Studie chlazení válců s ohledem na životnost v procesu teplého válcování

Study of the work roll cooling in hot rolling process with regard on service life

článek v časopise ve Web of Science, Jimp

en

Operational conditions and many studies confirmed that the work rolls cooling in hot rolling process have significant impact on damage and service life. The specific approach based on the numerical simulation and experimental results of the work roll cooling optimization and service life improvement is presented in this paper. The 3D finite element model was prepared for the numerical simulations of the work roll cooling. The FE model represents circular sector of the work roll. The model is fully parametric. It is capable to simulate a roll with any diameter, any thickness. Each of the model parameters can be easily changed based on user requirements. The stress state is calculated by ANSYS in two steps. At first, the thermal conditions as starting temperature of the roll, cooling intensity and so on are applied and time dependent thermal analysis is performed. The temperature field of work roll is obtained from transient thermal analysis and is used as thermal loads in second step. In the second step structural analysis is carried out. The other relevant boundary conditions as normal, shear and contact pressure are considered in structural analysis. The Tselikov load distribution model is used for normal and shear stress distribution in a rolling gap. The boundary conditions for FE analysis are prepared in software MATLAB. All considered boundary conditions are based on real measured data from hot rolling mills. The results of the performed analyses are focused on the description of the assessing methodology of the work rolls cooling on the stresses, deformations and service life of the rolls.

Válcovací podmínky a chlazení válců, jak mnohé studie potvrzují, mají významný dopad na porušování a životnost. V této práci je prezentován specifický přístup založený na numerické simulaci a experimentálních výpočtech pro optimalizaci chlazení pracovních válců. Pro numerickou simulaci byl připraven 3D konečně prvkový model chlazení pracovního válce. Model reprezentuje úhlovou výseč z pracovního válce. Model je plně parametrický. Lze na něj aplikovat jakýkoliv průměr válce, s libovolnou tloušťkou. Každý parametr může být snadno upraven podle požadavků. Stav napětí je spočítán pomocí systému ANSYS ve dvou krocích. První krok je výpočet teplených podmínek. Tento první krok tvoří výpočet tranzientní tepelné analýzy, kde je aplikována počáteční teplota válce, chladící intenzita a další okrajové podmínky. Tento krok poskytne časově závislé tepelné pole, které je použito jako tepelná zátěž pro druhý krok, který se skládá z deformační analýzy. V této analýzy je vloženo normálové, smykové a kontaktní napětí. Čelikovovo rozložení napětí je použito jako distribuční model normálového a smykového napětí ve válcovací mezeře. Okrajové podmínky jsou připraveny v programovém prostředí MATLAB. Všechny uvažované okrajové podmínky jsou založeny na reálných měřeních z válcovacích tratí. Výsledky provedených analýz jsou zaměřeny na přibližný popis dopadu chlazení pracovních válců na napětí, deformace a životnost válců.

Operational conditions and many studies confirmed that the work rolls cooling in hot rolling process have significant impact on damage and service life. The specific approach based on the numerical simulation and experimental results of the work roll cooling optimization and service life improvement is presented in this paper. The 3D finite element model was prepared for the numerical simulations of the work roll cooling. The FE model represents circular sector of the work roll. The model is fully parametric. It is capable to simulate a roll with any diameter, any thickness. Each of the model parameters can be easily changed based on user requirements. The stress state is calculated by ANSYS in two steps. At first, the thermal conditions as starting temperature of the roll, cooling intensity and so on are applied and time dependent thermal analysis is performed. The temperature field of work roll is obtained from transient thermal analysis and is used as thermal loads in second step. In the second step structural analysis is carried out. The other relevant boundary conditions as normal, shear and contact pressure are considered in structural analysis. The Tselikov load distribution model is used for normal and shear stress distribution in a rolling gap. The boundary conditions for FE analysis are prepared in software MATLAB. All considered boundary conditions are based on real measured data from hot rolling mills. The results of the performed analyses are focused on the description of the assessing methodology of the work rolls cooling on the stresses, deformations and service life of the rolls.

simulace válcování za tepla, povrchová teplota, MKP, tepelné napětí, doba životnosti

Hot rolling simulation, surface temperature, FEA, thermal stress, service life

2014

01.04.2014

Associazione Italiana di Metallurgia

0026-0843

2014

4

21–28

7