Návrh optimálního chlazení válce s kalibrem

Transkript

1 Návrh optimálního chlazení válce s kalibrem Jindich Petruška, Jaroslav Horský, Lukáš Vavreka FSI VUT v Brn Na píkladu profilového válce poslední stolice pro válcování U-profil je ilustrován postup pi návrhu optimální konfigurace chladicích trysek. Cílem je prodloužení životnosti válce eliminací nepíznivých stav teplotní napjatosti, které vedou k rychlé iniciaci a rstu únavových trhlin. Úloha si vyžádala výpotové ešení nkolika vázaných typ problém, experimentální identifikaci koeficient pestupu tepla a použití ady zjednodušujících pedpoklad, které umožnily efektivní analýzu komplexního problému. Výsledky umožnily racionáln zhodnotit a vybrat takovou konfiguraci trysek, která se pro chlazení profilového válce jeví jako nejvhodnjší. Design of optimal configuration of cooling nozzles of a grooved roll for U-profile rolling is presented in the paper. Prolongation of the roll life is the aim of the work, which should be reached by elimination of extreme values of thermal stress, causing initiation and growth of fatigue cracks. The task was solved as a sequence of several types of coupled computational problems and experimental identification of heat transfer coefficients, together with a number of simplifying presumptions, which enabled an efficient analysis of the complex problem. The results enabled a rational assessment and selection of such nozzle configuration that seems to be the best one for the profile roll cooling. 1. Úvod U rozmrnjších a tvarov složitých kalibr, zvlášt pi omezených možnostech pívodu chladicího média (z kapacitních i prostorových dvod), mže být otázka správného umístní a nasmrování chladicích trysek rozhodující pro životnost kalibrovaných válc. Píkladem takové situace je chlazení kalibru válce poslední stolice profilu U65 (obr.1), kde pi stávajícím nasmrování trysek na sted kalibru dochází k praskání válce, a to zejména v okolí rohu kalibru. Cílem pedkládané studie je nejprve posoudit na základ výpotového modelování možných variant chlazení jejich dopad na teplotní napjatost a následn na životnost válce, a navrhnout na základ dosažených výsledk optimální umístní trysek. K dosažení tohoto cíle byla uskutenna následující sekvence výpot, jejichž cílem bylo získání vrohodných výsledk nestacionární teplotní napjatosti válce pro rzné varianty chlazení: 1. Analýza pružn-plastické deformace provalku pi prchodu kalibrem, jejímž cílem je pedevším stanovení rozvoje stykové plochy mezi válcem a materiálem, která je rozhodující pro realistické stanovení tepelného zatížení povrchu válce v následné teplotní analýze. 2. Teplotní analýza rotujícího válce, jehož povrch pichází bhem úvodních nkolika tisíc otáek nestacionárního rozbhu stídav do styku s horkým provalkem (cca 1000 o C), chladicí vodou (cca 25 o C) a vzduchem. 3. Analýza nestacionární teplotní napjatosti válce na základ pedchozích výsledk teplotního pole. Všechny ti problémy jsou vzájemn svázány a dsledn vzato by tedy mly být ešeny jako jeden velký sdružený multifyzikální problém. Takový pístup by ovšem byl extrémn neefektivní a s ohledem na nutnost ešení nkolika tisíc otáek válce i prakticky nezvládnutelný. Využíváme proto skutenosti, že dominantní ovlivnní relevantních - 1 -

2 fyzikálních veliin je jednosmrn orientováno od analýzy.1 smrem ke 2 a posléze 3, a rozdlujeme výpotové problémy v posloupnosti uvedené výše. Ve snaze omezit výpotovou náronost a umožnit ešení více variant, pípadn použít celý postup efektivn i pro další typy kalibr, jsou využity v jednotlivých výpotových modelech další zjednodušující pedpoklady, specifikované v následujících odstavcích. Osa válce ešená oblast Obr.1 Tvar kalibru poslední stolice U-profilu 2. Simulace prchodu provalku kalibrem Zmna tvaru provalku pi prchodu kalibrem a rozvoj stykové plochy válce s materiálem byly ešeny jako pružn plastická úloha s uvažováním velkých deformací. Pracovní diagram materiálu byl modelován jako bilineární s mezí kluzu 100 MPa, izotropním zpevnním s modulem zpevnní 10 GPa, což pibližn odpovídá válcovaným konstrukním ocelím tídy 11 za daných technologických podmínek [1]. Ve snaze o maximální zjednodušení problému pi zachování jeho podstatných charakteristik bylo rozhodnuto ešit problém pomocí zjednodušeného prostorového modelu. Diskretizovaná oblast pedstavuje tenkou vrstvu, vyjmutou z provalku dvma rovnobžnými rovinnými ezy, kolmými na podélnou osu provalku. O tchto ezech pedpokládáme, že zstávají rovinné a kolmé na podélnou osu i bhem prchodu kalibrem, mní se pouze jejich vzdálenost a píné rozmry a tvar ezu. Je tedy respektováno prodloužení provalku pi prchodu kalibrem. Tyto okrajové podmínky lze snadno pedepsat na obou ezech, které oddlují ešenou vrstvu od zbývající ásti provalku. Zmna píných rozmr a tvaru je pak vynucena tvarem kalibru, který postupn uzavírá materiál provalku. Povrch kalibru byl uvažován jako tuhý a mezi ním a provalkem byl definován kontakt. Tento zpsob analýzy válcování v kalibru výrazn zefektivuje výpotový proces a umožuje ešit snadno celou sekvenci následných prchod více kalibry za sebou. Výsledky jsou pitom ve velmi dobrém souladu s plným prostorovým modelem, jak se autoi pesvdili již v pedchozích pracích [2, 3]

3 Výstupem této výpotové analýzy je informace o postupném zaplování kalibru (obr.2,3) a zejména o rozvoji kontaktní plochy mezi horkým materiálem a povrchem válce, která je zásadní pro realistický odhad tepelného zatížení v následující teplotní analýze válce. Obr.2,3 Zaplování kalibru a rozvoj stykové plochy válec-provalek 3. Nestacionární teplotní analýza válce Vzhledem k nutnosti ešit nkolik tisíc otáek válce pi jeho postupném ohevu po zaátku válcování bylo nutno i zde pijmout z kapacitních dvod jisté zjednodušující pedpoklady. Teplotní pole ve válci považujeme proto za rotan symetrické, což je prakticky splnno krom tenké vrstvy u povrchu válce, která je vystavena velmi rychlým zmnám okrajových podmínek po obvodu v dsledku rotace. Zde vede rotan symetrický model k zanedbání tepelného toku v obvodovém smru, což je akceptovatelné práv s ohledem na rychlost zmn okrajových podmínek na povrchu [4]. Vzhledem k periodickému opakování tvaru kalibru na povrchu válce byla rotan symetrickým modelem detailn analyzována jedna symetrická polovina kalibru, jak je vyznaeno na obr.1, s odpovídajícími okrajovými podmínkami. Sí MKP použitá pro výpoet je na obr.4. Postupný rozvoj teplotního pole byl simulován v prbhu deseti válcovacích cykl, z nichž každý zahrnuje cca 43 sekund válcování a 10 sekund válcovací mezery, kdy dochází pouze ke chlazení válce. Celkem tedy výpotová simulace pokrývá cca 530 sekund válcování. Prbhy povrchových teplot na obr.5 a 6 ukazují, že v posledních cyklech se teploty pohybují v tém ustálených cyklech mezi špikovými hodnotami v okamžiku styku s provalkem a minimálními hodnotami pi ostiku bhem chlazení. Aby bylo možno posoudit vliv rzných variant chlazení, byl zmínný úsek deseti válcovacích cykl o délce 530 s ešen ve tyech variantách, které se vzájemn liší rznou intenzitou chlazení jednotlivých ástí povrchu. Uvedené ásti jsou následující viz obr.2: dno kalibru, bok kalibru a elo pepážky mezi kalibry. Intenzita chlazení byla odlišena rozdílným odhadem hodnotoy koeficientu pestupu tepla α na jednotlivých ástech povrchu, která ve tech stupních vyjadovala: i) chlazení vzduchem ( α = 50 W/m 2 K ) ii) vodní chlazení malou intenzitou stékající voda ( α = W/m 2 K ) iii) intenzivní chlazení vodním paprskem ( α = W/m 2 K ) Chlazení u jednotlivých variant bylo uvažováno dle tab.1-3 -

4 Tab.1 ešené varianty - chlazení Varianta. dno bok elo 1 iii ii i 2 iii iii i 3 ii iii i 4 ii iii iii Jak je patrné, ešené varianty pecházejí od pípadu 1 s intenzivním chlazením dna k pípadm s vtším chlazením boku kalibru, resp. boku a ela, tedy intenzivní chlazení celé pepážky mezi dvma kalibry. Na obr.5 a 6 jsou zachyceny asové prbhy teploty ve významných místech povrchu kalibru v deseti cyklech válcování, a to pro nejvíce odlišné varianty.1 a 4. Je patrný postupný pechod k ustálenému stavu po 5. cyklu u všech variant. Velký rozdíl se projevuje v teplot boku kalibru a celé pepážky mezi kalibry u var.1 a 4. Zatímco u 1. var. je chlazení boku a pepážky nedostatené a vede k relativn vysoké teplot pepážky vi zbytku válce ( 511 o C na obr.7 ), u var.4 se maximální teploty významn snižují a jejich lokalizace se pemísuje do oblasti pod dnem kalibru ( 264 o C na obr.8 ). Osa válce elo pepážky Dno kalibru Roh kalibru Bok kalibru Obr.4 Sí MKP - 4 -

5 Obr.5 Teploty ve významných bodech povrchu prvních 10 cyklech - var.1 Obr.6 Teploty [ o C] ve významných bodech povrchu prvních 10 cyklech - var.4-5 -

6 Obr.7 Rozložení teplot [ o C] po 10 cyklu válcování var.1 Obr.8 Rozložení teplot [ o C] po 10 cyklu válcování var.4-6 -

7 4. Teplotní napjatost válce Po teplotní analýze probhly navazující výpoty teplotní napjatosti, pro které byla vypotená teplotní pole použita jako vstupní hodnoty. V kritických místech pak byly vyhodnoceny asové zmny významných složek naptí. asové prbhy teplotních naptí v kritickém míst - rohu kalibru - jsou kvli pehlednosti zobrazeny jen pro 1., 5. a 10. cyklus válcování na obr.9 a 10. Detailní popis jednotlivých složek je uveden na obr.9. Snížení maximálních hodnot tahových naptí v rohu kalibru mezi variantami 1 a 4 je patrné i z obr.11 a 12. Zatímco u varianty 1 je dosahováno v kritickém míst hodnot až 600 MPa, u varianty 4 jsou zde naptí bhem jednotlivých cykl pevážn v tlakové oblasti. Z výsledk je patrné, že tyto zmny souvisí s jiným rozložením teplotního pole pi intenzivním chlazení boku a ela kalibru oproti intenzivnímu chlazení dna. To potvrzuje i srovnání obr. 7 a 8, kde je vidt eliminace teplotních špiek v oblasti pepážky mezi dvma kalibry, pokud se tato oblast intenzivnji chladí. Pehátí pepážky oproti zbytku válce vede v oblasti rohu kalibru ke koncentraci tahových naptí viz obr.11 (maximální hlavní naptí v rohu kalibru). Ochlazení pepážky pak výskyt tahových naptí v této oblasti zcela eliminuje, maximální hodnoty se snižují a jejich poloha pesouvá podél boku kalibru mimo oblast rohu viz obr cyklus 5. cyklus 10. cyklus rozkmit radiálního naptí v 10. cyklu Obr.9 Složky naptí [Pa] v rohu kalibru: radiální-srad, axiální-saxi, obvodové-shoop, max hlavní-s1, varianta 1-7 -

8 Obr.10 Složky naptí [Pa] v rohu kalibru: radiální-srad, axiální-saxi, obvodové-shoop, max hlavní-s1, varianta 4 Obr.11 Max tahové naptí 530 MPa varianta 1 Obr.12 Max tahové naptí 335 MPa varianta 4-8 -

9 5. Návrh chladicích trysek a stanovení koeficient pestupu tepla Na základ výpotových výsledk, které prokázaly dležitost intenzivního chlazení mezikalibrové pepážky, byl navržen experimentální stand s rozmístním trysek dle obr.13. Model kalibru, vyrobený z austenitické oceli se zabudovanými termolánky, je umístn na pojezdový vozík (obr.14). Ped vlastním mením je v peci zahát na požadovanou teplotu a poté projíždí pod chladicími tryskami. Snímané prbhy teplot pod povrchem se poté využívají jako vstupní data pro inverzní úlohu vedení tepla, která eší okrajového podmínky na teplosmnném povrchu. Typickým výstupem je pak prbh teploty a souinitele pestupu tepla na povrchu tlesa. Celkov bylo provedeno 6 experiment pro dva typy trysek a ti tlakové úrovn. Jejich výsledky jsou sumarizovány v Tabulce 2. Jsou zde uvedeny získané hodnoty souinitele pestupu tepla, které je možno nyní využít ke zpesnní simulaních výpot teploty válce dle odst.3 a upesnit tak nejen polohu, ale i typ a potebný tlak trysek z hlediska optimálního chlazení válce. Tab. 2 Hodnoty souinitele pestupu tepla pro jednotlivé pozice a experimenty Tryska Souinitel pestupu tepla [W/m 2 K] na pozici Tlak vody [bar] Typ 1 2 Typ 1 4 Typ 1 8 Typ 2 2 Typ 2 4 Typ Obr.13 Návrh umístní trysek - 9 -

10 Obr.14 Model kalibru na laboratorním standu 6. Záv r P edložený p ísp vek ilustruje užite nost úzké spolupráce výpo tového a experimentálního modelování p i ešení relativn komplikovaného technického problému chlazení kalibr pracovních válc. Kvalitativní výpo tová analýza základních variant strategie chlazení je schopna i p es adu zjednodušujících p edpoklad poskytnout cenné podklady k rozhodování, které by se cestou experimentálního modelování získávaly jen velmi obtížn a p i vynaložení ádov vyšších náklad. Pro následné ov ení vybrané strategie, up esn ní okrajových podmínek a definitivní stanovení konkrétních technických parametr chlazení je naopak role experimentu nezastupitelná. Prezentovaný postup se ukázal jako dostate n obecný a efektivní a bude využit p i ešení ady dalších kalibr profilových tratí. Literatura [1] Hajduk,M., Konvi ný,j.: Silové pom ry p i válcování oceli za tepla, SNTL Praha, 1983 [2] Macura,P., Petruška,J.: Numerical and experimental simulation of pass rolling, J.Mat.Proc.Tech.60 (1996), [3] Petruška,J., Macura,P.: Pass rolling and material formability - numerical and experimental analysis, Stroj. as.48 (1997), 1-12 [4] Petruška,J.,Raudenský,M.: Vliv chlazení na teplotní napjatost hutních válc, Hut.listy 45 (1990), ANSYS Users Meeting, zá í 2005, P erov