3-轧辊的热膨胀和磨损对板形的影响

轧辊的热膨胀和磨损对板形的影响邸洪双东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室2005年11月，南京轧辊的热凸度模型轧辊的热凸度是指由于在轧制时轧辊受高温作用而产生的凸度。这是一个复杂的热传导问题，应考虑如下因素：y轧制前带材的热含量y在接触弧处变形功和摩擦产生的热量y通过接触弧传导给轧辊的热量y由于冷却导致在轧辊表面的热量散失y传导给轧辊轴承的热量轧制温度是咬入角的函数，该函数由基本部分和周期性部分组成。基本部分等于轧辊的平均温度，周期性部分包括一个时间周期，此周期等于工作辊转一周所需时间。因为周期性部分位于轧辊的表面，所以轧辊的热凸度通常只考虑基本部分即轧辊的平均温度。已开发出轧辊热凸度的二维和三维模型都已被研制成功。下面简要的介绍了其中的一些模型。二维轧辊热凸度模型22TTTcrtrrrz∂λ∂∂∂ρλ∂∂∂∂⎛⎞⎛⎞=+⎜⎟⎜⎟⎝⎠⎝⎠工作辊沿轴向和径向的温度分布由下面的热传导方程确定：()WWThTTqr∂λ∂−=−−轧辊表面的边界条件为：()aaThTTz∂λ∂−=−在轧辊的边部：热轧时轧辊温度的变化求解上述的微分方程可以得到轧辊上任意点的温度，从而确定轧辊的热凸度。计算结果表明，与轧辊中心相距r处的轧辊温度随时间的变化呈指数上升（如右图所示）。三维轧辊热凸度模型①认为轧辊的平均温度对轧辊的径向膨胀起主要作用；②考虑轴向的热传导,以便考虑沿轧辊轴向的热膨胀的变化；③在轧辊的任意横断面上，认为从高温带材上吸收的热量和因水雾散失的热量绕轧辊一周是均匀的；④假设带材到轧辊之间以及冷却水与轧辊之间的散热系数是常数；⑤假设由高温带材到轧辊的热传递是接触传导，此传导系数是轧辊平均温度的函数。假设条件：在该模型中，将轧辊分为两个独立的区域，如下图所示。在1区中，带材和冷却水都参与了热传递。在2区中，只有冷却水的作用。根据能量守恒定律，当温度呈轴对称分布且随时间变化时，可得到用柱坐标表示的微分方程。带钢－轧辊－冷却水系统中的热传递1-冷却水带走的热量；2-从板坯上吸收的热量；3-轧辊中心线对1区()()21111222tcsWhhTTaTTTTtzcdcdφψδδδδρπρπ=+−−−对2区()222222cWhTTaTTtzcdψδδδδρπ=−−在1区和2区交接面的常用边界条件为：()()12/2,/2,TwtTwtztδδδδ=()()12/2,/2,TwtTwt=因为温度梯度关于轧辊中心线对称，故可以得到()()()12,0,02,wTzTzTLtT===()10,0Ttzδδ=轧制开始之前，轧辊的温度可认为与水雾Tw的温度相等。还假定轧辊两端的温度总是保持为Tw不变。上述条件可由下面的式子表示：求解上述方程，可以确定工作辊沿辊身长度方向的平均温度分布。由此温度，根据下面的式子可以得到轧辊直径的膨胀值：()01,2wddTTαΔ=−轧辊的热胀和冷缩研究结果表明，轧辊的热胀和冷缩随时间呈指数规律变化。因为轧辊表面的温度状况不断变化，故可以预见在轧辊的表面温度变化率最大，且此变化率越靠近轧辊的中心越小。但是，对轧辊的热胀和冷缩进行计算时，对相应的各个轧辊径向断面，我们习惯上采用轧辊热胀和冷缩率的平均值。Sibakin等曾指出：因为轧辊内部的热传递是通过传导进行的，轧辊表面与周围空气主要是通过对流进行的，所以可以认为轧辊温度变化应遵循牛顿冷却定律。该定律表明，在给定的条件下，一个冷却物体的冷却速率与该物体同周围环境的温度差成正比。该定律专门用于轧辊的冷却时，热胀变化率将与给定的时间成正比，该定律用数学表达式表示为：dEkEdt=式中E为t时刻的轧辊膨胀在实际的板凸度和平直度控制中，应考虑影响轧辊中部温度的变化，其组成有如下两个部分：a)两卷带材轧制间隙的轧辊温度变化。b)在轧制每卷带材时轧辊温度的升高及间隙时间内的温度降低。热轧带钢时，一个轧制计划内轧辊中部温度的变化规律轧辊的热凸度变化根据在1467mm热轧带钢轧机上获得的统计分析数据，西巴金等得出了如下结论：y30分钟后立即测量轧辊热胀,表明工作辊中部的热胀量几乎完全由30分钟内的接触时间决定，即由轧制速度决定。总的轧制时间对轧辊的热胀几乎没有影响，因为轧机的温升时间接近半小时，显然不到一小时。支撑辊几乎与周围环境的温度相同。y在开始的30分钟内，轧辊中部的热胀与接触时间为线性关系。对于精轧机组的前几个机架，这一热胀值要大。在冷却系统中，涉及到的水压的增加、喷嘴数量的增加和喷嘴形式等不会导致轧辊热胀量的降低。轧制接触时间对上下工作辊中心膨胀的影响•建立沿轧辊长度方向的热膨胀分布与温度的分布成近似的比例关系。在最初的半小时内，轧材的平均宽度对此分布有一定影响，而中部膨胀的幅度对此无影响。将此分布曲线与抛物线对比，其温度梯度在轧辊两端小，在带钢边部附近大。沿带材宽向不同点处对应的平均断面膨胀针对热轧带钢轧机，威尔摩特（Wilmotte）和米根（Migon）对轧辊的热凸度进行了理论和实验探索，确定了轧辊的两类热凸度。部分的轧辊凸度cp和总的轧辊凸度ct。轧辊部分凸度是指带材中部和边部对应的轧辊直径差，轧辊的总凸度是指轧辊辊身在中部和边部对应的轧辊直径差。根据威尔摩特和米根的分析，可得出如下的结论：①轧辊的部分凸度和总凸度都遵循指数规律。不考虑轧制周期时间和两卷带钢轧制的间隙时间，在将近两小时后，曲线才达到渐近值。轧辊热凸度随时间的变化②轧辊热凸度与轧制速度成正比。③描述轧辊热凸度变化的曲线可与轧机的节奏因子K联系起来，因子K由如下的式子表示：introlroltKtt=+trol—轧制时间tint—两卷带材的轧制间隙时间。轧辊热凸度和轧机节奏因子的关系每卷带钢轧制期间轧辊的热膨胀安田健一（Yasuda）等采用热平衡积分法，对工作辊内热传导进行了计算，得出了一种热凸度预测模型。该模型基于如下假设条件：①认为温度是时间和到轧辊中部距离x的函数。②在轧辊表面热量通过对流散热，同时在轧辊与轧件接触也带走热量。轧辊热凸度模型控制方程()0adTT−=在带材宽度范围内(0≤x≤w/2)()()22()aaadTTdTTqavTTdtdxcρ−−=−−+在带材宽度范围外(xw/2)()()()22aaadTTdTTavTTdtdx−−=−−初始条件和边界条件为：当x=0,aTT=当t=0,求解上述方程可以得到在轧制时间内轧辊温度的上升和在轧制间隙时间内轧辊温度的降低。在轧制时间内轧辊的温升当温度升高时，沿轧辊辊身方向，轧辊半径的热膨胀量ΔR可由如下的方程给出：22wwyx−≤范围：02wxy≤≤−RRTαΔ=2wxy+范围：()33212ywxRRTyα⎡⎤−+⎢⎥Δ=−⎢⎥⎣⎦22wwxy≤+()3322ywxRRTyα+−Δ=0RΔ=范围：范围：其中：T—当温度升高时在距离x处的轧辊平均温度；α—热膨胀系数y—轧辊温度过渡带的一半；w—带材宽度。T和y的值为：()1vtqTecvρ−=−()()2221241121vtvtvtekeyvve⎡⎤−−⎢⎥=−+⎢⎥−⎣⎦2hvcRρ=Kkcv=其中：h—热传递系数；R—工作辊的半径；K—热传导率。如果yw/2，应该加上如下的补充方程：02wxy≤≤−()33/22ywxRRTyα−−′Δ=−2wxy−0R′Δ=轧辊热膨胀对带材凸度的影响热轧时带材中心凸度的变化索莫斯（Somers）分析了在2026mm热轧带钢轧机上轧制时轧辊热膨胀对带材凸度的影响。对不同轧制周期的分析结果如右图所示,现总结如下：①热轧机组的精轧机换上新辊后的一个轧制周期内，在轧制头20～30卷带钢时，带材的中心凸度减小很快。不管带材的宽度如何或者工作辊的原始辊型如何，都会出现这种初始的凸度减小。②在轧制头20-30卷带钢时，带材的中心凸度减小0.06-0.12mm。当轧制宽度范围为762-1016mm的镀锡板时，发现几乎要经过37min（或约轧制20卷的时间）整个的带材中心凸度才减小下来。在轧制薄带材(宽度达1930mm)时，发现几乎要经过1小时(轧制30-40卷的时间)整个的带材中心凸度才减小。③在观察到带材的中心凸度减小后，带材中心凸度发生较小但更快的变化。产生这些变化的原因有很多(包括轧机的时滞、轧制速度和轧机节奏的变化、带材和冷却水的温度波动及轧机压下量的变化等)，但所有原因均与轧制时热量因素有关。④轧机的时滞会产生达0.09mm的带材中心凸度增量。⑤工作辊的初始辊型在轧制的初始阶段(30-60分钟)影响带材中心凸度的大小，随后其影响就很小了。⑥观察热轧带钢轧机在一个轧制周期内带材中心凸度的变化时，工作辊的热影响是凸度产生较大变化的主要原因。轧辊磨损的分类磨损是材料在变形过程中的逐渐消耗。磨损是一种极其复杂的现象,通常包含有多种类型又几乎同时发生作用，所以对磨损进行分类很困难。由伯威尔（Burwell）提出的对磨损的分类是基于有一种磨损机制起主要作用的假设上的，至少在某些情况下是这样。粘性磨损当工件和工具凹凸不平通过界面薄膜时会出现粘性磨损。黏粘会导致冷焊(固相)。进一步的相对滑动会最终破坏焊合面，视工具材料、工具和焊合面的强度不同，焊合面要么从工件要么从工具上脱离。研磨研磨是指在坚硬的粗糙物作用下（二相磨损）或是在两个界面间的粒子作用下（三相磨损）材料的消耗。抵抗研磨的能力是硬度的函数，而一般说来，材料的硬度增加，其抵抗磨损的能力也增强。疲劳磨损在周期性载荷作用下，材料会发生疲劳磨损。该过程包括在受压工具表面下剪切应力的产生。重复加载导致微裂纹产生，常常也是出现在表面以下，在随后的加载和卸载过程中，微裂纹会扩展。当裂纹达到一定的尺寸后，它会改变方向扩展到达材料的表面，从而出现扁平片状粒子的剥离(起层)，如果分离的粒子很大，则称为剥落(Spalling)。小规模的表面疲劳叫做微腐蚀(Micropitting)。在热轧中会出现被称为开裂或热裂的破坏性热疲劳，该过程会产生交错镶嵌的裂纹网。化学磨损化学磨损是指在润滑油、工具和轧件材料及环境之间发生了摩擦化学反应而导致的材料损耗。热轧过程中的轧辊磨损在热轧中，工作辊受周期性载荷的作用，伴随有坚硬的氧化物的研磨和温度的波动。轧辊磨损的原因如下：a)由于轧材与支承辊相接触产生轧辊表面的研磨；b)轧辊受周期性载荷作用，表层会出现机械疲劳；c)周期性地受轧材的加热和水雾的冷却导致轧辊表层的热力学疲劳；d)腐蚀作用。在热轧带钢轧机中，各机架的轧辊研磨和疲劳磨损幅度的总体倾向与各机架的轧制参数定性关系如右图所示。因为在初始的轧制道次中轧件的温度高，轧制接触时间要长，自然地在前几个机架中，轧辊的热力学疲劳磨损大。另一方面，轧制速度和轧材的硬度随轧制道次增加，下游机架的轧辊会经受更大的机械疲劳和研磨磨损。热轧带钢轧机中轧制参数对轧辊疲劳和研磨磨损的定性描述1-轧件温度；2-轧制力；3-轧件硬度；4-轧制速度；5-轧制接触时间热疲劳机理轧制开始时辊面的应力-应变滞后环研究右图表明在热轧中轧辊会产生热应力。如果将圆周用字母A、B、C、D、E标注，此轧辊滞后图还表明位于辊面的轧辊小单元块的应力-应变水平。当被分割的轧辊辊面从A点处开始咬入时，温度升高并产生膨胀。而辊面的其余部分还没有受到如此迅速的加热，因此束缚着辊面的小单元块A，并使其产生了压应力。此应力逐渐增加直到轧辊在B处离开辊缝。此时，轧辊仍处于弹性状态。在B处的弹性应变εB和相应的应力τB可由如下的方程式计算得出：()1BBTvαεΔ=′−BBEτε=在超过屈服应力以前,辊身材料将会产生弹性变形并达到一个很高的应力水平。然而，随着温度的升高，轧辊本身的屈服应力会降低。当辊面温度超过600℃时，所受的热应力就会超过轧辊的屈服应力。出现此情况时，在B和C之间就产生了塑性变形。在C处，小单元块离开辊缝，被水冷系统冷却。这样单元块处于一个反向应力体系，并进入位于B、C之间的张应力体系中。由于冷却水的作用，使得该单元块的温度低于轧辊的平均温度，从而引起额外的拉伸塑性应变。工作辊的热裂与粘辊因热裂和粘辊导致的轧辊表层损伤在热轧带钢轧机精轧机组的上游机架中特别明显。根据大量