[发明专利]一种确定板带钢热轧过程工作辊温度场的有限元方法

说明书

本发明公开一种确定板带钢热轧过程工作辊温度场的有限元方法，属于金属轧制领域。它包括以下步骤：建立工作辊有限元模型；定义工作辊的边界条件；建立传热层有限元模型；确定工作辊与传热层的传热系数；定义工作辊与传热层的接触关系；计算板带钢热轧过程工作辊温度场，获得热轧过程中工作辊温度场分布的详细信息。通过本发明提出的有限元方法，可以充分考虑工作辊的热轧工况，操作简单省略了子程序调用；本发明提出了一种高效精确的确定板带钢热轧过程工作辊温度场的有限元方法，为研究工作辊的热行为提供了有效途径。

技术领域

本发明属于金属轧制领域，尤其是一种确定板带钢热轧过程工作辊温度场的有限元方法。

背景技术

中国作为制造业大国，每年的钢产量十分庞大。工作辊是轧钢生产中主要的消耗设备。目前，我国工作辊的平均消耗速度为2kg/t，每年需要数十万吨的工作辊，而相较于发达国家的工作辊消耗量仅为我国的50％-70％。提高工作辊的使用性能，降低其消耗水平将节省大量资金。在板带钢热轧过程中，工作辊表面受到周期性的来自板带钢急速热量传入导致的温度急剧升高和随后的冷却水、空气等造成的温度急剧降低，工作条件十分恶劣。工作辊温度场的分布不仅决定着工作辊的工作周期、使用寿命，而且通过影响工作辊的热凸度和辊缝形状进而对产品质量也有重要影响。因此，研究板带钢热轧过程中工作辊温度场的分布具有重要意义。

由于工作辊热边界条件的复杂性，传统的温度计算方法受其求解机理限制，很难准确地确定温度场分布。有限元法作为一种数值计算方法，可以有效并且准确地计算轧制过程中工作辊的温度场。过去由于受有限元法技术的限制，有限元模型往往简化热边界条件的方法导致计算结果误差较大，或者采用调用子程序的方法造成操作复杂难以在工程实际中推广使用。

发明内容

为解决以往热边界条件过于简化或者调用子程序导致操作复杂的问题，本发明提供一种快速有效的确定板带钢热轧过程工作辊温度场的有限元方法。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种确定板带钢热轧过程工作辊温度场的有限元方法，它包括以下步骤：

步骤一，建立工作辊有限元模型

以工作辊为研究对象，对工作辊横截面进行单元划分；

步骤二，定义边界条件

根据工作辊的热轧工况，定义边界条件，包括位移边界条件和热边界条件；

步骤三，建立传热层有限元模型

建立与工作辊表面接触的单元网格；

步骤四，确定工作辊与传热层的传热系数

根据热轧工况，确定工作辊与传热层的换热系数，其中：

咬入区的综合换热系数hstrip，按照下式计算：

hstrip＝a1+a2(a3+a4exp(a5Ts))

式中：Ts为轧件温度(℃)，a1，a2，a3，a4，a5为常数，其值分别为52350，-4175，4.168，1.712×10-6，0.014；