（机械制造及其自动化专业论文）抗粘钢炉内辊的设计及其热应力研究.pdf

中南大学硕十学伊论史摘要 摘要 在热轧无缝钢管生产中，再加热炉内的出炉输送辊道( 简称“炉 内辊”) 是轧制生产线上的重耍设备，它的表面状况直接决定了钢管 的衷面质量。但由于其工作在高温的加热炉内，很容易发生“粘钢”， 导致钢管成材率不高；工人必须频繁地检修，导致作业率降低。彻底 解决炉内辊的粘钢问题，足一项具有极大经济效益的研究工作。 本文从分析炉内辊的失效形式着手，提出了炉内辊的抗枯钢机 理，确定了改进炉内辊水冷通道结构，加强辊子内壁冷却效果的拮旋。 针对新型炉内辊可能出现的易产生裂纹和低耐磨性问题，从材料成分 方面进行了重新设计，选用了适合于新结构的材料，制造了一批试验 用炉内辊。 根据传热学和热弹性力学的相关知识，建立了炉内辊的温度场和 应力场的数学模型，对其进行了详细的理论计算。运用m n s y s 分折软 件，对炉内辊的热应力进行r 祸合分析，直观地模拟了辊擘的温度和 应力分布。 运用m a t l a b 软件，得到r 磨损璧一辊面温度、导热系数一辊面温 度、磨损量一内径最大应力、导热系数一内径最大应力等一系列的关系 曲线，为炉内辊使用过程中的失效判断及村料的优化设计提供了参号 依据，有一定的实用价值。 在钢管厂对新的炉内辊进行的l = 业乍产试验表明：新型抗枯钢炉 内辊辊面“毫不粘钢”。新世炉陡辊能彰。大幅度地提高成材率，减少 检修时问，增钿能源的有效利j f ! 吊，洚鼠生产成本，提升产品的市场 争力，具有良好的经济和 = i = 会故斧，拥有广阔鲋应 f j _ 景。 关键词：无缝钢管，内辊，抗粘钢，热应力 中南大学硕十学竹论文 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h eh r s t r i pp r o d u c t i o no fs e a m l e s ss t e e lt u b e ，t h eo u t l e tr o l l e r t a b l ei nt h er e h e a t i n gf u r n a c ei sa ni m p o r t a n te q u i p m e n t t h er o l l e r s s u r f a c es t a t ed i r e c t l yd e t e r m i n e st h es u r f a c eq u a l i t yo ft u b e s o w i n gt o t h eh i g ht e m p e r a t u r eo ft h ef u r n a c e ，s t e e la d h e s i o ne a s i l yh a p p e n sa n d c a u s e sc o n s e q u e n t i a ll o wq u a l i f i e dr a t eo ft u b e s c h e c k sa n dr e p a i r sa r e f r e q u e n t ，w o r kr a t et h e nd e c r e a s et o o u t t e r l ys o l v i n gt h ep r o b l e mo f s t e e l a d h e s i o ni sas i g n i f i c a n ts t u d yw i t hg r e a te c o n o m i ce f r e c t b a s e do nt h e i n v e s t i g a t i o n o nt h ef u r n a c e s f a i l u r ef o r m s a s t e e l a d h e s i o n r e s i s t a n t t h e o r y w a s c r e a t i v e l yp u t f o r w a r d t h e n a c c o r d i n gt ot h i so p i n i o nt h em e a s u r eo fa l t e r i n gt h ec o o l i n gp a s s a g ew a s t o o kt oi n t e n s i f yt h ei n n e rw a l l c o n s i d e r i n gt h ef o r e s e e a b l ep r o b l e m s s u c ha sc r a c k - e a s ya n dl o ww e a r - r e s i s t a n c e an e wm a t e r i a lw a sd e s i g n e d as e to f r o l l e r sf o rt r i a l sw e r em a d eb yt h ew e l l c h o s e nm a t e r i a l 、m t ht h ek n o w l e d g eo fh e a tt m a s f e ra n dt h e r m o e l a s t i c i t y , t h e m a t h e m a t i c a lm o d e l so ft h e r m a lf i e l da n ds t r e s sf i e l dw e r ee s t a b l i s h e d a n dt h ep a r t i c u l a rt h e o r yc a l c u l a t i o n sw e r em a d e a n s y sw a su s e dt o a n a l y z et h et h e r m a ls t r e s so ft h ec o u p l i n gm o d e l d i r e c t l ys i m u l a t e dt h e t h e r m a la n ds t r e s sf i e l d m a n a bs o f t w a r ew a su s e dt oc a l c u l a t et e m p e r a t u r ea n ds t r e s s v a l u e ，a n dt op l o tt h ef u n c t i o np l o tb e t w e e nw e a r - t e m p e r a t u r e ，w e a r - s t r e s s ， h e a t c o n d u c t i v i t y c o e 衔c i e n ta n d t e m p e r a t u r e h e a tc o n d u c t i v i t y c o e f f i c i e n ta n ds t r e s s t h e s ep l o t sp r o v i d e dc r i t e r i o n sf o rf a i l u r ej u d g m e n t a n do p t i m i z a t i o n , w h i c hh a v ea na p p l i c a t i o nv a l u e t h et r i a l si nh e n g s t e e ls u g g e s t e dt h a tt h en e wf u r n a c er o l l e r sa r e n o n e s t e e l a d h e s i o n n e wr o l l e r sc o u l di m p r o v et h et u b ee l i g i b l er a t e , d e c r e a s et h er e p a i rt i m e ，i n c r e a s et h ee n e r g yu t i l i t yr a t i o ，c u td o w nt h e c o s t so fp r o d u c t i o na n de n h a n c et h em a r k e tc o m p e t e n tp o w e r t h i sn e w f u r n a c er o l l e rw i l lh a v eaw e l le c o n o m i ca n ds o c i e t a le f f e c t , a n da l s oh a v e a p r o m i s i n ga p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：s e a m l e s ss t e e l t u b e ，f u r n a c e r o l l e r s t e e l a d h e s i o n r e s i s t a n t ，t h e r m a ls t r e s s 中甫大学硕 学伊论文第一章炉内辊的使用现状 第一章炉内辊的使用现状 再加热炉出炉辊道位于张力减径机之前，用于输送加热后的钢管，是无缝钢 管连轧管机组生产线上的重要部件，它的表面状况直接决定了钢管的质鼋好坏。 由于再加热炉内的温度通常保持在9 5 0 - - - 1 1 0 0 ，在这样的温度下，炉内辊道很 容易损坏，从而导致管体产生黑印、擦伤、粘钢、凹坑等缺科“，使钢管不能满 足使用要求，成材率低，造成墓大的经济损失。 虽然炉内辊内部通水冷却，但是从结构和实际情况看，冷却水只起到冷却辊 轴的作用，对辊子外表面基本无冷却效果，辊体温度与炉壁温度相差不大。高温 将使炉内辊强度降低，极易在颈部断裂、变形：使其硬度降低，易与铡管发生枯 连。这些问题会造成炉内辊较快失效。 为了提高钢管的成材；莽，延长炉内辊的自身寿命，中南大学机电工程学院抗 磨材料研究所承担了该项目，负责对衡阳钢管( 集团) 有限公司f8 9 分厂连轧 管机组的再加热炉炉内辊的技术改造，旨在研制出不粘钢的炉内辊，较大程度上 改善钢管的表面质景，提高经济效益。 1 1 连轧管机组简介 世界钢材产量中，钢管约占1 0 ，其中的无缝钢管占总产量一半以上。按照 用途，无缝钢管分为：输送管，锅炉管和蒸汽输送管，仪器用管，结构管，石油 工业用管，机械制造用管和高压容器用管。生产无缝钢管肓热轧和拎轧冷拔等疗 法。目f i ，世界上热轧无缝钢管生产有多种方式，按设备分主要有以下几种： l 、自动轧管机组； 。2 、连礼管机组： 3 、周期( 皮尔格) 轧管机组； 4 ，三辊( 阿塞尔) 轧管机组； 5 ，顶管( 艾哈德) 机组； 6 、挤压管机组。 其中连轧管机组足生产能力最高的轧管机组，受到各国的普遍藿视，自1 9 6 6 年西德曼内斯曼建成l 号连轧管机组以来，发展卜分迅速。连轧管机组采用连续 轧管机作为中f b j 延伸机来完成轧管工序，并配宵张力减径机。它具存高产、优质， 低消耗，多品种，便于实现全部机械化和计算机自动控制等一系列优点1 2 i 。早期 的连轧管机组一般只适合于生产直径小于由1 4 0 r a m 的小口径管。近年束发展的 限动芯棒连轧管机组已可用末生产最大直径为由3 5 6 m m 的钢管，它的应用范围 越宋越广了。f8 9 分厂就是采用的限动芯棒连轧管机组，它f2 0 世纪9 0 年代 中南犬学硕十学伊论文 第一章炉内辊的使用现状 建成投产，主要生产电站用高压锅炉用管、油管和出口管等高附加值产品。f8 9 连轧管生产线采用锥形辊穿孔一半浮芯棒连轧管一2 4 机架张力减径的工艺路线， 主体生产设备全部从德国曼内斯曼- 德马克公司引进，整条轧线配有红外线测温、 激光测长、同位素测厚和测径及当代最先进的组合探伤装置，整体装备水平达到 国际先进水平。其生产工艺流程如图1 - 1 ： 图1 1 钢管连轧生产流程图嘲 轧制后的钢管经脱棒和锯头后，温度降到约6 0 0 - - 7 5 0 c ，故减径前须进行再 加热。再加热一般在步进式炉内完成，然后由出炉辊道送至张力减径机。炉内辊 在高温下工作，又承受较大载倚，是易损坏的部件。在轧管机组f 1 益向高效、优 质方向发展的情况下，必然会对炉内辊提出更高的要求。 1 2 炉内辊的发展历程及其现状 1 2 1 炉内辊工作状态 在步进炉内，出炉辊道一共有1 7 根辊j f ，| j 】置于同一水平线上，如图1 - 2 所示，图中的圆形零件就是炉内辊的辊头部分( 轴向) 。辊子悬臂置于炉内，另 一端用链条传动。辊子内部通水冷却。 2 中南大学硕十学伊论史第一章炉内辊的使【f 现状 围1 - 2 再加热炉内的出炉辊道 炉内辊包括两大部分，辊头和辊轴。零件图如图1 3 所示： 图1 3 炉内辊零件图 辊头的v 型处为工作槽面，支撑并输送钢管，它在炉子的内部。辊子中部 有一对圆锥滚子轴承。冷却水经进水管进入辊体，从空心辊轴流出。最小处内径 i l o m m ，外径1 5 0 m m 。 1 2 2 炉内辊结构的发展 炉内辊仃无水冷和水冷之分，水冷炉内辊的结构发展到现在大至有四种，分 别如图1 4 、图1 5 、图1 - 6 、图1 7 所示： 、 图1 - 4 炉内辊结构一 3 j 矗t 2 一搿律3 - - j t 撑权4 - - 矗赣s 一囊请6 - - 甜辩 图1 - 5 炉内辊结构二 中南人学硕十学伊论文 第一章炉内辊的使用现状 图1 6 炉内辊结构三 i r 憾l ，肇镶棼d 熊晒璇 图1 7 炉内辊结构四 结构一只对辊轴进行冷却；结构二将辊轴伸长到辊体的端部，以增强对辊体 受力位置的支撑作用，同时使冷却水进入辊体的内壁，直接对辊体进行冷却；结 构三主要是在腔内增加了填充料；结构四复杂一点，足庄辊体与辊轴装配后，焊 好端头盖板，再浇入低熔点金属铝，最后焊中日j 盖扳，再做真空处理。真空室的 作用足抵消低熔点金属的热胀冷缩作用【4 1 。 上述的各种结构，均有其优缺点，在生产应用中仍然是几分天下，在备钢管 厂内部有使用。 1 2 3 炉内辊材料的发展 炉内辊所处的环境是9 5 0 1 1 0 0 c 的高温，一般要求材料具有良好的抗高温 氧化性。同时，每根炉内辊承受约2 5 0 k g 的霞垦，应具存热强性。还要防止疲 劳裂纹的产生。材料以c r - n i 钢为主，根据温度来选材，如7 2 0 炉温选c r 2 0 n i l 0 作为辊身材料，8 5 0 选c r 2 0 n i l 4 ，9 0 0 选c r 2 5 n i 2 0 s i 2 等，国外还有6 0 1 g c 等多种镍基合金。但我国镍资源匮乏，应当斤发适合我因固情的炉内辊材料。目 前，国内辊体普遍使用的足1 c r 2 5 n i 2 0 s i 2 耐热钢，辊轴用4 5 # 钢。l c r 2 5 n i 2 0 s i 2 奥氏体型耐热钢占硅璧比一般铬镍奥氏俸钢多，线膨胀系数小，有利于形成更紧 密的附着膜，所以抗氧化性能很好连续使用最高温度为1 1 5 0 c ，间歇使用最 高温度为1 0 5 0 1 1 0 0 c 1 5 1 。化学成分地衷1 - 1 ： 表1 11 c r 2 5 n t 2 0 s t 2 的化学成分 i cs im nc rn is p l o 2 01 5 0 2 5 01 5 02 4 o 2 7 o1 8 o 2 1 o0 0 3 00 0 3 5 注摘自g b l 2 2 1 7 5 而针对七述结构二的特点，曾将辊体材质改为碳素钢，但因碳素钢在高温下 极易氧化烧蚀，造成辊子漏水损坏，这一材质无法推广应用。另一种广泛使用的 4 中南大学硕士学付论文第一章炉内辊的使用现状 材料是1 c r 2 4 n i l 0 t i 2 钢，属奥氏体抗氧化钢，有较好的工艺性能和使用性能( 见 表1 - 2 ) 。 表1 - 21 c r 2 4 n i l 0 t i 2 的化学成分 c骶m nc rn isp l 。 0 2 0 l9 0 23 5l5 0 2 30 2 6 09 肛1 2o0 0 3 0 0 0 3 5 近年来还发展了无水冷的高性能陶瓷材料炉内辊。 1 3 炉内辊的失效分析 1 3 1 失效形式 8 9 分厂的炉内辊采用的足结构一，辊面温度只比钢管温度低3 0 左右， 炉内辊工作于约9 5 0 c 的高温，而且承受较大的载荷，钢管线速度约为l - - 2 m s ， 辊内部有水流冷却，辊壁温度梯度比较大。炉内辊的失效主要有以下几种情况： 1 辊面过量磨损，原来的v 字形辊变成了u 字形，使局部壁厚减薄。 2 高温氧化，壁厚减小。高温下辊面被氧化使整体壁厚减小或被磨穿。 3 辊面产生粘钢现象，导致表面粗糙不平，硬的凸起的部分会划伤钢管衷 面，严重影响钢管的质景甚至使钢管不合格。 4 内部产生裂纹或断裂，引起穿水事故。 第一、二种情况属正常失效形式，在没计寿命的考虑之内。第三、四种失效 形式会使炉辊在设计寿命之前就失效，大大影响钢厂的生产，断裂失效还可能引 起安全事故，要严格控制。 总的来说，失效形式有四种：氧化，磨损，枯钢和裂纹。 。 1 3 2 提高耐磨性与防止裂纹之间的矛盾 磨损分粘着睹损、磨科磨损、表面疲劳磨损、腐蚀磨损等多种，发生在炉内 辊与钢管日j 的磨损以粘着磨损和磨科磨损为主。两粗糙表面接触时，实际上是微 凸体的相互接触。在压力的作用下，会在接触区的某些部分发生枯着。如果两表 面有相对运动，微凸体就在粘着分离牯着的进程中发生破坏，表现为工作表面 材料的损失【6 i 。提高零件的耐磨性除了改善表面粗糙度之外，最重要的方法是从 材科成分、组织、力学性能入手，从本质上提高材料的耐磨性。磨损的普遍规律 是硬度越高，耐磨性就越好。如磨料磨损简化模型公式为1 7 1 = t a n 告( 1 - 1 ) 石 - 式中单位滑动距离的磨损肇； 5 中南大学硕士学位论之 第一章炉内辊的使用现状 磊而各圆锥形磨粒与磨损表面夹角的正切的平均值： i 载荷； h - - 被磨损材料的硬度。 经过热处理的钢，其耐磨性随着硬度增加i i j 增加。钢中含碳量及碳化物生成 元素的含量越多，其相对耐磨性越大【引对于铁基材料来说，碳是最有影响的元 素【”。硬度相同时，c 增加，耐磨性也增加。在高合金钢中，以增加c 元素的 含量最为常见和有效。碳能和许多金属元素形成多种硬度高的金属碳化物颗粒， 显著地增强基体的耐磨性i l “。 裂纹的形成在这里是因为热应力太大，辊子内壁的拉应力超过了炉内辊自身 材料的抗拉强度极限，从而在表面产生微裂纹 1 l l 。裂纹产生后，该处可能会形成 应力集中，以致裂纹进一步扩展，严重时将造成辊体断裂。 要防止裂纹的产生，就是要努力提高钢的抗拉强度，增强它的断裂韧性。另 一方面，增加它的导热性，减小内外表面温差，降低热应力值一般来说，通过 增加碳或碳化物形成元素来提高耐磨性的钢，因为“杂质”元素的增多，杂质热 阻率增大，导热性会有所降低1 1 2 】，将不利于防止裂纹。所以，应该说提高耐磨 性和防止裂纹是矛盾的，在奉课题中，为了炉内辊的使用安全，选用材料时尽量 选用含碳量低、导热性稍好的合金钢，这在一定程度上会影响到辊子的耐磨性。 1 4 课题的研究内容及其意义 1 4 1 课题的研究内容 针对目前炉内辊的使用现状和失效情况，通过重新设计炉内辊的水冷通道， 重新设计辊体的材科成分，希望研制出新型的抗祜钢炉内辊，以提高热轧钢管的 表面质昆。课题的内容包括以下几个方面： 1 设计水冷通道，以改善辊子冷却状况； 2 设计材料成分，以杜绝辊子裂纹产生： 3 优化材料成分，以提高辊子耐磨性能。 1 4 2 课题的意义 该课题属f 应用研究项目，其意义也就侧重于实际生产，解决生产中的存在 的实际问题。具体来说体现在如下几点： 1 减少维修时间，提高生产效率。 衡钢f8 9 分厂使用的炉内辊祜钢比较严重，工人每隔一段时间( 十五天左 右) 就耍抽出一至两根辊子进行打磨，去掉牯在辊面上的粘结物。这既耗费大量 的维修时日j ，又造成生产线的停产，使停机时间增加，设备利用率和作业率部降 低了。如果炉内辊不用打磨，那么这十五天一次的对于炉内辊的停机枪修就不存 6 中南大学硕十学付论文 第一章炉内辊的使吲现状 在了，作业率就得到了提高。 。 2 减少备件消耗，降低生产成本。 现在用的1 c r 2 4 n i l 0 t i 2 耐热钢，价格t 较高，每根炉内辊在2 5 万元以上。 而新设计的炉内辊，单价约为1 3 万元，价格可降低4 8 。按年消耗3 0 报计， 此一项可节约成本3 6 万元。 3 改善钢管表面质垦，提高成材率。 钢管表面的黑印、擦伤、粘钢、凹坑等质量问题将会导致钢管在水压试验 中出现漏水或“出汗”，在压扁试验中出现断口或裂纹，使钢管不合格。对f 不 合格的钢管，一方面会判废，另一方面会降低钢管级别，如高压锅炉管降为低压 锅炉用管，合金管降为普通管。降级引起的价差从1 0 0 0 - 3 0 0 0 元不等。目前该分 厂预计年产3 0 万吨钢管，其中电站用高压锅炉用管( 简称“高锅管”) 1 5 万吨， 油管8 万吨，新的炉内辊若能提高1 0 的成材率，即减少2 _ 3 万t 高锅管和油管 的降级，就可挽回经济损失4 6 0 0 万元以上。 4 减少能源浪费 钢铁行业是一个高能耗行业，用电、用水和用气的总鼍都很惊人。全国钢铁 行业的能耗占整个经济社会能耗约1 0 。生产一吨钢管约用电1 7 0 k w h ，用 水6 0 t ，用气1 5 0 蛔”丑。就一个年产3 0 万吨的轧管分厂来说，三项用量分别是 5 1 0 0 万k w h ，1 8 0 0 万，4 5 0 0 万k g 。提高成材率，减少了能源浪费，实际 上就大大节约了能源，每提高2 的成材率( 不包括町降级的不合格钢管) ，可常 约电力1 0 2 万k w h ，水量3 6 万t ，燃气1 3 0 万姆，折算成成本达4 0 0 万。能 源的节约，将为创建节约型社会，为围民经济的可持续发展提供保障。 5 将科研成果产业化，全面推向市场。 炉内辊粘钢是一个普遍存在的难题，至今还未有一家钢管厂能彻底解决。抗 粘钢炉内辊的研制，拥有广阔的应用i i i f 景，市场容量巨大： 本章小结 本誊介绍了炉内辊在无缝钢管连轧管机组中的作用和地位，以及炉内辊在结 构、材料方面的发展情况；总结了炉内辊的失效形式，为防止这蝗失效打下基础； 制定了本课题的研究思路和意义。 7 中南大学硕十学伊论文 。第二章抗牯钢炉内辊的醍计 第二章抗粘钢炉内辊的设计 2 1 炉内辊抗粘钢机理 2 1 1 粘钢机理分析 粘钢是指炉内辊表面粘结肓铁、氧化铁等物质。通过对粘钢炉内辊表面的观 察，我们可以发现，粘结物呈细小的层片状，能够剁离，呈脆性，易折断。化学 分析显示，它们的主要成份是氧化铁。局部地方也有比较坚实的粘结物，足波轧 制的钢管成分。 研究表明，高于5 7 0 c 形成的氧化铁皮由f e 2 0 3 、f e 3 0 4 和f e o 组成。其中， 最外层足f e 2 0 3 ，中间层为f e 3 0 4 ，内层为f e o 。氧化亚铁在氧化铁皮中随着钢 坯衷面温度的增加而增加，当钢的温度超过7 0 0 时，氧化亚铁在氧化铁皮中的 含量大约为9 5 1 1 4 l 。 粘结的一般原理是，相互接触的两表面在表面力的作用下粘附在一起。粘钢 的过程可以这样描述：当钢管与炉内辊接触时，钢管表面疏松的氧化亚铁在力的 作用下，掉落在辊面上。比较小的氧化铁皮在表面力的作用下，就粘附于炉内辊 表面。当转到下一次和钢管接触的位置时，氧化铁皮就会被钢管压得更紧。如此 反复，辊面就形成了一层新的由f e o 组成的凹凸不平的表面。比较高的凸起还 会扎入钢管内部，使一些未氧化的铁也粘附于辊面。由于铁的韧性很好，它将对 辊面的氧化铁皮起到固化作用，更加剧辊面枯铡程度。 产生粘钢的主要原因足： 1 高温氧化铁皮在应力下粘附f 炉内辊上； 2 硫化物、硅酸盐等物质在高温f 起到粘结剂的作用，或与金属发生化学反 应，吨氧化铁皮粘附于炉内辊上； 、 3 熔点较低( 1 3 7 7 ) 的氧化铁皮在高温f 近似于融熔状态，使得氧化铁皮 与辊环材科的表面力增大，易于枯附；， 4 铬含量较高，使得辊子与其它材料的亲合力较大，易发生粘钢。有资辛i 就 曾将辊子材料由i c r 2 5 n i 2 0 s i 2 改为l c r l 6 n i 3 5 ，以减轻粘钢l i 卅； 5 氧化铁皮的数最过多，增加了粘附的机会。炉温提高，粘钢会更严重。 2 i 2 抗粘钢机理分析 粘钢最移j 的发生，是源于辊于与氧化铁皮的吸附力。表面吸附力厂= ，s ， ，足表面能，s 是接触面积。单位表面能越小，接触面积越小，表面吸附力就越 小l i ”。表面能的计算方法有量子力学法和实验法。其璧子力学计算方法，展示 了解决实际问题的一种方法，但到目前为止，已经研究的还只足简单的。舅例，由 8 中南大学硕十学付论文第二章抗粘钢炉内辊的没计 _ = 一：_ 一 于采用经验参数迭代到实际问题中去的办法，故并没有给人以深刻的印象；表面 能的实验知识也很有限1 1 7 1 。所以，本文中仅讨论减小接触面积，来减小表面吸 附力，达到不粘钢的目的的方法。 脱落的氧化铁皮，可以把它看成是厚度为h 的薄扳。它从9 8 0 1 2 的钢管表面 落到9 5 0 的辊面后，与辊子接触的一面会有一个温度降。这个温度降会使该表 面收缩，结果使薄扳弯曲成球面状，取二维的长度为d x 的单元来讨论( 见图2 1 ) 。 h 图2 1 薄板形变模型图2 2 曲率半径小于球面半径时的情形 据热应变公式占= 嘭o a t 知，此单元的底部长度变化出= q 亿一瓦k ( 假 设两温度下的线膨胀系数口，不变，疋 瓦) 。按图示的几何关系可得到如下的方 程1 1 ： 或 i d 妒= 氆。a t d x 宰= 丝亿一疋) h 出 “ 式中b - 一扳的厚度 在材科力学中，d 吆代表曲面的曲率【1 9 1 ，用曲率半径p 来表示就是： 三：宰，所以 da x ” 。 ! h 。 ， ； 那么 一1 ；丝亿一疋) hd 一 “ h p 2 i f 可、 ( 2 - 1 ) ( 2 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) 这就是氧化铁皮落到辊面一瞬间的发生热应变产生的球面的曲率半径。如图 2 - 2 所示。我们町以看到，如果p 小于辊面的曲率# 径，即大于外径r ，那么，氧 化铁皮将在辊面形成一个突起的形态。这时，两旨的接触面积将 常小，使吸附 力不足以把氧化铁皮枯着f 辊面之上。在霞力的作用，氧化铁皮就会从辊面再次 9 中南大学硕+ 学付论史 第二章抗粘钢炉内辊的设计 掉落。这就是炉内辊的抗粘钢机理。保证足够大的温差，氧化铁皮将发生较大的 热应变，使吸附面积和吸附力极大减小，达到不枯钢的目的。 对于吸附力的大小，表面物理【2 0 l 、纳米摩擦学1 2 1 1 、表面与界面物理f 2 2 1 等均 有研究，可以通过求两表面的势函数f 。( ，) 来求得枯蕾能和表面力的近似值，相 当复杂。我们从辊面的牯附铁皮看，经过测量，最大的厚度不超过o 1 2 0 r a m ，从 而可以认为，厚度大于o 1 2 0 m m 的铁皮，其单位面积上的重力将大于吸附力， 从而从辊面掉落( 假设氧化铁皮厚度值在f 页n ( 0 ，+ 一) 上服从均匀分布) 。 p 小于r ，铁皮将因热应变而掉落，即 而尚枷 ( 2 - 5 ) 或h 1 1 7 9 4 。在实际生产中，控制温差可取大于1 2 0 。若钢管出炉温度在9 8 0 ，而氧化铁皮导热系数低，可能低于钢管温度5 0 左右，所以辊面温度应低f8 l o 。达到这一要求，辊面就可能不会粘钢了。 2 2 炉内辊的结构设计 ； 根据抗粘钢机理，要防止粘 钢须降低辊面温度，所以要加强 炉内辊的冷却。我们采用前述的 结构二，把冷却水引入到辊体的 内疃，再经辊轴上的小孔流刚辊 轴内( 见图2 3 ) 。出水管的截面 积比进水管的截面积大得多，如 果开的, m l 面积过大，水流流出 过快，无法充满辊| ：的内腔，达 1 0 圈2 3 新型炉内辊的结构图 中南犬学硕 学付论文 不到冷却的效果。而且会像文献 2 3 1 所述那样，出现急冷急热的状态，辊子易断 裂、变形，漏水。如果开的小孔面积太小，水流将积聚于腔内，给辊子内壁带来 多余的压力。水：氚流动性差，温度也可能急剧上升至沸点，产生大量的水蒸汽， 一旦出现这种情况，腔内压力会成倍增加，辊体就会炸裂，造成安全事故。所以， 开的小孔总截面积应等于或稍小于进水管截面积。 炉内辊的出水口是开放式的，从人身安全方面考虑，出水口温度应低f5 0 在进水压力维持在o 4 4 o 4 6 m p a 的情况下，可以通过进水调节阀来自由控 制。 2 3 炉内辊的材料设计 2 3 1 新结构对材料的性能要求 在新的结构中，辊体的外表面直接与炉内高温气氛接触，而内表面是与仅肓 几十度的水接触，在辊体的壁厚方向因温度梯度过大而造成过大的热应力。这要 求材料的穆性要高，以防止裂纹的产生。外表面高温要求材料具有良好的抗高温 氧化性。同时材料还应有一定的耐磨性，以保证炉内辊的使用寿命不至于太低。 2 3 2 合金元素在钢中的作用 合金元素在钢中的作用足复杂的1 2 4 1 ，这垦仅针对本项目的材料性能要求， 对一些主要的元素作用作一概述。 1 碳 在常温下，碳足钢中最基本的强化元素，但是在高温环境中，对于耐热钢来 说，含碳量较高的钢材会较早奥氏体化，并使晶粒长大而极大降低钢材强度。此 外，含碳最较高会降低钢的喧性和抗高温氧化性i l5 1 。因此，本课题控制含碳星 小于o 1 5 。 2 铬 铬是具有钝化倾向的元素。一定成分的铬加入钢中，使钢具有抗腐蚀性和抗 氧化性的能力。不锈钢能抗腐蚀的原因是在钢件表面形成了一层氧化膜，成分是 致密的c r 2 0 3 。一般地说，氧化物的比容与该金属的比值越大，氧化物的电导越 小，氧化物的熔点越高，以及氧化物的生成能较铁越高，所起的保护作用就越大。 铬、铝、砖的氧化物因为兼具上述特点，所以是耐热钢和合舍的最有效的合金添 加荆。表2 1 为铬、铝、硅的氧化物与铁的氧化物的特性比较【2 5 1 。 中南大学硕士学伊论文 第二章抗粘钢炉内辊的设计 表2 1 各种氧化物的性能对比 氧化物 c q 0 3 a 1 2 0 3s i 0 2 f e o 氧化物体积会属体积 2 0 7 1 2 8 1 8 8 熔点( ) 2 2 8 02 0 2 0 1 3 7 7 生成热( 卡克原子) 1 3 4 02 0 0 0 1 9 4 06 4 3 1 0 0 0 的电导值( 欧姆。1 厘米。1 ) l o 71 0 71 0 4 l o 2 铬、铝、硅等，可以提l 自if e 0 出现的温度，改善钢的化学稳定性。实践证 明，在8 0 0 ，需要用含1 2 c r 的钢；9 5 0 时要2 0 c r - 而1 1 0 0 必须含2 8 c r 才满足要求。用铝提高钢的抗氧化性时，6 0 0 6 5 0 需要4 m ，而在8 5 0 时需 要7 m 。硅由于增加钢的脆性，一般作为提高钢抗氧化的辅助元素，限制在3 以下。如果铬、铝、硅三昔综合使用，则可以更好地发挥这些元素的抗氧化性， 降低总的合金元素含量。而且铬钢具有好的高温耐磨性，但是延展性较差。如果 要求铬钢有较高的强度而又不降低延展性和冲击韧性，则含碳量应低些。高铬钢 制造较大断面零件时容易形成大的内应力，从而产生裂纹或断裂，要严格控制。 降低碳和合金元素含量，可减少这一现象。 3 镍 镍对提高钢的高温不起皮性能不显箬。但镍在高合金奥氏体钢中，用作奥氏 体化元素，从而获得良好的力学性能、冷加工能力、抗蚀性和焊接性等。如蘖蝗 厂家使用的炉内辊材料l c r 2 5 n i 2 0 s i 2 、1 c r 2 4 n i l o n 2 ，均含有较多的铬。 4 钛 钛足强碳化物形成元素，t i c 结合力极强，极稳定，不易分解。可以用钛来 细化晶粒，并能提高晶柁粗化温度至1 0 0 0 以上。在不锈钢中，常用钛来固定 其中的碳，以消除铬在晶界处的贫化，从而消除或减轻钢的晶日j 腐蚀现象。在含 铬、镍较高的合金钢中加入钛也能提高其热强性和抗氧化性。一般钛含星大于碳 的7 倍【m 。 5 稀t 元素 稀上元素提高耐热钢的抗氧化性和抗蠕变性能。r a h m a l l 2 6 1 指出：在 x 8 c r n i l 8 - l o ( o 8 c ，1 8 c r ，1 0 n i ) 钢中加入少量的铈后增加了氧化膜的枯附 性；深濑1 27 j 认为稀t 二并不足冈为直接生成氧化物而使合舍的抗氧化性能提高的， 而足通过促使硅的明显的内氧化，改变氧化皮的组织，提高氧化皮的粘附性，间 接地提高合舍的抗氧化性1 。 1 2 中南大学硕士学f 1 7 论文 2 3 3 炉内辊材料的确定和性能 c r 是高温抗氧化的重要元r 素，但为了增强材料的导热性能，一，sl 得稍微控制一下铬的含量。c r 对i 导热系数的影响，随着钢中含c r 蠢2 0 _ 量的增加，钢的导热性降低( 见 一l 图2 - 4 ) 。所以为防止过大的热应i 力裂纹，c r 由原来的2 4 调整至1 0 l 1 8 。c 含量维持在较低的水平， “ 0 1 5 以下。 首先我们选择了l c r l 8 n i 9 t i ，这是一 种广泛应用的奥氏体型不锈钢，热强工作 2 03 0 c r “) 图2 - 4c r 含量对导热系数的影响【2 9 l 温度为6 5 0 c ，价格较适中。热处理时在1 1 0 0 - - , 1 1 5 0 水冷，得到单一的奥氏体 组织即可。其化学成分见表2 2 表2 - 21 c r l 8 n i 9 币的化学成分 ic s imc r n insp i 盖： l7 0 0 1 9 o o8 o o 1 1 o o 5 ( c - 0 o z y o 8 0 1 o o2 0 0 0 0 3 00 0 3 5 在这一材料的基础上，经过一系列试验后，最终选材育所改变”。 本章小结 本章从材料衷面吸附力方面，分析了炉内辊的抗祜钢机理。提出了通过加强 炉内辊的冷却来加大辊面与氧化铁皮之间的温差，从而减小两者之问的吸附力， 达到避免粘钢的目的：在此思想的指导下，确证了冷却炉内辊内肇的措施，对炉 内辊的结构进行了重新设计；针对新结构将产尘的可预见性问题，结合备元素在 钢中的作用，从材料成分方面进行了更新，选用了与结构相适应的新的炉内辊材 料。 。由十技术僳密的需要此处小便说明 1 3 中南大学硕十学付论文 第二章炉内辊的热府力裂纹倾向 第三章炉内辊的热应力裂纹倾向 3 1 传热学基础 传热学足研究热量传递规律的- f 学科。固体的传热包括两种：一是固体内 部的导热主要是热传导过程：二是固体和周围介质的热交换( 外部传热) 过 程主要是辐射、对流和传导1 3 0 l ( 对流和传导在表面热交换过程中是不可分 割地同时存在的) 。 3 1 i 传导 导热是指物体内的不同温度部分或温度不同的各种物体直接接触时所发生 的热量传递现象。温度场是空间坐标和时间的函数，即： t = f ( x ，y ，z ，f )( 3 - 1 ) 式中x , y ，z 所研究的空间直角坐标； f 时间。 由式可见，温度场可按随时日j 或空日】坐标变化进行分类。如果温度场内各点 的温度不随时日j 变化，这样的温度场就是稳惫温度场。如果稳叁温度场仅和一：个 或一个坐标有关，则称为二维或一维温度场。可分别表示为： t = f ( x ，y ) ( 3 2 ) t = f ( x ) ( 3 3 ) 温度在空h j 沿方向疗的变化速度用堡表示。而“温度梯度”是指这样一个 向量，其数值上等于a t 与曲之比，当血趋于零时的极限值，4 比向星的方向同 指向温度增加方向的法线莺合： 、脚t i = 咖阱争，小 ( ，棚 温度梯度的存在是导热的必要条件。实验证明，导热只发生在不同的等温面 之间，即从高温等温面沿着其法线向低温等温面传递。单位时目j 内通过荦位等温 面积的导热量，称为热流密度，记作q ，单位足w m 2 。 热流密度与温度梯度肓关。法国数学家傅咀叶( j f o u r i e r ) 在对备向m 性连 续介质( 均匀物质) 导热过程的实验研究的基础上，于1 8 2 2 年提出：在任何时 刻，均匀连续介质内各地就地所传递的热流密度正比例于当地的温度场降度1 3 1 】， 即： 1 4 中南夫学硕十学付论丈 。q = - a g r a d t “等品 上式就是导热基本定律傅 立叶定律的数学表达式，它确定了热 流密度与温度梯度之间的关系。式中 引进的比例系数五，称为导热系数， 单位w ( m k ) 。它主要与物质的种类 和温度有关。 单位时间通过等温面a 的导热量 称导热热流曩，记为q ，单位w 。如 果等温面上各点温度梯度不同，则热 流量为： ( 3 - 5 ) y q = 胁= 卜挚 如果等温面上各点温度梯度相同，则上式改写为 q ；一4 兄娶， d ” 图3 1 徽元控制体 ( 3 - 6 ) ( 3 7 ) 由此可推出导热微分方程。取介质内一微元控制体积( 见图3 1 ) ，通过x - - - - - x 、 y = y 、矿z 三个表面导入微元控制体的热流最分别记为q x 、q y 、q ：。通过( x + d x ) 、 ( y + d y ) 、( z + d z ) 三个控制表面导入控制体的热流鼍分别记为q ”血，q y + d y 、q 她。 内热源的发热率记为吼，单位是w m 3 。对于所研究的情况，六面体内的温度为 t = f ( x y 石r ) 。因此，在微元体内沿三个不同也标轴方向的温度梯度，分别也 是坐标x 、y 、z 的函数。由热流量计算公式( 3 7 ) 可知，通过垂直f 坐杯轴的 微元面的热流量q 。，q y 、q ：也分别是坐标x 、y 、z 的函数。 由fq 。是x 的函数，并在x 至( x + d x ) n i h j 内连续町微，故町将它展开成秦 勒级数，只取前两项，则 队。：绞+ 挚d r ( 3 - 8 ) “ 用类似的方法可以导出q 蚋及q z + d z 的表达式 o o q ，+ 由= g + 砂 ( 3 9 ) q + 。：q + 孥出( 3 - i o ) 彩 对f 控制体列能量平衡方程 1 5 中南大学硕士学伊论文 第= 章炉内辊的热惠力裂纹倾向 e 。一e o + e g = e | ( 3 一1 1 ) 式中，宣能量流入项和岛能量流出项分别是导入和导出微元体的热流量，即 电i = q 。+ qv + q ： 宅o = q | 。矗+ q p 。由+ qz 。出 ( 3 1 2 ) ( 3 - 1 3 ) 应。能量发生项是微元体内热源在单位时日j 内所释放出的热，则有 丘= 吼d x d y d z ( 3 - 1 4 ) 富能量贮存变化项是单位时删微元体内物质内能的增量，即 或= _ o t 批 ( 3 一1 5 ) 将以上备式代入式( 3 - 1 1 ) ，可得 q x + o y + q z q 。h q y 。和一q 。+ q v a x a y a z = p c 篆出由，出( 3 - 1 6 ) 将式( 3 - 8 ) 、( 3 9 ) 、( 3 1 0 ) 代入上式后，可得 o 出q , d x 一等砂一警咖，舭= 肛署舭 ( 3 1 7 ) 出卵院 口r 由热i 冠霞计鲜式3 7 ) 刚以与出 姨：一批娶 o y - - - 舭署 q ：一蚴娶 ( 3 1 8 ) 在上式代入式( 3 1 7 ) ，菇在该式的两边同时除以微元的控制体积d x d y d z ， 则可以得到： 等= 丢( a 篆) + 导( 五爹 + 丢( 五笔) + 吼 c ，挪， 当物体的物性参数p 、c 和五为常量时，上式可简化为 等= 彳窘+ 窘+ 窘) 圯，俨 b z 。， 瓦24 l 萨+ 矿+ 万j 叼r 懈 u w 这就足直角世标系中导热微分方程。口。三称为导温系数( 所：s ) ，它足物 质的特性参数。对f 一个具体的导热过程，完整的数学描述应包括：微分疔程和 1 6 ! 塑叁堂堡兰生堡塞一= 一一一曼- 三二! ! 竺堕堡塑! ! ! 塑兰! 竺堡望 单f ：t 性条件。一股地说，单值性条件包括几何条件、物理条件、时日j 条件和边界 条件。常见的边界条件可归纳为以下三类： ( 1 ) 第一类边界条件给出任何时刻物体边界上的温度分市，表示为二 r 0l = f ( x ，只厶f ) ( 3 2 1 ) t 0 为物体边界面上的温度；x 、y 、z 为边界面上点的坐标。 ( 2 ) 第二类边界条件给出任何时刻物体边界上的热流密度分布，即 q ，= f ( x ，y ，z ，f )( 3 2 2 ) 式中，是物体边界面上法向的热流密度值。 ( 3 ) 第三炎边界条件给出与物体边界面直接接触的流体温度l 及边界与流 体之间的对流换热系数