（机械设计及理论专业论文）一种新型连铸机铸钢拉矫辊的热结构受力分析.pdf

硕士学位论文 摘要 摘要 拉矫辊是连铸生产系统中的重要部件，其主要作用是夹持住钢坯， 将钢坯拉出结晶器，并在通过拉矫机时将钢坯矫直。拉矫辊工作时内部 通入循环水进行冷却，外表面与红热钢坯紧密接触，又承受着液压缸的 压力和拉矫阻力。目前拉矫辊的平均使用寿命只有3 4 个月。为提高其 使用寿命，本文展开了如下研究： ( 1 ) 根据连铸机拉矫辊工作条件，进行失效分析，研究拉矫辊的 磨损机理、磨损失效的影响因素及改进措施，提出新型拉矫辊的材料设 计方案。 ( 2 ) 根据传热学和热弹性力学原理，建立拉矫辊的温度场数学模 型，利用a n s y s 软件计算分析拉矫辊的温度场分布，通过转换分析单元及 外应力的加载，进行热应力和外载荷的耦合分析，获得拉矫辊的应力场 分布规律；探讨材料热物性参数对拉矫辊温度场、应力场的影响，为拉 矫辊选材提供依据。 ( 3 ) 试制新型连铸拉矫辊。 ( 4 ) 对新型拉矫辊材料的硬度和韧性进行测试，综合分析材料的 微观组织与材料硬度和韧性之间的关系。 在冷水江钢铁有限公司对新型拉矫辊进行的工业生产试验表明：新 型拉矫辊抗氧化性能和抗高温粘着性能好，抗热疲劳性能好，在高温下 红硬性高，抗蠕变性能好，具有优良的抗磨性能，且具有良好的经济和 社会效益，拥有广阔的应用前景。 关键词拉矫辊，粘着磨损，温度场，应力场 硕士学位论文 a b s t r a c t a bs t r a c t i nt h ec o n t i n u o u sc a s t i n gp r o d u c t i o n ，t h ep u l l i n g s t r a i g h t e n i n gr o l l e r i sa ni m p o r t a n te q u i p m e n t i t sm a i nf u n c t i o ni sc l a m p i n gs t e e lb i l l e t ， k i c k i n go u ts t e e lb i l l e tf r o mm o u l d ，a n ds t r a i g h t e ns t e e lb i l l e tw h i l ep a s s i n g t h r o u g ht h ep u l l i n g s t r a i g h t e n i n gm a c h i n e c e n t e ro fp u l l i n g s t r a i g h t e n i n g r o l l e rp u m p e di nc i r c u l a t i n gw a t e rf o rc o o l i n g ，e x t e r n a ls u r f a c ei n t i m a t e c o n t a c tt h eh o ts t e e lb i l l e t p r e s e n ts e r v i c el i f eo fp u l l i n g s t r a i g h t e n i n g r o l l e ri so n l y3 - 4m o n t h s f o re x t e n di t ss e r v i c el i f e ，t h ef o l l o w i n gr e s e a r c h w a se n g a g e di n ： ( 1 ) a c c o r d i n gt ot h ea c t u a lw o r k i n gc o n d i t i o no fp u l l i n g s t r a i g h t e n i n g r o l l e ro ft h ec o n t i c a s t e r ，c a r r i e do nt h ef a i l u r ea n a l y s i s ，r e s e a r c h e dt h ew e a r m e c h a n i s m ，t h ew e a r - o u tf a i l u r ei n f l u e n c i n g f a c t o ra n dt h ec o r r e c t i v e m e a s u r eo nt h e s t r a i g h t e n i n gr o l l e r ，a n dp r o p o s e d am a t e r i a ld e s i g n p r o p o s a lo f a n e w - s t y l ep u l l i n g - s t r a i g h t e n i n gr o l l e r ( 2 ) a c c o r d i n gt ot h ek n o w l e d g eo f h e a tt r a n s f e ra n dt h e r m o e l a s t i c i t y m e c h a n i c s ，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 l f i e l dw e r e e s t a b l i s h e d a n s y st h e r m a l a n a l y s i s i n d i c a t e dt h ed i s t r i b u t e dr u l eo f t h e r m a lf i e l d t h r o u g hs w i t c h i n ga n a l y t i ce l e m e n ta n dl o a d i n ge x t e r n a l s t r e s s ，i tr e a l i z e dt h e r m a ls t r e s sa n dm e c h a n i c a ll o a dc o u p l e ds i m u l a t i o n ， a n dg a i n e dt h er u l eo fr o l l e r ss t r e s sf i e l d s t u d yt h ei n f l u e n c eo ft h e r m a l s t r e s s e si ns t r a i g h t e n i n gr o l l e rb ym a t e r i a lc a p a b i l i t i e s ，p r o v i d er e f e r e n c e f o rt h ef u r t h e ro p t i m i z a t i o n ( 3 ) p i l o tp r o d u c tn e wp u l l i n g - s t r a i g h t e n i n g r o l l e r ( 4 ) m a t e r a i l h a r d n e s s a n d t o u g h n e s st e s t i n g o f n e w s t y l e p u l l i n g s t r a i g h t e n i n gr o l l e ri sg i v e n ，c o m p r e h e n s i v e l ya n a l y s e si n n e rl i n k b e t w e e nt h em a t e r i a lm i c r o s c o p i co r g a n i z a t i o na n dt h e m a c r o s c o p i c p e r f o r m a n c e t h et r i a l s i nl e n g s h u i j i a n gi r o na n ds t e e lg r o o pc o m p a n ys u g g e s t e d t h a tt h e n e w - s t y l ep u l l i n g - - s t r a i g h t e n i n g r o l l e r sh a v eg o o do x i d a t i o n r e s i s t a n c e ，g o o d a d h e s i v ew e a rr e s i s t a n c e 、g o o dt h e r m a lf a t i g u e r e s i s t a n c e 、h i g hh a r d n e s s 、g o o dc r e e pr e s i s t a n c ea th i g ht e m p e r a t u r e ， b e s i d e st h o s e ，t h ea d d i t i v eh a se x c e l l e n to x i d a t i o ns t a b i l i t ya n da n t i w e a r 硕士学位论文a b s t r a c t p r o p e r t i e s t h i sn e w s t y l ep u l l i n g s t r a i g h t e n i n g r o l l e rw i l lh a v eaw e l l e 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 ea 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 ：p u l l i n g - s t r a i g h t e n i n gr o l l e r ，a d h e s i v ew e a r ，t e m p e r a t u r e f i e l d ，s t r e s sf i e l d i i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获 得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的 同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：! 爱整圣日期：址年月日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学 位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以 采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络 向社会公众提供信息服务。 作者签名：盥导师签名盥埠日期：丝年上月上日 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 简介 第一章绪论 1 1 1 连续铸造简介 连续铸造是一项把钢水连续浇铸成钢坯的新工艺，它的出现从根本上改变了一 个世纪以来占统治地位的模铸工艺，大大简化了从钢水到钢坯的生产流程。连铸与 模铸相比有很多明显的优点：成材率高，生产成本低，基本建设投资低，改善了劳 动条件，提高了劳动生产率。 关于连续铸钢方面的试验研究工作实际在二战期间就己经开始。在上世纪8 0 年代，连铸技术己呈现大发展的局面，发展目标旨在进一步提高铸机生产能力和改 善产品质量。中国是世界上开发和应用连铸技术较早的国家之一，上世纪5 0 年代中 期就进行过连续铸钢方面的试验研究。1 9 5 6 年，重工业部的钢铁研究所曾在一台简 单的半连续铸机上浇铸巾8 0 r a m 圆坯。1 9 5 7 年当时的上海钢铁公司中心试验室由吴大 柯先生主持设计并建成了一台立式连铸机，浇铸小方坯。这是中国第一台工业性试 验连铸机，其铸坯的断面尺寸是7 5 m m x l 8 0 m m 的小矩形坯幢1 。 近几年，我国连铸发展很快。尤其是进入新世纪，连铸生产发展更快。2 0 0 1 年连铸坯产量达1 3 8 2 0 万吨，连铸比达9 2 8 ， = l 2 0 0 0 年猛增2 3 7 0 万吨，增长2 1 ， 连铸比增长4 7 2 个百分点。2 0 0 2 年生产连铸坯1 6 5 0 0 万吨，新增连铸机6 0 台2 0 0 流， 连铸比达到9 4 左右，产f i 邑3 5 0 0 万吨以上。2 0 0 2 年在线连铸机达4 4 4 台，产能共1 9 4 5 0 万吨。至u 2 0 0 5 年连铸机产能达至u 2 3 5 0 0 万吨，产量达2 1 0 0 0 万吨，连铸比达9 7 。现 在新建的钢厂起步都是全连铸。 连续铸造生产设备包括结晶器一次冷却、二次冷却、振动和铸坯导向装置、拉 坯矫直装置与传动设备等部分组成。钢水通过连铸机浇铸成钢坯的一般过程为：从 炼钢炉出来的钢水注入到钢包内，经二次精炼处理后被运到连铸机的上方，钢水通 过钢包底部的水口注入到中间包内，中间包水口的位置被预先调好以对准下面的结 晶器。打开中间包水口后，钢水流入由引锭杆头封堵的水冷结晶器。在结晶器内， 钢水沿其周边逐渐冷凝成钢壳，当结晶器下端坯壳有一定厚度时，启动拉坯机和结 晶器振动装置，使带有液心的钢坯进入由若干夹辊组成的导向段。在弧行导向段钢 坯一边向下移动，一边经受二冷区中许多按一定规律布置的喷嘴喷出的雾化水的强 制冷却继续凝固。当引锭杆将料头拉至矫直机后与钢坯脱开，钢坯完全凝固后，切 割装置将其切成定尺钢坯，最后由出坯装置将定尺钢坯运到指定地点口，引。 硕士学位论文第一章绪论 1 2 2 拉矫机及拉矫辊简介 在弧形连续铸钢设备中，拉坯矫直机的作用是进行拉坯、矫直钢坯以及在每次 浇铸前把引锭杆送入结晶器底部。根据拉坯矫直技术的发展，主要的拉矫方式分为 单点矫直、多点矫直、渐进矫直、连续矫直乜1 。 冷水江博大钢铁有限公司拉矫机布置在水平段上，侧导辊安装在弧行段，拉矫 辊辊对中心与连铸机的弧形段相切。为了减轻拉矫辊对钢坯的压力，钢坯的拉坯矫 直采用两对拉矫辊来进行拉矫，拉矫辊辊径为巾4 2 0 r a m ，每个上辊均有一个液压缸 压下来调节上下辊之间的距离。拉矫辊采用整体铸造，中间通水冷却，拉矫辊两端 采用滚动轴承支撑。拉矫机机架采用铸钢制造，用以支撑拉矫辊、液压缸等零部件 ( 拉矫机的结构见图卜1 ) 。 连铸拉矫机的作用及要求可简单归纳如下畸引： ( 1 ) 在浇注的过程中能克服结晶器和二冷装置的阻力，顺利地把钢坯拉出并矫 直。 ( 2 ) 能调节拉速以适应不同合金品种、规格尺寸和工艺的要求。 ( 3 ) 能实现完全凝固铸坯和带液心铸坯的矫直，并保证矫直过程中不影响钢坯 的质量。 ( 4 ) 在满足工艺要求的条件下，结构简单，便于安装、调整、维护。 图i - i 上辊传动五辊式拉矫机 卜立式直流电动机；2 一联轴器；3 一齿轮箱； 4 一传动链；5 一上辊；6 一下辊；7 一压下液压缸；8 一底座 2 硕士学位论文第一章绪论 拉矫辊是连铸机的主要部件之一，实际生产中，拉矫辊表面磨损严重，常发生 龟裂，而且伴随有较大的纵向或环状裂纹产生，大大缩短了辊子的使用寿命，这不 但影响了连续生产，而且也造成辊子本身费用的增加。 1 2 磨损概述 1 2 1 概述 众所周知，材料主要有三种失效方式：断裂、腐蚀、磨损。其中，磨损失效使 国民经济遭受的损失最为严重。据不完全统计，能源的1 3 1 2 消耗于摩擦与磨损， 材料的8 0 失效于磨损，若再加上人力更换部件的停工，则经济损失会更大。据估 计，仅磨料磨损每年就使工业国家损失国民生产总值的1 - - - 4 。据美国材料政策委 员会1 9 7 7 年测算，磨损造成的年国民经济损失约1 5 0 亿美元。原西德统计因磨损造 成的损失每年达1 0 0 亿马克。而粘着磨损是一种最常见的的磨损形式之一，它在摩 擦学的研究和应用中有非常重要的地位和作用，世界上技术先进的国家都为粘着磨 损的研究及对策投入了大量的财力和人力h 1 。 摩擦与磨损是与机械设备整个运转系统有关的复杂过程，影响因素很多，相应 地减少摩擦和提高抗磨性的措施也是多方面的。一方面，在现有的材料( 机械零件) 条件下，采用优化机件结构设计，选择合理的工作条件，增进操作人员的劳动技能 等措施，可以降低磨损，提高零件的使用寿命。但这种途径的发展潜力有限，上升 的空间不大。 另外，由于摩擦与磨损毕竟是发生在材料的表面层，材料的本身特性是一个最 基本的影响因素。因此，另一个方面就是大力提高材料的抗磨性。这一途径对于提 高零件抵抗磨损的使用寿命是最有效且最直接的方法。 随着科学技术和国民经济的高速发展，机械设备的运转速度越来越高，零件被 磨损的速度也越来越快，其使用寿命越来越成为影响现代设备( 特别是高速运转的 自动生产线) 生产效率的重要因素。由于磨损现象几乎是不可避免的，造成的经济 损失极为巨大，因此，研究磨损和不断发展新的抗磨材料成为当今探讨的热点课题 之，一。 1 2 2 磨损的定义及分类 一、磨损的定义 磨损是物体或零件相互接触并相对运动的系统中的一种现象，这种现象普遍地 存在于生产和生活之中。磨损消耗了机器运转的能量，使零部件使用寿命缩短，造 硕七学位论文 第一章绪论 成材料的消耗。 磨损现象是非常复杂的，目前还没有个被公认的统一准确的定义。美国材料 试验协会( a s t m ) 标准认为：磨损是“由于物体的表面与一相接触物质间的相对运 动造成固体表面的损伤，通常有材料的逐渐损失1 。 由上述磨损的定义，我们可以看到一种材料的零部件发生磨损的三要素是：材 料的表面特性，与另一物质( 包括固体、液体、气体) 的接触特性( 包括接触方式、 力的传递、表面变形、相互作用等) 以及相对运动随1 。 二、磨损的分类 为了便于研究磨损和把握其规律并制定相应的对策，有必要对磨损进行分类。 目前比较通用的磨损分类方法是按照磨损机理进行分类，即将磨损分为：磨料磨损、 粘着磨损、疲劳磨损、冲蚀磨损，腐蚀磨损及微动磨损等。磨损的分类及其特点如 表1 1 埘。 表1 一l 磨损的分类及特点 4 硕七学位论文第一章绪论 1 2 3 材料的粘着磨损 粘着磨损是一种普遍存在的磨损形式。汽车、拖拉机、机床、飞机、宇航器械 中的许多零件都承受着粘着磨损，刀具、模具、钢轨、量具的失效都与粘着磨损有 密切关系。例如航空发动机零件中约有3 0 是承受粘着磨损的，而柴油机中则有6 5 的零件是在粘着磨损的作用下工作的n 。由于粘着磨损有这样大的普通性和重要的 科学技术意义，因此引起了各国的普通重视，人们对它做了大量的研究工作。 一、粘着磨损的本质和特点 由于粘着作用，使摩擦表面的材料由一个表面转移到另一个表面所引起的磨损 称为粘着磨损。它是指两个相对滑动的表面在摩擦力的作用下，表层发生塑性变形， 表面的污染膜、氧化膜被破坏，而裸露出新鲜金属，由于固相焊合作用使两个表面 结合起来，如果外力克服不了焊合点及其附近的结合力，便发生咬卡现象。当外力 大于这种结合力时，外力使结合处发生剪切断裂。剪切若发生在接触表面，那就不 会发生磨损( 即所谓“零磨损) ；若不发生在接触表面上，而发生在强度较低的一方， 此时，强度较高一方的表面上将粘附较软的金属，这种现象称为“物质转移，这 种现象是粘着磨损的重要特点。用扫描电子显微镜观察粘着磨损表面时，可以清楚 地看到粘附在金属表面的附着物。在以后的摩擦过程中，附着物辗转于对磨件的表 面之间。有些粘附物在反复的摩擦中可能由金属表面脱落下来，变成磨损产物一磨 屑，粘着磨损的磨屑多成片状u 1 1 。 二、粘着磨损的分类 根据磨损程度常把粘着磨损分为如下几种口训： ( 一) 涂抹( 涂敷) 材料从摩擦表面上磨损下来，又以涂抹形式附着于摩擦表面上，称为涂抹。磨 损产物可能附着在摩擦面的一方或双方。涂抹时剪切发生在离粘着结合点不远的较 软金属的浅层内，软金属涂敷在硬金属表面上。如铅基合金的轴瓦与钢的轴颈相摩 擦时就是这样。此时，软金属的剪切强度小于界面上的剪切强度。 ( 二) 擦伤 在摩擦表面的滑动方向形成细而浅的划痕，使摩擦表面遭到损坏，称为擦伤。 擦伤时剪切发生在软金属的亚表层，如铝与钢对摩时就是这样。此时，界面上的剪 切强度既大于软金属也大于硬金属，因此，转移到硬金属表面的粘着物对软金属有 擦伤作用。 ( 三) 刮伤( 划伤) 摩擦表面在滑动方向上产生较深划痕的磨损破坏称为刮伤。刮伤比擦伤的破坏 5 硕士学位论文第一章绪论 程度严重，但两者并没有明确的定量界限。刮伤时界面的剪切强度大于摩擦面两方 的剪切强度 ( 四) 咬死 摩擦表面发生严重粘焊时，使摩擦面双方不能相对滑动，称为咬死。咬死的根 本原因是粘着。此时，外力克服不了界面的结合力，也不能使摩擦双方发生剪切断 裂，摩擦面的相对运动被迫停止。 上面这种分类方法是比较多见的一种。在摩擦、磨损的研究工作中还经常运用 轻微磨损和严重磨损的术语。严重磨损的原因主要是粘着，在重载时容易发生，磨 屑多为金属片屑。轻微磨损的磨屑多为氧化物，因此这种磨损形式与氧化膜关系密 切。 1 2 3 典型的金属抗磨材料 从金属抗磨材料的发展来看，从普通白口铸铁、高锰钢到镍硬铸铁、铬系白口 铸铁、耐磨铸钢以及硬质合金，金属抗磨材料获得了长足的发展。 现今常用金属抗磨材料有耐磨白口铸铁、耐磨钢和耐磨有色合金三类。但目前 应用最多、消耗最大的金属抗磨材料仍是以耐磨铸铁和耐磨钢两大类为主n 2 1 。 耐磨铸铁中的普通白口铸铁、低碳白口铸铁己近淘汰，代之以低合金白口铸铁 和高合金白口铸铁两大类。二者中最具有代表性的是低铬白口铸铁和高铬白口铸 铁。基于地球上的铬资源远大于镍，且价格较便宜，至今这两种材料已在耐磨铸铁 中占有主导地位，从资源成本和耐磨性方面考虑，镍硬铸铁的地位己在降低。马氏 体或贝氏体、马氏体组织的球墨铸铁在制作小截面耐磨件方面也占有一席之地，中 铬铸铁则应用较少引。 耐磨钢除了传统的奥氏体锰钢及改性高锰钢以外，从其含碳量的不同可以分为 中碳、中高碳、高碳合金耐磨钢；从合金元素的含量又可分为低合金、中合金及高 合金耐磨钢；从组织的不同又可以分为奥氏体、贝氏体、马氏体耐磨钢钔。 1 3 国内外连铸拉矫辊发展概况 1 3 1 国内连铸拉矫辊的发展概况 国内许多院校的研究者对轧辊和拉矫辊的温度场和应力场进行了理论计算，提 出了各种延长辊子寿命的方案。从解决方案上来说，国内主要是从材料上入手，寻 找各种耐热抗磨、抗热疲劳的材料，主要是c r - m o 系的材料。 1 ) 提高材料自身的耐磨性 6 硕士学位论文第一章绪论 通过提高钢的淬透性、硬度、强度和韧性来提高钢的耐磨性。采用的方法有合 金化、热处理等。通过合金化途径提高耐磨钢的强韧性水平的研究已取得很大的进 展，逐步形成了以低合金、中合金和高合金高强韧性耐磨铸钢系列n 2 1 。 2 ) 提高拉矫辊材料的热强性 钢的热强性表示金属在高温和载荷长时间作用下抵抗蠕变和断裂的能力。往基 体中加入一种或几种合金元素，形成单相固溶体，可提高基体金属原子间的结合力 和热强性，w 、m o 、c r 、m n 是提高基体热强性效果显著的几种合金元素。通过加入 合金元素，可以提高氧化膜的稳定性，从而提高钢的抗氧化性；并通过强化基体， 强化晶界，弥散相强化等，可提高钢的热强性n 副。 此外，也有从结构上入手的，但基本上只有采取预应力的这种方案。这种方式 是研究人员根据应力分析结果，认为辊子表面存在较大交变压应力，同时为了合理 使用辊子材料，把辊子做成组合式预应力辊。辊套用耐热合金钢，辊芯用普通材料， 套筒与辊芯的过盈配合将在辊套内产生机械预应力n 。5 1 。辊套内的预应力和热应力相 反，这样就可以使平均应力水平降低，提高使用寿命。 1 3 2 国外连铸拉矫辊的发展概况 在国外，此类研究也不少。由于外冷辊的优越性十分明显，只要在采取外部冷 却的同时，不使铸坯有较明显的温降，就可满足连铸时的工艺要求。所以许多国外 钢铁公司对外冷辊的新型冷却方式进行了研究。其中奥地利v o e s t a l p l i n e 公司试 验成功了对拉矫辊外表面以水平喷水冷却方式进行冷却，冷却水喷嘴安装在辊子两 端，冷却水的喷射方向平行于铸坯表面，只要保证水的射流稳定就可以在冷却水与 铸坯之间形成稳定的水蒸汽层以起到保温作用，采用水平喷水冷却效果是明显的， 这种冷却方式已经开始应用于生产畸1 。 1 4 课题的研究内容 材料的磨损性能虽然与材料的本身性能，如材料的化学成分、显微组织、碳化 物类型、力学性能等因素密切相关，但是材料的磨损性能并不是材料的固有特性， 而还与磨损过程的外部因素、介质( 温度、湿度) 、工件的受力方式( 工作压力、受 力角的方向) 等工况条件有关。 因此，材料的抗磨性是与其自身性能以及磨损工况条件等因素都紧密相关的系 统特性。在不指明磨损工况条件下评论抗磨材料的抗磨性好坏是没有多大意义的， 只有在明确特定工况条件下才能比较各种抗磨材料的抗磨性。正是由于影响材料抗 7 硕士学位论文第一章绪论 磨性的因素是如此之多，材料磨损过程是如此的复杂多变，这一切都导致了没有万 能的处处都适合的抗磨材料存在，而只有最适合某种工况条件的以及具有最佳效果 的抗磨材料。 本课题正是从上述对抗磨材料的认识出发，针对钢铁工业生产中的连铸机拉矫 辊材料的抗粘着磨损性能展开了系统研究。其主要研究内容有： l 、在研究了连铸拉矫辊的工况条件和工作参数条件下进行了拉矫辊失效分析。 通过观察分析磨损表面形貌，结合实际工况，对拉矫辊粘着磨损机理进行了讨论， 分析了拉矫辊磨损失效影响因素并提出改进措施。 2 、借助有限元分析软件模拟分析，得出几种典型耐磨材料的拉矫辊温度场、 应力场，进行热力学对比分析，探讨材料的热物性参数对拉矫辊的综合应力的影响， 为拉矫辊材料的优化提供方向。 3 、应用合金成分设计的相关原理，设计一种高温性能良好、耐磨损、性价比 高的新型连铸拉矫辊。 1 5 本章小结 本章介绍了连续铸造及国内外连铸拉矫辊的发展概况，简单归纳了拉坯矫直机 的作用及要求；总结了磨损的分类及特点，为分析拉矫辊的失效打下基础；并确定 了本课题的研究思路和内容。 硕士学位论文第二章连铸拉矫辊的工作条件及失效分析 第二章连铸拉矫辊的工作条件及失效分析 2 1 连铸拉矫辊的工作条件 拉矫机是弧形连铸机的重要设备之一，它的作用是在浇铸起动时把引锭杆送入 结晶器底部，在开浇时拉着钢坯向下移动，并在钢坯通过二冷区时将其矫直。在工 作过程中，拉矫辊夹持住8 5 0 - - 1 0 0 0 的红热钢坯向前运动，主要是要克服从结晶 器开始到连铸机出口钢坯运动时所产生的各种阻力，并把弧形段的钢坯矫直，以水 平输出。工作时辊子对钢坯有一个夹紧力，受电机驱动完成拉坯任务。拉矫辊实际 工作简图如图2 1 所示。 l 图2 - 1 拉矫辊工作简图 冷水江钢铁公司连铸生产线所采用的五辊拉矫机组中两个上辊为主动辊，由电 机经四级减速驱动，两个下辊和一个中间辊为从动辊。每个上辊均有一个液压压下 缸，以保证拉矫辊有足够的摩擦力来带动钢坯前进。拉矫辊直径为巾4 2 0 m m ，辊子 转速为2 1 r m i n ，拉矫辊的结构如图2 - 2 所示。拉矫辊内部通水冷却，表面与8 5 0 - - 1 0 0 0 c 的红热钢坯紧密接触，致使辊子外表面与钢坯接触处的温度很高。辊子转动 时，当此接触点旋离钢坯后，温度迅速下降，当此点旋近钢坯时，温度迅速升高。 这样循环往复，温度周期变化，辊子外表面上的每一点都经历上面的循环变化过程。 辊子内部通有冷却水，内表面的温度基本保持一恒定值。 9 硕士学位论文第二章连铸拉矫辊的t 作条件及失效分析 图2 2 拉矫辊结构 2 1 1 拉矫辊工作温度的监测与计算 在冷水江钢铁公司对连铸机组第一流拉矫机辊子进行了测温，选择辊面上的六 点进行监测( 位置见图2 - 3 ，o 点位置为拉矫辊与钢坯接触处位置) 。 3 声 6 入 k v 图2 - 3 拉矫辊温度监测点位置图 第一流拉矫机辊子共有五个，其中两个上辊，三个下辊，在拉矫机中的具体位 置如图2 4 。用红外线测温仪实测拉矫辊表面温度如表2 一l ，各辊子的进出口水温 如表2 - 2 所示。 l o - 硕士学位论文 第二章连铸拉矫辊的工作条件及失效分析 表2 1 拉矫辊温度监测值( ) 根据热力学原理，对于拉矫辊来说，影响其温度场分布的原因可以分为两个因 素：流入拉矫辊的热量主要包括高温钢坯接触传热，流出拉矫辊的热量主要包括流 经拉矫辊内表面的冷却水带走的热量n 6 ， 1 ： 一、高温钢坯接触传热 采用第三类边界条件来描述该热量从钢坯流入拉矫辊为： q = 一k ( c c ) ( 2 1 ) 式中：i ，z 一分别为拉矫辊表面温度和钢坯表面温度 k 一为拉矫辊与钢坯之间的换热系数 二、冷却水从拉矫辊内表面带走的热量 冷却水从拉矫辊内表面带走的热量按照牛顿冷却定理计算，为 g 。= 丸，( l e ) ( 2 2 ) 式中：瓦，乃一分别为冷却水温度和拉矫辊内表面温度 丸，一冷却水与拉矫辊间的对流换热系数，在二维模型中可按下式计算 丸，- o 0 2 3 鲁r e ，o 8 p r ，o 4 ( 2 _ 3 ) 式中：r e r 一冷却水的雷诺数( r e ，= w 4 ) p 。一冷却水的普朗特数( p r ，= 警) k 一为冷却水的导热系数，w ( m k ) 西一为冷却水的当量直径，m 硕士学位论文第二章连铸拉矫辊的下作条件及失效分析 2 1 2 拉矫辊的受力分析 一、拉矫阻力 总的拉矫阻力主要由四部分组成：结晶器阻力f l ，二冷区阻力f 2 ，矫直阻力f 3 ， 拉矫机各辊子与钢坯之间的滚动摩擦阻力的合力f 4 。当然切割机水平运动装置调整 不好也增加阻力，辊道、导板等均产生对钢坯运动的阻力，这些力较小，且较难计 算，只能从安全余量中加以考虑。 1 结晶器阻力( f 1 ) ，结晶器内产生的摩擦力一般与结晶器断面尺寸及长度， 制造、安装精度，润滑情况以及振动方式等因素有关。根据测定统计，钢坯横断面 每米周长的阻力约为1 0 0 0 - - - 1 2 0 0 k g ，取平均值11 0 0 k g 。连铸钢坯为边长1 5 0 m m 的方 钢，钢坯横断面周长为0 6 m 。 f 1 = l1 0 0xo 6 9 8 = 6 3 3 6 ( n )( 2 4 ) 2 二冷区阻力( f 2 ) 钢坯在二冷装置中的阻力，包括摩擦阻力和下滑力两部分，图2 4 为钢坯拉矫 时的受力分析图。 图2 - 4 拉矫辊受力分析图 图中：e = f 一， 式中e 一二冷装置阻力，n ( 2 - 5 ) 厂一钢坯与导辊之间的摩擦阻力，n ( 因工作条件恶劣，实际上经常有 辊子不转动，按滑动摩擦考虑，取摩擦系数u = 0 3 ) 1 2 硕士学位论文第二章连铸拉矫辊的工作条件及失效分析 z 一下滑力，n 若按单元摩擦阻力厂及下滑力工考虑，有下式： f = r a e e l y a c o s c r s = r a 晓a y a s i n c r ( 2 6 ) ( 2 - 7 ) 当钢坯长度为角度口对应弧长时，总阻力应为t 疋= i ( r a y b c o s o f _ 一r a y s i n a t ) d o t s 0 = r a r ( a s i n a l + c o s a ) ( 2 8 ) 当a = 9 0 时 f ；= r a r ( a 一1 ) = 8 ( 0 1 5 0 1 5 ) x7 6 x1 0 3 ( 0 3 - 1 ) = - 9 5 7 ( n ) 式中：y 一钢坯密度 a _ 钢坯断面积 i 卜钢坯外弧半径 一二冷区摩擦系数 3 矫直钢坯时产生的阻力( f 3 ) 考虑到钢坯在矫直区内部已全部凝固，无液芯存在。所以本文将钢坯按固相矫 直计算，一般情况下固相矫直为半塑性矫直。当钢坯矫直时，只有当钢坯内部应力 大于其屈服强度时，钢坯才会发生塑性变形，这两种变形的分界线距中性层的距离 为h e ( 见图2 - 5 ) 。 z j 0芒 j l 1 图2 5 钢坯内部塑性和弹性变形 硕士学位论文第二章连铸拉矫辊的i ：作条件及失效分析 半塑性矫直时，h h e 时为弹性变形区，在h e 一h 2 时为塑性变形区。根据弹塑性弯曲理论，矫直力矩m 。应为： 又 耻2 k 拈枞2 j 珧砌 沿9 ) 0 h e 式中，毋一为钢坯在矫直温度时弹性模量 力e 一为弹性与塑性变形区交界处距中心轴的距离 一为钢坯在矫直温度时屈服极限 h v th s = = r o lr o l 一矫直辊至切点辊的距离 于是钢坯矫直力矩砌为 ( 2 一1 0 ) m 。= 2 h ； e , r b 。h 2 一砌+ 2 2 b 办仃。锄 ( 2 一，) 横截面的弹性和塑性变形交界处应变t 5 ：= h e r 。= o s e r ，所以由变形协调条 件可得船为 h e ：i o s - r o ：_ ll o x 一8 0 0 0 ：6 0 6 9 ( 聊所) ( 2 1 2 ) e 1 4 5 0 0 0 因此，c 点的矫直力矩k i n 为 ，。=26r!兰皇旦旦罢秘+21。5曼025。办d矗 = 9 2 6 0 9 9 2 0 c 点的弯矩m n = p ：l ，所以矫直力p 。为 只：丝：9 2 6 0 9 9 2 0 ：9 2 6 0 9 9 ( n )( 2 1 3 ) 三，1 0 0 0 按力矩平衡原理， 有 以0 点取力矩， 三= f a r 一互h ) 1 4 = 1 1 6 8 5 ( n ) ( 2 - 1 4 ) 硕七学位论文第二章连铸拉矫辊的工作条件及失效分析 4 拉矫机各辊子轴承旋转阻力和辊子与钢坯之间的滚动摩擦阻力的合力( f 4 ) 该阻力为辊子的轴承旋转阻力和辊子与钢坯之间的滚动摩擦阻力，各辊因产生 拉坯力而付出的压下力总和约为液压缸压下力的2 倍。 o 只= ( 瓦+ b + 足+ + r ) ( 厂+ 羔) = 9 0 0 0 0 x2x0 0 5 2 5 = 9 4 5 0 ( n ) ( 2 1 5 ) z ， 式中：，一辊子半径 d 一轴颈直径 厂一铸坯和辊子之间的滚动摩擦系数o 0 5 t 一滚动轴承的摩擦系数，0 0 0 5 5 拉坯总阻力( f ) 将各阻力相加求出拉坯总阻力： f = e l + e + e + 只= 6 3 3 6 9 5 7 + 1 1 6 8 5 + 9 4 5 0 = 2 6 5 1 4 ( n ) ( 2 1 6 ) 二、拉矫辊正压力 对拉坯阻力进行计算，结果为2 6 5 1 4 n ，摩擦系数0 3 ，则需要作用在钢坯上的 总压力为8 8 3 8 0 n ，每对拉矫辊的上辊均有一个液压缸压下，每个液压缸提供的压力 为3 m p a ，液压缸内径为巾1 4 0 m m ，液压系统的最高工作压力是 p ：2 万f ，坐、1 2x 3 x 1 0 6 = 9 2 3 1 6 8 8 3 8 0 ( n ) l2 ， 三、拉矫辊热应力 拉矫辊工作时，外表面与钢坯接触，钢坯温度很高，致使辊子外表面与钢坯接 触处温度很高。辊子转动时，当此接触点旋离钢坯后，温度迅速下降；当此点旋近 钢坯时，温度逐渐升高，当其与钢坯接触时，温度迅速升高。这样循环往复，温度 周期变化，辊子外表面上的每一点都经历上面的循环变化过程。辊子内孔通有冷却 水，内表面温度始终保持一恒定值。如此辊子断面内就产生了周期变化的、非轴对 称的、不均匀的温度场，从而产生了周期变化的热应力。 由温度实测可知a 号辊子温度最高，温差变化最大，因此热应力最大。借助于 有限元a n s y s 软件，对a 辊进行热力学分析，得出a 辊的温度场及应力场分布，具体 见。第三章。 硕士学位论文第二章连铸拉矫辊的工作条件及火效分析 2 2 连铸拉矫辊的失效分析 2 ，2 1 拉矫辊材料性能要求及其失效形式 磨损是机械设备零部件失效的重要方式，因此选择材料也就不但要考虑强度、 工艺性、经济性等因素，还要把耐磨性作为重要的选材依据。而考虑耐磨性，并不 是认为材料硬度愈高愈好，而是要综合考虑材料的硬度、韧性、互溶性、耐热性、 耐蚀性等一系列性能。不同类型的磨损，由于其磨损机理不同，可能侧重要求上述 性质中的某一方面或两方面。此外还要注意摩擦副材料配对表面的匹配性，不能孤 立考虑单个零部件的选材问题n8 l 。因此，考虑磨损的材料性能问题相对比较复杂。 一、拉矫辊材料性能要求 影响拉矫辊使用寿命的主要因素是辊子材料的高温性能，要求材料具备以下高 温性能： 1 ) 能在5 0 0 7 0 0 保持高的屈服强度； 2 ) 具有良好的高温抗氧化性能； 3 ) 有一定的红硬性； 4 ) 抗高温疲劳裂纹形成及扩展的能力。 二、拉矫辊的失效形式 连铸辊是连铸机的重要部件之一。由于拉矫辊的工作环境恶劣，连铸辊在工作 中的过早破坏，已严重影响连铸机的连续性生产，同时辊子的破坏也造成钢坯生产 成本的提高。尤其是温度和应力较大的a 辊，通常使用寿命只能达到2 3 个月。失 效形貌见图2 6 ，影响拉矫辊失效的因素很多且相互影响，其失效形式及原因主要 有： ( 1 ) 磨损。根据对现场连铸辊的使用情况调查，拉矫辊的破坏形式主要是以磨 损为主，造成辊子磨损的直接原因是当高温钢坯与拉矫辊辊面在压力下紧密接触 时，钢坯对辊面产生粘着磨损；高温钢坯( 8 5 0 以上) 表面再生的氧化铁皮在压力 作用下破碎，其碎片作为磨粒不断磨削拉矫辊辊面，形成磨粒磨损。 ( 2 ) 热疲劳破坏。工作状态的辊子表面环向温度分布极不均匀，温差高达3 0 0 ，同时由于辊子内部通冷水，使得辊子截面温差也很大，由此在辊子表面及内部 产生了非轴对称不均匀分布的热应力，并且是周期性变化的，而且在辊子的内外表 面处的应力幅值很大，易在辊子表面产生热疲劳而发生龟裂，在机械应力和热应力 的联合作用下，促使裂纹向深处扩展，最终导致辊子断裂。 ( 3 ) 压痕。原拉矫辊材质虽然在常温下具有很好的屈服强度，但在工作温度下， 1 6 硕士学位论文第二章连铸拉矫辊的工作条件及失效分析 该材质的屈服强度急剧下降不适合连铸拉矫辊的高温工作条件 一 圈26 拉矫辊失效形貌 222 拉矫辊的粘着磨损机制 一、产生粘着磨损机理与原凼 粘着磨损是由摩擦表面的引力作用引起的，接触界面上的分子在表面形成粘着 耦合，法向应力和切向应力使摩擦表面的隔离层、润滑层及氧化膜发生破坏，从而 摩擦力剧增，摩擦变得迅猛而强烈。粘着力的大小与摩擦表面的清洁程度、吸附层 及润滑状态有关。粘着结合机制与接触物体的电子结构、介电子沐度、界面处自由 电子的密度有关另外，原子的结合能，表层上原子的分布，表面层的组织状态及 晶体点阵的缺陷等对粘着磨损也有蕈要影响。实验证明，粘着现象与硬度、弹性模 量、熔点、表面能、溶解潜热及原子尺寸没有单值的依存关系“。 粘着的原因是由于固体原予间的结合力，即所谓粘着分子理论。试验证明，在 真空室内，在完全净化的玻璃板上放上净化了的铝片，然后在铝片上放上净化了的 金粒，发现金能牢固地粘在铝上，它们之间的结合力很强，当把金粒与铝片分开时， 断裂部位不是发生在金和铝之间，而是发生在玻璃片上”“。说明清洁表面原子间的 作用力是十分强烈的，粘着和转移是完全可能的。 当机械零件在空气中或润滑剂中工作时，零件表面往往有一层氧化膜或其它粘 着膜，有防止或减少粘着的作用，但是拉矫辊工作在较高的载荷之下，由于法向应 力和切向应力的作用，会使表面膜破裂，呈现出新鲜的金属表面，即使在1 0 “秒的 短暂时间内就可使大部分新鲜表面立刻重新发生氧化，但因在运动中的摩擦副问微 凸体表面氧化膜的破裂和金属的塑性流动几乎同时发生，纯净金属间的接触还是存 在的，因此，粘着磨损足不可避免的”。 粘着磨损的形式取决于粘着的强度和粘着表面下材料的强度等因素，如果粘着 硕士学位论文第二章连铸拉矫辊的工作条件及失效分析 强度比摩擦副两基体金属的强度都弱，剪切将发生在界面上，这时磨损极小；如果 粘着强度大于基体金属的强度，则剪切将发生在离界面的金属表层内，金属将从一 个表面转移到另一个表面上，形成粘着磨损8 1 。 二、磨屑的形成过程 磨屑是由于微凸体间的相互粘着作用而形成的，在脱落之前有一定的潜伏期， 要经过很多次接触后才发生脱落。离开表面的碎屑不会立即变成磨屑，先粘附在配 对材料的表面上，在表面有个积聚阶段，在没有达到平衡状态前，转移磨粒的数量 逐渐增多，及至达到平衡状态为止，粘附在配对体表面上的碎屑也可能和一部分材 料一起再转移到母体上来，这样往复转移，碎屑的尺寸有所增大，只要内聚力能将 这些碎屑一起吸住，碎屑就一直粘着。碎屑表面上有吸附的气体，会形成隔离层， 有降低内聚力的作用。所以脱落下来的磨屑要比转移过去的碎屑的尺寸大得多。其 形成的过程如图2 - 7 n 们： 图2 - 7 碎屑形成过程 1 8 硕士学位论文第二章连铸拉矫辊的工作条件及失效分析 三、粘着磨损方程 由于目前还没有完善的粘着磨损理论，所以还不能用计算的方法预计摩擦时粘 着力的大小，但粘着作用力不但与材料的弹性变形和塑性变形有关。而且还与真实 接触面积的总和有关，因为表面力就作用在这些接触处，在某些情况下粘着作用的 程度与固体表面能有关，即与形成新表面所必须的功有关。由于不能精确考虑各种 摩擦副的材料特性、表面膜、润滑状态等因素影响，因此不能确切定量计算，但 得出了粘着磨损的基本定律： ( 1 ) 磨损的体积与滑动距离成正比； ( 2 ) 磨损的体积与载荷成正比； ( 3 ) 磨损的体积与较软的一种材料的屈服极限( 或硬度) 成反比。 得出了粘着磨损的基本磨损方程。 职 矿工 s 3 只 ( 2 1 7 ) 式中：矾一体积磨损量 s _ 滑动距离 k 一粘着磨损系数 l 一法向载荷 p c 一较软表面材料的屈服压力 上述磨损定律只是一个简单的模型，与实际情况相距尚大，目前常用改变磨损 系数k 的方法来适应各种不同的磨损条件，即把其它因素都归之于k ，因此k 的变化 范围便很大。 然而，当载荷增大到某一临界值时，磨损急剧增大，这说明载荷增大时，实际 接触