棒线材孔型低温控轧电机功率负荷分配设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于轧钢工程设计与生产技术领域。特别是涉及一种棒线材孔型低温控轧 电机功率负荷分配设计方法，为新产线设计及制定低温控轧工艺参数提供重要依据。
【背景技术】
[0002] 低温控轧可以显著改善很多钢种的使用性能、减少后续工序及工艺成本等。因此， 近几年，低温控轧技术越来越受到重视与广泛应用。其主要优点如下：①避免完全再结晶， 获得晶粒细化的成品，提尚某些钢种的初性；②避免部分再结晶区，减少混晶，提尚冲击初 性；③缩短某些钢种的后续热处理时间（如轴承钢、弹簧钢）；④提高机械零件的疲劳强度； ⑤减少钢材的氧化烧损，改善钢材表面质量，尤其是表面脱碳现象（如帘线钢）；⑥提高屈 服强度和材料韧性；⑦提高位错密度，增加线缺陷强化效果，推迟贝氏体相变开始温度点， 从而保证了同样是在满足珠光体+铁素体组织、力学性能、焊接性能等使用条件下减少微 合金V、Nb等使用量（如高强螺纹钢）。
[0003] 实现低温控轧的首要条件是轧机的每道次额定功率应满足低温工艺要求。低温 控轧可以贯穿至整个轧钢过程，包括低温开轧、低温粗轧、低温中轧、低温预精轧、低温精轧 等，目前低温精轧甚至可以达到700-800°C。由于每一道次轧制都存在温升，尤其心部温升 很大，所以除了加热炉低温出炉外，还必须在轧机之间布置水冷设备，而这近一步增大了心 表温差，尤其对于棒线材孔型轧制，孔型形状复杂多样（如方孔、圆孔、平轧孔、立轧孔、椭 孔、哑铃孔、双菱切分孔、四椭预切孔、四椭切分孔、螺纹孔等），加剧了棒、线材全断面的温 度与金属流变分布差异。棒线材连轧机组数量少则18架，多则达到30架次，如何合理设计 每一架次额定功率负荷的分配，是在设计低温轧制新产线时，必须考虑的重要问题，若轧机 额定功率设计小了，则达不到低温工艺要求，若功率设计大了，则前期投入资金加大，且后 期能耗高、吨钢轧制成本高。同样，在制定具体低温轧制工艺参数时也必须在现有轧机额定 功率内进行。
[0004] 随着工艺技术发展，当前要求棒线材乳制温度越来越低，乳制速度越来越快，在新 产线设计时，靠以前多年经验积累的轧机功率配置表已无法照搬使用，需重新设计轧机额 定功率。而且为了满足产品档次提升要求，产线设计要求越来越个性化并具有独特工艺特 征，无法简单复制。
[0005] 乳机功率载荷大小主要由乳制力决定，以往业内普遍采用艾克隆德（Ekelund)等 一些公式理论计算乳制力，进而测算功率，大量实践证明Ekelund等公式在计算受力方向 相对单一且近似自由宽展的薄板轧制力时准确度尚可，基本可以适用，但在棒线复杂孔型 低温轧制时精度很差，主要原因是其未能考虑棒线材孔型断面形变差异，且轧制温度越低， 复杂断面形变差异越大，往往会误导电机功率的合理选型。现有的轧机功率计算方法主要 存在如下问题：
[0006] [1]相对于受力简单且近似自由宽展轧制的薄板而言，棒线材孔型，尤其低温轧制 的全断面温度分布差异巨大，图1为轧制Φ6. 5_规格过共析高碳钢盘条的温度曲线，可以 看出某些道次心表温差最大达到200°C，而且这种断面温度场差异难以用简单数学模型准 确表达，显然，Ekelund等公式并未考虑此断面心表温差。
[0007] [2]棒线材孔型低温轧制全断面应变量分布差异巨大，如图2,为线材Φ6. 5mm规 格过共析高碳钢盘条轧制第27道次横截面应变量分布场，孔型中最小的应变量约0. 2,最 大值达到0. 9。Ekelund等公式并未考虑此断面应变量差异。
[0008] [3]棒线材孔型低温轧制全断面应变速率分布差异巨大，如图3,线材第28道次轧 制断面最大应变速率达到150008'最小的只有约20008' Ekelund等公式并未考虑此断 面应变速率差异。
[0009] 目前国内外在棒线孔型低温控轧电机功率负荷分配设计领域还没有一套精准的 计算方法。本发明专利的优点在于：对轧制力的计算充分考虑了每个道次孔型中全断面变 形温度实际分布、孔型中全断面变形速度实际分布、孔型中全断面变形量实际分布等，计算 精度大幅度提高。是当前计算棒线材低温控轧电机功率最精准的方法。从而为新产线轧机 额定功率分配设计及制定低温轧制工艺参数提供可靠依据。
【发明内容】
[0010] 本发明的目的在于提供一种棒线材孔型低温控轧电机功率负荷分配设计方法，计 算流程如下：设计新产线产品大纲一将Gleeble热模拟测定钢种的变形抗力作为输入参数 -采用DEFORM有限元软件模拟棒线材实际孔型下的每道次轧制变形一模拟计算出每道次 咬入、乳制和抛钢过程的轧制力一计算出轧制力矩一计算出轧机的功率。具体工艺步骤如 下：
[0011] 1、设计新产线产品大纲：首先明确产线所涉钢种以及轧制的最低温度要求，完成 不同规格孔型参数设计，选择变形抗力最大的钢种进行后续计算：其轧制温度要求最低 (750-800°C )、碳当量最大（Ceq彡0. 54% )、轧制速度最快（棒材15-20m/s，线材110-150m/ s) 〇
[0012] 2、测定钢种的变形抗力：在Gleeble3000热模拟试验机上采用单道次压缩测定， 试样尺寸为Φ6πιπιΧ 15mm，共计15个。奥氏体化温度1250°C，保温5min，变形温度分别 1073K、1173K、1223K、1273K、1323K。应变速率分别取(λ ls' ls' IOs'工程应变 50%，压缩 完成后立即水冷，作出应变一应力曲线，其中应变速率为ls<的应变一应力曲线试验结果 如图4所示。
[0013] 3、采用DEFORM有限元软件模拟实际孔型下的每道次的轧制过程：
[0014] (1)将热模拟所得材料应变一应力曲线输入到DEFORM材料库中，新建材料库；
[0015] (2)利用 Pro/Engineer WildFire (美国 PTC 公司旗下的 CAD/CAM/CAE -体化三维 软件）建立轧件、乳辊三维几何模型，生成stl文件；
[0016] (3)利用DEFORM导入三维几何模型，建立轧制几何模型，进行网格划分；
[0017] (4)利用轧制程序表轧制参数作为轧制模型轧辊、乳件运动的初始条件；
[0018] (5)通过现场实测温度与模拟计算的温度场对比校正，确定轧件与轧辊之间的表 面换热系数，以温度计算模型的准确性确保轧制模型的准确性。
[0019] 4、采用DEFORM模拟计算出每道次咬入、乳制和抛钢过程的轧制力：
[0020] (1)轧辊视为刚性体，轧件视为塑性体，根据刚塑性有限元计算，可以精确确定各 道次轧件咬入、乳制和抛钢过程的轧制力；
[0021] (2)根据轧制力一时间变化曲线，取轧制力最大值点作为轧机额定功率计算。
[0022] 5、根据轧制力计算轧制力矩Mz，驱动一个轧辊的力矩Mk为轧制力矩M z与轧辊轴承 处摩擦力矩Mf1之和。
【主权项】
1. 一种棒线材孔型低温控轧电机功率负荷分配设计方法，其特征在于，工艺步骤及控 制的技术参数如下： (1) 设计产线产品大纲定位：首先明确产线所涉钢种以及轧制的最低温度要求，完 成不同规格孔型参数设计，选择变形抗力最大的钢种进行后续计算：其轧制温度要求 750-800°C、碳当量 〇 0· 54%、乳制速度：棒材 15-20m/s，线材 110-150m/s ; (2) 测定钢种的变形抗力：在GleebldOOO热模拟试验机上采用单道次压缩测定，试样 尺寸为〇6mmX15mm，共计15个；奥氏体化温度1250°C，保温5min，变形温度分别1073K、 1173K、1223K、1273K、1323K ;应变速率分别取0. ls' ls' 10s-1，工程应变50%，压缩完成后 水冷，作出应变一应力曲线； (3) 采用DEFORM有限元软件模拟实际孔型下的每道次的轧制过程： 将热模拟所得材料应变一应力曲线输入到新建材料库DEFORM中； 利用Pro/Engineer WildFire建立乳件、乳棍三维几何模型，生成stl文件； 利用DEFORM导入三维几何模型，建立轧制几何模型，进行网格划分； 利用轧制程序表轧制参数作为轧制模型轧辊、乳件运动的初始条件； 通过现场实测温度与模拟计算的温度场对比校正，确定轧件与轧辊之间的表面换热系 数，以温度计算模型的准确性确保轧制模型的准确性； (4) 采用DEFORM模拟计算出每道次咬入、乳制和抛钢过程的轧制力： 轧辊视为刚性体，乳件视为塑性体，根据刚塑性有限元计算，精确确定各道次轧件咬 入、乳制和抛钢过程的轧制力； 根据轧制力一时间变化曲线，取轧制力最大值点作为轧机额定功率计算。 (5) 根据轧制力计算轧制力矩Mz，驱动一个轧辊的力矩Mk为轧制力矩M z与轧辊轴承处 摩擦力矩Mfl之和； Mk- M z+Mfi - P (a+ P ι) P = PmS = Pmh^l P-轧制力，kN;a-轧制力力臂，即合力作用线距两个轧辊中心连线的垂直距离，mm， D d ?=ysin户；p i-轧棍轴承处摩擦圆半径:外=^//，mm A-平均单位压力，MPa ;b〇、bf 乳制前、后乳件宽度，mm ;1-接触弧长度水平投影长度，mm ;D-乳棍直径，mm ; β -合力作 用点角度，° ;d-轧辊轴颈直径，mm ; μ -轧辊轴承摩擦系数，滚动轴承μ = 0. 004 ; (6) 根据轧制力矩计算出轧机的功率ND:再根据过载条件设计电机额定功率；
Mer一额定静力矩，k · Nm ;Mmax-静负荷图上最大力矩，k · Nm ;nOT -电动机额定转速，r/ min ；K一电动机过载系数，不可逆电动机K = 1. 5~2. 0。
【专利摘要】一种棒线材孔型低温控轧电机功率负荷分配设计方法，属于轧钢工程设计与生产技术领域。方法流程如下：设计新产线产品大纲→将Gleeble热模拟测定的钢种变形抗力作为输入参数→采用DEFORM有限元软件仿真棒线材实际孔型下的每道次轧制变形→模拟计算出每道次咬入、轧制和抛钢过程的轧制力→计算出轧制力矩→计算出轧机的功率。优点在于：对轧制力的计算首次充分考虑了每个道次孔型中不同位置点变形温度实际分布差异、孔型中不同位置点应变量实际分布差异、孔型中不同位置点应变速率实际分布差异等。是当前计算棒线材孔型低温控轧电机功率最精准的方法，从而为新产线轧机额定功率分配设计及制定低温轧制工艺参数提供重要且可靠依据。
【IPC分类】G06F19-00, B21B37-74, G06F17-50
【公开号】CN104874615
【申请号】CN201510194490
【发明人】邸全康, 郑福印, 王晓晨, 周玉丽, 王全礼, 王立峰, 孙齐松, 郭新文, 吴明安, 徐兵伟, 侯栋, 程四华, 秦延庆, 晁月林
【申请人】首钢总公司
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年4月22日