專利名稱：一種確定冷軋機(jī)工作輥溫度場及熱膨脹的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及冶金自動(dòng)化領(lǐng)域，特別是一種確定冷軋機(jī)工作輥溫度場及熱膨脹的方法。
背景技術(shù)：
在冷軋生產(chǎn)過程中，工作輥溫度場及熱膨脹直接影響到成品帶鋼的板形質(zhì)量，并對(duì)工作輥原始輥形與換輥周期、輥縫設(shè)定以及彎輥、軋輥傾斜、分段冷卻等板形控制產(chǎn)生的調(diào)節(jié)起著重要作用。軋制過程中，工作輥在轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，軋輥表面與帶鋼接觸，在帶鋼塑性變形功與摩擦熱的共同作用下，輥面溫度迅速升高，同時(shí)，工作輥與空氣、乳化液發(fā)生對(duì)流換熱及與中間輥之間的熱傳導(dǎo)，使輥面溫度降低，如此周而復(fù)始地變化。在這個(gè)周期性變化過程中，涉及軋輥徑向、軸向及周向三個(gè)方向的傳熱過程，因此，從嚴(yán)格意義說上，工作輥溫度場是一個(gè)三維非穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)。但考慮到軋輥的旋轉(zhuǎn)周期與熱膨脹對(duì)軋制條件變化的響應(yīng)時(shí)間相比較小，所以忽略工作輥在圓周方向的溫度變化，簡化為二維非穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)對(duì)溫度場進(jìn)行描述。在工作輥溫度場計(jì)算過程中，邊界條件和熱流密度的確定是否準(zhǔn)確，是影響工作輥溫度場求解精度的重要因素之一，也是軋輥溫度場模型研究的難點(diǎn)之一。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種確定冷軋機(jī)工作輥溫度場及熱膨脹的方法，能夠準(zhǔn)確確定工作輥傳熱的邊界條件和熱流密度，能夠?yàn)槔滠埌逍慰刂茀?shù)調(diào)節(jié)和輥縫設(shè)定提供準(zhǔn)確的工作輥溫度場參數(shù)及熱膨脹參數(shù)。本發(fā)明采取的技術(shù)方案為—種確定冷軋機(jī)工作輥溫度場及熱膨脹的方法，它包括以下步驟(I)根據(jù)冷軋工藝條件和傳熱機(jī)理建立工作輥溫度場理論解析模型，獲取工作輥幾何條件和初始條件并確定模型計(jì)算的邊界條件；(2)采用有限差分法對(duì)步驟I中所建立的解析模型進(jìn)行離散化，建立工作輥溫度場計(jì)算離散模型。(3)對(duì)離散模型進(jìn)行求解，計(jì)算確定冷軋機(jī)工作輥溫度場及熱膨脹。按上述方案，步驟(I)中所述工作輥溫度場理論解析模型通過以下方程來描述
權(quán)利要求
1.一種確定冷軋機(jī)工作輥溫度場及熱膨脹的方法，其特征在于它包括以下步驟 (1)根據(jù)冷軋工藝條件和傳熱機(jī)理建立工作輥溫度場理論解析模型，獲取工作輥幾何條件和初始條件并確定模型計(jì)算的邊界條件； (2)采用有限差分法對(duì)步驟(I)中所建立的解析模型進(jìn)行離散化，建立工作輥溫度場計(jì)算離散模型。
(3)對(duì)離散模型進(jìn)行求解，計(jì)算確定冷軋機(jī)工作輥溫度場及熱膨脹。
2.如權(quán)利要求1所述的確定冷軋機(jī)工作輥溫度場及熱膨脹的方法，其特征在于步驟(O中所述工作輥溫度場理論解析模型通過以下方程來描述
3.如權(quán)利要求2所述的確定冷軋機(jī)工作輥溫度場及熱膨脹的方法，其特征在于步驟(2)中采用有限差分法對(duì)步驟I中所建立的解析模型進(jìn)行離散化，得到的工作輥溫度場計(jì)算離散模型為 twr [i, k, dn, rn]=twr [i, k_l, dn, rn] + Δ twr [i, k, dn, rn]， 上式中
4.如權(quán)利要求2或3所述的確定冷軋機(jī)工作輥溫度場及熱膨脹的方法，其特征在于所述步驟(3)還包括以下步驟 (3.1)根據(jù)前滑區(qū)和后滑區(qū)的單元摩擦力，計(jì)算冷軋過程中的變形區(qū)的摩擦熱和變形區(qū)的變形功； (3. 2)根據(jù)摩擦熱、變形功、帶鋼及工作輥熱物性參數(shù)、帶鋼單元體積，計(jì)算帶鋼在輥縫內(nèi)的溫升量； (3. 3)對(duì)工作輥進(jìn)行周向區(qū)域劃分和單元?jiǎng)澐郑? (3. 4)根據(jù)工作輥與帶鋼接觸的傳導(dǎo)熱流、摩擦熱流、單元負(fù)荷、總負(fù)荷，計(jì)算工作輥表面初始熱流； (3. 5)根據(jù)工作輥表面溫度、空氣溫度、工作輥表面與空氣接觸弧長、熱量交換時(shí)間、工作輥表面與空氣間的對(duì)流換熱系數(shù)，計(jì)算工作輥與空氣間的對(duì)流換熱； (3. 6)根據(jù)乳化液噴射區(qū)弧長、乳化液溫度、工作輥表面溫度、熱量交換時(shí)間、工作輥表面與乳化液間的對(duì)流換熱系數(shù)，計(jì)算工作輥與乳化液間的換熱； (3. 7)根據(jù)工作輥表面溫度、中間輥與工作輥接觸單元的平均溫度、輥間接觸弧長、輥間接觸時(shí)間、工作輥及中間輥蓄熱系數(shù)，計(jì)算工作輥與相鄰軋輥之間的換熱； (3.8)根據(jù)工作輥表面初始熱流、工作輥與空氣間的交換熱流、工作輥與乳化液間的交換熱流、工作輥與中間輥間接觸傳入中間輥的熱流，計(jì)算冷卻后的工作輥表面單元熱流； (3. 9)根據(jù)冷卻后的工作輥表面單元熱流、帶鋼與工作輥接觸時(shí)間、離開輥縫時(shí)間、工作輥蓄熱系數(shù)、乳化液冷卻區(qū)長度，計(jì)算工作輥表面溫度； (3. 10)根據(jù)前一時(shí)刻的工作輥溫度及當(dāng)前時(shí)刻的工作輥溫度變化量以及工作輥表面溫度，計(jì)算工作輥內(nèi)部溫度場； (3. 11)根據(jù)絕熱條件，計(jì)算工作輥軸向和徑向中心線溫度； (3. 12)根據(jù)工作輥與空氣將的換熱系數(shù)、工作輥導(dǎo)熱系數(shù)、室內(nèi)環(huán)境溫度，計(jì)算工作輥端面溫度； (3. 13)根據(jù)工作輥直徑、工作輥線膨脹系數(shù)、工作輥初始溫度，計(jì)算工作輥直徑變化量; (3. 14)根據(jù)工作輥直徑、工作輥平均溫度、工作輥邊部平均溫度、工作輥線膨脹系數(shù)，計(jì)算工作輥熱膨脹量。
5.如權(quán)利要求4所述的確定冷軋機(jī)工作輥溫度場及熱膨脹的方法，其特征在于步驟(3.1)中計(jì)算冷軋過程中的變形區(qū)接觸弧單元摩擦熱和變形功采用以下步驟 接觸弧參數(shù)計(jì)算包括將接觸弧劃分成若干段，每個(gè)段為一個(gè)單元，計(jì)算各段接觸弧對(duì)應(yīng)的帶鋼厚度；計(jì)算劃分后每段弧長及所對(duì)應(yīng)的角度； 計(jì)算冷軋過程中的變形區(qū)接觸弧單元摩擦力產(chǎn)生的摩擦功，然后計(jì)算變形區(qū)接觸弧單元摩擦熱和變形功。
6.如權(quán)利要求5所述的確定冷軋機(jī)工作輥溫度場及熱膨脹的方法，其特征在于計(jì)算各段接觸弧對(duì)應(yīng)的帶鋼厚度采用的公式為
7.如權(quán)利要求5所述的確定冷軋機(jī)工作輥溫度場及熱膨脹的方法，其特征在于計(jì)算冷軋過程中的變形區(qū)接觸弧單元摩擦力采用的公式為FRi = δ vi* μ *B*li 上式中，F(xiàn)Ri為接觸弧各段對(duì)應(yīng)的摩擦力，δ vi為垂直于接觸弧的應(yīng)力，其中
8.如權(quán)利要求5所述的確定冷軋機(jī)工作輥溫度場及熱膨脹的方法，其特征在于計(jì)算接觸弧各段摩擦力所做的功采用的公式為
9.如權(quán)利要求5所述的確定冷軋機(jī)工作輥溫度場及熱膨脹的方法，其特征在于計(jì)算變形功采用如下公式；
10.如權(quán)利要求4所述的確定冷軋機(jī)工作輥溫度場及熱膨脹的方法，其特征在于所述步驟(3. 2)中計(jì)算帶鋼在輥縫內(nèi)的溫升量采用以下步驟 計(jì)算由變形功和摩擦熱引起的帶鋼溫度變化； 計(jì)算輥縫內(nèi)各單元的溫度； 計(jì)算輥縫出口的平均溫度； 計(jì)算冷卻后的入口帶鋼溫度及平均帶鋼溫度。
11.如權(quán)利要求10所述的確定冷軋機(jī)工作輥溫度場及熱膨脹的方法，其特征在于所述計(jì)算由變形功和摩擦熱引起的帶鋼溫度變化采用以下公式
12.如權(quán)利要求10所述的確定冷軋機(jī)工作輥溫度場及熱膨脹的方法，其特征在于所述計(jì)算冷卻后的入口帶鋼溫度及平均帶鋼溫度采用以下步驟 a)計(jì)算熱傳導(dǎo)過程中熱耗損引起的溫降；
13.如權(quán)利要求4所述的確定冷軋機(jī)工作輥溫度場及熱膨脹的方法，其特征在于步驟(3. 3)中對(duì)工作輥進(jìn)行周向區(qū)域劃分的具體方法為根據(jù)工作輥與周圍不同介質(zhì)的接觸情況，將工作輥表面沿周向分為輥縫接觸區(qū)、空氣接觸區(qū)、乳化液冷卻區(qū)及與中間輥的接觸區(qū)4類區(qū)域。
14.如權(quán)利要求4所述的確定冷軋機(jī)工作輥溫度場及熱膨脹的方法，其特征在于步驟(3. 4)中計(jì)算工作輥表面初始熱流采用以下公式
15.如權(quán)利要求4所述的確定冷軋機(jī)工作輥溫度場及熱膨脹的方法，其特征在于步驟(3. 5)中計(jì)算工作輥與空氣間的對(duì)流換熱采用以下公式qsurl [dn] = (tsur [dn] _tair)氺Icontactair氺ha氺 Δ χ氺 Δ t 上式中qsurl[dn]為空氣與工作棍間的交換熱流，tsur [dn]為工作棍表面單元溫度，tair為空氣溫度，Icontactair為空氣與工作輥的接觸弧長，ha為工作輥與空氣間的對(duì)流換熱系數(shù)，Δχ為工作棍軸向單元長度，At為熱量交換時(shí)間。
16.如權(quán)利要求4所述的確定冷軋機(jī)工作輥溫度場及熱膨脹的方法，其特征在于步驟(3. 6)中計(jì)算工作輥與乳化液間的換熱采用以下公式
17.如權(quán)利要求4所述的確定冷軋機(jī)工作輥溫度場及熱膨脹的方法，其特征在于步驟(3. 7)中計(jì)算工作輥與相鄰軋輥之間的換熱采用以下公式
18.如權(quán)利要求17所述的確定冷軋機(jī)工作輥溫度場及熱膨脹的方法，其特征在于所述單元的接觸弧長計(jì)算公式如下 lbcon = s fr其中
19.如權(quán)利要求4所述的確定冷軋機(jī)工作輥溫度場及熱膨脹的方法，其特征在于步驟(3. 9)中計(jì)算工作輥表面溫度采用以下公式
20.如權(quán)利要求4所述的確定冷軋機(jī)工作輥溫度場及熱膨脹的方法，其特征在于步驟(3. 12)中計(jì)算工作輥端面溫度采用的公式為
21.如權(quán)利要求4所述的確定冷軋機(jī)工作輥溫度場及熱膨脹的方法，其特征在于步驟(3. 13)中計(jì)算工作輥直徑變化量采用以下公式
22.如權(quán)利要求4所述的確定冷軋機(jī)工作輥溫度場及熱膨脹的方法，其特征在于步驟(3. 14)中計(jì)算工作輥熱膨脹量采用以下公式ct = m*Dwr*t β * (Tcavg-Teavg) 上式中，ct為工作輥熱膨脹平均值(單根工作輥)，m為模型系數(shù)，m取O. 9，Dwr為工作輥直徑，Tcavg為工作輥中部平均溫度，Teavg為工作輥邊部平均溫度，t β為工作輥線膨脹系數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種確定冷軋機(jī)工作輥溫度場及熱膨脹計(jì)算的方法，該方法的步驟為根據(jù)冷軋工藝條件和工作輥傳熱機(jī)理建立工作輥溫度場理論解析模型，采用有限差分法對(duì)理論模型進(jìn)行離散化處理，得到工作輥溫度場計(jì)算的離散化模型，然后計(jì)算該模型，得到工作輥的內(nèi)部溫度分布，以及工作輥的熱膨脹量。本發(fā)明的方法，能夠準(zhǔn)確確定工作輥傳熱的邊界條件和熱流密度，能夠?yàn)槔滠埌逍慰刂茀?shù)調(diào)節(jié)和輥縫設(shè)定提供準(zhǔn)確的工作輥溫度場參數(shù)及熱膨脹參數(shù)。
文檔編號(hào)B21B37/28GK103008360SQ20121042291
公開日2013年4月3日 申請日期2012年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月30日
發(fā)明者張超 申請人:中冶南方(武漢)信息技術(shù)工程有限公司