Расчет термических напряжений в рабочих валках в процессе горячей прокатки полос методом конечных элементов

Дедик М. А., руководитель д.т.н. Приходько И. Ю.

Институт черной металлургии им. З. И. Некрасова НАН Украины

Рабочие валки прокатных станов одновременно подвергается действию циклических тепловых и механических напряжений. В процессе горячей прокатки полос термические напряжения, как правило, сопоставимы или даже больше, чем механические напряжения. Они в рабочих валках вызывают упругие и могут вызывать пластические деформации, которые приводят к повреждению валков. Оценка усталостной долговечности и разработка безопасных режимов эксплуатации валков на основе расчётных данных об их напряженном состоянии (НС), вызванном термоциклическими напряжениями (ТН), является важной и актуальной задачей.

Аналитические подходы к определению НС валков не продуктивны из-за высокой сложности математических выкладок. Выбор метода конечных элементов (МКЭ) для решения данной задачи оказался наиболее эффективным. Для прогнозирования НС рабочих валков некоторые подходы, предложенные в литературе, предполагают использование моделей очага деформации полосы, что приводит к значительному усложнению задачи и существенному увеличению времени ее решения. В данном исследовании проанализированы возможности и разработан комплекс обоснованных допущений при прогнозирования ТН на основе МКЭ. А именно,- предложено использовать плоскую конечноэлементную модель валка с вращающимися вокруг него зонами тепловых воздействий в зоне деформации и от охладителя. Механическое воздействие полосы в виде контактных напряжений, а также нагрузки между рабочим и опорным валками не принимали во внимание.

Использовали упруго-пластическую модель стальных рабочих валков с кинематическим билинейным упрочнением и наличием тепловых эффектов. Предел текучести, коэффициент линейного расширения, плотность, теплопроводность и удельная теплоемкость задавали в виде функций температуры. Граничные условия задавали, полагая, что конвективный теплообмен происходит в зонах воздействия от охладителя (коэффициент теплоотдачи 1-20кВт/м²С) и воздуха (50-1000 Вт/м²С), а в очаге деформации (ОД) действует тепловой поток (3МВт/м²). Начальная температура валка 70^оС.

В результате решения задачи получены поля температуры и термических напряжений в рабочем валке в процессе горячей прокатки. Результаты расчета изменения температуры в теле валка диаметром 800 мм использовались для вычисления ТН. Установлено, например, что при обжатии полосы толщиной 30мм (угол контакта 12⁰), имеющей исходную температуру 900⁰С, характер распределения температуры в активном приповерхностном слое валка (до 15 мм) в течение короткого времени (6 оборотов валка при скорости 2,8 м/с) практически не изменяется, но значения температуры после первого оборота возрастают на 80С⁰ (в ОД). При каждом обороте валка в зоне его разогрева в ОД в валке возникают сжимающие температурные напряжения величиной 340-700 МПа. В зонах охлаждения водой возникают растягивающие напряжения 6-85 МПа. В зонах охлаждения на воздухе наблюдается более плавное увеличение растягивающих напряжений, чем в зонах активного охлаждения.

Разработанная модель в дальнейшем будет оптимизирована и включена в модель термомеханических напряжений, учитывающих действие внешних сил (от полосы и опорного валка), а также в модель усталостного разрушения рабочих валков стана горячей прокатки, вызванного циклическими тепловыми и механическими нагрузками.