定宽机侧压过程运动锤头温度应力研究.pdf

2023 年第 4 期总 第 266 期冶 金 动 力METALLURGICAL POWER定宽机侧压过程运动锤头温度应力研究周伟文1，熊佑发1，宗纯根2，包家汉2（1.马鞍山钢铁股份有限公司设备部；2.安徽工业大学机械工程学院，安徽马鞍山 243000）【摘要】定宽机锤头在侧压过程中的温度分布是研究锤头温度应力的关键。采用有限元间接耦合法，用重启动方法先计算锤头温度场，改变锤头和板坯的位置，由于重启动载荷步的限制，对侧压仿真流程进行了改进，有效模拟侧压多块板坯的工艺流程，仿真得到锤头在不同时刻的瞬态温度场。在此基础上，综合仿真结果的温度和温度梯度，判断最大温度应力出现的时刻，计算得到锤头的最大温度应力，为分析运动物体的温度及温度应力提供参考。【关键词】定宽机；锤头；温度梯度；温度应力【中图分类号】TG333【文献标志码】B【文章编号】1006-6764（2023）04-0107-05 【开放科学（资源服务）标识码（OSID）】Study on Temperature Stress of Moving Hammer Head During Side Pressing of Sizing PressZHOU Weiwen1,XIONG Youfa1,ZONG Chungen2,BAO Jiahan2(1.Equipment Department of Maanshan Iron and Steel Co.,Ltd.;2.School of Mechanical Engineering,Anhui University of Technology,Maanshan,Anhui 243000,China)【Abstract】The temperature distribution of the sizing press hammer head during side pressing is the key to study the temperature stress of the hammer head.The restart method is used to calculate the temperature field of the hammer head with finite element indirect coupling method,and the position of the hammer head and slab is changed.Due to the limitation of the restart load step,the simulation process of the side pressing is improved to effectively simulate the process with multiple slabs,so as to obtain the transient temperature field of the hammer head at different moments in the simulation.On this basis,the temperature and temperature gradient of the simulation results are synthesized to determine the moment when the maximum temperature stress appears,and the maximum temperature stress of the hammer head is calculated to provide a reference for analyzing the temperature and temperature stress of the moving object.【Keywords】sizing press;hammer head;temperature gradient;temperature stress引言板坯大侧压定宽是一项在线调宽技术，具有侧压压下量大、鱼尾产生小等优点，极大地提高了调宽效率降低了板坯头尾的切损1。锤头是定宽机的核心部件，也是直接与板坯进行接触的“排头兵”，其工作环境极其恶劣2。钢坯从加热炉出来，首先经过粗高压水除鳞机除去表面的氧化铁皮，此时钢坯表面温度高达1 100 以上，并且表面附着一些未剥落的氧化铁皮等。在钢坯经过定宽压力机时，定宽机锤头对其进行渐进式宽度方向侧压，此时锤头冷却水不工作，锤头温度随着板坯的温度迅速升高。板坯通过后，定宽机锤头冷却水立刻开启，锤头表面温度迅速下降至200 左右，每块板坯间隔也在1.53 min之间，直至下一1072023 年第 4 期总 第 266 期冶 金 动 力METALLURGICAL POWER块板坯到来，锤头冷却水关闭，开始新一轮轧制，如此往复。某定宽机锤头上线后，锤头表面出现了开裂现象。目前，锤头的研究主要集中在锤头形状对板坯质量的影响3-5和侧压过程中板坯的应力变化6，而定宽机锤头工作过程中不仅承受侧压力造成的机械应力，而且承受高低温转换的热应力，因此需要研究侧压过程中锤头的温度应力。1 定宽机锤头有限元模型1.1 重启动间接耦合方法的选择定宽机锤头在侧压过程中的温度分布是研究锤头温度应力的关键。由于定宽机锤头温度分布受侧压接触时的热传导、板坯对锤头的热辐射、锤头表面的对流散热，以及侧压结束后水的表面冷却散热等热量的影响，锤头在侧压过程中与板坯的位置不断发生改变，若采用直接耦合法，可以模拟位置的变化的影响，但这种方法不仅需计算各时刻锤头的温度和热应力，造成计算量和存储文件巨大，而且在锤头和板坯接触时，锤头接收的热量大，温度和接触面的热膨胀变形随时间增加急剧增大，造成位移接触很难收敛。而若采用先计算温度场，再计算温度应力的间接耦合方法，则不能考虑锤头的位置变化。为此，本文采用间接耦合法，在Ansys有限元软件的温度场分析中采用重启动方法，根据锤头随时间变化的位移曲线，在不同时刻改变锤头和板坯的位置，仿真得到锤头在不同时刻的瞬态温度场。根据需要，删除板坯和锤头间的接触和板坯模型，导入相应时刻的温度和侧压力，即可计算特定时刻锤头的静态温度应力或热机耦合应力，这样不仅得到锤头侧压过程的温度分布，而且提高了计算的收敛性和速度，保存的文件也不会巨大。1.2 温度场仿真有限元模型图1是锤头侧压开始时的温度场仿真有限元模型，模型中，板坯采用侧压过后的形状，不考虑侧压过程的塑性热，板坯和锤头采用20节点的三维温度场单元solid279。表1列出了板坯和锤头相应参数（包括锤头热机耦合应力所需参数）。锤头在侧压方向（Y向）按图2虚线所示的余弦规律变化7，锤头侧压0.25 s时，锤头和板坯接触，开始侧压，至 0.7 s侧压结束，然后进入返程，1.4 s后进行下一次侧压，每块板坯共需侧压22次，侧压时间30.8 s。板坯侧压结束后喷水冷却锤头120 s，再开始侧压下一块板坯，完成侧压一块板坯共需150.8 s。在锤头和板坯间设置接触对，接触热导系数11 600 W/（m2K），锤头按图2实线规律运动时，即在0.250.7 s，将锤头移至与板坯接触，接触传热起作用。每次侧压过程设置实线与虚线重合的20个载荷步，其中0.250.7 s的载荷步设置9个子步，其他载荷步设置1个子步。设置板坯温度1 100 和锤头初始温度22，锤头与板坯的可见面辐射0.8，锤头外表面与周围环境的对流散热15 W/（m2K），锤头在喷水冷却阶段的相应表面的冷却对流散热1 400 W/（m2K），由于涉及到辐射传热，需设置温度偏置量273。图1 锤头温度场仿真模型表1 仿真模型参数参数名称板坯原始尺寸/mm板坯初始温度/板坯热导率数/W/(m2K)板坯比热容/J/(kgK)板坯密度/(kg/m3)接触面摩擦因数锤头初始温度/锤头热导率/W/(m2K)锤头比热容/J/(kgK)锤头密度/(kg/m3)锤头弹性模量/GPa锤头弹性泊松比锤头热膨胀系数/(10-6/)锤头一次侧压周期/s锤头行程/mm接触热导系数/W/(m2K)黑度环境温度/数值5 0001 3002301 100206707 8000.322484507 7702210.29101.416011 6000.8221082023 年第 4 期总 第 266 期冶 金 动 力METALLURGICAL POWER2 温度仿真流程改进及仿真结果2.1 原侧压流程局限图3是侧压3块板坯过程中锤头的最高温度变化情况，其中前2块板坯按照前面所述的载荷步进行重启动仿真，每块板坯重启动载荷步440，共880个载荷步，但由于重启动仅能保存999个载荷步的结果，若多于999个则需要每次进行手动干预，因此对第3块板坯对侧压仿真流程进行了改进。2.2 仿真流程改进由于每块板坯需侧压22次，每次侧压锤头按余弦规律运动曲线所取的仿真位置有20个，因此，将这22次侧压位置合并，但22次锤头和板坯接触的时间为9.9 s，若一次施加容易造成锤头温度过高，与实际不符。为此，将22个板坯与锤头接触的时间穿插在侧压合并后的20个位置前后，多余的1个板坯与锤头接触的时间重叠在原接触时刻，原接触时刻的接触时长由 0.45 s 增加至 1.35 s，每块板坯150.8 s的时间共设置40个载荷步。图3仿真得到的锤头温度中，侧压第12块板坯仍按原侧压流程，第3块板坯按改进后的仿真流程，图4是图3中侧压第1块板坯侧压阶段的锤头最高温度。图4 侧压第1块板坯侧压阶段锤头最高温度2.3 温度仿真结果与分析图3表明，仿真流程改进后的温度曲线基本与原侧压流程曲线的温度升高情况类似。在板坯的侧压阶段，锤头最高温度锯齿形逐渐升高（图4），在喷水冷却阶段，锤头最高温度快速下降。而后一块板坯侧压结束和冷却结束的最高温度均高于前一块板坯的相同阶段，说明锤头在侧压一块板坯的周期内，仍未达到热平衡，需继续进行侧压仿真。图4最高温度曲线最开始，在板坯辐射影响下，锤头温度缓慢提升，在锤头和板坯接触0.45 s时间内快速升高，而锤头和板坯脱离接触后，锤头最高温度缓慢下降，直到下次锤头和板坯接触又快速升高，呈现锯齿形逐渐升高的情况。这是每次侧压时锤头和板坯接触，在此期间接触传热占主导，导致锤头接触部位温度急剧升高；而锤头和板坯脱离接触后，虽然仍接收板坯的辐射热，但锤头接触部分的热量逐渐向内部传递，并受对流散热的影响，导致最高温度有所降低，直到下次锤头和板坯接触，温度再次升高。为考察锤头继续侧压板坯温度时的变化，采用改进后的仿真流程，得到锤头侧压15块板坯的最高温度（图5）。图5中红色虚线列出了图3的仿真结果，第12图3侧压3块板坯锤头最高温度图2 锤头Y方向位移图5 侧压15块板坯锤头最高温度1092023 年第 4 期总 第 266 期冶 金 动 力METALLURGICAL POWER块板坯的温度曲线显示采用改进后的仿真流程和原工艺的结果基本一致，说明采用改进后的仿真流程能够用来合理模拟多块板坯侧压时的锤头温度。在侧压9块板坯后，锤头侧压每块板坯的周期内，锤头最高温度达到最大值，后面侧压板坯周期内的最大值和最小值基本恒定，所变化的只是锤头内部因热传导而导致最低温度逐渐升高（图6），随着最低温度的升高，锤头温度场变化更趋平缓，第1块板坯侧压结束时温度梯度峰值最大，在随后的侧压过程中逐渐降低（图7）。图6 侧压15块板坯锤头最低温度图7 侧压15块板坯锤头最高温度梯度3 温度应力计算3.1 温度场导入在匀质物体中，由于各部分温度分布不均，则在物体内各相邻部分会因收缩或膨胀不均而相互约束产生应力。即使温度分布均匀，若温度变化所引起的膨胀或收缩受到限制时，也会在物体内产生应力。而对于锤头这种结构较简单的零件，温度分布不均是引起热应力的主要原因，温度梯度是表征温度分布不均的重要指标。因此，可以只导入图7侧压各块板坯时温度梯度最大的载荷步，计算温度应力。本文为了验证温度梯度对温度应力的影响，选取图5侧压前12块板坯的所有载荷步，将这些载荷步的温度，分别导入锤头结构分析有限元模型中，计算锤头对应时刻温度场分布下的温度应力。3.2 模型处理在导入重启动各载荷步的温度场数据前，需要对温度场的有限元模型进行相应处理。（1）将温度场单元类型转换为结构场单元类型，保证单元和节点编号不变。（2）删除锤头和板坯间的接触对，清除板坯网格。由于仅计算锤头温度应力，不考虑板坯对锤头侧压力造成的机械应力，因此，可以将锤头与板坯间的接触对删除，并且清除板坯的网格。板坯实体模型不影响计算速度和结果文件大小，可以不删除。（3）增加结构场分析的材料参数。增加锤头的弹性模量、泊松比和线膨胀系数及其参考温度22。删除温度场分析的热导系数、比热容和密度。（4）设置约束。根据锤头装配情况，对锤头施加相应约束，限制锤头的刚体位移。（5）采用多载荷步静力学分析。在各载荷步导入温度场分析相应载荷步温度，进行求解。在静力学分析中，时间无实际含义，为了与温度瞬态结果便于比较，仍采用温度仿真各载荷步时间。3.3 温度应力计算结果与分析锤头侧压过程温度应力曲线形状与图7的最高温度梯度曲线类似，侧压每块板坯周期的最大应力出现在温度梯度最大的时刻。最大温度应力783 MPa（图8）出现在第2块板坯侧压结束进入冷却阶段前，不是出现在图7中温度梯度最大的第1块板坯侧压结束。图8 锤头侧压过程温度应力也不是出现在图5温度最高的第9块板坯，位于锤头与板坯接触表面（图9），这是由于此时刻此1102023 年第 4 期总 第 266 期冶 金 动 力METALLURGICAL POWER接触表面温度梯度和温度均较高。单独通过温度梯度或温度最高来确定最大温度应力并不准确，需将温度梯度和温度结合来综合确定，选取侧压过程中温度和温度梯度值同时较高的时刻计算。因此，锤头侧压过程最大温度应力可以只计算每块板坯侧压结束后的时刻，再选出最大温度应力。4 结论（1）采用间接耦合的瞬态重启动计算方法，能够有效模拟锤头在侧压过程的温度，为分析运动物体的温度场提供参考。（2）受重启动载荷步的限制，对锤头侧压仿真流程进行了改进，仿真结果与原侧压工艺吻合，能够有效模拟侧压多块板坯的工艺流程。（3）锤头最大温度应力出现时刻，并不是第9块板坯侧压结束的最高温度时刻，也不是第1块板坯侧压结束的最大温度梯度时刻，而是出现在第2块板坯侧压结束时。因此，计算锤头在侧压过程的最大温度应力，需结合最大温度梯度和最高温度来综合确定，计算每块板坯侧压结束后这一时刻的温度应力，再选出最高温度应力。参 考 文 献 1 冯宪章，刘才，江光彪，等.大侧压定宽机运动学仿真及优化分析 J.机械工程学报，2004，40（8）：178-182.2 Farzad Foadian，Claus P.Antoine，and Heinz Palkowski.Simulation of Edge Defects Behavior of Slabs in the Sizing Press and Roughing Mill of a Hot Strip Mill J.steel research interna-tional，2017，88（7）：70-77.3 李俊慧，刘才，董敏，等.1880 压力调宽机砧型的改造研究 J.钢铁，2010，45（5）：57-60.4 冯宪章，王利红，王金凤，等.模块角度对板坯截面形状的影响J.塑性工程学报，2005，12（1）：98-1015 宁宇，焦四海，孙业中，等.板坯SP调宽用新型侧压模块的研究J.钢铁，2009，44（9）：49-52+66.6 Shunsuke Sasaki，Hiroto Goto，Tatsuro Katsumura，et al.In-fluence of Back Pressure on Slab Edge Deformation Behavior dur-ing Width Reduction Pressing J.Materials Transactions，2016，57（9）：1567-1574.7 王彦凤，张玉柱，邱常明，等.SMS定宽机的机构及运动学分析J 钢铁研究学报，2016，28（10）：30-36收稿日期：2023-02-02作者简介：周伟文（1967-），男，高级工程师，硕士研究生，主要从事公司钢轧区域的设备管理工作。图9 锤头侧压过程中最大温度应力111