高品质铁塔用角钢热轧过程仿真模拟与宽展规律研究

论文摘要

角钢作为建造用碳素结构用钢,在工程结构与建筑结构中目前已取得了广泛的应用,如输电塔、房屋、桥梁和船舶等。随着我国电网的快速升级,超大级别的输电网络的建设,国内对输电铁塔用的高品质角钢需求与供应的矛盾不断加剧。因此,对高品质铁塔用角钢的研究不仅具有重要的应用价值还具有巨大的经济价值。本课题来源于国家科技支撑计划相关项目,目的是在现有的生产工艺的条件下通过有限元仿真模拟技术,协助现场生产出高品质的铁塔用大号角钢,并在此基础上研究孔型内宽展的变化规律,达到指导孔型设计的目的。本文根据型钢厂现场生产工艺条件,采用三维实体绘图软件和有限元数值模拟仿真软件建立了一套完整的数值模拟模型。借助该模型针对试轧过程中腿长无法控制问题进行了轧件变形情况、孔型填充情况、轧制力和金属流动情况的分析并提出了孔型修正方案。同时为了进一步研究宽展的变化规律,即影响腿长的因素,将构成蝶式孔的主要参数对宽展的影响进行了仿真模拟试验。本文的主要出结论如下:(1)根据等边角钢全轧程热力耦合模拟结果分析,造成现场腿长过长的原因主要是孔型中心线长度的设计不合理。并通过增大第一道次和第二道次的压下量减小来料断面尺寸和缩短蝶式孔水平段长度来控制腿长。该修正方案在生产实践中取得了良好的效果。(2)通过对宽展方向金属流动情况的分析知,蝶式孔型中的水平段、圆弧段、直线段和内跨圆弧部分都对轧件宽展有影响,合理的设计蝶式孔型尺寸是保证产品尺寸质量的重要因素。(3)热轧等边角钢蝶式孔型设计过程中,中心线的合理设计是保证产品质量的关键因素之一。中心线水平段长度(Lb)在一定范围内与轧件宽展呈线性正比关系;在中心线圆弧段与中心线圆弧段之和一定的条件下,两者比值(LR/LH)与轧件宽展呈反比关系;蝶式孔型内跨圆弧半径与轧件宽展呈非线性关系,存在一个半径使宽展最小。(4)在采用蝶式孔型生产等边角钢时,通过前后道次的辊缝调整很难有效的控制宽展。无论是增大还是减小辊缝都无法使轧件腿长减小。孔型设计时宜采用成品负偏差进行设计。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 输电铁塔中角钢应用状况和发展趋势
• 1.2.1 角钢的应用状况
• 1.2.2 低合金高强度钢的应用状况
• 1.2.3 我国输电铁塔用高强角钢的发展趋势
• 1.3 型钢轧制技术及其发展
• 1.3.1 型钢轧机的种类及其布置
• 1.3.2 型钢轧制技术
• 1.3.3 型钢轧制技术的发展趋势
• 1.4 型钢孔型设计
• 1.4.1 角钢孔型系统设计
• 1.4.2 孔型系统研究
• 1.5 有限元模拟技术在轧制中的研究与应用
• 1.5.1 有限元方法简介
• 1.5.2 固体型塑性有限元法在轧制中的应用现状
• 1.5.3 流动型塑性有限元法在轧制中的应用现状
• 1.6 课题研究内容和意义及方案
• 1.6.1 课题具体研究内容
• 1.6.2 本课题研究的意义
• 1.6.3 课题研究方案
• 第二章 有限元求解方法选择
• 2.1 刚-（粘）塑性有限元法选择依据
• 2.2 刚-（粘）塑性有限元法
• 2.2.1 刚-（粘）塑性材料的基本假设
• 2.2.2 刚-（粘）塑性力学边值问题
• 2.2.3 刚-（粘）塑性有限元的变分原理
• 2.2.4 刚塑性有限元的求解
• 2.3 轧制过程温度场的有限元法
• 2.3.1 塑性加工传热问题中热平衡方程
• 2.3.2 初始条件和边界条件
• 2.3.3 传热问题的有限元公式
• 第三章 14 号等边角钢三维热力耦合有限元模型建立
• 3.1 现场工艺情况调研
• 3.2 几何模型
• 3.3 材料的特性的设定
• 3.4 网格划分
• 3.5 传热条件处理
• 3.5.1 初始温度设置
• 3.5.2 轧件与轧辊接触热交换
• 3.5.3 轧制过程变形功热能转换
• 3.5.4 轧件自由表面与空气热转换
• 3.6 摩擦边界条件设置
• 3.6.1 轧制过程中摩擦的特点
• 3.6.2 摩擦力模型的确定
• 3.7 轧制系统运动条件设置
• 3.8 本章小结
• 第四章 14 号等边角钢轧制过程模拟结果分析和孔型优化
• 4.1 现场试生产情况
• 4.2 实际结果与模拟结果对比
• 4.2.1 成品道次温度场对比
• 4.2.2 成品尺寸对比
• 4.3 试轧结果分析
• 4.3.1 轧制力结果分析
• 4.3.2 延伸情况分析
• 4.3.3 填充情况分析
• 4.3.4 宽展方向金属流动情况分析
• 4.4 孔型修正方案
• 4.5 修正孔型后模拟结果分析
• 4.5.1 轧制力情况分析
• 4.5.2 孔型填充情况分析
• 4.6 修正后轧制结果
• 4.7 本章小结
• 第五章 上缘固定蝶式孔型内宽展变化规律的研究
• 5.1 仿真模拟试验方案
• 5.1.1 上缘固定蝶式孔型宽展变化规律试验内容
• 5.1.2 上缘固定蝶式孔型宽展变化规律研究方案
• 5.2 水平段Lb 对轧件宽展的影响
• 5.2.1 填充情况分析
• 5.2.2 中心线水平段对轧件宽展的影响
• 5.2.3 中心线水平段对轧制力的影响
• 5.3 LR/LH 对轧件宽展的影响
• 5.3.1 LR/LH 对金属流动情况的影响
• 5.3.2 LR/LH 对宽展的影响
• 5.3.3 LR/LH 对轧制力的影响
• 5.4 内跨圆弧半径对轧件宽展的影响
• 5.4.1 内跨圆弧半径对金属流动情况的影响
• 5.4.2 内跨圆弧半径对轧件宽展的影响
• 5.4.3 内跨圆弧半径对轧制力的影响
• 5.5 辊缝调整对轧件宽展的影响
• 5.5.1 辊缝值变化对宽展的影响
• 5.5.2 辊缝调整对轧制力的影响
• 5.6 来料对轧件宽展的影响
• 5.6.1 关联道次来料对轧后宽展的影响
• 5.6.2 关联道次来料对轧后腿长的影响
• 5.6.3 关联道次来料对轧制力的影响
• 5.7 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、发表论文与获奖情况