第2讲机型及机型选配.doc

第2讲 机型及机型选配 板形是冷轧板带产品的主要质量指标之一，然而在板带生产过程中提高板形质量或者说控制产品的板形，在目前仍是一个巨大的技术难题。自20世纪70年代以来，由于用户对板形质量的要求愈来愈高，推动板形控制技术成为板带生产的关键性技术。围绕板形控制技术的开发，国际上先后出现了诸如HC、CVC、UC、K-WRS、PC等多种不同机型的新一代高技术板带轧机。这些轧机都拥有1项知识产权自有的标志性板形控制技术，并辅以多项其它通用板形控制技术（如弯辊、压下倾斜、分段冷却），在生产中都配备有板形自动检测装置并实现了板形自动控制。 5.3 各种机型轧机的板形调控性能比较 要全面、准确、定量地获取轧机在各种设备条件、各种工艺条件下的板形控制性能，计算机离线仿真可以说是目前唯一可行的方法。除普通的四辊轧机外，目前有七种典型的机型配置占据主流，即四辊HCW轧机、四辊CVC轧机、四辊PC轧机、六辊CVC轧机、六辊UCMW轧机、六辊HCMW轧机以及DSR轧机。根据对七种典型机型的分析，要建立两套计算机仿真系统。其中一套仿真系统可以分析普通的四辊轧机、四辊HCW轧机、四辊CVC轧机、四辊PC轧机、六辊CVC轧机、六辊UCMW轧机、六辊HCMW轧机等各类轧机；另一套仿真系统用于DSR轧机的分析，既可以分析DSR技术的整体调控行为，也可分析其针对性调控行为。 5.3.1 各型轧机的有限元仿真模型 目前，常用的计算辊系弹性变形的数值方法有影响系数法和有限元法。前者计算速度较快，但精度不及后者。有限元法计算精度能保证，但计算速度有限，尤其是三维有限元法。由于欲计算的轧机机型较多，每种机型又需计算很多工况，显然，采用常规的三维有限元法不切实际。为此，利用北京科技大学陈先霖院士开发的二维变厚度有限元模型，针对不同的机型，建立了相应的仿真模型。应用该模型，在普通的PC机上计算一个最复杂的工况所花的时间不超过1min。而采用国际上通用的知名有限元软件ANSYS建立的仿真模型，计算一个最简单的工况也需2h以上，要计算一个复杂的工况则需10h以上，而且对计算机的内存、硬盘存储容量要求也很高。在精度方面，经实测数据验证和与ANSYS模型计算的结果比较，采用二维变厚度有限元模型具有很高的精度。基于此，将计算精度和计算效率的完美地结合起来，在仿真分析过程中，对于除DSR机型以外的所有机型，均采用二维变厚度有限元模型。 5.3.1.1 变厚度有限元仿真模型 （1） 结构离散化 离散化是有限单元法的基础，就是由有限个单元的集合体来替代原来的连续体或结构。每个单元仅在节点处和其它单元及外部联系。由于轧机的结构对称，所以四辊轧机以上支撑辊和上工作辊为研究对象，六辊轧机以上支撑辊、上中间辊和上工作辊为研究对象。为了提高解题的精度，网格由里层向外层逐步加密。如图5-13至图5-17所示，是六种典型的机型（四辊CVC轧机、四辊HCW轧机、四辊PC轧机、六辊CVC轧机、六辊UCMW轧机、六辊HCMW轧机）的单元划分情况。 图5-13 四辊CVC轧机 图5-14 四辊HCW轧机 图5-15 四辊PC轧机 图5-16 六辊CVC轧机 图5-17 HCMW/UCMW轧机 图中所示的单元可以分为两类：一类是只承受接触压扁变形的接触边界单元，称为等效接触单元，共有三层；一层在轧制区工作辊的表面，另两层分别在辊间接触区域的支撑辊和工作辊的表面上。除此之外，全部属于另类承受挠曲变形的实体单元，称为等效抗弯单元。后续的单元刚度矩阵和总体刚度矩阵的建立方法见第二章。 （2） 带钢弹塑性变形模型与轧辊弹性变形模型的联合求解 由于轧辊的弹性变形模型和带钢的三维弹塑性变形模型互为因果关系，两者之间存在高度耦合关系，最理想的方法是建立轧辊与带钢一体的有限元变形模型进行一次性求解。但由此带来的计算量是理论计算和工程应用中所无法忍受的。采取将两模型分别单独计算，在辊系弹性变形模型中假设轧制力的分布，在带钢三维弹塑性变形模型中假设轧辊为刚性体。然后利用两个模型计算所得的结果，提取特征量并以此作为联系两个模型的桥梁进行迭代求解，最终达到两个模型之间的平衡。这种一方面克服了将两个模型割裂所带来的计算偏差等弊端，同时提高了计算效率。如何实现两个模型的高效联合求解，是要解决的主要任务。在计算中以轧制力沿板宽方向的分布作为联系两个模型的中间环节。 = 1 \* GB3 ① 轧制力分布的等效处理 轧制力的分布由带钢三维弹塑性模型计算所得。由计算结果发现，轧制力在带钢中部基本呈现均匀分布的态势，而在带钢边部，轧制力略微上扬后迅速回落，如图5-18所示，这与带钢在边部发生较大量的宽展有关。 求得轧制力的这种分布形态后