杜风山等：精密轧机的辊型电磁调控工艺参数 ·1875· 为两种方式，一种方式为在轧辊通孔内部放置热源对 轧辊内孔进行局部加热，调节轧辊辊型曲线：另一种为 数据采集 检测外部轧辊轮廓，在轧辊通孔内部利用分段柱棒式 系统 加热器对与其接触区域进行局部加热，调节轧辊外部 轮廓曲线.但是这些技术都不够成熟，工业上没有得 到应用. 为了更好的控制板形，本课题组提出了一种辊型 电磁调控技术切，它利用电磁棒的热驱动和内约束机 电磁调控 轧辊 制，来快速控制轧辊辊型改变.为了深入研究辊型电 磁调控技术，自行研制了Φ270mm×300mm辊型电磁 图2辊型电磁调控实验平台 调控实验平台，建立了与之相应的电磁一热一力耦合有 Fig.2 Roll profile electromagnetic control experimental platform 限元模型.通过实验手段来调整电磁-热一力耦合有限 辊与电磁棒之间为接触换热，换热系数取3kW·m2· 元仿真精度，使采用仿真结果预测真实结果更具可靠 K1圆：模型边部电势和磁势为0：初始温度均采用 性，并利用该模型，分析了不同工艺参数对轧辊凸度和 30℃. 辊型曲线的影响. 作为基础研究，电磁调控轧辊与电磁棒均采用45 1实验平台及有限元模型构建 钢，其部分物理参数如表1所示回，材料的力学性能使 用软件数据库中自带的参数. 1.1实验平台 表145钢的部分物理参数 辊型电磁调控技术是以感应加热为基础，以电磁 Table 1 Physical parameters for 45 steel 棒的热驱动和内约束机制实现对辊型调节.为了深入 温度/ 导热系数/ 相对 比热容/ 电阻率/ 研究辊型电磁调控技术，特研制了电磁调控轧辊（图 ℃ (Wm1K)磁导率 (J-kgl.K-l)(10-62m) 1),并构建了辊型电磁调控实验平台（图2）.电磁调 场 47.68 200.0 472 0.198 控轧辊尺寸为270mm×300mm,电磁棒尺寸为中100 100 43.53 195.0 480 0.254 mm,与轧辊有效接触区长度为50mm,置于轧辊中心. 200 40.44 186.6 498 0.339 辊型电磁调控实验平台由电源、电磁调控轧辊及数据 300 38.13 178.1 524 0.435 采集系统构成 400 36.02 167.1 560 0.541 500 34.16 154.9 615 0.656 600 31.98 137.8 700 0.790 700 28.66 92.5 854 0.949 742 26.20 11.0 986 1.019 760 25.14 1.0 1064 1.042 800 26.49 1.0 806 1.080 900 25.92 1.0 637 1.162 轧辊 电磁棒 1000 24.02 1.0 602 1.200 图1电磁调控轧辊原理示意图 Fig.1 Principle diagram of the electromagnetic control roll 2 实验与有限元结果分析 1.2有限元模型构建 2.1实验过程 为了简化计算，电磁调控轧辊整体被简化为轴对 实验参数：频率400Hz,实验采用恒定电压28V, 称模型，采用有限元软件MSC.MARC建立了电磁- 加热时间900s,实验环境温度8.5℃.通过测量电流， 热-力耦合轴对称模型，模型整体尺寸为1000mm× 并将其换算成有限元计算的等效电流密度」，结果如 500mm(电磁调控轧辊被空气单元包围)，对称轴为X 图3所示.由于加热过程中，导线温度升高，电阻增 轴.有限元计算中所需边界条件如下 大，电流减小，故而等效电流密度随加热时间逐渐 等效电流密度J,按照公式J=nl/S计算，n为线 降低. 圈匝数，I为线圈电流大小，S为线圈所占面积：轧辊热 2.2结果分析 辐射采用MSC.MARC中自带的空腔辐射换热模型：轧 实验参数下，图1中C点径向变化量和D点的温杜凤山等: 精密轧机的辊型电磁调控工艺参数 为两种方式，一种方式为在轧辊通孔内部放置热源对 轧辊内孔进行局部加热，调节轧辊辊型曲线; 另一种为 检测外部轧辊轮廓，在轧辊通孔内部利用分段柱棒式 加热器对与其接触区域进行局部加热，调节轧辊外部 轮廓曲线． 但是这些技术都不够成熟，工业上没有得 到应用． 为了更好的控制板形，本课题组提出了一种辊型 电磁调控技术［7］，它利用电磁棒的热驱动和内约束机 制，来快速控制轧辊辊型改变． 为了深入研究辊型电 磁调控技术，自行研制了 270 mm × 300 mm 辊型电磁 调控实验平台，建立了与之相应的电磁--热--力耦合有 限元模型． 通过实验手段来调整电磁--热--力耦合有限 元仿真精度，使采用仿真结果预测真实结果更具可靠 性，并利用该模型，分析了不同工艺参数对轧辊凸度和 辊型曲线的影响． 1 实验平台及有限元模型构建 1. 1 实验平台 辊型电磁调控技术是以感应加热为基础，以电磁 棒的热驱动和内约束机制实现对辊型调节． 为了深入 研究辊型电磁调控技术，特研制了电磁调控轧辊( 图 1) ，并构建了辊型电磁调控实验平台( 图 2) ． 电磁调 控轧辊尺寸为 270 mm × 300 mm，电磁棒尺寸为 100 mm，与轧辊有效接触区长度为 50 mm，置于轧辊中心． 辊型电磁调控实验平台由电源、电磁调控轧辊及数据 采集系统构成． 图 1 电磁调控轧辊原理示意图 Fig． 1 Principle diagram of the electromagnetic control roll 1. 2 有限元模型构建 为了简化计算，电磁调控轧辊整体被简化为轴对 称模型，采 用 有 限 元 软 件 MSC． MAＲC 建 立 了 电 磁-- 热--力耦合轴对称模型，模型整体尺寸为 1000 mm × 500 mm( 电磁调控轧辊被空气单元包围) ，对称轴为 X 轴． 有限元计算中所需边界条件如下． 等效电流密度 J，按照公式 J = nI / S 计算，n 为线 圈匝数，I 为线圈电流大小，S 为线圈所占面积; 轧辊热 辐射采用 MSC． MAＲC 中自带的空腔辐射换热模型; 轧 图 2 辊型电磁调控实验平台 Fig． 2 Ｒoll profile electromagnetic control experimental platform 辊与电磁棒之间为接触换热，换热系数取 3 kW·m － 2· K － 1［8］; 模型边部电势和磁势为 0; 初始 温 度 均 采 用 30 ℃ ． 作为基础研究，电磁调控轧辊与电磁棒均采用 45 钢，其部分物理参数如表 1 所示［9］，材料的力学性能使 用软件数据库中自带的参数． 表 1 45 钢的部分物理参数 Table 1 Physical parameters for 45 steel 温度/ ℃ 导热系数/ ( W·m － 1·K － 1 ) 相对 磁导率 比热容/ ( J·kg － 1·K － 1 ) 电阻率/ ( 10 － 6 Ω·m) 20 47. 68 200. 0 472 0. 198 100 43. 53 195. 0 480 0. 254 200 40. 44 186. 6 498 0. 339 300 38. 13 178. 1 524 0. 435 400 36. 02 167. 1 560 0. 541 500 34. 16 154. 9 615 0. 656 600 31. 98 137. 8 700 0. 790 700 28. 66 92. 5 854 0. 949 742 26. 20 11. 0 986 1. 019 760 25. 14 1. 0 1064 1. 042 800 26. 49 1. 0 806 1. 080 900 25. 92 1. 0 637 1. 162 1000 24. 02 1. 0 602 1. 200 2 实验与有限元结果分析 2. 1 实验过程 实验参数: 频率 400 Hz，实验采用恒定电压 28 V， 加热时间 900 s，实验环境温度 8. 5 ℃ ． 通过测量电流， 并将其换算成有限元计算的等效电流密度 J，结果如 图 3 所示． 由于加热过程中，导线温度升高，电阻增 大，电流 减 小，故 而 等 效 电 流 密 度 随 加 热 时 间 逐 渐 降低． 2. 2 结果分析 实验参数下，图 1 中 C 点径向变化量和 D 点的温 · 5781 ·