摘 要：本文研究了高線用硬質合金輥環在熱軋過程中的不同軋制速度的熱行為。以精軋機用粘結相含量為1 5wt％ 的硬質合金輥環為研究對象，采用有限元的方法，對軋制速度分別為40m／s、80m／s、i60m／s進行軋制模擬。結果表 明：隨軋制速度的增加，輥環的溫差變小，但產生高的溫度變化速率和溫度周期變化頻率，正是高線精軋輥環表面由 于熱疲勞引起微裂紋的主要兇素，影響輥環單槽軋制量和磨修量，縮短輥環壽命。

關鍵詞：輥環；硬質合金；熱學；高線

1引言

隨著線材軋機突飛猛進的發展，對精軋機組的 速度和精度要求越來越高，同時對精軋輥環的機械 性能和耐磨性能有了更高的要求。在軋制過程中輥 環同時受到紅鋼加熱和熱水霧冷卻的影響。使輥環 周期地受溫度變化和劇烈的軸向載荷研磨的影響， 逐漸會產生一些原始裂紋使輥環軋槽表面出現龜 裂、磨損。這個過程一直持續下去，將最終導致工作 輥的疲勞破壞。疲勞破壞是～種非常復雜的現象， 由于發生疲勞破壞時沒有明顯的預兆，并且有多種 破壞形式[I-31。研究輥環在服役過程中的熱行為來 了解輥環在軋制過程中溫度場變化規律，減輕輥環 軋制過程中的熱疲勞度，以期提高輥環使用壽命。

硬質合金輥環由于其優異的耐磨性和導熱性 能被廣泛用于精軋機架和成品機架。硬質合金軋輥 在軋制過程中，發生的熱行為比較復雜，存在多種 換熱條件，包括空氣對流輻射、冷卻水換熱、軋件接 觸熱傳導和摩擦變形熱等。因而深入研究硬質合金 輥環在軋制過程中的熱行為有助于鋼鐵行業對硬 質合金材質的選擇和冷卻設備的裝配布置都能提 供參考，從而最大延長輥環的服役期。

2輥環軋制過程的熱學模型

模擬軋制過程的溫度場主要確定輥環在軋制 過程中的邊界換熱條件。因軸套和輥環之間接觸壓 力大，之間沒有滑移。可以假設軸套和輥環界面溫 度相等，即

“弋表界面；r代表輥環：J代表軸套外面層，由 于之間沒有熱源，根據能量守恒得出：

在輥環和軋材之間在軋制過程中存在較高的 接觸壓力，方程(1)同樣適用，不同的是由于摩擦和 變形形成的熱流需要考慮，即

考慮輥環在熱傳導過程中，主要集中發生在軋 槽中，可簡化輥環軋制過程中的熱傳導在二維平面 完成，采用軸向坐標，輥環的傳熱方程如方程(2)所 示。

其中r代表徑向方向；0代表角度；pr代表輥 環的密度。

3不同軋制速度對輥環溫度場的影響

3．1模擬條件

以精軋用輥環212120．70型號為研究對象，軋 制線材直徑為中10mm，下壓量為2mm。采用金屬 成形分析軟件DEFORM進行模擬分析，將輥環劃 分10000個網格，模型如圖1所示。材質采用粘結 相為15wt％的硬質合金輥環。首架精軋機輥環受到 的負荷和沖擊力最大，對材料的強度等力學性能要 求高；末架精軋機輥環受到的載荷較小，而軋制速 度高，對材料的耐磨性能要求高。輥環模擬過程參 數見表l。

軋制過程中輥環的換熱系數根據不同邊界條 件類型數值差別很大，從空氣對流換熱輻射的 O．02kW／(m2·℃)到軋制接觸傳熱的45kW／(m2·℃)， 并且隨著輥環表面溫度和介質接觸溫度變化而異，是非線性的。冷卻水冷卻和軋件接觸傳熱是影響溫 度場的關鍵因素M。

由于熱過程比較復雜，為了簡化分析過程，本 文研究了沒有冷卻水的情況下模擬輥環在軋制過 程中的溫度場。

3．2結果分析

分別采用軋制速度40m／s、80m／s、160m／s，相同 時間后，模擬結果如圖2~4所示。可以看出，在沒有 冷卻條件下，硬質合金輥環隨軋制速度的增加，溫 度梯度變小。

輥環工作軋槽表面節點的溫度變化很大。這里 選取溫度變化幅度最大和最小的節點，將各種工況 下的溫度變化曲線整理見圖5。從圖5可以看出，不 同軋制速度，軋輥達到最大溫度所需的時間幾乎相 同，即0．6s左右。軋制速度越低，輥環與紅鋼接觸時 間變長，則最大溫度越高，軋制速度為40m／s時的最 大溫度達到215℃左右，軋制速度為80m／s時的最 大溫度為180℃左右，而軋制速度為160m／s時的最 大溫度為140℃左右。

正常軋制時輥環表面溫度變化在50℃～150℃ 之間，在一個旋轉周期里輥環與紅鋼接觸時間很 短，瞬時最高溫度達到了194℃，其溫升速率在20000℃／s～40000℃／s之間。如此高的溫度變化速 率和溫度周期變化頻率，正是高線精輥環環表面由 于熱疲勞引起微裂紋的主要因素，影響輥環單槽軋 制量和磨修量，縮短輥環壽命M。

4結束語

(1)在高線軋制過程中，隨著軋制速度的增加， 硬質合金輥環的溫度梯度變小。

(2)輥環表面的最大溫度隨軋制速度的增加呈 下降趨勢。軋制速度為40m／s時，最大溫度接近215℃．車L制速度為80m／s時，最大溫度接近180℃； 而軋制速度為160m／s時，最大溫度接近140"C。

(3)高的表面溫度變化頻率產生的熱疲勞是引 起高線精軋輥環表面微裂紋的主要因素。

參考文獻：

【1】張海峰，王春芬，張永輝，等．車L輥斷裂原因分析[J】．熱加工工 藝，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】劉毅軍．熱軋帶鋼精軋輥破壞原因分析閉．金屬世界， 2008，5：27-28．

【4】向勇，楊建軍，劉建華．組合式軋輥軋制過程的穩定性分析 明．中南大學學報(自然科學版)，2009，40(1)：164--168．

【5】王中學，張思勛，袁鵬舉，等．型鋼軋輥水冷過程模擬仿真分 析叨．武漢科技大學學報，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】朱魯日，孫薊泉，劉雅政．高線精軋輥環溫度場數值模擬明． 機械工程與自動化，2004，(3)：l~3．

文章來源——金屬世界