摘 要：本文研究了高線用硬質(zhì)合金輥環(huán)在熱軋過程中的不同軋制速度的熱行為。以精軋機(jī)用粘結(jié)相含量為1 5wt％ 的硬質(zhì)合金輥環(huán)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(jìn)行軋制模擬。結(jié)果表 明：隨軋制速度的增加，輥環(huán)的溫差變小，但產(chǎn)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(huán)表面由 于熱疲勞引起微裂紋的主要兇素，影響輥環(huán)單槽軋制量和磨修量，縮短輥環(huán)壽命。

關(guān)鍵詞：輥環(huán)；硬質(zhì)合金；熱學(xué)；高線

1引言

隨著線材軋機(jī)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，對精軋機(jī)組的 速度和精度要求越來越高，同時(shí)對精軋輥環(huán)的機(jī)械 性能和耐磨性能有了更高的要求。在軋制過程中輥 環(huán)同時(shí)受到紅鋼加熱和熱水霧冷卻的影響。使輥環(huán) 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(chǎn)生一些原始裂紋使輥環(huán)軋槽表面出現(xiàn)龜 裂、磨損。這個過程一直持續(xù)下去，將最終導(dǎo)致工作 輥的疲勞破壞。疲勞破壞是～種非常復(fù)雜的現(xiàn)象， 由于發(fā)生疲勞破壞時(shí)沒有明顯的預(yù)兆，并且有多種 破壞形式[I-31。研究輥環(huán)在服役過程中的熱行為來 了解輥環(huán)在軋制過程中溫度場變化規(guī)律，減輕輥環(huán) 軋制過程中的熱疲勞度，以期提高輥環(huán)使用壽命。

硬質(zhì)合金輥環(huán)由于其優(yōu)異的耐磨性和導(dǎo)熱性 能被廣泛用于精軋機(jī)架和成品機(jī)架。硬質(zhì)合金軋輥 在軋制過程中，發(fā)生的熱行為比較復(fù)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(dǎo)和摩擦變形熱等。因而深入研究硬質(zhì)合金 輥環(huán)在軋制過程中的熱行為有助于鋼鐵行業(yè)對硬 質(zhì)合金材質(zhì)的選擇和冷卻設(shè)備的裝配布置都能提 供參考，從而最大延長輥環(huán)的服役期。

2輥環(huán)軋制過程的熱學(xué)模型

模擬軋制過程的溫度場主要確定輥環(huán)在軋制 過程中的邊界換熱條件。因軸套和輥環(huán)之間接觸壓 力大，之間沒有滑移?？梢约僭O(shè)軸套和輥環(huán)界面溫 度相等，即

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

在輥環(huán)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(huán)在熱傳導(dǎo)過程中，主要集中發(fā)生在軋 槽中，可簡化輥環(huán)軋制過程中的熱傳導(dǎo)在二維平面 完成，采用軸向坐標(biāo)，輥環(huán)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(huán)的密度。

3不同軋制速度對輥環(huán)溫度場的影響

3．1模擬條件

以精軋用輥環(huán)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(jìn)行模擬分析，將輥環(huán)劃 分10000個網(wǎng)格，模型如圖1所示。材質(zhì)采用粘結(jié) 相為15wt％的硬質(zhì)合金輥環(huán)。首架精軋機(jī)輥環(huán)受到 的負(fù)荷和沖擊力最大，對材料的強(qiáng)度等力學(xué)性能要 求高；末架精軋機(jī)輥環(huán)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(huán)模擬過程參 數(shù)見表l。

軋制過程中輥環(huán)的換熱系數(shù)根據(jù)不同邊界條 件類型數(shù)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(huán)表面溫度和介質(zhì)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(guān)鍵因素M。

由于熱過程比較復(fù)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(huán)在軋制過 程中的溫度場。

3．2結(jié)果分析

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

輥環(huán)工作軋槽表面節(jié)點(diǎn)的溫度變化很大。這里 選取溫度變化幅度最大和最小的節(jié)點(diǎn)，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(dá)到最大溫度所需的時(shí)間幾乎相 同，即0．6s左右。軋制速度越低，輥環(huán)與紅鋼接觸時(shí) 間變長，則最大溫度越高，軋制速度為40m／s時(shí)的最 大溫度達(dá)到215℃左右，軋制速度為80m／s時(shí)的最 大溫度為180℃左右，而軋制速度為160m／s時(shí)的最 大溫度為140℃左右。

正常軋制時(shí)輥環(huán)表面溫度變化在50℃～150℃ 之間，在一個旋轉(zhuǎn)周期里輥環(huán)與紅鋼接觸時(shí)間很 短，瞬時(shí)最高溫度達(dá)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(huán)環(huán)表面由 于熱疲勞引起微裂紋的主要因素，影響輥環(huán)單槽軋 制量和磨修量，縮短輥環(huán)壽命M。

4結(jié)束語

(1)在高線軋制過程中，隨著軋制速度的增加， 硬質(zhì)合金輥環(huán)的溫度梯度變小。

(2)輥環(huán)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(shí)，最大溫度接近215℃．車L制速度為80m／s時(shí)，最大溫度接近180℃； 而軋制速度為160m／s時(shí)，最大溫度接近140"C。

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

參考文獻(xiàn)：

【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(wěn)定性分析 明．中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009，40(1)：164--168．

【5】王中學(xué)，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(xué)學(xué)報(bào)，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(huán)溫度場數(shù)值模擬明． 機(jī)械工程與自動化，2004，(3)：l~3．

文章來源——金屬世界