矯直輥工作壽命的研究

趙軍

（中冶南方工程技術(shù)有限公司，武漢 430223）

1 引言

熱板矯直機(jī)布置在加速冷卻裝置后，它是用來消除鋼板在軋制、冷卻和運(yùn)輸過程中產(chǎn)生的各種板形缺陷、降低內(nèi)部殘余應(yīng)力且使之分布均勻的重要設(shè)備。隨著TMCP（Thermo Mechanical Control Process）技術(shù)的廣泛應(yīng)用，受鋼板的溫度降低、材料的屈服強(qiáng)度提高等多種因素的影響，對熱板矯直機(jī)在強(qiáng)度、剛度和功能方面提出了更高的要求。目前矯直輥工作壽命短的問題比較突出，鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)需要全線停產(chǎn)更換矯直輥，直到矯直機(jī)生產(chǎn)能力恢復(fù)，給鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。矯直輥的工作壽命短，主要是由兩個原因造成的：①矯直輥表面淬火層硬度低或淬火層深度不夠；②矯直輥內(nèi)部冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理。本文以某鋼鐵廠熱板矯直機(jī)矯直輥為研究對象，采用ANSYS 軟件建立了矯直輥的流-固-熱耦合力學(xué)模型，在模型中充分考慮了高溫鋼板、矯直輥和冷卻水之間的熱傳導(dǎo)、熱輻射、熱對流，定量計(jì)算了內(nèi)冷卻水通水速度對矯直輥的冷卻效果，計(jì)算出矯直輥穩(wěn)態(tài)下各關(guān)鍵部位的溫度，并且采用圓筒定態(tài)導(dǎo)熱方法進(jìn)行驗(yàn)算，二者結(jié)果非常接近。

2 矯直輥材料的選擇

矯直輥的工作壽命主要取決于材料在高溫下的強(qiáng)度、硬度和工作受力。材料在高溫下工作表面的硬度決定矯直輥的耐磨性。為了提高使用壽命，應(yīng)該盡可能地提高矯直輥的耐磨性能、抗剝落性能、淬硬層深度，盡量保證矯直輥表面金屬組織的均勻性和穩(wěn)定性。

2.1 矯直輥性能參數(shù)

鋼板溫度：200℃～900℃；矯直輥輥徑：φ300/290mm×1800（輥身）mm；單輥?zhàn)畲蟪C直力：2500kN。

2.2 矯直輥力學(xué)性能

材質(zhì)：X40CrMoV5-1（DIN 標(biāo)準(zhǔn)）。密度：7780kg/m3。導(dǎo)熱系數(shù)：溫度20℃，25W/（m·K）；溫度500℃，28.5W/（m·K）；溫度600℃，29.3W/（m·K）；比熱：溫度20℃，460J/（kg·K）；溫度500℃，550J/（kg·K）；溫度500℃，590J/（kg·K）。輥身整體調(diào)質(zhì)硬度：268～350HB。輥身表面淬火硬度：56～59HRC，精加工后淬硬層深度大于7mm。

按JB/T5000.15-2007《鍛鋼件無損探傷》的II 級進(jìn)行超聲波檢驗(yàn)。

X40CrMoV5-1 熱作模具鋼含有鉻、鎢、鉬和釩等合金元素。該種材料專為高溫應(yīng)用，被用于熱作模具、壓鑄模具、擠壓模具等。該合金具有以下優(yōu)點(diǎn)：良好的回火穩(wěn)定性、高溫下能夠保持較高的硬度和強(qiáng)度、耐熱疲勞、耐腐蝕、耐磨損，具有非常高的韌性、良好的延展性和淬透性，可用水冷卻。對于通過熱處理提高其性能的材料，長期在高于回火溫度下使用，會導(dǎo)致材料的硬度強(qiáng)度降低，當(dāng)預(yù)見到這種情況時(shí)，應(yīng)限制材料的最高使用溫度。

圖1 回火溫度-硬度曲線圖

圖2 回火溫度-機(jī)械性能圖

從圖1中可以看出X40CrMoV5-1在溫度低于500℃時(shí)，硬度保持在51～54HRC 變 化 不大，體現(xiàn)了材料良好的回火穩(wěn)定性；高于500℃時(shí)輥面硬度開始急劇下降，雖然溫度在500℃～600℃之間硬度也大于50HRC，但是在這個溫度范圍內(nèi)的硬度變化曲率很大，是很不穩(wěn)定的區(qū)域。圖2 描述了材料的綜合機(jī)械性能隨回火溫度變化的情況，Rm為抗拉強(qiáng)度，Rp0.2為0.2%非比例延伸強(qiáng)度（可認(rèn)為是屈服極限Re）。從圖2中可以看出Rm、Rp0.2隨著溫度的升高不斷降低。當(dāng)溫度低于480℃時(shí)，Rp0.2大于800MPa，雖然溫度在400℃～480℃之間，Rp0.2也大于800MPa，但是在這個溫度范圍內(nèi)的屈服極限變化曲率很大，是很不穩(wěn)定的區(qū)域。綜合硬度和強(qiáng)度兩種因素隨溫度變化的情況，控制輥面平均穩(wěn)態(tài)工作溫度不要超過400℃。因此在矯直過程中對矯直輥進(jìn)行充分有效的冷卻，嚴(yán)格控制因輥面溫度過高、硬度降低而導(dǎo)致的輥面磨損加劇和產(chǎn)生點(diǎn)蝕，成為延長矯直輥使用壽命的關(guān)鍵因素。

3 矯直輥內(nèi)冷卻結(jié)構(gòu)與冷卻介質(zhì)

如圖3 所示，矯直輥采用中空內(nèi)通冷卻水結(jié)構(gòu)，由旋轉(zhuǎn)接頭、冷卻進(jìn)水管、支撐環(huán)等零部件組成。冷卻水由旋轉(zhuǎn)接頭進(jìn)水口經(jīng)冷卻進(jìn)水管到達(dá)矯直輥內(nèi)冷卻孔的另一端，再經(jīng)由矯直輥內(nèi)冷卻孔與冷卻進(jìn)水管之間的空腔流向另外一端，最終由旋轉(zhuǎn)接頭的出水口回到管網(wǎng)。

圖3 矯直輥內(nèi)冷卻結(jié)構(gòu)簡圖

長時(shí)間的使用，矯直輥冷卻孔內(nèi)壁不可避免地存在結(jié)垢現(xiàn)象。本文論述的冷卻介質(zhì)采用的凈環(huán)水，但很多鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)采用的是濁環(huán)水，結(jié)垢現(xiàn)象更嚴(yán)重，降低了冷卻孔內(nèi)壁與冷卻水間的穩(wěn)定對流傳熱能力。因此，要求鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)對矯直輥冷卻孔內(nèi)壁的水垢定期進(jìn)行清理。冷卻水冷卻效果不理想，很容易造成矯直輥硬度、強(qiáng)度降低，矯直輥磨損加劇，矯直鋼板表面質(zhì)量受到影響，也會出現(xiàn)“粘鋼”現(xiàn)象。

4 傳熱的基本理論和基本方式

工程上，當(dāng)熱物體的溫度不很高時(shí)，以輻射方式傳遞的熱量遠(yuǎn)較對流和導(dǎo)熱傳遞的熱量小，此時(shí)常常將輻射傳熱忽略不計(jì)。但對于高溫物體，熱輻射往往成為傳熱的主要方式。任何物體，只要其絕對溫度大于零度，都會不停地以電磁波的形式向外輻射能量，溫度越高，輻射能越多；同時(shí)，又不斷吸收來自外界其他物體的輻射能，并轉(zhuǎn)化為熱能。熱輻射研究的是由于物體的宏觀運(yùn)動和微觀粒子的熱運(yùn)動所造成的能量轉(zhuǎn)移。工業(yè)生產(chǎn)中大量遇到的是流體流過固體表面時(shí)與該表面所發(fā)生的熱量交換。這一過程為對流給熱。流體在流動和傳熱過程中遵守質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律。在流體中，除分子碰撞外，連續(xù)而不規(guī)則的分子運(yùn)動是導(dǎo)致熱傳導(dǎo)的重要原因。熱量在固體中的傳遞比在流體中的傳遞要簡單得多，熱傳導(dǎo)是物體內(nèi)部分子微觀運(yùn)動的一種傳熱方式。固體內(nèi)部的熱傳導(dǎo)是由于相鄰分子在碰撞時(shí)傳遞振動能的結(jié)果。此外，熱傳導(dǎo)也可因物體內(nèi)部自由電子的轉(zhuǎn)移而發(fā)生。金屬的導(dǎo)熱能力很強(qiáng)的原因就在于此。

5 矯直輥的傳熱機(jī)理

矯直輥的工作環(huán)境十分惡劣，承受矯直力、高溫鋼板的熱輻射、熱傳導(dǎo)和冷卻水的熱對流等熱沖擊，工作時(shí)產(chǎn)生的交變熱應(yīng)力往往會引起矯直輥的破壞和失效。

圖4 矯直輥傳熱方式示意圖

如圖4 所示，高溫鋼板與矯直輥之間通過輻射和傳導(dǎo)進(jìn)行傳熱，矯直輥與內(nèi)冷卻水之間通過輻射和對流進(jìn)行傳熱。高溫鋼板和矯直輥與空氣之間的輻射、對流是一個很復(fù)雜的過程，在建立矯直輥力學(xué)模型進(jìn)行傳熱計(jì)算過程中，沒有考慮和空氣之間的輻射和對流傳熱。

6 矯直輥冷卻模型與傳熱計(jì)算

冷卻水參數(shù)：單輥耗量為1.14m3/h；使用制度：連續(xù)工作制；供水壓力：0.5～0.6MPa；回水壓力：0.2～0.3MPa；冷卻水入口溫度：30℃。

式中，Q-冷卻水流量，m3/h；V-斷面內(nèi)的平均流速，m/s；A-過流斷面面積，m2；d-冷卻進(jìn)水管內(nèi)徑，m。

初步設(shè)定冷卻水流速為1m/s，由式（1）：

根據(jù)設(shè)備圖紙建立計(jì)算用半模型，該模型包括冷卻水、高溫鋼板和矯直輥。高溫鋼板設(shè)定溫度900℃，矯直輥（靜止非旋轉(zhuǎn)）與高溫鋼板無限長時(shí)間接觸，考慮輻射傳熱，忽視對流產(chǎn)生的熱量損失，采用穩(wěn)態(tài)傳熱和流體動力學(xué)耦合計(jì)算。在矯直輥溫度達(dá)到一個穩(wěn)態(tài)值的情況下，溫度場分布如圖5 所示，冷卻水的溫度場分布如圖6 所示。

圖5 矯直輥溫度場分布圖

圖6 冷卻水溫度場分布圖

計(jì)算結(jié)果：出口平均水溫47℃，矯直輥的平均體積溫度238.0℃，輥身面平均溫度242℃，遠(yuǎn)端輥頸處64℃，進(jìn)水端輥頸處55.45℃，輥內(nèi)壁平均溫度176℃，中心截面平均溫度252℃。

如圖5 所示在輥面沿軸線方向取2 條母線，其中一條母線選取在軸線高度上，另外一條母線很接近高溫鋼板位置。每條母線上均勻的各取5個點(diǎn)，每個點(diǎn)的絕對溫度如圖5 所示，與高溫鋼板接觸部位附近的母線平均溫度在610K，10 點(diǎn)平均溫度為537.9K，中間的上下2點(diǎn)平均溫度為577K，由于冷卻內(nèi)孔操作側(cè)和傳動側(cè)不完全對稱，從計(jì)算結(jié)果中可以看出最高溫位置出現(xiàn)在輥身中部稍偏向盲孔端，輥身中部平均溫度約為328℃，輥身中部稍偏向盲孔端，平均溫度約為342℃，矯直輥周向溫度在高溫鋼板接觸部位發(fā)生突變。

圖7

7 矯直輥定態(tài)導(dǎo)熱過程分析

矯直輥可以看作是內(nèi)、外半徑分別為r1、r2的圓筒，穩(wěn)態(tài)下內(nèi)、外表面維持恒定的溫度t1、t2，輥身l 足夠長，矯直輥的傳熱可以看作一維熱傳導(dǎo)。由傅立葉定律得

聯(lián)立式（2）、（3），可得

將式（5）進(jìn)行積分，把式（6）、（7）代入得

式中，λ-導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；q-熱流密度，W/m2；Q-熱流量，J/s；l-輥身長度，m；A-傳熱面積，m2；Am-矯直輥輥身內(nèi)、外表面的對數(shù)平均面積，m2；δ-圓筒壁厚，m。

7.1 冷卻水帶走熱量計(jì)算

矯直輥外徑φ300mm，冷卻孔徑φ110mm，質(zhì)量流量為0.316kg/s，忽略熱損失計(jì)算其熱負(fù)荷。

式中，Q水-單位時(shí)間內(nèi)冷卻水所帶走的熱量，W；w水-冷卻水的質(zhì)量流量，kg/s；c水-冷卻水在30℃～50℃范圍內(nèi)的平均比熱，J/kg·℃；T1-冷卻水入口溫度，℃；T2-冷卻水出口溫度，℃。

7.2 冷卻孔內(nèi)壁溫度計(jì)算

λ-X40CrMoV5-1在100℃～400℃范圍內(nèi)平均熱導(dǎo)率，26.5W/（m·K）；Am-矯直輥輥身內(nèi)、外表面的對數(shù)平均面積，m2；r1、r2-矯直輥內(nèi)冷卻孔半徑和外圓半徑，m；t1、t2-矯直輥內(nèi)、外表面穩(wěn)態(tài)下恒定溫度，℃；由式（6）：

綜上，利用分析軟件計(jì)算出矯直輥冷卻孔內(nèi)壁平均溫度為176℃，依據(jù)圓筒定態(tài)導(dǎo)熱計(jì)算出的冷卻孔內(nèi)壁平均溫度為166.79℃，結(jié)果非常接近，但是也存在一定的誤差。圓筒穩(wěn)定導(dǎo)熱計(jì)算把矯直輥冷卻內(nèi)孔假定為一個沿軸線通長的φ110mm 孔，由圖3 可以看出，冷卻內(nèi)孔在盲孔端和入水端是φ80mm，圓筒穩(wěn)定導(dǎo)熱計(jì)算在一定程度上放大了冷卻水和矯直輥之間的傳熱面積，增大了冷卻水的冷卻效果，因此，圓筒穩(wěn)定導(dǎo)熱計(jì)算出的冷卻孔內(nèi)壁平均溫度稍低一點(diǎn)。

7 結(jié)語

本文就影響矯直輥工作壽命的原因進(jìn)行了分析，采用有限元軟件對矯直輥耦合力學(xué)模型進(jìn)行了傳熱計(jì)算，并用圓筒定態(tài)導(dǎo)熱方法驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果的可信度。為冷卻結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和冷卻介質(zhì)參數(shù)選擇提供了新方法，本文具有一定的借鑒性。

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