鑄軋輥套的熱疲勞

1、鑄軋輥套的熱疲勞李春治上海捷如公司鑄軋輥研究所摘要本文介紹了鑄軋輥套工作過(guò)程中為什么會(huì)產(chǎn)生熱疲勞。并說(shuō)明了熱疲勞裂紋擴(kuò)展的動(dòng)力學(xué)。還敘述了材料抗熱疲勞性能試驗(yàn)和對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析。作者認(rèn)為國(guó)內(nèi)目前使用的32Cr3Mo1V鋼是一種較好的抗熱疲勞裂紋的輥套專用鋼。熱疲勞是鑄軋輥套失效的主要原因。因此了解輥套的熱疲勞過(guò)程對(duì)改進(jìn)輥套材料的抗熱疲勞性能，提高輥套的使用壽命至關(guān)重要。在鑄軋過(guò)程中輥套壽命的長(zhǎng)短對(duì)鑄軋成本的影響及大。而且輥套表面裂紋的深

2、度和輥套冷卻能力的大小對(duì)鑄軋板卷的質(zhì)量影響很大。本文初步探討了與輥套熱疲勞有關(guān)的一些因素。1.鑄軋過(guò)程中輥套表面的溫度在鑄軋過(guò)程中由于流動(dòng)冷卻水的通過(guò)，輥套內(nèi)表面保持了穩(wěn)定的溫度。因此可以假定輥套內(nèi)表面的溫度基本上是不變的，一般約在20℃~30℃之間。輥套外表面與熔化的高溫鋁液接觸后鋁液迅速結(jié)晶成固態(tài)鋁，此時(shí)輥套表面的溫度則急劇升高。這樣在輥套的外表面與內(nèi)表面之間就形成了溫度差，此溫度差使輥套內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力。溫度差大則熱應(yīng)力大，溫度差小

3、則熱應(yīng)力小。因此輥套與鋁液接觸時(shí)表面溫度的高低影響到熱應(yīng)力的大小。熔化的鋁液在進(jìn)入鑄軋輥之前的瞬時(shí)溫度為680℃左右。當(dāng)鋁液與輥套表面接觸時(shí)輥套表面能達(dá)到多少度有不同的說(shuō)法。有些資料認(rèn)為是650℃左右有的資料認(rèn)為是600℃，還有其它不同的認(rèn)定溫度。比較有根據(jù)的說(shuō)法是法國(guó)KETIN廠提供的數(shù)據(jù)。他們經(jīng)試驗(yàn)得到輥套與鋁液接觸后在2~3秒鐘內(nèi)輥套表面接觸部份的溫度約為350℃~400℃.我們認(rèn)為此溫度是有一定的試驗(yàn)根據(jù)。2.輥套內(nèi)部的熱應(yīng)力金

4、屬具有熱脹冷縮的本性，這是產(chǎn)生熱應(yīng)力的物理本質(zhì)。工作時(shí)輥套外徑表面到內(nèi)徑表面溫度不同，而且隨著鑄軋輥的轉(zhuǎn)動(dòng)在周期性的變化。圖1為這種變化的曲線。當(dāng)輥套表面與熔融的鋁液接觸時(shí)表面溫度急劇升高。這樣就在外徑表面與內(nèi)徑表面之間產(chǎn)生了溫度差。表面溫度最高時(shí)內(nèi)外溫差最大，隨著鑄軋輥繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)晶的固態(tài)鋁板離開(kāi)輥套表面，輥套內(nèi)外溫差快速減小。當(dāng)輥套轉(zhuǎn)動(dòng)接近360尚末回到360前內(nèi)外溫差降至最小。下一次與熔融的液態(tài)鋁再觸時(shí)則重復(fù)以前的溫度變化。由此可見(jiàn)

5、在生產(chǎn)過(guò)程中輥套的外表面與內(nèi)表面之間形成了周期性的變化的溫度梯度。溫差形起的熱應(yīng)力為：αEб=————ΔT1–ν其中α——輥套材料的熱膨脹系數(shù)E——輥套材料的彈性模量V——輥套材料的泊桑比ΔT——輥套外徑表面與內(nèi)徑表面的溫度差由公式可知熱應(yīng)力σ熱的大小與材料的熱膨脹系數(shù)成正比，與材料的彈性模量成正比，還與材料的泊桑比有關(guān)。這三個(gè)物理量是材料本身的性質(zhì)所決定的。熱應(yīng)力還與輥套與鋁液接觸時(shí)溫度升高的數(shù)值有關(guān)。溫度升的越高則內(nèi)外溫差越大，輥套

6、內(nèi)部產(chǎn)生的熱應(yīng)力也越大。國(guó)內(nèi)正在推廣應(yīng)用的新輥套材料32Cr3Mo1V的有關(guān)物理參數(shù)估算熱應(yīng)力的大小。該材料的數(shù)值為：濟(jì)的運(yùn)行時(shí)間應(yīng)由生產(chǎn)操作條件及鑄軋機(jī)的具體情況而定。特別需要指出的是，開(kāi)軋前如已有裂紋存在，即上次裂紋沒(méi)有完全車(chē)掉，在鑄軋過(guò)程中殘存的裂紋將快速擴(kuò)展。圖5給出了在給定應(yīng)力不同深度的起始裂紋的擴(kuò)展情況，可以看出殘存裂紋深度越大，裂紋擴(kuò)展的速度越快。由此可見(jiàn)修復(fù)輥套時(shí)清除裂紋是何等重要。當(dāng)然，欲使熱應(yīng)力引起的裂紋不致于引起輥

7、套斷裂，輥套材料還需具有足夠的塑性和韌性。這就是對(duì)輥套材料的化學(xué)成份，鍛壓過(guò)程和最終熱處理需要嚴(yán)格控制。5.抗熱疲勞的輥套材料作為輥套材料必需具有良好的抗熱疲勞性能，才能勝任鑄軋鋁板的能力。目前材料的抗熱疲勞性能在實(shí)驗(yàn)室里難以測(cè)定，所以還不能直接測(cè)定各種輥套材料抗熱疲勞材料的好壞，但是影響輥套材料熱疲勞性能的因素可以從材料的其它力學(xué)性能間接地推測(cè)出來(lái)。下列性能與抗熱疲勞性能有關(guān)。（1）材料的導(dǎo)熱性能，表現(xiàn)為熱傳導(dǎo)系數(shù)的大小。傳熱越快，即

8、材料的導(dǎo)熱系數(shù)越高，則抗熱疲勞性能越好。（2）輥套材料在常溫下的延伸率和沖擊韌性以及抗拉強(qiáng)度越高則抗熱疲勞性能好。（3）輥套材料的高溫強(qiáng)度。高溫強(qiáng)度越高則抗熱疲勞性能好。實(shí)踐證明600℃時(shí)輥套材料的抗拉強(qiáng)度在800Mpa以上其抗熱疲勞性能好。（4）輥套材料的金相組織。金相組織包括實(shí)際晶粒的大小金相微觀組織和夾雜物。晶粒度大于7級(jí)，夾雜物小于2級(jí)，具有細(xì)小回火索氏體組織的輥套材料抗熱疲勞性能好。（5）輥套的殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力越小越好，要少

9、于5公斤。（6）熱裝配應(yīng)力。輥套與輥芯裝配時(shí)有一定的過(guò)盈量。輥套對(duì)輥芯有一定的箍緊力，輥芯對(duì)輥套有一定的漲力，因此輥套內(nèi)部產(chǎn)生切向應(yīng)力。采用X射線的方法測(cè)定過(guò)各種輥套的裝配切向應(yīng)力在150―250Mpa之間。希望控制切向應(yīng)力越小則抗熱疲勞性能越好。輥套抗熱疲勞性能的好壞是由輥套材料的內(nèi)部因素和熱裝配的外部因素綜合影響的一種宏觀表現(xiàn)。是一項(xiàng)比較復(fù)雜的工程，控制多方面的因素才能到良好的效果。目前國(guó)內(nèi)正在擴(kuò)大應(yīng)用的32Cr3Mo1V輥套專用鋼

10、的抗熱疲勞性能是一種比較滿意的材料。在中型鑄軋機(jī)上（Ф630—Ф730）的平均使用壽命可達(dá)4000噸。使用控制比較合理的廠家可達(dá)50006000噸。該輥套已受到多家鑄軋生產(chǎn)廠家的重視和選用。該輥套鋼有獨(dú)特的生產(chǎn)決竅和適宜的熱裝配工藝。32Cr3Mo1V輥套專用鋼由上海捷如公司鑄軋輥研究所監(jiān)控上海重型機(jī)器廠生產(chǎn)。6.結(jié)束語(yǔ)輥套材料的熱疲勞性能是影響輥套使用壽命的主要因素。輥套工作時(shí)產(chǎn)生熱疲勞是由輥套的工作條件所決定的。提高輥套的使用壽命應(yīng)