（材料加工工程专业论文）重轨万能轧制过程仿真系统软件开发.pdf

武汉科技大学硕士学位论文 第1 页 摘要 近年来，铁路的提速对钢轨的尺寸精度要求越来越高，这就对我国重轨的生产提出了 更新更高的要求。重轨万能轧制仿真系统开发可提供一个良好的工艺调整及控制模拟工作 平台，为生产系统的工艺操作和控制的稳定性提供理论和现实指导依据。 本论文以百米重轨万能轧制线为研究对象，结合重轨生产实际，进行了重轨万能轧制 过程仿真系统开发，重点对轧制重轨过程中的温度变化进行了研究。建立了加热炉出口至 帽形孔出口轧件在辊道上热辐射、高压水除鳞引起强迫对流产生的温降和在孔型轧制变形 中所产生的温升计算数学模型；根据轧件断面特点，建立了轨形孔入口至万能成品孔出口 轨头、轨腰及轨底在辊道上热辐射产生的温降及孔型轧制变形中所产生的温升计算数学模 型；运用s u a lb a s i c6 o 编制了重轨万能轧制过程的仿真系统，对轧制过程轧件变形及温 度变化规律进行了模拟计算与分析；鉴于轧件横截面的复杂特性，利用综合非线性有限元 软件眦c 对重轨在万能轧机轧制过程中的温度场进行了模拟及分析。 研究表明，温度数学模型计算预报值与现场实测值吻合较好。通过对重轨整个轧制过 程温度变化及万能轧制过程中的温度场的仿真模拟，可为实际生产工艺控制和调节提供了 有效依据，从而为制定最佳的轧制工艺奠定基础。 关键词：重轨；万能轧制：仿真；温度；有限元 第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t i i lr e c c n ty e a r s ，t h er a i l w a ys p e e di n c r e 弱e0 ft h ed i m e n s i o np r e c i s i o no ft h er a i li sr c q u i r e d h i g l l e r 卸dh i g l l e r w h i c ho fc h i n a sp r o d u c t i o no fh e a v yr a i l t 0t h en e w e r 锄dh i g l l e r r e q u i r e m e n t s d c v e l o p m e n t0 fs i i i l u l a t i o ns y s t e m0 f u n i v e r s a lr o l l i n gf o rh e a v y 豫i l 锄p r o v i d ea 9 0 0 dw o r k j n gp l a t f 0 咖o fp r 0 c c s sa d j u s t m e n t 锄dp r o c c s sc o m r o ls i l n u l a t i o n ，t 0p r o v i d et l l e t h c o r e t i c a l 觚dp r a c t i c a lg l l i d 觚c cb a s i sf o rs t a b i l i t yo f p r o c c s so p e r a t i o n 卸dp r o c e s sc o n t r 0 l t l l i sp a p e rt a k e sh e c t o m e t e rh e a v yr a i lu n i v e r s a lr o l l i n gl i n e 弱t h er e s e 种c ho b j e c t ， c o m b i n i n gw i t ht h ea d u a lp r o d u c t i o no fh e a v yr a i l ，洲e s t l l ed e v e l o p m e n to fs i m u l a t i o n s y s t e m0 fu n i v e r s a lr o l l i n gf o r h e a v yr a i l 皿et e m p e r a t u r cv a r i a t i o no f h e a v yr a i lr o l l i n gp r o c e s s i sm a i l l l ys t u d i e d ，趾dm a t h e m a t i c a lm o d e l sw h i c hc o n t a i l lt e m p e r a t u r ed r o pc a u s e db yt h e 皿a l r a d i a t i o no nt h er o l l e rt a b l e ，t e m p e r a t u r ed r o pc a u s e db yf o r c c dc o n v e c t i o nt h r o u g l ll l i g l lp r e s s u r c w a t e rd e s c a l i n gu n “，a n dt e m p e r a t u 托r i s eg e n e r a t e db yi nt h ep 弱s0 ft h er o l l i n gd e f o m l a t i o n 劬mt l l eh e a t i n gf i l m a c eo u t l e tt ot h ec a p - s h a p e d 伊0 0 v eo u t l e ta r ee s t a b l i s h e d ；h la c c 0 f d 锄c c w i t l lc h a r a c t e r i s t i c s0 fr o l l i n gc r o s s - s e c t i o n ，m a t h e m a t i c a lm o d e l sw h i c hc o n t a i nt e m p e r a t u r c d m p u s e db yt h e m a lm d i a t i o no nt h er o l l e rta _ b l e ，t e m p e r a t u r cr i s eg e n e r a t e db yi nt h ep a s s0 f t h er o l l i n gd e f b 衄a t i o no fr a i lh e a d ，m i lw e b 姐dr a i lb a s e 舶mt h er a i l - s h a p e d 黟o o v ei n l e tt 0 t l l e i s h e dp r o d u c t - s h a p e d 铲0 0 v eo u t l e ta r ee s t a b l i s h c d ，s i m u l a t i o ns y s t 锄0 fu n i v e r s a l r o l l i n gf o rh e a v yr a i lw i t h s u a lb a s i c6 o 脚a r ei su s e dt os i m u l a t e 觚d 姐a l y z ep i e c c s d e f 0 彻a t i o n 觚dt e m p e r a t u r cc h 觚g e si nr o l l i n gp r o c e s s ； h lv i e wo fc r o s s s c c t i o n a lc o m p l e x i t y ， u s i n gn o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n ts 0 行l 缸em a r ct 0s i m u l a t e 锄d 卸a l y z et e m p e r a t u r ef i e l d0 f h e a v y r a i li nt h ep r o c e s s0 fu n i v e 娼a lr o l l i n g s t u d i e ss h o wt l l a tt h ep r e d i c t i v ev a l u ec a na g r e ew e uw i t ht h em e a s u r c dv a l u e t h e t e m p e r a t u r ec h a n g eo fh e a v yr a i li n t h ew h o l er o l l i n gp r o c e s s 柚dt e m p e r a t u r ef i e l di i lt h e u n i v e r s a lr o l l i n gp r o c e s sa r es t u d i e db yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，w h i c h 咖p r o v i d e 锄e f f e c t i v e b 嬲i sf o ra c t u a lp r o d u c t i o np r o c c s sc o n t f o la i l dr e g u l a t i o n ，t h u sf o rm a l 【i n gt h eo p t i m i z e dr o l l i n g p r o c e s sl a yaf | 0 u n d a t i o nf o l k e y w o r i i s ：h e a v yr a i l ；u n i v e r s a lr o l l i n g ；s i m u l a t i o n ；t e m p e r a t u r c ；f i n i t ee l e m e n t 武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：芝垫重 日期：加。只6 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门( 按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入学校认可的国家相关数据库进行 检索和对外服务。 论文作者签名：芝! 丝垦 指导教师签名：盘盟1 日 武汉科技大学硕士学位论文 第1 页 1 1 课题来源 第一章前言 近年来，铁路的提速对钢轨的尺寸精度要求越来越高，这就对我国重轨的生产提出了 更新更高的要求。 高速重轨万能轧机生产线轧制过程中工艺参数、调整参数、轧机控制参数及产品质量 之间关系复杂，为了减少高速重轨万能轧机生产线在投产后工业试生产周期，减少事故， 提高成材率，提高工艺及质量控制稳定性，有必要对重轨万能轧机轧制过程进行仿真研究 使其具有理论及实际应用价值。 课题来源于“重轨万能热连轧轧制过程仿真及控制技术的研究 项目。本论文以百米 重轨万能轧制线为研究对象，结合重轨生产实际，进行了重轨万能轧制过程仿真系统开发， 重点对重轨轧制过程中的温度变化进行了研究。建立了轧制过程温度计算数学模型，利用 现场实测数据，对数学模型进行了校正；运用s u a lb a s i c6 o 编制了重轨万能轧制过程仿 真系统，对轧制过程轧件变形、及温度变化规律进行了模拟计算与分析；针对轧件横截面 复杂的特点，利用综合非线性有限元软件c 对重轨万能轧制过程中的温度场进行了模 拟及分析。研究结果可为现场提供了一个良好的工艺调整及控制模拟工作平台，为生产系 统的工艺操作和控制的稳定性提供理论和现实指导依据。 1 2 课题研究的意义 现代铁路高速、重载和高密度的运输方式，使重轨的服役条件更加恶化。由于我国铁 路运输具有密度高及客、货混线的特点，因而对重轨质量提出了更高的要求【l j 。 目前，我国有4 家重轨生产企业【2 1 ，并且均在传统轨梁轧机上进行生产。受工艺技术 和装备条件的限制，国产重轨质量与国外的差距，主要体现在以下方面p j ： ( 1 ) 钢质纯净度低，导致钢轨使用中出现剥离掉块、疲劳损伤现象。 ( 2 ) 尺寸公差大，平直度差，主要表现为轨超高、腰薄、轨型不对称、端部弯曲度大、 平直度超限等，不易焊接，无法适应无缝线路的客观要求。 ( 3 ) 表面质量问题与缺陷漏检，由于采用钢锭模浇注，且无高压水除鳞等清理手段， 因此成品表面缺陷多。受人工肉眼检查限制，表面缺陷漏检时有发生。 ( 4 ) 重轨定尺率低，不能满足用户要求。 众所周知，轧钢厂的产品产量和质量以及经济效益只有通过轧机控制和轧制工艺参数 的最佳匹配才能得到的保证。由于各工艺参数之间相互影响、相互制约，工艺过程控制复 杂，对操作要求也更高。选择最佳的工艺参数调整范围、工艺最佳匹配方案和最佳操作是 实现最优控制的前提。如，轧制温度、压下规程、轧制节奏等工艺参数对轧制产品的产量、 质量、能耗等目标函数起着重要作用。对于大型型材生产而言，当生产中出现某些问题时， 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 由于工艺参数之间相互影响，要想及时找出问题，需要在大量实际生产中摸索寻找原因。 而对于新的生产线、新产品和新工艺的研究困难则更大。一方面工业性试验要占用宝贵的 生产时间，另一方面要投入大量的人力和物力，试验周期也较长。 因此利用开发的计算机模拟仿真系统，可对轧制过程变形及调整参数、温度及质量控 制工艺参数等进行模拟仿真，实现模拟生产，现场技术人员提供一个良好的工艺调整及模 拟研究工作平台，为生产系统的工艺操作和控制的稳定性提供理论和现实指导依据【4 】。从 而，研究课题最终成果具有理论及实际应用价值：减小工艺系统不稳定性，改善产品通条 性能、提高工艺控制水平；缩短工业性试验周期，减少调试阶段人力、财力投入，并创造 可观的经济效益。 1 2 仿真技术国内外研究现状 1 2 1 仿真的概念 仿真是以计算机系统、相关的物理效应设备及仿真器为工具，利用模型( 物理的、数学 的或非数学的) 对系统( 已有的或设想的) 进行研究的一门多学科的综合性的技术f 5 1 。 从技术应用的角度看，仿真技术可以定义为：以相似原理、控制理论、计算机技术、 信息技术及其应用领域的专业技术为基础，以计算机和各种物理效应设备为工具，利用数 学模型或部分实物对实际的和设想的系统进行动态实验研究的一门综合技术。 1 2 2 仿真技术国内外发展现状 随着计算机技术的发展，仿真软件平台也在逐步提高。对编程而言，应当是层次分明， 便于后续扩充，减少编程调试的繁琐。对用户而言，则是操作简单直观，交互性好，适用 性强，尤其对连轧这种可能有多架不同轧机的情况，能有独立参数和灵活的控制投入。成 功的仿真软件对建模过程的全面掌握，准确的数学模型，适宜的编程平台以及友好的交互 界面都是缺一不可【6 1 。以轧制过程物理模拟及数值模拟为基础的轧制工艺过程的仿真是一 门跨学科的实用技术，对于热轧变形过程而言，它可涉及到传热学、材料成型、金属学、 数值分析、数据库语言技术和计算机语言等领域【7 】。 近三十年来轧制工艺过程的仿真成为各国钢铁界研究的热点之一。英国谢菲尔大学的 s e l l a r s 等首先开展了热轧过程组织演变的研究工作，他们在大量热模拟实验的基础上，在 上世纪7 0 年代末提出了一组比较全面的静态、动态再结晶预测模型。随后，世界各国广 泛开展了这方面的研究工作【2 】【3 1 。近十年来，由于人工智能技术的发展，采用人工神经网 络的方法进行组织性能预报也得到大量的应用。但单纯运用人工智能技术进行预报和控制 需要建立精确的数据采集系统和庞大的数据库，这对大多数钢铁企业难以实现。 在大量数学模型研究的基础上，s a i t o 等于上世纪8 0 年代初首次提出了建立预测热连 轧带钢组织和性能的计算机集成模型的概念。之后，江板一彬等和矢田浩等分别发表了组 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 织性能预报的计算机集成模型，这些模型主体框架基本类似，只是构成这些集成模型的各 个子模型相关系数不同，侧重点也不相同【8 】。 上世纪9 0 年代在美国能源部和美国国家钢铁局的巨额资助和主持下，加拿大不列颠哥 伦比亚大学冶金过程工程中心和美国国家标准局以及北美1 4 家钢铁企业共同开发了一套 板材炼制的过程模拟软件。另外，奥钢联工程公司( v a i ) 与林茨钢厂合作开发了连轧带 钢质量控制系统，该系统已先后用于低碳钢和高强度低合金钢的生产过程，可根据板坯的 化学成分及测量的生产数据计算出力学性能，并可以修正目标生产数据( 如精轧温度和卷 曲温度等) ，以达到所要求的力学性甜9 1 。 伴随着计算机控制技术的飞速发展，材料领域理论研究和实验研究也取得了重大突破， 计算机模拟技术也得到了很大发展，发达国家大都采用计算机模拟技术进行工艺研究，开 发离线与在线模拟系统，对工艺过程实现控制或优化。所谓计算机模拟技术，就是用工艺 数学模型来描述过程，采用数值方法求解，在计算机上研究生产过程。即利用计算机程序， 进行模拟试生产，动态显示材料制造工艺的历程，预测和优化成品质量。模拟生产过程具 有时，省钱等优点，并且还能动态显示有关物理量的演变历程和空间分布，深入地揭示工 艺控制的本质。 资料查阅表明4 1 ，目前针对重轨万能轧机进行工艺过程模拟仿真研究的系统报道比 较少。因此，该仿真系统的开发，为该领域轧制工艺技术的开发提供一个新的手段，为现 场技术人员提供一个良好的工艺分析、工艺调整、质量控制及产品开发的模拟工作平台。 利用模拟仿真研究结果可指导生产、进行工艺操作、控制系统调试及新产品试验性生产等， 达到占用时间少、节省人力物力、为该生产线的投产和调试提供工艺操作及质量控制的理 论及现实指导依据。 1 2 3 温度仿真计算国内外发展现状 随着自动控制及计算机技术的日新月异，温度仿真技术及其相关的数值传热学在钢铁 企业的生产与科研中也得到了快速的发展【5 ，6 ，1 5 】。目前宝钢2 0 5 0 现场采用的是基于经典传 热学公式推导出来的模型，即热传导、对流换热、辐射换热和传热过程。复杂换热过程与 各类换热设备的传热特性，以这些经典模型为主框架，将相应的影响因素作为系数反映到 模型公式中，以此对轧制过程基础自动化系统进行控制，采用了温度调整学习系数来提高 模型的精度。目前，宝钢2 0 5 0 系统正在进行改造，力求通过新的计算方法提高温度预测 的精度，从而提高产品的质量和附加值。一般来说，传热学的经典公式不可能改动，只是 在数值计算方法上力求新的突破。 国外大型钢铁巨头已经开始采用新的数值计算方法，比如有限差分法( f d m ) 、有限 元法( f e m ) 及边界元法( b e m ) 【1 6 1 7 】，而且开发了一系列的传热学计算的专业软件，流 动与传热问题数值计算商业软件的蓬勃发展，一方面有力地推动了计算传热学研究成果应 用于求解工业生产过程，另一方面也促进了对性能优良的数值方法的研究。 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 1 3 课题研究的主要内容 针对钢铁企业重轨万能轧制生产线过程中有待解决的问题，课题在分析了重轨万能轧 制生产流程特点的基础上，结合面向对象的思想，开发了重轨力能连轧生产线的仿真系统， 最后以一个实际的案例，验证了本文构建的仿真模型的正确性和有效性：并且以此实际案 例，进行了重轨万能轧制过程温度场有限元【1 8 j 9 】模拟研究。具体进行了以下几方面的研究： ( 1 ) 重轨万能轧制线生产流程分析 通过现场的调研，分析了重轨万能轧制线生产工艺流程和核心设备的加工特点。 ( 2 ) 重轨万能轧制线仿真数学模型的建立 鉴于重轨万能轧制线生产工艺流程的分析，根据轧件截面特点将轧制线抽象成为若干 个加工阶段进行了各个工艺参数模型( 如：温度变化数学模型) 的建立，从而得到了万能 轧制整条生产线的生产数学计算模型，为仿真系统的设计提供了基础。 ( 3 ) 重轨万能轧制线仿真系统设计 以某钢铁厂重轨万能轧制线作为工程的应用背景，结合万能轧制线的特点和仿真数学 模型，对重轨万能轧制线仿真系统的仿真算法设计与实现进行了研究，仿真系统软件采用 s u a lb 撕c6 o 开发重轨万能生产线仿真系统。 ( 4 ) 重轨万能轧制线仿真 在所开发的重轨万能生产线仿真系统上，通过现场采集的数据并进行综合处理，调试 校j 下模型参数后从而实现仿真模型的重轨万能轧制线仿真。 ( 5 ) 重轨万能轧制过程温度场有限元模拟 依据综合处理的现场数据，轧件在万能轧机轧制时，采用m a r c 有限元软件对轨头、 轨腰和轨底设置初始温度，即施加给重轨初始温度场。通过加载其它轧制参数，最终模拟 计算出万能轧制过程的温度场。 由于重轨万能轧制线生产的产品种类繁多，本文重点研究以4 3 k g m 、5 0 k g m 、6 0 k g m 级别为代表的生产过程仿真，从轧制线诸如孔型系统等工艺参数分析，以及新产品投产仿 真分析对万能轧制线的生产过程进行分析、建立数学模型，并在此基础上设计开发仿真系 统。 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 2 1 传热学理论基础 第二章文献综述 不论什么时候，只要在一个介质之中或是两个介质之间存在温差就一定有传热发生。 我们把不同类型的传热过程称为传热的不同模式。当在静态介质中存在着温度梯度时，不 论这介质是固体还是流体，在这介质中都会有传热发生，这种传热过程我们称之为传导。 与此相似，当一个表面和一种运动流体处于不同温度时，它们之间发生的传热称为对流。 第三种传热模式称为热辐射，所有具有一定温度的表面都以电磁波的形式发射能量，因此， 如果表面之间没有参与传热的介质，那么在两个不同温度的表面之间只依靠辐射进行热交 换。 2 1 1 导热 导热是物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及电子等微观粒子的热运 动而进行的热量传递过程。导热遵循傅里叶定律，即发生导热的时候，单位时间内通过某 一面界的热量成为热流密度或热流量。其一维稳态导热时傅立叶定律的数学表达式为【2 0 2 2 】 ，d 丁，、 g3 i 一九面 j 式中，为热流量，w ；口为热流密度，w m 2 ；彳为导热面积，单位为m 2 ；允为导热 系数( w 协k ) ，负号表示热量传递的方向与温度梯度的方向相反。温度梯度是温度增加方 向的变化率，而热量则从物体温度较高的部分向温度较低的部分传递。 2 1 2 对流 对流换热是流体各部分之间发生相对位移，冷热流体相互掺混所引起的热量传递方 式。对流仅发生在流体中，而且必然伴随着导热，这就是所谓的对流换热。当流体流过固 体表面时，如果存在温度差就会繁盛对流换热。对流换热按引起流体流动的不同原因可分 为：自然对流和强制对流两大类自然对流是由于流体冷、热各部分密度不同引起的而强制 对流是由于流体受到水泵、风机或其他压差作用产生的流动。热对流用牛顿对流换热的基 本公式来描述【2 0 2 2 】 q = 栌( 弓一瓦) r ，、 、一， 式中，q 为对流热流量，w ；j l l 为对流放热系数，w “m 2 ) ；乃一乙为壁面与流体 间的温差，。对流传热的方向就是与其所邻近流体实行热交换的表面的法线方向。( 2 2 ) 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 式本身计算很简单，困难在于确定对流换热系数 的数值。 2 1 3 辐射 热辐射是通过电磁波来传递热量的。电磁波的传播可以在真空中进行，因此辐射换热 与导热和对流换热的明显不同点在于前者是非接触换热，而后者是接触换热。两个温度不 同的物体，依靠本身向外发射辐射能和吸收外界投射到本身上的辐射能来实现热量的传 递，这就是辐射传热。不同物体的辐射能力与吸收能力各不相同，能够全部吸收外来辐射 的理想物体称为绝对黑体，简称黑体。在同一温度下，黑体的辐射能力也是所以物体中最 强的。黑体表面辐射的热流量可以用s t e 蟊m b o l t z m 锄定律所揭示2 0 2 2 】 西= 么刀4 ( 2 3 ) 式中，彳为辐射表面积，i n 2 ：r 为黑体表面的热力学温度，单位为k ；仃为 s t e 胁b o l t z m a r u l 常量，通常说的黑体辐射常数，其值为5 6 7 1 0 。8 w “m 2 k 4 ) 。 在工程中通常考虑两个或两个以上物体之间的辐射，系统中每个物体同时辐射并吸收 热量。它们之间的净热量传递可以用s t e 最m b o l t z m 觚n 方程来计算【2 0 之2 】： o = 鲥仃( 丁4 一4 ) ( 2 4 ) 式中，z 为环境温度，k ；占为辐射率( 黑度) ，值小于1 ，它与物体种类及表面状态有 关。 许多应用问题中，净辐射换热比较方便的表示，可用下式【2 0 乏2 】： g 脚2j i i ，彳( 丁一) ( 2 5 ) 式中：j i i ，- 辐射换热系数，w “m 2 ) j j i r = 掰盯+ 瓦) ( 丁2 + 疋。) ( 2 6 ) 这里把辐射模式按照与对流相类似的形式来处理，在这个意义上是把辐射传热速率方 程线性化了，使得传热速率正比于温度，而不是正比于两个温度的四次方的差，不过要注 意五，强烈地受温度的影响，而温度对对流传热系数的影响一般是比较弱的。 2 2 温度场的有限元方法 轧制过程中金属内部的应力、应变与温度有着密切的关系。对热轧过程来说，温度是 影响金属变形抗力的最主要因素之一。此外，轧件的温度变化过程还与其内部微观组织结 构的变化有着极为密切的关系，因此研究轧制过程的温度场不仅具有理论意义，也具有十 分明确的实用价值【2 3 】。 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 2 2 1 温度场 像重力场、速度场等一样，物体中存在着温度的场，称为温度场，它是各时刻物体中 各点温度分布的总称。温度场有两大类【2 4 之7 】：一类是稳态工作条件下的温度场，这时物体 各点的温度不随时间变动，这种温度场称为稳态温度场；另一类是变动工作条件下的温度 场，例如热机的部件在启动、停机或变动工况时就出现这类温度场，这时温度分布随时间 改变，这种温度场称为非稳态温度场。在特殊情况下物体的温度仅在一个坐标方向上有变 化，这种情况下的温度场称为一维温度场。 一般地讲，物体的温度分布是坐标和时间的函数，即 r = 厂( x ，y ，z ，f ) ，7 、 、， 式中，x 、y 、z 空间笛卡儿坐标；f 时间坐标。 2 2 2 热传导基本方程 在轧件里取一个微元体，则微元体应该满足能量平衡方程，即微体升温所需的热量应 与传入微体的热量以及微体内热源产生的热量相平衡。由此建立微分方程【2 8 。3 0 】： 肛鲁一昙一罢) 一号一等) 一妄( t 警) 一触= 。2 固 式中，p 为材料密度，单位k 咖3 ；c 为材料比热，单位j ( k g k ) ；f 为时间，单位s ； t ，b ，吃为分别是材料沿x ，j ，z 方向的热传导系数，单位w ( m k ) ；q = 烈j ，f ) 为 物体内部的热源密度，单位w 他g 。 方程中第一项是微体升温需要的热量，第二、三、四项是从x ，y ，z 三个方向传入 微体的热量，最后一项是微体内热源产生的热量。 2 2 3 初始条件和边界条件 根据( 2 8 ) 式可以看出，热传导偏微分方程中不仅有对空间方向的一阶偏导数，而且还 有对时间的一阶偏导数。由于空间和时间是不能够相互耦合的，因此偏微分方程需要定义 时间点为零的初始条件。 对于三维轧制问题，常用的初始条件是【2 8 - 3 0 】 丁b ，y ，z ，f ) = 瓦b ，y ，z ) f ：o( 2 9 ) 这里o 函数的范围是在所研究的体域内，且表示在f = 0 时刻的温度场分布状态。 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 三维传热问题中常见的边界条件有怛”u j ( 1 ) 给出温度值的边界e 丁( x ，j ，z ，f ) = 瓦( x ，y ，z ) f o ( 2 1 0 ) ( 2 ) 给出热流量g 的边界r 2 t 笔 以j + 砖暑；甩y + 七z 笔；以：2 9 。2 ，。， 上式中，以，刀：为边界外法线的方向余弦。 ( 3 ) 给出热损失的边界r 3 t 笔；刀，+ b 多刀y + 屯笔 阼z = 矗( 疋一丁) 。2 。2 ， 上式中， 为传热系数；毛2 瓦矿，f ) 为自然对流条件下外界环境温度。 边界应满足： + l + l ：r ( 2 1 3 ) 在l 边界上给定温度r ( r ，f ) 称为第一类边界条件，它是强制边界条件。r 2 边界上给定 热流量g ( r ，f ) 称为第二类边界条件，当g ：o 时就是绝热边界条件。在l 边界上给定对流换 热的条件，称为第三类边界条件。第二、三类边界条件是自然对流边界条件。 2 3 重轨万能轧制工艺 2 3 1 重轨万能轧制法 万能轧制法【3 l 】与原来二辊轧制法的不同是对具有初步轨型的轧件进一步加工和最终 加工方法上，轧件在万能机座和其后的轧边机座中进行轧制，可以保证钢轨从粗轨型到成 品孔轧件的变形是均匀、对称。万能孔型中，压力方向主要是对轨头、轨底进行压缩，同 时整个截面均匀变化。万能轧制中，轧件一般是经过万能粗轧机组、万能中轧机组，最后 进入万能精轧机组。 目前国内外普遍应用的重轨万能轧制法中，成品钢轨的形状大都是在半万能成品孔中 完成。半万能机座1 立辊、2 个水平辊组成，单独使用半万能成品孔型，重轨的头宽、内 腔、对称性和轨底形状可以保证。但高精度重轨对轨头圆弧踏面形状的要求，半万能成品 孔无法充分保证。 而万能成品孔则由2 个水平辊和2 个立辊组成，轧件在上、下、左、右四个方向上都 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 有压力轧件均匀延伸，保证了轨高。孔型在轨头部没有开口，踏面圆弧形状可由头部立辊 的孔型尺寸来保证。而且使用万能成品孔，轧件在成品孔前的万能孔中，都只需要一个道 次就可满足精度的需要，与采用半万能成品孔相比大大减少了轧制时间。 因此在国内各大重轨厂家改造重轨生产线，设备先进的情况下，万能轧机都已具备辊 缝中心线与立辊孔型轴向中心线对正和动态轴向调整的功能，完全满足使用万能孔型作为 成品孔型时对轧机结构和调整能力的要求。 2 3 2 重轨万能轧制法的特点及发展 2 0 世纪6 0 年代，法国阿扬日的u n i m e t a l 厂开发了在万能轧机上轧制钢轨的工艺。后来， 日本、南非等国也相继采用此轧制工艺。世界各公司所采用的孔型制度，见表2 1 【1 1 所示。 表2 1 采用万能法轧制钢轨的厂家的孔型制度 万能轧制法是金属在万能机座和紧接其后的轧边机座中交替地进行轧制。与常规轧制 法不同，在万能轧制中，压力方向主要对轨头和轨底进行压缩，同时整个截面均匀变化【4 1 。 其法具有以下特点【l 】： ( 1 ) 上下对称轧制，不存在闭口槽。 ( 2 ) 万能轧机左右立辊直径不同。压下量较大的头部立辊直径较小，而压下量较小的 底部立辊直径大。以保证咬人时左右立辊能同时接触轧件，防止轧件左右窜动，并保持其 变形区长度和左右立辊轧制力近似相等。 ( 3 ) 轧边机可快速横移。由于万能轧机的水平辊和立辊辊型固定，孔型大小随各道压 下量而变，而轧边机只轧轨头和轨底侧面，不轧腰，因此轧边机上刻有数个尺寸不同的孔 型，在往复轧制过程中，轧边机要快速横移。 ( 4 ) 万能轧制过程中，要固定重轨水平轴线位置，以便4 个轧辊同时进行上下对称轧 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 制。为此，在轧机上设有自动导引装置，依靠可调整的人口上下卫板，使每道轧件水平轴 线与水平轧制线对中。 与常规轧制法相比，万能轧制法具有产品尺寸精确，轧件内部残余应力小，轨底加工 好，轧辊磨损及电能消耗少，调整比较灵活等优点，产量可提高1 8 倍，作业率提高l o ， 轧辊消耗降低2 0 。 自阿扬日厂开发了万能轧机轧制钢轨后，近年来又有了新的发展： ( 1 ) 快速粗轧 目前，粗轧过程通过7 个中间轧槽( 3 个帽形孔型，4 个预精轧孔型) 在2 个粗轧机 架上完成。而快速粗轧只用l 架二辊轧机完成开坯粗轧过程，该轧机最少配置有5 个特殊 轧槽( 2 个帽形孔型，3 个预精轧孔型) 。 ( 2 ) 重叠及嵌套的轧边轧槽 对于往复轧制3 个道次的万能机组，其轧边机需要布置2 个轧边轧槽，并可以互相重 叠。在使用这2 个轧边孔时，可通过拨动导板，或通过在其轴承范围内移动轧边辊，或移 动轴承座来完成轧件与轧辊的相对横移，大大缩短了轧辊的横移距离。 武汉科技大学硕士学位论文第1 l 页 3 1 重轨轧制线布局 第三章温度数学模型研究 i 钢坯上料 上 i步进梁式炉加热 上 高压水除鳞 上 开坯机1 、2 轧制 图3 1 轧制工艺流程 根据重轨车间现场的实际情况，结合其轧制工艺流程( 如图3 1 ) ，对重轨轧制线的布 局有如下说明： 图3 2 轧制线布局示意图 ( 1 ) 钢坯从加热炉出来，温度可加热到1 2 5 0 。 ( 2 ) 进入高压水除鳞阶段，在高压水的作用下，可快速去掉氧化铁皮。 ( 3 ) 最后一个阶段则进入主轧区。主轧区包括开坯机1 、2 和万能连轧机组轧制阶段。 从开坯机l 到开坯机2 轧制共有多个道次；万能连轧机组轧制阶段即在万能轧机及轧 边机实现可逆连轧，且万能连轧机组机架由“万能+ 边轧+ 万能”组成，一般轧制3 个道 次。 3 2 重轨工艺特点 ( 1 ) 采用万能法轧制钢轨，轨头、轨底得到充分加工和均匀延伸，成品断面尺寸精度提高， 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 轨底平直内应力小，冷后弯曲度小。 ( 2 ) 步进式加热炉加热，钢坯加热温度均匀，提高产品轧制质量和精度。 ( 3 ) 采用多绂高压水除鳞，提高产品表面质量，同时降低轧辊消耗。 ( 4 ) 万能轧机及轧边机为新一代高刚度轧机，采用具有世界先进水平的a a c 自动辊缝控 制系统。 图33 万能机组仿真效果图 ( 5 ) 采用h 往复轧制方式，在轨头、轨底和轨膜交界处的金属加t 变形良好，并且轧制 时间短，轧件温度高，特别适宜于薄壁轻型钢粱生产，换辊快。 ( 6 ) 采用长尺冷却、长尺矫直、长尺探伤及平直度检测，减少了矫直盲区，确保钢轨表面 质量及内部质量，提高平直度及成材率。 ( 7 ) 采用步进粱式冷床冷却，产品冷却均匀，弯曲度小，减少钢材表面划伤。 f 8 ) 采用平立复合辊式矫直机及双向压力矫直机的矫直工艺，成品钢轨平直度好，残余应 力小。 f 9 ) 在线对钢轨内外缺陷探伤、断面尺寸及平直度的检测，可靠而有效的确保钢轨质量。 ( 1 0 ) 采用钢轨纵向加工线，可生产2 5 1 2 5 m 各种定尺钢轨，满足不同用户需要。 1 型钢生产采用长尺冷却、长尺矫直工艺，减少矫直盲区，提高产品定尺率和成材率。 ( 1 2 ) 型钢采用自动堆垛及打捆工艺，提高生产率和成品包装质量。 3 0 现场相关工艺参数 3 0 1 生产工艺设备及设备特点 万能生产线的工艺设备及其特点”驯如下： ( 1 ) 步进式加热炉 在万能生产线设置2 座步进炉，每座产量1 6 0 ，并改造轨梁9 5 0 l t 埘、8 0 0 m m 、8 5 0 m m 生产线的3 座推钢炉为2 座步进炉，每座产量l l o 曲，热装炉每座1 5 0 曲。 ( 2 ) 除鳞装置 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 整个万能生产线设置有高压水除鳞装置和气体除鳞装置。 高压水除鳞装置有两套，一套位于b d l 开坯机前，用于清除炉生氧化铁皮；另一套位 于u l 万能轧机前，用于清除二次氧化铁皮。气体除鳞装置也有两套，分别位于u 2 、u f 万能轧机前，用于清除二次氧化铁皮。 ( 3 ) 开坯机 开坯机为2 台结构型式相同的二辊可逆式牌坊轧机，其特点主要有： 上、下辊均设调节装备，下轧辊采用垫片调节，上轧辊设有电动压下装置，正常轧 制时下辊固定，上辊压下。 机前、机后均设有推床翻钢机，可以在任何道次移钢或翻钢。 ( 4 ) 万能可逆连轧机组 万能轧机共有2 架，分别为全万能轧机和半万能轧机，并与轧边机组合成为万能可逆 连轧机组机架使用。 全万能轧机带有2 个水平辊和2 个立辊，对轧件的水平方向和垂直方向的四面进行轧 制，若轧制普通型钢时，万能轧机转换成二辊机架，即不带立辊，只有2 个水平辊：半万 能轧机由1 个立辊、2 个水平辊组成，轧制时立辊轧制轨底底部，2 个水平辊对轨腰和轨 头外侧施加压力，轨头在轨高方向无压力；轧边机则带有2 个水平辊，对轧件的水平方向 的两面进行轧制。 万能可逆连轧机组的机架由两部分组成，其传动侧为固定牌坊，操作侧为可移动牌坊。 更换轧辊时，操作侧的牌坊移开，旧轧辊由换辊小车拖至横移台车上，然后将新轧辊推入 机架，从而实现快速换辊。 3 3 2 轧制程序表 本论文所研究的重轨规格分别为4 3 k g m 、5 0 k g m 、6 0 k g m 三种，以某规格的重轨为 例，有如下表3 1 所示轧制表： 表3 1 轧制程序表 机架道次孔型形状 尺寸 r 广。 ( b h ) 雎卜 轧件截面积 鼍芦 舢1 姗m m m ，r e d b d l 箱形2 9 0 x3 3 0 5 0 箱形 2 9 8x2 9 04 0 箱形 3 0 0 x 2 5 04 8 箱形3 0 4 x 2 3 02 0 箱形2 3 9x2 6 0 4 4 箱形2 4 4x2 3 5 2 5 箱形 2 4 0 x2 2 02 4 9 5 3 5 71 2 7 9 1 8 6 0 7 79 71 0 1 7 4 5 5 71 3 41 1 6 6 9 4 8 56 81 2 5 6 1 7 2 41 1 21 4 1 5 6 9 3 l7 81 5 2 5 2 4 0 08 01 6 6 第1 4 页武汉科技大学硕士学位论文 b d 2 帽形 帽形 轨形 轨形 轨形 成品孔形 成品孔形 成品孔形 成品孔形 成品孔形 成品孔形 成品孔形 2 1 0 2 0 0 5 7 3 5 3 4 3 3 2 3 2 1 8 3 5 5 4 5 5 9 5 2 0 l o 1 1 0 5 7 1 6 1 7 3 1 7 9 2 3 9 2 2 7 1 3 9 2 0 2 1 8 2 1 1 2 9 9 o 2 0 2 4 4 3 2 i 4 l - 5 4 8 2 6 0 4 6 1 5 6 1 5 6 1 5 9 9 1 0 2 1 0 8 8 3 4 温度预报数学模型 3 4 1 出炉至万能孔型机架前的轧制阶段温度变化 ( 1 ) 辐射温降模型【3 4 】 从加热炉出来直至开坯机b d 2 帽形孔最后1 个道次的主轧区阶段，各道轧件可视作表 面温度均相等；而从b d 2 轨形孔第1 个道次开始，轧件横断面已经有明显的头部、腰部、 底部之分，用分开处理方法来计算轨头、轨腰、轨底的辐射温降。 根据斯蒂芬一波耳兹曼定律，任一部分的辐射温降采用如下式： 弘等坶一c 别办 b 。， 占：堡丝2 5 堡堡- o 3 8 1 “l 1 0 0 0l1 0 0 0 ( 3 2 ) 式中，d 州- 辐射温降，k ； 办辐射时间，s ； 1c 空气温度，k ； n 轧制后轧件横截面周长，m m ； 彩轧制后轧件横截面面积，m m 2 ； g - 辐射率； 仃波耳兹曼常数，j ( 删n 2 k 4 s ) 。 ( 2 ) 高压水除鳞温降模型【3 4 】【3 5 】 高压水除鳞过程为强迫对流过程，轧件温降采用3 3 式计算。 l l 1 5 5 5 6 6 6， 6 9 7 3 l z“订一 3 5 0 9 o 了l 1 l m 订巧 3 5 7 o 8 4 4 4 4 巧楚k 一一一一一一跚龇册 8 9 m n 屹 b h 挎 武汉科技大学硕士学位论文 第1 5 页 式中，w 水温，； 川州铲u e x p ( 考习 ( 3 3 ) 。o 轧件温度，。 l ，比热容，j ( k g ) ； y 轧件密度，k 加3 ； 口强迫对流热交换系数，w ( m m 2 ) ； f 热交换时间，s 。 ( 3 ) 开坯机机架变形前后的温度变化【3 6 】 忽略传导和对流引起的温降，采用a h 采利柯夫方法计算温度的变化，如下式3 4 、 3 5 所示： r =+ 2 7 3l k l 式中，乃由变形机械能转化为热能而引起的温升，； 1 0 进入该孔型前的轧件温度，； f ( f2 ，f 坼) 进入该孔型之前经过的时间，s ； 兀轧制后轧件横截面周长，m m ； 缈轧制后轧件横截面面积，m m 2 ； k - 模型校正系数。 3 4 2 万能孔型机架轧制阶段温度变化 ( 3 4 ) ( 3 5 ) ( 1 ) 轨腰的温度变化模型弘3 9 1 轨腰的塑性变形温升 以可能的速度场3 7 1 为依据，确定剪应变速度强度，从而求得塑性变形功率： ”2 k 警历而n 踟 b 6 ， 第1 6 页武汉科技大学硕士学位论文 式中，k w 轨腰的变形抗力，m p a ； k 轨腰内侧宽度，m m ； 尺。水平轧辊半径，吼； 轨腰入口厚度，m m ； 啊轨腰出口厚度，m m ； v l 轨腰出口速度，m m ； 三，水平辊作用于轨腰的接触弧长，m m 。 根据能量守衡，求得计算轨腰塑性变形温升的表达式： 乙= 似p - ( c 万饥v t ) ( 3 7 ) 式中，塑性功转换效率； 彳功热当量； c 比热容，j ( k g ) 。 7 密度，k 舳3 ； 万轨腰的平均厚度，m m 。 轨腰的摩擦温升 当前滑系数氏5 l 时： 此时接触表面均为后滑区，忽略轧辊辊面与变形区任一横断面金属相对速度的垂直分 量，求得摩擦功率：