Simulation of thermal stress in the hot rolling process and its effect on roller failure

Subject Areas : Journal of New Applied and Computational Findings in Mechanical Systems

Amirheshmat Khedmati Bazkiaei ¹ , Ali Sozangar ²

1 - Department of Mechanical Engineering. Islamic Azad University. Sousangerd. Iran
2 - Mechanical engineering, Iran National Steel Industrial Group

Received: 2023-12-30 Accepted : 2024-04-22 Published : 2024-04-29

Keywords: Rolling process, finite elements, fracture,

Abstract :

The rolling process is actually the shaping of steel, in which rollers are used to change the shape, improve the mechanical properties of the material, and eliminate the uniformity of the metal. Steel can be rolled in two forms, hot and cold, each of which has its characteristics. The purpose of this research was to investigate the effect of thermal stress during the rolling process on the failure of rollers using finite element simulation. This construction is non-linear and it is hypothesized that the roller is isotropic, without cracks and thermal strain, and the temperature of the environment is similar to the room. In this research, the effect of basic and accurate cooling during the rolling process has also been investigated. The results obtained in six hot rolling are created according to the highest number of rollers and the number of rollers in the rollers, which is shown and the extent of the role of thermal stresses on the failure of the rollers is stated

Full-Text:



	12
نشریه علمی - تخصصی یافته­های نوین کاربردی و محاسباتی در سیستم­های مکانیکی		سال سوم: شماره4، زمستان 1402  │

 

شبیه­سازی تنش­های حرارتی در فرآیند نورد گرم و تاثیر آن­ها بر شکست غلتک

 

امیرحشمت خدمتی بازکیائی1*، علی سوزنگر2

 

1. گروه مهندسی مکانیک، واحد سوسنگرد، دانشگاه آزاد اسلامی، سوسنگرد، ایران

2. مهندس مکانیک، مهندس تعمیرات گروه ملی صنعتی فولاد ایران، اهواز، ایران

 

* نویسنده مسول: [e-mail]

تاریخ دریافت: 09/10/1402 تاریخ پذیرش: 03/02/1403

چکیده

فرایند نورد، در واقع شکل­دهی فولاد می­باشد که در آن از غلتک­هایی برای ایجاد تغییر شکل، بهبود خواص مکانیکی مواد و از بین بردن یکنواختی فلز استفاده می­گردد. فولاد را می­توان در دو فرم گرم و سرد نورد نمود، که هر یک از آنها ویژگی‌­های خاص خود را دارند. هدف از انجام این پژوهش بررسی تاثیر تنش‌های حرارتی حاصله در حین فرآیند نورد بر شکست غلتک‌ها با استفاده از شبیه­سازی اجزاء محدود بوده است. این شبیه­سازی به صورت غیر خطی بوده و فرض گرديده كه غلتك همگن، همسانگرد، بدون ترك و كرنش حرارتي و دماي محيط برابر دمای اتاق در نظر گرفته شده است. در این پژوهش تاثیر خنک‌کاری اصولی و دقیق در حین فرآیند نورد نیز مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج بدست آمده در شش پاس نورد گرم با توجه به بیشترین دمای غلتک‌ها و میزان تنش فون‌مایزز ایجاده شده در غلتک‌ها نشان داده شده و میزان نقش تنش‌های حرارتی بر شکست غلتک‌ها بیان شده است.

 

کلمات کلیدی: فرآیند نورد، اجزاء محدود، شکست.

 

 

 

مقدمه

نورد یکی از روش‌های شکل‌دهی مواد دارای قابلیت موم‌سانی بوده است. در دماهای پایین و نزدیک به دمای اتاق تنها فلزات و برخی از پلیمرها توان موم‌سانی مناسب از خود نشان می‌دهند برای افزایش این قابلیت و همچنین شکل‌دهی موادی که در دماهای پایین نورد آن‌ها امکان‌پذیر نیست، از انواع نورد استفاده می‌شود. نورد یک فرآیند فلزکاری است که شامل عبور دادن یک فلز از میان یک جفت رول برای کاهش ضخامت آن، تغییر خواص مکانیکی آن یا دستیابی به شکل دلخواه است. این فرآیند به­طور گسترده در تولید محصولات فلزی مختلف از جمله ورق­ها، صفحات، میله­ها و اشکال ساختاری استفاده می­شود. نورد یک مرحله کلیدی در ساخت فولاد و سایر فلزات است که شمش یا بیلت را به اشکال قابل استفاده­تر تبدیل می­کند.

صابونچی و همکاران[1] تغییر هندسه پاشش آب به غلتک نورد و اثر آن بر درجه حرارت را بررسی نمودند و در آن به منظور تعیین حالت هندسی بهینه برای خنک­کاری با استفاده از بالاترین ضریب انتقال حرارت و جلوگیری از پاشش آب به اطراف، معادلات انتقال حرارت غلتک در حالت غیر دائم با شرایط مرزی متغییر برای انواع وضعیت‌های پاشش و عبور ورق‌های متعدد با شرایط مختلف به روش اختلاف محدود حل شده و اثر هر یک از پارامترها بر درجه حرارت غلتک مورد بحث قرار گرفته است. حاجیان‌نژاد و همکاران[2] با ارایه یک مدل ریاضی غیرآنی به توزیع دمای بار در طول خط نوردگرم ورق مجتمع فولاد مبارکه پرداختند. بدین منظور، معادلات انتقال حرارت دوبعدی را با فرض غیردائم همراه با شرایظ مرزی مناسب برای هر قسمت خط نوردگرم استخراج نموده و با استفاده از روش عددی اختلاف محدود و شبکه‌بندی غیریکنواخت نتایح را محاسبه نمودند. در این پژوهش نتایج حاصله را نسبت به پارامترهای سرعت بار، ضخامت نسبی کاهشی در هر پاس، دمای اولیه بار، اثر پوسته‌های اکسیدی، تاخیرهای زمانی هر مرحله بدست آورده است. صابونچی و همکاران[3] شبیه‌سازی حرارتی غلتک‌های نورد گرم به­منظور تخمین اثرات تغییر جنس غلتک بر توزیع دما پرداختند. آنها با استفاده از یک شبیه‌سازی عددی-تجربی اثر تغییر جنس غلتک بر روی توزیع دما برای انواع غلتک‌ها در مراحل نورد را محاسبه نمودند. نتایح بیانگر این امر بوده جنس غلتک، پارامتری مهم در شبیه­سازی نخواهد بود. کویتی و همکاران[4] به تحلیل فونی و ارتقاء کوره های پیش­گرم نورد گرم فولاد مبارکه اصفهان از دیدگاه مصرف انرژی پرداخته و ضمن معرفی و بررسی آن، ممیزی انرژی کوره شماره یک را به­طور کامل مورد تحلیل قرار داده است. در این پژوهش تلفات حرارتی کوره از بخش‌های مختلف مورد محاسبه و بررسی کامل و در ادامه نتایج محاسباتی با استفاده از نمودارهای بدست آمده در هر بخش، مورد مقایسه با شرایط طراحی کوره قرار گرفته، علت عدول شرایط موجود از شرایط طراحی را با استفاده از دیاگرام های سانکی مشخص، راهکارهای کاهش مصرف سوخت و انرژی که موجب برطرف نمودن موانع توسعه خط نورد گرم، افزایش تولید و کاهش نشر آلاینده های زیست محیطی می شود ارایه گردیده است. زائرین[5] با استفاده از بسط مدل ریاضی، دمای غلتک حین نورد گرم، معادله انتقال حرارت آن مکانیزم خستگی حرارتی سطح غلتک، پیش بینی و تخمین تنش­حرارتی، توسعه دما و تنش­حرارتی در غلتک تحت سیستم های مختلف خنک­کاری را محاسبه نمود. ایشان بیان داشتند که شیوه خنک­کاری غلتک‌ها و عوامل مؤثر بر آن، در کیفیت محصول تولیدی و همچنین طول عمر غلتک­ها در قفسه­های مختلف نورد، بسیار حائز اهمیت خواهد بود. بهلولی و همکاران[6]  برای بررسی مکانیزم تغییر شکل حفره‌ها از مدل‌های المان محدود دینامیکی غیر خطی سه بعدی استفاده نمودند. در این پژوهش از مقایسه نتایج آزمایشگاهی با مدل المان محدود سه بعدی برای صحت سنجی استفاده شده است و کرنش پلاستیک، توزیع تنش های اصلی در اطراف حفره و نسب کاهش حفره‌ها به عنوان پارامترهای مورد بررسی در نظر گرفته شده است. نتایج نشان داده­اند که حفره‌ها از شکل کروی به بیضوی تغییر می­یابند و با افزایش پاس نورد کوچک­تر و نامنظم­تر می‌شوند. سطوح بالایی و پایینی حفره‌ها بعد از پاس آخر نورد به هم متصل شده و تغییر شکل حفره‌های با اندازه‌های متغیر به یک شکل است اما با تحلیل ادغام هیدرواستاتیکی مشاهده گردید که حفره‌های کوچک بسیار سریع­تر از حفره‌های بزرگ پیوند خوردند. یونسی توابع و همکاران[7] با بهره از یک مدل المان محدود سه بعدی مزدوج مکانیکی حرارتی به تحلیل فرآیند نورد گرم آلومینیم AA1100 پرداختند. در پژوهش ایشان اثرات پارامترهای دما و سرعت شکل­دهی بر روی پارامترهای خروجی نظیر نیرو و گشتاور نورد بررسی شده و جهت صحت سنجی نتایج اجزاء محدود با داده­های تجربی مرجع معتبر مقایسه شده است و تطابق خوبی میان این دو برقرار بوده است. شهری و همکاران[8] به کمک روش اجزاء محدود و با استفاده از نرم افزار آباکوس، به شبیه­سازی نورد گرم 5 پاسه که به صورت رفت و برگشتی توسط دو غلتک بر نمونه­ای تخت از جنس فولاد میکرو آلیاژی نایابیوم دار که عرض آن طی نورد ثابت بوده، پرداختند. ایشان با مقایسه نتایج به­دست آمده از روش مطالعه عددی با نتایج تجربی، تغییرات مقدار نیرو و گشتاور عکس العمل وارده به غلتک­ها در طی فرایند نورد گرم را محاسبه نمودند. پرستش و موگویی[9] با توسعه یک مدل اجزاء محدود به شبیه­سازی رفتار لرزهای قاب ترکیبی گرم نورد ترکیب شده درعرض قاب سرد نورد سبک فولادی پرداختند. برای صحت سنجی مدل اجزاء محدود ارایه شده، از قیاس با نتایج آزمایشگاهی استفاده شده است. نتایج مدل اجزاء محدود توسعه داده شده نشان داد که این مدل توانایی پیش بینی رفتارلرزه ای قاب ترکیبی فولادی گرم نورد و سرد نورد در عرض را با دقت بسیار بالایی دارد. خدمتی بازکیائی و همکاران[10] با ارایه مدل مجزا ترمو-ویسکو هایپرالاستیک، تاثیر حرارت ایجاد شده در لاستیک را بر اثر بارگزاری متناوب بر خرابی لاستیک مورد بررسی قرار داده و پس از حل نیمه تحلیلی با استفاده از تابع گرین، نتایج حاصله با حل اجزاء محدود و نتایج آزمایشگاهی مورد صحت‌سنجی قرار گرفت. خدمتی و سوزنگر[11] به بررسی توزیع دما بر روی غلتک‌های موجود در قفسه اول نورد تیرآهن شرکت گروه ملی پرداختند. به منظور بررسی اثرات خنک‌سازی بر روی غلتک‌ها در حین نورد، شبیه‌سازی انجام گرفته در دو حالت با و بدون مایع خنک کننده صورت پذیرفت. بدین منظور برای هر پاس از قفسه اول خط نورد دو شبیه­سازی انجام گرفت و به منظور شبیه‌سازی سیال خنک‌ساز، از اثر آن بر روی غلتک‌ها استفاده شده است. پس از مقایسه نتایج، مشخص گردید که خنک‌سازی باعث کاهش توزیع دمای روی غلتک شده و کارکرد آنها بهبود یافته است. بینا و همکاران[12] به شبیه­سازی عددی فرایند نورد گرم یک تیر با جنس فولاد ۱۰۰Cr۶ برای یک پاس در نرم افزار آباکوس پرداختند و تاثیر سرعت دوران غلتک بر روی گشتاور و توان مصرفی فرآیند محاسبه نمودند. نتایج بدست آمده نشان داد که با افزایش سرعت دوران غلتک، مدت زمان انجام فرایند نورد کاهش و گشتاور عکس­العمل غلتک و به تبع آن توان مصرفی در فرایند نورد افزایش می یابد. 

در پژوهش حاضر، پس از بیان مقدمه و مروری بر پژوهش‌های مرتبط صورت گرفته، در ادامه پژوهش [11]، بررسی کارکرد غلتک گرم، شبیه‌سازی فرآیند صورت گرفته و تنش‌های حرارتی پدیدار شده در حین نورد در غلتک‌ها محاسبه می­گردد. پس ازمحاسبه تنش­حرارتی، میزان تاثیر این پدیده بر شکست غلتک‌ها بیان شده است.

تعیین تنش‌های حرارتی غلتک‌ها در حین نورد

در این بخش، به­منظور بررسی تاثیر تنش­های حرارتی به وجود آمده در غلتک­ها بر روی شکست آنها، شبیه‌سازی در حین فرآیند نورد انجام شده است. غلتک­های نورد در معرض دو نوع تنش و در واقع بار خارجی قرار داشته که در این پژوهش به بررسی، تنش­های حرارتی پرداخته شده است. شکل (1) نمایی از نحوه اتصال موتورهای چرخاننده غلتک را نشان می­دهد. اگر از شتاب اولیه شروع حرکت صرف نظر شود، به دلیل ثابت بودن سرعت چرخش غلتک­ها می­توان محل اتصال غلتک ها به موتور را به صورت تکیه ثابت در نظر گرفت.

 

شکل 1: نمای کلی از نحوه اتصال غلتک‌ها به موتور گرداننده و یاتاقان

شکل (2) شرایط مرزی حرکتی جهت تحلیل و بررسی تنش­های حرارتی غلتک­ها را نشان داده شده است. این نوع قید­گذاری با توجه شرایط حاکم در شرایط واقعی کارکرد در نظر گرفته شده است.

 

شکل 2: شرایط مرزی حرکتی اعمالی به غلتک به همراه بارگذاری حرارتی

پس از اعمال شرایط مرزی، با توجه به حرارت وارده به غلتک‌ها در پاس‌های مختلف اقدام به شبیه‌سازی تنش‌های به وجود آمده در غلتک‌ها، با توجه به توزیع حرارت در آنها گردید. شبیه‌سازی انجام گرفته برای هر شش پاس و در شرایط دمایی مربوط به هر پاس، صورت گرفت که در تمام مراحل غلتک‌ها توسط آب خنک‌کازی شده‌اند. به منظور تحلیل تنش در این پژوهش از نرم‌افزار انسیس استفاده شده است. بدین صورت که کانتور دمایی به دست آمده به همراه ابعاد اتصال شمشال و غلتک و همچنین اعمال شرایط مرزی و آماده‌سازی مدل در این نرم‌افزار، اقدام به شبیه‌سازی و استخراج تنش‌های به وجود آمده در غلتک گردید. شکل (3) تغییرات ضریب انتقال حرارت ماده Cast Iron SG را با توجه به تغییرات دمایی نشان می‌دهد. همانطور که مشاهده می‌گردد ضریب انتقال حرارت متغیر با دما فرض شده و مقدار آن برای دمای بالای 600 درجه سانتی­گراد ثابت و برابر 1/34 (W/m2K) می‌باشد.

 

شکل 3: تغییرات ضریب حرارتی ماده Cast Iron SG با تغییرات دمای محیط

شکل (4) مدل وارد شده به نرم افزار انسیس را به منظور شبیه­سازی پاس اول نشان می­دهد. همانطور که در شکل مشاهده می­شود دماهای وارده به محیط نرم افزار کاملا مشابه نتایج به دست آمده از مرجع [11] می­باشد همچنین در شکل (5) می­توان عمق نفوذ حرارت به غلتک را مشاهده نمود.

شکل 4: بارگذاری دمایی در نرم­افزار به منظور بررسی تنش­های حرارتی

شکل 5: نفوذ عمقی حرارت به غلتک در فرآیند نورد در پاس اول

مدل آماده‌سازی شده جهت شبیه‌سازی تنش‌های به وجود آمده در غلتک برای پاس اول بارگذاری از نوع حرارتی بود و دو طرف غلتک با استفاده از تکیه گاه ثابت بی‌حرکت شده است. پس از بارگذاری و اعمال شرایط مرزی اقدام به حل مساله گردیده و شکل (6) تنش‌های فون‌مایزز به وجود آمده در غلتک را برای پاس اول نشان می­دهد. بیشترین تنش فون‌مایزز ایجاد شده در پاس اول در اثر بار حرارتی به وجود آمده در سطح غلتک، برابر حدود 16 مگاپاسکال بوده که مقداری بسیار کم است (شکل 6). به صورت مشابه اقدام به شبیه‌سازی حرارتی سازه‌ای کلیه پاس‌های نورد تیرآهن در قفسه اول شرکت گروه ملی خوزستان گردیده است.

 

شکل 6: تنش­های فون‌مایزز ناشی از بار حرارتی وارده از پاس اول

بیشترین دمای به­وجود آمده در پاس سوم با وجود سیال خنک­کننده برابر 102 درجه سانتی­گراد است. با توجه به نتایج شبیه­سازی، می­توان مشاهده نمود که بیشترین تنش فون­مایزز حرارتی به وجود آمده در پاس سوم از قفسه اول نورد تیرآهن، برابر 32 مگا پاسکال بوده که مشابه پاس اول مقداری اندک می‌باشد. مشابه مراحل بیان شده پیشین در این قسمت، برای کلیه پاس­های قفسه اول انجام گردید.

در شکل (7) نمودار مربوط به تنش­های حرارتی را نشان داده شده است. این تنش­ها با توجه به میزان حرارت وارده به غلتک­ها و شرایط مرزی اعمالی به غلتک ترسیم شده­اند.

 

شکل 7: بیشینه دماها و تنش­های فون­مایزز به وجود آمده در غلتک­ها در پاس­های مختلف 

نتيجه‌گيری

در پژوهش حاضر به بررسی تنش‌های حرارتی بوجود آمده در غلتک‌های فرآیند نورد گرم تولید تیرآهن و تاثیر آن بر شکست غلتک پرداخته شد. به منظور شبیه‌سازی و بررسی تاثیر تنش‌های حرارتی از نتایج حاصل از نرم‌افزار دیفرم پژوهش ]11[ استفاده شده است. با توجه به دمای وارده به غلتک، مشاهده گردید به دلیل خنک­کاری غلتک­ها توسط مایع، تنش­های ایجاد شده در غلتک پایین است. به عبارت دیگر با توجه به حجم غلتک مورد استفاده در فرآیند نورد و همچنین جنس چدن سختی که در ساخت این غلتک­ها استفاده می شود، این تنش­ها نمی­توانند تاثیری در شکست داشته باشند. ذکر این نکته نیز الزامی است که در صورت عدم خنک­کاری اصولی و دقیق در فرآیند نورد، دمای غلتک­ها به شدت بالا رفته و موجبات شکست به دلیل تنش­های حرارتی بالا در غلتک­ها فراهم می­گردد. در نتیجه باتوجه کوچک بودن تنش­های حرارتی نسبت به استحکام تسلیم ماده سازنده غلتک، از آنها می‌توان در تحلیل شکست غلتک­ها چشم پوشی نمود.

مراجع

 

[1] صابونچی، ا.، عباسپور، م.، گنجه‌زاده، ا.، (1379)، حل عددی معادلات انتقال حرارت غلتک نورد در حالت غیردائم و شرابط مرزی متغیر، سمپوزیوم فولاد 79، ص. 657-668.

[2] حاجیان‌نژاد، ع.، توانگر، م.، گنجه‌زاده، ا.، (1379)، شبیه‌سازی کامپیوتری تغییرات دمای بار در خز نوردگرم ورق، سمپوزیوم فولاد 79، ص. 295-307.

[3] صابونچی، ا.، خردمند، س.، مدرس، ف. ق.، کی‌یگانه، ع.، (1384)، شبیه‌سازی حرارتی غلتک‌های نورد گرم بمنظور تخمین اثرات تغییر جنس غلتک بر توزیع دما و کراون حرارتی غلتک کاری، سمپوزیوم فولاد 84، ص. 322-332.

[4] کویتی، ع.، هراتیان، م.، احمدی، ح.، (1389)، بررسی بهینه سازی مصرف انرژی با استفاده از آنالیز حرارتی و تحلیل مصرف ویژه سوخت در کوره­های پیشگرم نورد گرم فولاد مبارکه اصفهان، ماهنامه نفت و انرژی، 50، ص. 490-499.

[5] زائرین، ا.، (1394)، بررسی پدیده انتقال حرارت غلتک حین نورد گرم فولاد و ارایه شیوه خنک کاری غلتک ها، اولین کنفرانس ملی رویکردهای نوین و کاربردی در مهندسی مکانیک، https://civilica.com/doc/492112.

[6] بهلولی، ح.، صفامنش، ع.، کرمانی، ع.، (1394)، پیش بینی و رفع خطاهای حفره ای در نورد سرد و گرم با استفاده ازروش المان محدود، اولین همایش ملی پیشرفت ها و چالش ها در علوم، مهندسی و فوناوری، .https://civilica.com/doc / 560291.

[7] یونسی توابع، ر.، عزیزی تفتی، ر.، خداداد سریزدی، م.، (1394)، بررسی عددی اثر دما و سرعت شکلدهی بر فرآیند نورد گرم آلومینیم AA1100، چهاردهمین کنفرانس مهندسی ساخت و تولید ایران، https://civilica.com/doc/713541.

[8] شهری، م.، بنی مصطفی عرب، ن.، پورگللو، م.، میراحمدی خاکی، د.، (1397)، تحلیل المان محدود نیرو وگشتاور عکس العمل وارده به غلتک ها در نورد گرم فولاد میکروآلیاژینایابیوم دار، سومین کنفرانس بین المللی مهندسی مکانیک و هوافضا، https://civilica.com/doc/788828.

[9] پرستش، ح.، موگویی، ب.، (1399)، توسعه یک مدل اجزاء محدود برای شبیه­سازی رفتار لرزه ای قاب گرم نورد ترکیب شده درعرض قاب فولادی سبک سرد نورد، سومین کنفرانس بین المللی مهندسی عمران، معماری و شهرسازی ،https://civilica.com/doc/1039368.

[10] Bazkiaei, A.K., Shirazi, K. H., Shishesaz, M., (2021), Thermo-hyper-viscoelastic analysis of a rubber cylinder under cyclic deformation, Journal of Rubber Research 24(1), pp 13-26.

 [11] خدمتی بازکیائی، ا. و سوزنگر، ع.، (1401)، تحلیل و شبیه­سازی توزیع دما بر پیکره غلتک در طی فرآیند نورد گرم با در نظرگرفتن پاشش سیال خنک‌کن ، یافته‌های نوین کاربردی و محاسباتی در سیستم‌های مکانیکی، ص. 12-22.

[12] بینا، ع.، مسلمانی، ر.، مهدیه، م.، نظری، ف.، (1402)، بررسی تاثیر سرعت دوران غلتک بر توان مصرفی در فرایند نورد تیر،  دومین کنفرانس بین المللی و ششمین کنفرانس ملی مواد، متالورژی و معدن ،https://civilica.com/doc/ 1642483.