分享：硬质合金辊环在高线轧制过程中的热学行为模拟

摘 要：本文研究了高线用硬质合金辊环在热轧过程中的不同轧制速度的热行为。以精轧机用粘结相含量为1 5wt％ 的硬质合金辊环为研究对象，采用有限元的方法，对轧制速度分别为40m／s、80m／s、i60m／s进行轧制模拟。结果表 明：随轧制速度的增加，辊环的温差变小，但产生高的温度变化速率和温度周期变化频率，正是高线精轧辊环表面由 于热疲劳引起微裂纹的主要凶素，影响辊环单槽轧制量和磨修量，缩短辊环寿命。 

关键词：辊环；硬质合金；热学；高线 

1引言 

随着线材轧机突飞猛进的发展，对精轧机组的 速度和精度要求越来越高，同时对精轧辊环的机械 性能和耐磨性能有了更高的要求。在轧制过程中辊 环同时受到红钢加热和热水雾冷却的影响。使辊环 周期地受温度变化和剧烈的轴向载荷研磨的影响， 逐渐会产生一些原始裂纹使辊环轧槽表面出现龟 裂、磨损。这个过程一直持续下去，将最终导致工作 辊的疲劳破坏。疲劳破坏是～种非常复杂的现象， 由于发生疲劳破坏时没有明显的预兆，并且有多种 破坏形式[I-31。研究辊环在服役过程中的热行为来 了解辊环在轧制过程中温度场变化规律，减轻辊环 轧制过程中的热疲劳度，以期提高辊环使用寿命。 

硬质合金辊环由于其优异的耐磨性和导热性 能被广泛用于精轧机架和成品机架。硬质合金轧辊 在轧制过程中，发生的热行为比较复杂，存在多种 换热条件，包括空气对流辐射、冷却水换热、轧件接 触热传导和摩擦变形热等。因而深入研究硬质合金 辊环在轧制过程中的热行为有助于钢铁行业对硬 质合金材质的选择和冷却设备的装配布置都能提 供参考，从而最大延长辊环的服役期。

2辊环轧制过程的热学模型

模拟轧制过程的温度场主要确定辊环在轧制 过程中的边界换热条件。因轴套和辊环之间接触压 力大，之间没有滑移。可以假设轴套和辊环界面温 度相等，即

“弋表界面；r代表辊环：J代表轴套外面层，由 于之间没有热源，根据能量守恒得出： 

在辊环和轧材之间在轧制过程中存在较高的 接触压力，方程(1)同样适用，不同的是由于摩擦和 变形形成的热流需要考虑，即

考虑辊环在热传导过程中，主要集中发生在轧 槽中，可简化辊环轧制过程中的热传导在二维平面 完成，采用轴向坐标，辊环的传热方程如方程(2)所 示。

其中r代表径向方向；0代表角度；pr代表辊 环的密度。 

3不同轧制速度对辊环温度场的影响 

3．1模拟条件

以精轧用辊环212120．70型号为研究对象，轧 制线材直径为中10mm，下压量为2mm。采用金属 成形分析软件DEFORM进行模拟分析，将辊环划 分10000个网格，模型如图1所示。材质采用粘结 相为15wt％的硬质合金辊环。首架精轧机辊环受到 的负荷和冲击力最大，对材料的强度等力学性能要 求高；末架精轧机辊环受到的载荷较小，而轧制速 度高，对材料的耐磨性能要求高。辊环模拟过程参 数见表l。 

轧制过程中辊环的换热系数根据不同边界条 件类型数值差别很大，从空气对流换热辐射的 O．02kW／(m2·℃)到轧制接触传热的45kW／(m2·℃)， 并且随着辊环表面温度和介质接触温度变化而异， 是非线性的。冷却水冷却和轧件接触传热是影响温 度场的关键因素M。 

由于热过程比较复杂，为了简化分析过程，本 文研究了没有冷却水的情况下模拟辊环在轧制过 程中的温度场。 

3．2结果分析

分别采用轧制速度40m／s、80m／s、160m／s，相同 时间后，模拟结果如图2~4所示。可以看出，在没有 冷却条件下，硬质合金辊环随轧制速度的增加，温 度梯度变小。 

辊环工作轧槽表面节点的温度变化很大。这里 选取温度变化幅度最大和最小的节点，将各种工况 下的温度变化曲线整理见图5。从图5可以看出，不 同轧制速度，轧辊达到最大温度所需的时间几乎相 同，即0．6s左右。轧制速度越低，辊环与红钢接触时 间变长，则最大温度越高，轧制速度为40m／s时的最 大温度达到215℃左右，轧制速度为80m／s时的最 大温度为180℃左右，而轧制速度为160m／s时的最 大温度为140℃左右。 

正常轧制时辊环表面温度变化在50℃～150℃ 之间，在一个旋转周期里辊环与红钢接触时间很 短，瞬时最高温度达到了194℃，其温升速率在20000℃／s～40000℃／s之间。如此高的温度变化速 率和温度周期变化频率，正是高线精辊环环表面由 于热疲劳引起微裂纹的主要因素，影响辊环单槽轧 制量和磨修量，缩短辊环寿命M。

4结束语

(1)在高线轧制过程中，随着轧制速度的增加， 硬质合金辊环的温度梯度变小。 

(2)辊环表面的最大温度随轧制速度的增加呈 下降趋势。轧制速度为40m／s时，最大温度接近215℃．车L制速度为80m／s时，最大温度接近180℃； 而轧制速度为160m／s时，最大温度接近140"C。 

(3)高的表面温度变化频率产生的热疲劳是引 起高线精轧辊环表面微裂纹的主要因素。 

参考文献： 

【1】张海峰，王春芬，张永辉，等．车L辊断裂原因分析[J】．热加工工 艺，2008，37(24)：1 14-1 16，124． 

【2】LI Chang-sheng，LIU Xiang-hua,WANG Guo-dong．New Method for Evaluating Thermal Wear of Rolls in Rolling Pro· CCSS【J】．Journal of Iron and Steel Research,International．2008， 15(6)：52-55． 

【3】刘毅军．热轧带钢精轧辊破坏原因分析闭．金属世界， 2008，5：27-28．

【4】向勇，杨建军，刘建华．组合式轧辊轧制过程的稳定性分析 明．中南大学学报(自然科学版)，2009，40(1)：164--168．

【5】王中学，张思勋，袁鹏举，等．型钢轧辊水冷过程模拟仿真分 析叨．武汉科技大学学报，2008，31(6)：618-621． 

【6】＆D．Mercado-Solis，J．H．Be)non．Simulation of thermal fatigue in hot strip mill work mils明．Scandinavian Journal of Metallurgy，2005，34(3)：175—191． 

【7】朱鲁日，孙蓟泉，刘雅政．高线精轧辊环温度场数值模拟明． 机械工程与自动化，2004，(3)：l~3． 

文章来源——金属世界