金属带材轧制过程中工作辊热应力毕业论文外文翻译.doc

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1、附录 原文金属带材轧制过程中工作辊热应力 WEIRTEC，威尔顿，威尔顿钢铁公司，3006桦木Drive，WV26062，USA1998年1月21日 摘要 带材轧制过程中，由于工作辊冷却不充分，会产生很高的温度和温度梯度。温度梯度产生的热应力导致轧辊表面开裂和剥落。研究热诱导应力有利于评价轧辊磨损程度和设计适当的轧辊冷却系统以增加轧辊的使用寿命，确保产品质量。在冷轧和热轧条件下，给出的解决方案是利用准静态热应力的积分形式研究任意一个工作轧辊的温度分布。 关键词：轧制；工作辊；热应力；机械应力。（2） 介绍轧机的工作辊温度和热应力必须保持在允许的范围内，确保轧辊有效冷却，延长工作辊的使用寿命，保

2、证产品质量。许多操作上的问题可能导致工作轧辊的冷却不充分。过高的轧辊温度可能会降低润滑剂的有效性，并且经常会导致润滑剂膜击穿。因此，这会导致轧辊过度磨损，表面光洁度差。轧辊温度的不合理分布，将难以得到满意的产品质量。热应力在工作轧辊的开发过程中会造成剥落或造成在轧辊表面的裂缝形成。 为了研究冷却条件下工作辊寿命和产品质量的影响，深入分析工作辊中的热应力尤为重要。尽管许多研究人员已经对轧制过程中热行为进行了研究，但是他们大多只集中于对计算温度的研究，他们的研究有着重要的意义，他们却很少对热应力方面的研究。假设随着时间推移，转移到工作辊中的热量减少量服从指数分布法则，Cernittal等人提出了轧

3、制模型压力分布的无穷级数解法，轧制模型认为工作辊受到流过辊缝中均匀热流和外圈均匀的冷却水对流的作用。Troeder et al 等人用三维模型法拓展了Cernietal等人的研究，但是没有考虑加热带的热塑性变形的影响。他们两人的研究都解释了热轧条件下瞬间应力的影响。Tseng et 也提出可工作辊中热应力的无穷级数解法，此方法认为流过工作辊某一部分热流稳定和工作辊边缘的对流冷却是是均匀的。目前主要集中在工作辊缝中的热行为研究，由工作辊受到因摩擦和塑性变形产生的非均匀加热，和工作辊的高速旋转运动这两方面得到一个高配克莱数。在这种条件下，接近轧辊表面的温度就限制在一个温度变化非常薄的热边界层内，这

4、就可以利用半无限固体近似法。认为温度的变化是循环稳定的。通过给出工作辊温度的分布，得出准静态热应力积分形式的解决方案。2 温度分布最近Chang研究了带钢轧制因工作辊温度产生的摩擦和塑性热影响，在接触表面通过拉格朗日坐标法，利用一维非定常耦合热传导方程模拟带钢和工作辊间的二维稳定传热，把带钢和工作辊当做是无限大的物体。提出了一种计算方法：即轧制方向上运用有限元思想，在深度方向分析计算带钢的温度。考虑到传热接触面的影响，Chang的模型能够解释全模、混合或边界润滑的带钢轧制过程。该模型把工作辊的部分和接触狐内的带钢分割成四边形网络。一个协调系统在表面节点和入口接触区内移动。节点（m,n）处轧辊温

5、度tm,n, (m,n)分别表示在轧制和深度方向上节点数，基于前一个节点（m-1,n）根据以下公式计算： (1)滑移区域： (2)粘辊区域：同样，在节点（m,n）处带钢温度tm,n有以下公式计算： (3)滑动区域： (4) 粘辊区域：公式中的下标r和s分别表示工作辊和带钢，是因摩擦热引起的温度升高，是因工作辊和带钢内部热扩散引起的温度变化，是接触温度变化。是加热带钢塑性变形的外加热。局部分配系数决定传到工作辊热多少。因为粘辊区域内没有摩擦热。是粘辊区域选择的任意温度变化。有温度匹配条件计算，在滑移区域： (5)在粘辊区： (6)在表面处，表示工作辊和带钢之间的填隙物质温度的升高，Chang 给

6、出了各种公式下的推导过程。由已知的工作辊和带钢入口温度，运用公式1-6，利用递归法就可以计算出整个滚的咬入温度。3 热应力 利用笛卡尔坐标系可导出半无限大固体热应力的计算方法。这个推导过程与Timoshenko和 Goodier所提到的类似。 考虑到在占据大半空间各相均匀的同性固体中，因温度不均匀引起的应力和变形，。假设宽度方向上没有温度和平面应变的变化。由分析得：轧制长度X和深度Z分别由辊缝和轧辊半径标准化。应力有工作辊缝入口屈服强度标准化。温度由工作辊材料线性热膨胀系数标准化。考虑到：(i)轧辊咬入深度比热边界层大得多，(ii)这个热诱导应力在轧制方向上比深度方向上大的多。(iii)当轧辊

7、速度达到5000M/S时，惯性效应非常大，有以下公式可以确定： （7） （8）其中：和是X和Z组件，T是规范化的绝对温度，R是厚度减速比，G是输入比率，是泊松比常数，他们有以下关系： （9） （10） （11）逗号表示物质导数。他们有以下关系： （12） （13） （14） （15）其中：是标准温度，K表示杨氏模量，所有其他组件压力为零。热效应只体现在热边界层内。在物质深度方向上，不受工艺过程的影响，和为0，对于这个问题，有必要引入一个协调常数，通过坐标转换和热边界层条件可得到以下： （16） （17）at （18） （19）它可以通过整合方程得到。然后热组件热应力方程（12）-（15）转换成

8、： （20） (21) (22) (23) (24) (25)考虑到工作辊的温度分布：温度热应力可以由以上方程式得到。4 结果与结论 Chang的温度模型与先进的平板模型相结合，且考虑了不均匀变形。得到带钢轧制过程中得摩擦系数，从而可以计算摩擦应力，速度场在轧制过程中相对滑移，部分接触面积在加工过程中硬化。 为了计算接触压力和界面摩擦产生的机械应力。Chang提出了封闭补丁法，此方法用来解决受到正向压力和切向应力的半无限固体中的压力问题。利用重叠应力近似代替非均匀接触压力，就可以计算出机械应力。研究工作辊的热应力和机械应力的重要性质，有利于正确的进行低碳钢的热轧和冷轧过程，表一和表二列出了详细

9、的轧制条件。表格一热轧状态 带材 卷材 表格二 冷轧状态 带材 卷材导电性(w/mk) 52 57密度(kg/m3) 7833 7850比热(j/kg) 465 460热膨胀系数(k-1) 0.000016温度(0c) 80 35轧辊直径(mm) 400带材厚度(mm) 15减薄量(mm) 40轧制速度(m/s) 1.6导电性(w/mk) 35 33比热（j/kg) 465 460密度（kg/m3) 7833 7850热膨胀系数（k-1） 0.000016温度（0c) 990 200轧辊直径(mm) 400带材厚度(mm) 15减薄量（%） 40轧制速度（m/s) 1.6 图表3和图4分别描述

10、了热轧条件下在轧制方向和深度方向工作辊温度的分布。在高温条件钢中温度分布遵循Hatta et al基本方程。表示轧辊进口处，表示工作辊表面。图3显示了因轧辊表面接触热带钢温度迅速升高，然而轧辊内部温度升高缓慢。 图4轧辊温度在冷轧方向上的热轧案例 .图6.热轧中有效热应力和机械应力分布 图3. 轧辊温度对热轧方向上的案例从图标3可以清晰的看到这一变化，在图标4更明显的反映出轧辊表面温度比内部温度降低的更迅速，具体的说，只要不超过辊半径1%的表面层温降都比辊内温降更迅速。图标4很直观的展现了这个热边界层。在热边界层外没有明显的温度变化。在图表5中，描述了边界层内因温度的下降引起组件中热应力的变化

11、情况。在轧制方向上Sx和横向Sy的组件热应力比在Sz和Sxz方向上得热应力大的多。由于轧辊表面巨大的温度梯度使Sx和Sy方向的热应力达到了最大值。工作辊温度轻微变化会引起温度梯度下降，热应力也会变小。正压力补丁法近似接触压力接触压力 表格一：协调系统的推导 图二：使用补丁法近似接触压力轧机组件温度应力分布图： 图5.轧机组件的温度应力分布可以看出，在无限接近轧辊表面处，热轧条件下的热应力压缩非常大，甚至超出了工作辊的弹性应范围。局部受力过大也会是轧辊表面产生永久变形。然而大部分工作辊热边界层只是弹性变形，变形后可以恢复到原来的形状。这就使得轧辊外表面处于受拉状态。轧辊工作时间过长就会产生疲劳，

12、导致轧辊表面产生剥落。图6中对热应力和机械应力进行了比较，轧辊表面有效热应力远远大于机械应力。但是轧辊深度方向上有效热应力降低非常之快，因此，在热边界层外机械应力占主导地位图7和图8分别展示了冷轧条件下轧辊方向上和深度方向上温度分布状况。在粘着区域，轧辊温度降低是由于摩擦生热而散失，图8也描述了热边界层温度分布状况。有效热应力和机械热应力如图9所示。 图9 冷轧案例中热应力和机械应力的分布 图9比较了有效热应力和机械热应力，在轧辊表面非常薄的区域（扎辊半径的0.2%），有效热应力可近似于机械热应力。因此和热轧相似，机械应力其主导。待添加的隐藏文字内容2 图7，冷轧轧辊温度的分布 图8.轧辊温度

13、在深度方向上分布 作用。5 结论 由以上分析，得出带钢热轧工艺工作辊热应力分析模型。可以利用弹性力学相关知识解决工作辊中任意温度分布产生的热应力，并认为这个工艺过程是在高配克莱数条件下进行的。通过热应力模型与先进的平板模型和传热模型相结合，来研究工作辊的热行为。研究结果表明工作辊热边界层内温度下降非常迅速，在边界层外没有明显的温度变化。边界层内温度变化产生温度梯度，从而产生热应力。在热轧条件下，边界层内热应力起主导作用；冷轧状态下，热边界层内机械应力和热应力都有重要的影响。热边界层外机械应力占主导作用。附录 A术语Cm 分配系数G 比值输入带钢厚度轧辊半径K 比为杨氏模量，屈服轧辊材料的强度R

14、 百分比厚度减少S 组件的归一化应力 标准化的绝对温度T0 归一化参考温度U 组件的归一化热致移位X，Y，Z 轴的归一笛卡尔坐标M，N 由于的DTC温度变化的扩散 由于接触的温度变化 由于扩散的温度变化 由于摩擦生热，温度上升 由于塑料加热的温度上升 由于到任意的温度变化表面加热 温度上升的间隙配合-6M里亚尔希腊字母 归一化参考深度 一个常数 归拉梅常数 泊松比 参考文献1 S. Cerni，A.S.温斯坦，C.F. Zorowski，温度和热在金属带材的轧制，钢铁英文讲。40（1963）第165-171页。2 C. Troeder A.施皮尔福格尔，J.W.徐，温度场和热在工作轧辊的应力在

15、热轧带钢，钢分辨率。 3 A.A.曾，S.堂林，FH，旋转辊的热应力在轧制加工，J.千卡。强调12（1989）427-450。4 W.R.D.的威尔逊，C.T.张，C.Y.萨，界面温度冷轧，J.。整形技术。 6（1989）229-240。5 D.F.张，计算温度的一种有效方法钢带轧制过程中，J.制造业。科学。工程。 （记者）。6 S.季莫申科，J.N. Goodier，弹性力学理论，第3版。麦格劳 - 希尔，纽约，1970年，第456-460页。7 B.A.博利，J.H.韦纳，热应力，1960年的理论。8 D.F.张，A轧制过程的综合分析过程中，哲学博士博士论文，机械工程，西北大学（1994）。10 N.哈达，J.I.菊池，Kokado，S. H. Takuda，对流动模拟普通碳素钢在高温下，钢结构应力。