定宽机侧压过程运动锤头温度应力研究.pdf
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1、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
2、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 an
3、d 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 calcu
4、late 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
5、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 tempera
6、ture 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“
7、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
8、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
9、,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
10、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),
11、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
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