铝带冷轧过程轧辊-带材耦合温度场分析与边部温降控制研究

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铝带冷轧过程中,轧机工作辊温度和带材温度横向分布对于轧制带材的板形质量有极大影响。本文针对冷轧带材紧边轧制板形质量问题,开展铝带冷轧过程轧辊-带材耦合温度场分析与边部温降控制研究。在对铝带冷轧温度场分析基础上,忽略轧辊周向温度变化,对轧辊热载荷沿辊面周向积分建立轧辊二维温度场控制方程,对轧件热载荷沿变形区域积分建立轧件二维温度场控制方程,并建立两个求解域的耦合条件。利用混合摩擦轧制力模型和轧制规程得到了轧制变形区的摩擦热功率和轧制变形热功率。利用轧辊-带材耦合温度场控制方程,建立耦合温度场交替方向隐式(Alternating Direction Implicit,ADI)差分计算模型。利用差分计算模型对耦合温度场仿真,同时也做了仅分析轧辊的温度场有限元仿真。耦合温度场仿真结果表明温度场沿轧辊轴线横向中部变化平缓、边部有较大温降,该分布规律与实测结果和有限元仿真结果一致,从而验证该差分计算模型可用于耦合温度场分析。利用该差分计算模型对轧辊-轧件界面热流进行分析,分析结果表明热流分配主要受轧制规格影响。基于ANSYS APDL脚本语言,建立了轧辊电磁感应加热参数化仿真模型,进行了频率、电流与感应热生成率仿真试验分析。电磁感应参数与热生成率定量关系分析结果表明,电流与热生成率近似成二次函数关系。利用轧辊电磁感应加热仿真试验数据样本,建立了感应热生成率的拟合方程。利用耦合温度场差分仿真模型对铝带多道次和不同带宽的温度场进行仿真分析,分析结果表明稳态时在工作辊与带材接触的边部50mm左右的地方带材的温度急剧下降,该温度降会在带材边缘产生较大前张应力,形成紧边轧制并进而容易造成薄带材断带。为解决该板形问题,从冷却和边缘电磁感应加热两个方面分析了减小带材边缘温降的方法。针对生产轧机在高强度铝带材轧制时冷却能力不足的限制,提出了改善边部温降的边缘电磁感应加热补偿方法及相关电磁感应参数设计。以上铝带冷轧轧辊-带材耦合温度场差分仿真模型的建立和分析、轧辊-带材界面热流分析以及带材边缘温降改善方法的研究,为通过电磁感应加热改善紧边轧制板形质量问题的工程应用提供了理论依据。
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