàn)閹т撆c工作輥接觸的部分，輥身兩端面基本上沒有被加熱。

3)支承輥的熱變形非常小，可以忽略。

4)連續(xù)精軋機(jī)從1號(hào)到6號(hào)工作輥的最高表面溫度和熱膨脹量越來越小。

5)軋輥的磨損量由卷鋼板的生產(chǎn)量決定。

表5 不同軋制條件下的軋輥形態(tài)變化量(28mm～4mm)

表6 不同軋制條件下的軋輥形態(tài)變化量(32mm～6mm)

[1]張德豐.板帶熱軋溫度場有限元模擬[C].東北大學(xué)碩士學(xué)位論文,2006,7-56.

[2]張絢麗.熱連軋機(jī)工作輥熱輥型仿真研究[J].重型機(jī)械,2003(1):15-18.

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·業(yè)界動(dòng)態(tài)·

承鋼成功攻克釩鈦磁鐵礦大高爐冶煉不穩(wěn)定的世界難題

承鋼公司4號(hào)2500m3高爐是世界容積最大的冶煉釩鈦磁鐵礦高爐。承鋼公司作為我國釩鈦磁鐵礦高爐冶煉技術(shù)的發(fā)祥地，依靠創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)，致力于推動(dòng)國內(nèi)釩鈦冶煉技術(shù)升級。至2015年5月，承鋼公司4號(hào)高爐已連續(xù)穩(wěn)定順行28個(gè)月，Si+Ti合格率和一級品率均保持100%，噸鐵成本達(dá)到國內(nèi)同類型高爐領(lǐng)先水平。

釩鈦磁鐵礦是一種冶煉難度很大的礦種，存在著入爐品位低、渣量大、渣鐵粘度大、出渣出鐵困難等問題，大高爐釩鈦磁鐵礦冶煉不穩(wěn)定是國內(nèi)乃至世界的技術(shù)難題。承鋼公司大力推進(jìn)科技創(chuàng)新工作，加強(qiáng)科技人才隊(duì)伍建設(shè)，新技術(shù)成果不斷涌現(xiàn)，已經(jīng)具備規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的核心競爭力。承鋼公司通過實(shí)施大噴煤、高富氧、高風(fēng)壓、高風(fēng)溫、縮短出鐵周期、風(fēng)水淬渣法、多鐵口出鐵等創(chuàng)新舉措，使冶煉工藝技術(shù)日臻完善，高爐各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)得到顯著提升，穩(wěn)定順行周期逐步延長，冶煉成本指標(biāo)連續(xù)多年保持行業(yè)領(lǐng)先。

Analysis of Transformation of the Roll’s Body Profile in the Rolling of Hot Rolled Coils

Li Qinggen1,2Song Jinchun1Piao Xuejing2Zhang Yue1Zheng Wenzan1,3Jin Chengjun1,2

(1:School of Mechanical Engineering & Automation, Northeastern University, Shenyang 110819;2:Chongjin Mining and Metallurgy University, Chongjin, D.P.R Korea 999091;3:School of Mechanical Engineering, Kim Chaek University of Technology, Pyongyang, D.P.R Korea 999093)

In this paper, considered the various factors that influence the transformation of the roll’s body profile in the rolling of hot rolled coils and set up mathematical models to make an estimate of the deformation degree of the roll’s body profile. Use the finite element analysis software MSC.MARC to analyze the rolling process, because the simulation results obtained from the finite element analysis is not continuous value, made the model of BP neural network to predict the thermal deformation state of the roll in different rolling conditions. Also studied the method used to predict morphological changes of roll according to production and wear extent of the working roll.

Hot rolled coils Profile BP neural network

TG333.17

A

10.3969/j.issn.1001-1269.2015.03.006

2015—02—08)