（机械设计及理论专业论文）铸轧辊辊套热结构耦合分析及其疲劳寿命研究.pdf

硕士学位论文摘要 摘要 铝连续铸轧技术生产工艺流程短、产品质量优良而日益在国内外受到越来越 多的重视。截止2 0 0 5 年底，我国现有铸轧机2 8 0 台。作为铸轧机的核心部件， 铸轧辊在铸轧生产中起着极为重要的作用。在铸轧过程中，铝熔体在辊缝中冷却 和凝固所散发的热量主要是通过其与辊套的接触传热到辊套上，然后由辊套内部 的循环冷却水不断的冷却辊套，带走热量。可见，辊套承受周期性的热载荷冲击， 在热应力、轧制应力、装配应力等载荷综合作用下，产生机械疲劳和热疲劳，导 致辊套失效。辊套除正常磨损外，主要是过早产生疲劳裂纹，提前失效，这种情 况在生产中占8 0 以上。由于辊套价格昂贵，如果其提前失效，将会增加生产成 本，因此研究提高辊套的使用寿命具有重大意义。 本文根据国内外对铸轧辊使用寿命研究分析的基础上，运用大型有限元分析 软件a n s y s 对连续铸轧过程中的辊套进行热结构耦合建模和求解分析，主要研 究如下： ( 1 ) 建立辊套传热的数学和物理模型，解决了铸轧过程中存在质量传输和 周期性运动边界的问题，得到辊套的温度场分布规律； ( 2 ) 在辊套温度场分析的基础上，考虑到在铸轧过程中辊套承受轧制应力、 热应力、装配应力等载荷综合作用，对辊套进行热结构耦合分析，得到辊套的应 力场分布规律； ( 3 ) 通过仿真得到的辊套温度场、应力场分稚规律，分析辊套产生疲劳裂 纹的原因，并且根据金属疲劳累积损伤理论和断裂力学理论，研究辊套疲劳裂纹 形成及扩展寿命规律，建立辊套疲劳寿命预测模型； ( 4 ) 全面分析了不同铸轧生产工艺参数，如铸轧速度、铸轧区长度、冷却 水强度、辊套厚度、装配过盈量等，得到不同条件下辊套的温度场和应力场分布， 得出有利于提高辊套使用寿命的最佳匹配参数，在此基础上，提出一系列能延长 辊套使用寿命的方法，并对辊套的疲劳寿命进行实例计算； ( 5 ) 对铸轧辊辊面温度进行现场温度测试，并采集相关数据。实验研究证 明，仿真结果与实验测试数据基本吻合，从而验证了模型的可靠性；实际生产中 辊套的使用寿命与本文建立的辊套疲劳寿命预测结果基本吻合，从而证明预测模 型的可靠性。 关键词：辊套，温度场，热结构耦合，疲劳寿命，a n s y s 硕士学位论文a b s t r a ( 玎 a b s t r a c t t w i n r o l lc o n t i n u o u sc a s t i n gt e c h n o l o g yh a sb e c o m em o r ea n dm o r e i m p o r t a n tb e c a u s eo fs h o r tp r o c e s sa n dg o o dp r o d u c tq u a l i t i e si nt h e w o r l d t ot h ee n do f 2 0 0 5 o u rc o u n t r yh a s2 8 0r o l l c a s t i n gm a c h i n e s 1 1 1 e r o l ls h e l li sv e r yi m p o r t a n ti nt w i n - r o l lc a s t i n gp r o c e s sa st h er o l l c a s t i n g m a c h i n e t h eh e a tt h a tt h em e l t e da l u m i n u mg i v e so u ti nt h ec o a r s eo f c o o l i n ga n ds o l i d i f i c a t i o ni sm o s t l yt r a n s f e r r e dt ot h er o l ls h e l l ，t h e ni s a b s o r b e da n dt a k e no u to fb yt h ec o o l i n gw a t e r s o ，t h er o l ls h e l li s i m p a c t e db yt h ep e r i o d i ct h e r m a ll o a d ，i tp r o d u c e sm e c h a n i c a la n d t h e r m a lf a t i g u ea tt h ec o m p o s i t i v ee f f e c t so f t h e r m a ls t r e s s ，r o l l i n gs t r e s s a n da s s e m b l i n gs t r e s s ，a sar e s u l t ，i ti n d u c e st h er o l ls h e l l s i n v a l i d a t i o n b e s i d e sn o r m a la b r a s i o ni n v a l i d a t i o n ，m o s to f t h er o l ls h e l i s e a r l yp r o d u c ef a t i g u ec r a c k sa n dr e s u l ti t si n v a l i d a t i o na h e a do fs c h e d u l e ， i ti sa b o v e8 0 i nt h er o l l c a s t i n gp r o c e s s t h er o l ls h e l li s v e r y e x p e n s i v e ，i f i te a r l ye n d si t sl i f e t i m e ，i ta d d st h ec o s to f p r o d u c t i o n ，s o t h er e s e a r c ho fi m p r o v i n gt h er o l ls h e l l sl i f e t i m eh a si m p o r t a n t s i g n i f i c a n c e i nt h i sp a p e r ，b a s e do na n a l y s i so ft h er o l ls h e l l sl i f e t i m ea th o m e a n da b r o a d ，t h ea n s y ss o f t w a r ew a su s e dt oc o n s t r u c tt h e t h e r m a l s t r u c t u r e lc o u p l i n gm o d e lo ft h er o l ls h e l la n dr e s o l v ei ti nt h e c o n t i n u o u sr o l l - c a s t i n gp r o c e s s t h em o s tr e s e a r c h sw e r ea sf o l l o w i n g ： ( 1 】t h cm a t h e m a t i c a la n dp h y s i c a lm o d e lo fh e a tt r a i l s f e ri nt h er o l l s h e l lw a se s t a b l i s h e d ，e s p e c i a l l yt h ep r o b l e m sa b o u tm a s st r a n s f e r sa n d p e r i o d i cr o t a t i o n a lb o u n d a r yc o n d i t i o nw e r es o l v e di nt h er o l l c a s t i n g p r o c e s s ，a n dg a i n e dt h ed i s t r i b u t i o nr u l eo f t h er o l ls h e l l st h e r m a lf i e l d ； ( 2 ) b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h er o l ls h e l l st h e r m a lf i e l d t h e r e s e a r c hc o n s i d e r e dt h ec o m p o s i t i v ee f f e c t so ft h e r m a ls t r e s s ，r o l l i n g s t r e s sa n da s s e m b l i n gs t r e s so nt h er o l ls h e l li nt h er o l l - c a s t i n gp r o c e s s 。 a n dc a r r i e dt h r o u g ht h et h e r m a l s t r u c t u r a lc o u p l i n ga n a l y s i sf o rt h er o l l s h e l l ，t h e ng a i n e dt h ed i s t r i b u f i o nr u l eo f t h er o l ls h e l l ss t r e s sf i e l d ； ( 3 ) t h r o u 曲s i m u l a t i o ng e r i n gt h ed i s t r i b u t i o nr u l eo f t h er o l ls h e l l s t h e r m a la n ds t r e s sf i e l d s ，t h ep a p e ra n a l y s e dt h er e a s o n so fp r o d u c i n g f a t i g u ec r a c k so ft h er o l ls h e l l b a s e do nm e t a lc u m u l a t ed a m a g et h e o r y h 硕士学位论文 a b s t r a c t a n dr u p t u r em e c h a n i c st h e o r y ，t h ep a p e rs t u d i e dt h ef o r m i n ga n d e x t e n d i n gr o l e so f t h er o l ls h e l l sf a t i g u ec r a c k s ，a n de s t a b l i s h e dt h e e s t i m a t i n gm o d e lo f t h er o l ls h e l l sf a t i g u el i f e t i m e ； ( 4 ) t h ep a p e rc o m p r e h e n s i v e l ya n a l y s e dt h ed i f f e r e n tr o l l - c a s t i n g t e c h n i c a lp a r a m e t e r s ，s u c ha sr o l l c a s t i n gv e l o c i t y ，l e n g t ho fr o u - c a s t i n g a r e a ，s t r e n g t ho f c o o l i n gw a t e r ，t h i c k n e s so f r o l ls h e l l ，e x c e s sl e n g t h so f a s s e m b l a g ee t c ，a n dg a i n e dt h ed i s t r i b u t i o nr u l e so fr o l ls h e l l st h e r m a l a n ds t r e s sf i e l d su n d e rt h ed i f f e r e n tc o n d i t i o n s b a s e do nt h er e s e a r c h ，t h e p a p e rr e c e i v e dt h eb e s tm a t c h i n gp a r a m e t e r so fp r o l o n g i n gt h er o l ls h e l l s l i f e t i m e t h e nap r a c t i c a le x a m p l ei sg i v e nt oc a l c u l a t et h er o l ls h e l l s f a t i g u el i f e t i m e ( 5 ) f a c t u a lt e s t i n gs u r f a c et e m p e r a t u r e so f ar o l ls h e l lw a sd o n ei na f a c t o r y ，a n dt h e c o r r e l a t i v ed a t u mw e r ec o l l e c t e d t h ee x p e r i m e n t b a s i c a l l yp r o v e dt h es a m e n e s so f s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a sar e s u l t ， t h ee x p e r i m e n tp r o v e dt h er e l i a b i l i t yo f m o d e l t h r o u g ht h es t a t i s t i c so f a r o l ls h e l l sl i f e t i m ei np r a c t i c e ，i th a dac o n c l u s i o nt h a tt h ep r a c t i c a l l i f e t i m eo f r o l ls h e nw a sb a s i c a l l ye a u a lt h el i f e t i m eo f e s t i m a t i n gm o d e l ， s oi tp r o v e dt h er e l i a b i l i t yo fr o l ls h e l l sf a t i g u el i f e t i m ee s t i m a t i n g m o d e l k e yw o r d s ：r o l ls h e l l ，t h e r m a lf i e l d ，t h e r m a l s t r u c t u r a lc o u p l i n g ， f a t i g u el i f e t i m e ，a n s y s 1 1 1 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：弛日期：三翌主年j 角翌日 关于学位论文使用授权说明 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，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、缩印或其他手段保存学位论文； 学校可以根据国家或湖南省有关部门的规定送交学位论文。 储虢钍导师虢盘譬吼等砌孕日 硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 铸轧辊在连续铸轧工艺中的地位 双辊连续铸轧是一种特殊的金属成形工艺，在铸轧过程中金属从熔融状态 经两个相向旋转并通有内部循环冷却水的轧辊在3 5 9 5 哪的铸轧区内，o 1 1 o s 左右的时间里面强制冷却而凝固结晶，最后被轧制成形【”。连续铸轧与传统的半 连续铸造( d c ) + 热轧法以及双带式连续铸轧法生产铝带坯的工艺流程示于图 l 一1 。 ，= 净 玉一莎 4獭缀 。? o ；。：? 一，? o ，? 罗 震 誓 爹 ， ； 熬+ 熬魏 ( 8 ) 直冷铸造+ 热轧工艺 一 一詹i 辘缓 转毓镣糕 i ( b ) 双带式连续铸造工艺 篝飘褥瓣酽蠼臻糕晦一擎v7 警“4 键嘤譬。一秽密飞零垮。影舻矿”矿棼舻4 吒学z 帮。l 嗡+ 囔 蕊糕镶鹣槐 | 。蠡。一，毫，j 珊p ；i 埘v ；_ 二融。，* # ? t 7 一。 ，4 ( c ) 双辊连续铸轧工艺 瓣溉繁锯 ，豢镑辘褥 图i - 1 从铝熔体到带卷的不同生产工艺流程 m季。嗨。，擘萋o硪 。 硕士学位论文第一章绪论 连续铸轧由于将铸造和轧制过程融为一体，省掉了传统生产方法的许多中 间工序，已成为生产铝板带材的一种主要方式，其产量占国内带坯的6 0 以上 【2 ，扪。 铝板带连续铸轧中，铸轧辊是最重要的生产工具，其质量和寿命直接关系到 板带质量和生产率。铸轧辊工作时其表层和近表层处于复杂的受力、受热状态， 伴生机械疲劳和热疲劳；不仅发生变形和加工硬化，组织与性能也发生变化。摩 擦损耗与疲劳损耗使铸轧辊形状、尺寸发生变化。现代铝轧制技术要求铸轧辊具 有合理的原始表面硬度与有效的淬硬层( 即工作层) 深度，高的刚性、韧性、耐 磨性、耐冲击性、耐疲劳性、耐折弯性及近年出现的表面粗糙性，耐表面缺陷性 耐事故性、可磨性，以降低单位产品的铸轧辊消耗。为此铸轧辊的制造技术与使 用技术都有了很大的进步【4 1 。 1 2 铸轧辊的失效形式及研究现状 1 2 1 铸轧辊的失效形式 铸轧辊的使用寿命主要取决于辊套的寿命。通常每生产3 0 0 8 0 0 t 铸轧板后 则需对铸轧辊进行车、磨削加工。每次车、磨削的加工量为3 m m 左右，现在一 般新辊套厚度为5 0 m m ，允许使用的最小厚度为2 5 m m ，所以实际车磨次数为5 8 次，每对辊套约生产铝板坯4 0 0 0 t 后，即需要更换新的辊套。2 0 世纪8 0 年代初 至今对几个铝轧制厂共3 8 根报废轧辊的调查结果见表1 1 【4 】。轧辊损坏分为正常 磨损、特殊磨损两大类。 表i - 1 轧辊损坏调查表 损坏类型铸轧辊( 巾5 0 0 - - 7 0 0 ) m m x ( 1 3 0 0 - , - 2 0 0 0 ) m l n 报废数 占报废总数比例 正常磨损 92 3 6 裂纹 2 36 0 5 掉( 重) 皮 41 0 6 整体断裂 25 3 合计 3 81 0 0 1 、正常磨损 随使用时间延长，轧制吨位与磨辊次数增加，轧制与磨削时轧辊金属微粒不 断与辊身分离，工作层变薄，辊身直径d 变小，耐磨性下降，辊面硬度( h s 值) 2 硕士学位论文 第一章绪论 与表面粗糙度( 飚) 值发生变化。当d 值与h s 值降至最小允许值时，即使轧辊 无其他报废缺陷也将停用，这叫自然磨损或正常磨损。可用单位产品消耗的轧辊 质量( k 卵) 、单位产品消耗的工作层厚度( 1 1m t ) 或单位工作层厚度的轧制吨 数( t t tm ) 表示。经计算，铝板带t l s s j 时工作辊的平均耐磨性，热轧为( 1 也) t u n t ；支撑辊为( o 2 , - - 0 5 ) pm 厂r 。 由表1 1 可知，热轧工作辊因正常磨损的报废率分别约占2 5 。 2 、特殊损坏 轧辊直径、硬度均在允许范围之内，因出现某些缺陷甚至断裂而导致轧辊报 废叫特殊损坏，其主要形式如下。 a 、表面裂纹 辊套在使用过程中经受周期性载荷和热交变应力作用，经过一定时间后引起 表面疲劳而产生微裂纹( 俗称“龟裂”) 。热轧工作辊的裂纹报废率为6 0 ，即 占特殊损坏的8 0 ( 见表1 - i ) 。由7 0 0 m m 热轧工作辊较深裂纹多发生于d 值较 大时：d 6 9 0 m m ，h 。 5 0 m m ：d = ( 6 8 0 - 6 9 0 ) n l l n ，h 2 0 咖；d 6 8 0 m m ，h 1 0 n a n 。 裂纹发生区域在接触区域内，以铸轧辊中部最多。裂纹形态见图卜2 ，各种 裂纹发生的几率大体接近。 r h4 h h 1f p 图1 - 2 铸轧辊表面裂纹形态 a 一轴向；b - g 状；0 - 周向；d - 龟裂；e 一网状 轧辊制造质量对裂纹形成、扩展有重要影响，尤其是由于轧辊金属不均匀性、 不致密性缺陷( 夹杂、粗晶、偏析、微裂纹等) 导致的缺口敏感效应，会在工作 应力、热应力、组织应力和淬火残余应力复合作用下促进裂纹的传播与增值，最 终导致裂纹损坏。 b ，重皮与掉皮 重皮是辊套表面较薄层鱼鳞状剥落，多发生于工作辊；掉皮是辊面上较大面 积、较深的片状剥落，多发生于支撑辊。它们都是在d 值较大时发生于工作层 内。由表1 1 可知，热轧工作辊掉、重皮的报废率分别为1 0 - - 2 0 。重( 掉) 硕士学位论文 第一章绪论 皮是辊面上的网状、环状裂纹、局部冶金缺陷、局部过热与机械损伤在交变机械 应力与热应力作用下逐步扩展形成的崩落。 c 、断裂 轧辊断辊报废率占5 。根据日本对1 8 6 根轧辊断裂的统计分类，断辊工有 7 种形式。辊身中部正断最多，占8 5 ，对角断裂占8 ，其他断裂各占1 。1 5 。 断辊多发生于非传动端，是由于该端独立承受轴向应力。轧辊原始质量低劣( 例 如辊内严重偏析、疏松与裂纹、残余奥氏体、网状碳化物与粗大晶粒的片状珠光 体过多) ，表面硬度和残余应力过大等都将导致断辊，包括淬火断辊、未经使用 的自然存放断辊和使用时的过早断辊。不正确使用也将断辊，包括磨削时因局部 过热而引起的磨削开裂。 铸轧辊主要存在上述三种情况失效形式，并且都是由辊套失效引起的。研究 辊套的失效机理及疲劳寿命是本文的工作重点。 辊芯失效的情况很少见，但也存在。辊芯失效一般为水槽堵塞和水槽破裂。 水槽堵塞是由于水槽结构不好及水质不符合要求造成的。水路的局部堵塞使铸轧 辊塑性变形加剧，将影响板材的几何精度；辊芯两侧单位压应力较大和辊芯调质 硬度偏高，造成铸轧中辊芯两侧水槽破裂，严重时就堵塞了水路。 1 2 2 铸轧辊使用寿命的研究现状 国内外一些学者专家主要从铸轧辊的材质、辊套与辊芯的装配方式、辊套 与辊芯的冷却水槽结构、辊套的重磨方式、辊套厚度、铸轧生产时辊套表面的润 滑方式等方面对提高铸轧辊的使用寿命作了有意义的研究。 几年来，国内外同行从辊套材料、冷热加工、辊套结构等方面进行了大量实 验。例如日本t a m o t s u f u s a d a 通过合金元素对导热性能的影响研制了高导热率辊 套钢；美国则使用5 c r n i m o v a 合金工具钢提高材料的高温强韧性；法国彼施湟 公司生产的j u m b 0 3 c 辊套是使用导热性非常好的铜合金材料提高生产率，尽管 还存在辊面硬度、耐磨等问题【5 】。 日本的宫泽贤二的实验研究指出【6 】：奥氏体温度越高，材料抗热裂性及高温 机械性能越好；当奥氏体温度一定时，有一个最佳的耐热裂性回火温度范围。根 据以上实验结果，宫泽贤二对a 级钢( 0 5 5 c ，1 1 c r ，0 5 m o ) 选用了较高 的奥氏体化温度和较高的回火温度，经此处理的辊套寿命提高5 6 - - 8 5 。 比利时s i d m a r 公司正在采用电子束织构化方法来代替传统的喷丸技术【4 】， 因为传统的喷丸使轧辊表面产生一种不可预见的织构化表面，研磨后任何保留下 来的硬喷丸都会使轧辊粗糙度r a 的值降低。喷丸还能在轧辊表面上产生潜伏波 纹，这种波纹接着被印制在铝坯上，不利于生产精度要求。而采用电子束织构化 4 硕士学位论文 第一章绪论 方法处理辊面，可以提高耐磨性，还可以提高表面粗糙度的r a 值，不会引起波 纹，这就可以使粘结印痕的影响程度减小。轧辊表面织构化，可以减缓表面裂纹 的扩展速度，延长辊套使用寿命。 法国富兰斯厂对同一规格的辊套采用两种修磨制度【l 一种是辊套表面裂纹 发展至第二阶段末之前进行修磨，另一种是辊套表面裂纹发展至第三阶段才进行 重磨，其使用寿命曲线如图1 3 所示，图中实线为多次少量的磨辊方式，虚线为 少次多量的磨辊方式。这两种修磨制度，辊套使用寿命相差4 0 左右。 l 蒯 倒 榔 骤 运行时间t h 图l 一3 两种重磨制度的辊套寿命 上海铝加工厂和太原铝厂的工程师们在生产实践中总结出提高铸轧辊使用 寿命的方法【6 ，8 】。他们指出，应该从抗热疲劳和蠕变角度来进行结构设计并选择 辊套材料和加工工艺。c r 、m n 、n i 、w 、v 、m o 等元素可以提高钢的淬透性、 硬度、强度和耐磨性，并使钢材韧性和抗疲劳性得以改善。目前国内铸轧辊套材 料大多为3 2 c r 3 m o l v 和p c r n i 3 m o v ，加工过程中采用形变热处理方法可以在不 损失蠕变强度的情况下细化晶粒，从而提高热疲劳抗力。加工的方法对高温疲劳 的影响也很大，辊套表面粗糙度将使疲劳强度显著下降。考虑到加工能力和加工 成本选择r a - - 0 8 1 2 u m 较好。这样，既可以减少摩擦系数，降低铸轧的单位压 力有利于铝液的横向流动，又能减缓裂纹的扩张速度。对于在铸轧过程中出现的 辊套龟裂，当裂纹深度大于2 5 m m 时，应及时车磨修复，车掉龟裂层。残余裂 纹的存在将会使辊套的使用周期大为缩短。为保证这一点，将车削深度定为 5 硕士学位论文 第一章绪论 h 十0 5 m m ( h 为裂纹深度) 。在冷却系统设计中，保证对水温、水压及流量进行 调控，使冷却强度始终保持稳定。水槽结构如图1 4 所示，水槽采用不锈钢堆焊， 堆焊深度不小于1 2 m m ，辊芯给回水形式为三进一出。径向进出辊芯的水孔在同 一纵截面内交叉排列可缓解水路的堵塞。合理的水槽结构使辊套的冷却效果加 强，并减少了水槽的堵塞，从而使铸轧辊寿命延长。 进水孔：1 ，3 ，5 ，7 ，9 ，1 l ，1 3 ，1 5 ，1 7 ，1 9 出水孔：2 ，4 ，6 ，8 ，1 0 ，1 2 ，1 4 ，1 6 ，1 8 图i - 4 辊芯结构 保护层是降低轧制摩擦力及铝液对辊套侵蚀的有效办法【9 】。洛阳铜加工集团 采用胶体石墨溶液作保护层，用真空抽吸喷枪使其成雾状喷向轧辊，较好地达到 了保护辊面的目的，也提高了铸轧辊的寿命。郑州铝业股份有限公司的田淑君通 过实验，对辊面存在温度差异进行分析，从而推断温度梯度的大小是辊面提前出 现龟裂的因素【1 0 1 。铸轧辊在周期性温变化下，使辊套产生膨胀收缩，引起轧辊 尺寸、过盈量发生周期性变化，因受辊芯约束不能自由胀缩导致辊套中产生热应 力。根据热应力计算公式：以= c e = 口( 正一t o e ( 其中以为热应力，为热应 变，e 为弹性模量，口为线膨胀系数) 可知，在稳定铸轧过程中( 互一互) 的变化 6 硕士学位论文第一章绪论 使热应力产生变化，而轧制力f 一定，接触应力不变，当热应力与接触应力叠加 超过轧辊辊面的疲劳极限时，在辊面下约1 5 2 5 u m 处沿与锐角方向产生龟裂( 疲 劳裂纹) 。 同时，田淑君提出两个措施延缓辊套龟裂：一是同时提高轧辊冷却水温，提 高流量，使进水口水温为3 i ，出口为3 3 ，水压仍为0 2 2 m p a ；二是因上下 辊辊径一致，采用两套辊，保持上、下辊辊径相同，交替使用。通过采取以上措 施，可使辊套的磨削周期由原来的约4 8 0 t 延长到目前约5 6 0 t ，使辊套的磨辊周 期延长了1 7 4 ，每次约增加产量8 0 r r ，两对辊互配增加产量1 5 时，从而减少了 磨辊次数，辊套的寿命也比改进前的增加了3 个磨辊周期，产量增加1 1 0 0 t ，同 时降低了铸轧板的单位成本。 国外众多学者用数值模拟、有限元等方法对铸轧辊的温度场进行仿真分析， 结果与现场测试数据基本吻合，得到铸轧辊温度场的分布规律 1 1 , 1 2 , 1 3 , 1 4 , 15 】。 国内中南大学的研究人员对铝连续铸轧技术做了相当多的原创性工作，取得 了丰硕的成果。张立华等学者着重分析了铸轧辊的破坏机理，以及轧制应力、装 配应力、维护和保养等因素对铸轧辊的使用寿命的影响，提出几种提高铸轧辊使 用寿命的有效途径。 他们指出铸轧辊的主要破坏形式为在铸轧过程中辊套表面产生裂纹。裂纹数 量由少到多、由浅至深，最后导致辊套失效。裂纹方向主要沿铸轧辊的轴向分布。 表1 之、1 3 、1 4 分别为轧制应力、装配应力、合成应力的计算结果。 表1 - 2 轧制应力计算结果 轧制应力( m p a ) 规格 ( n u n ) 轧制力辊缝侧非辊缝侧 ( 1 0 蝌) 切向径向轴向切向径向轴向 华北铝 1 4 0 03 9 1 03 3 6 0- 7 8 8 0 0 6 42 6 16 9 4 7 由9 6 0 1 6 0 0 成都铝 2 0 4 2 52 1 2 04 3 1 0- 6 2 2 00 7 9- 1 3 95 9 9 0 巾1 0 0 3 1 8 4 8 7 硕士学位论文第一章绪论 表1 - 3 装配应力计算结果 规格 辊套厚度过盈量辊套外表面上的装配应力( m p a ) ( m m ) ( n u n )( m m ) 切向径向轴向 华北铝8 0 o 1 0 1 4 4 5 0 4 3 4 由9 6 0 1 6 0 0 成都铝5 1 51 01 4 3 0 0 4 2 5 巾1 0 0 3 1 8 4 80 39 1 802 7 5 表1 - 4 辊套上合成应力 过盈量( m m ) 主应力及合成应力辊缝侧( m p a )非辊缝侧( m p a ) 0i 1 3 2 2 0 1 5 6 9 6 0 2 1 3 6 79 9 9 0 1 o 0 3 5 2 1 41 0 l o ( v o n m i s e s 理论) 1 6 8 4 91 3 8 5 5 0i 1 2 65 8 5 2 o 3 o2 5 1 4 4 7 4 8 o3 6 0 8 81 o l 0 ( v o n m i s e s 理论)4 4 7 65 5 7 7 比较表1 - 2 ，1 - 3 可以看出，辊芯、辊套间的大过盈量配合在辊套外表面圆 周方向上产生的装配应力远大于轧制应力( 辊缝侧为3 7 “7 倍，非辊缝侧为 1 6 4 2 2 6 倍) 。辊套表面裂纹主要沿轴向分布的现象表明，辊套圆周方向上较大的 拉压应力会加速裂纹的发展，导致辊套的使用寿命大幅度降低。当采用小过盈量 配合时，辊套外表面圆周方向上产生的装配应力将大幅度降低( 装配应力与轧制应 力相比，辊缝侧为0 3 9 倍，非辊缝侧为9 7 倍) 。表1 - 4 为成都铝铸轧机辊套中心截 面外表面上的合成应力( 含装配力、轧制力、轧制力矩) 。从表1 4 可以看出，采用 大过盈量配合较之小过盈量配合，合成应力相差2 5 3 8 倍。轧辊处于高应力状态 下工作，辊套的抗热疲劳强度将会大大削弱，因此，从铸轧辊结构设计方面来考虑 由于轧制力为工作载荷，调整变化的范围不大，所以如何减少装配过盈量是提高辊 套使用寿命的关键之一。 中南大学的学者们还从维护和保养方面指出提高铸轧辊使用寿命的方法。为 了延长铸轧辊的使用寿命，应该掌握好进行重磨的时间、重磨量和重磨后的表面 粗糙度。铸轧辊重磨时间一般应在辊套表面裂纹发展第二阶段末之前，这时裂纹 深度不要超过4 m m 较为合适。为了将裂纹修磨干净。重磨量比实际裂纹深度增加 硕士学位论文 第一章绪论 0 5 r a m 为宜。有关资料表明，如果修磨不干净，留下1 0 0 u m 深的裂纹，经过3 0 0 0 个 热循环周期后。测得的裂纹深度与修磨干净的铸轧辊相比增加了4 倍。如果等到 辊套表面裂纹发展至第三阶段才进行重磨，将会大大增加一次的重磨量。采用多 次少量的磨辊方式可以提高铸轧辊的使用寿命，其使用寿命一般较前者提高 2 0 - - 4 0 。 1 3 课题来源和研究内容 本课题来源于某铝厂和中南大学合作项目“提高铝连续铸轧技术的研究”。 本课题研究提高铸轧辊使用寿命的方法是提高铝连续铸轧技术的一部分，用于铝 连续铸轧生产过程中延长铸轧辊使用寿命，降低生产成本，提高经济效益。 铝连续铸轧机在铝板生产中有相当重要的地位。截止2 0 0 5 年底，全国现有 铸轧机2 8 0 台。作为铝板坯连铸机的铸轧辊，在生产过程中与液态金属铝接触， 使铝液快速冷却、结晶凝固，并施以一定的压下量进行$ l n 加工，其间铸轧辊承 受着极其复杂的热应力。恶劣的工作条件，促使了铸轧辊的快速失效。铸轧辊价 格昂贵，如果过早失效，将会增加生产成本，不利于生产企业提高经济效益。对 于铝板生产厂家，如果可以通过合理确定铸轧生产工艺参数和加强维护保养以提 高铸轧辊使用寿命，按铸轧辊车磨一次使用3 0 天，每付铸轧辊重修6 次，则单 台铸轧机全年( 年生产时间按3 0 0 天计算) 铸轧辊的使用量相差o 5 对，按照每 对铸轧辊辊套售价5 0 万元计算，则单台铸轧机每年节约2 5 万元，经济效益是很 可观的。因此，提高铸轧辊使用寿命的研究是很有意义的。 s a r c l a d 公司数据认为，9 0 的轧辊故障是由于辊套表面裂纹造成的，因此， 延缓辊套龟裂是提高铸轧辊使用寿命的最有效途径。而影响辊套疲劳裂纹产生的 因素有很多，本文主要从使用者的角度考虑，即如何更好的使用辊套以致其达到 最大使用寿命。所以，本文主要从合理确定铸轧生产工艺参数和加强维护保养这 两方面研究提高铸轧辊使用寿命的途径。 因此本文是以铸轧辊的辊套为主线，首先从了解辊套的工作环境入手，接着 分析该环境对辊套寿命的影响，然后提出提高辊套寿命的方法，最后实验验证该 方法的准确性。 本课题研究的具体内容包括如下几个方面： ( 1 ) 通过对铝连续铸轧过程中辊套的传热特点分析，建立连续铸轧过程中 辊套温度场有限元分析模型，运用a n s y s 有限元分析软件仿真得到辊套温度场 分布规律。 ( 2 ) 在辊套温度场分析的基础上，通过转换分析单元，继续运用a n s y s 9 硕士学位论文 第一章绪论 对辊套进行热结构耦合分析，得到在轧制应力、装配应力及热应力耦合条件下辊 套的应力场分布规律。 ( 3 ) 通过仿真得到的辊套温度场、应力场分布规律，分析辊套疲劳裂纹产 生的原因；并研究辊套疲劳裂纹的形成及扩展寿命，得到辊套寿命的预测表达式。 ( 4 ) 通过分析不同的铸轧生产工艺参数，得到利于提高辊套使用寿命的参 数；从配合过盈量、热装配工艺、修磨工艺，辊套保护层、辊套厚度等维护保养 方面提出提高铸轧辊使用寿命的方法；在合理确定铸轧生产工艺参数及采用良好 的维护保养制度下，对辊套疲劳寿命进行实例预测。 ( 5 ) 根据上述对提高铸轧辊使用寿命的研究，通过现场实验及生产数据统 计，证明所建模型的可行性和研究的可靠性。 1 4 本章小结 在查阅大量国内外文献资料及现场观测的基础上，综合介绍了轧辊技术的发 展方向，简要分析目前铸轧辊存在的主要失效形式，重点介绍国内外学者、专家 对于铸轧辊使用寿命的研究现状。最后介绍了本课题的来源、研究目的、研究意 义和研究内容。 1 0 硕士学位论文第二章辊套的温度场研究 第二章辊套的温度场研究 连续铸轧技术的主要特点是转动的铸轧辊既是结晶器又是轧辊，使温度高达 7 0 0 c 的金属熔体在其间经过铸造和轧制直接生产出不同厚度的带坯。在铸轧区 内，铝材凝固和冷却所散发的热量主要通过它与铸轧辊的表面接触传递到辊套内 部，然后由辊套与辊芯间的循环冷却水不断地将轧辊系统的热量携带至轧机外冷 却水池，经铸轧初始立板阶段后，系统逐渐达到热平衡，使铸轧过程进入稳定连 续进行状态。其中影响铸轧过程最核心、最敏感的因素是温度，而过程中又有多 种放热与传热机制，且这些环节又受更多因素的影响，如铸轧速度、铸轧区长度、 冷却水换热系数等，因此描述铸轧过程温度场是一个十分复杂的问题，也是一个 十分重要的问题，只有揭示铸轧辊的温度场分布规律，才能更好揭示铸轧辊的应 力分布规律。 本章以温度为主线，建立铸轧过程铸轧辊的温度场的有限元分析模型，借以 仿真温度场的分布规律，同时也为进行计入热结构耦合的连续铸轧过程分析提供 基础。本章的难点和特点是：研究对象是处于质量传输的传热问题，这类问题的 处理比较复杂。 2 1 辊套的传热微分方程 2 1 1 传热基本定律及方程 传热包括热传导、热对流和热辐射三种形式。传热理论包括微观和宏观两个 部分。微观理论是用热动力学说和分子运动模型来描述传热的机理。描述微观性 态的数学物理模型还很不完善。但是在进行实际应用时，可以借助一些已经被实 验验证了的事实为基础的假说。支配传热现象的基本定律是傅立叶( j b f o u r i e r ) 定律【1 6 1 ，即温度场与热流场的联系，用数学形式表示出来为 牙= - k g r a d t ( 2 1 ) 式中：牙为热流向量；f f r a d t 为温度梯度；k 为导热系数。 式中的负号表示虿的方向始终与g r a d t 相反。上式在数学场论中利用梯度和 散度的向量形式推导微分方程是很方便的。但在一般分析计算中，用得更多的是 它的分量形式 硕士学位论文 第二章辊套的温度场研究 l o t q x2 一席o x q y = 一k 面o t ( 2 - 2 ) b 一后警 根据能量守恒定律，在各向同性物体内，温度场连续的点上，f o u r i e r 定律 成立，有 d i v ( k g r a d t ) + q 7 = 昙胪，( 2 3 ) 式中：q l 为体发热强度( 单位时间单位体积发出的热量) 。 严格地讲，密度p ，比热c ，导热系数k 都是温度的函数，但对于一般固体 而言，密度p ，比热c 受温度影响远小于导热系数后，则2 - 3 式可写为 d i v ( k g r a d t ) + q 7 = p c 昙r ( 2 - 4 ) 式中：k 为常数，则2 - 4 可写成 k d i v ( g r a d t ) + q = 胆昙r ( 2 5 ) 或： k v 2 t + q t = 舻昙丁 ( 2 6 ) 式2 - 6 常称为“f o u r i e r 导热微分方程”，或简称“f o u r i e r 方程”。式2 - 6 还可 写成 v 2 n 譬= 吉筹 协， 其中： 后 口= 一 p c ( 2 8 ) 式中：a 称为“导温系数”或“热扩散系数”。 f o u r i e r 导热方程2 - 6 还包括着稳态导热的情形。此时，挈：0 ，式2 - 7 简 a 7 - 化为 v z t + q ：0 ( 2 9 ) k 式2 - 9 为p o i s s o n 方程。在稳态导热问题中，物性量n 失去了作用，影响该 过程的物性参数只有导热系数k 。 若温度场内没有热源，则q = 0 ，式2 - 9 进一步简化为 v 2 t = 0 ( 2 1 0 ) 上式为l a p l a c e 方程。由此式可以看出，在无内热源温度场中，稳态条件下， 1 2 硕士学位论文 第二章辊套的温度场研究 物体材料的导热糸效将个影响物体内部的温厦分布。 对于不同的坐标系，f o u r i e r 方程2 - 9 的书写形式是不同的。在直角坐标系中 为 宴+ 娶+ 窑+ q - ：! 塑( 2 - 1 1 ) 一+ 一+ + _ - - j 掰。却2 o z 2 ko l 折 。 在柱坐标系中为 蜜+ 一1 一c 0 2 t + 三婴+ 娶+ ：1 望( 2 - 1 2 ) 踟2 。，a 厂。r 2a 2 o z 2 ko 折 对铸轧辊而言，采用柱坐标最为便利。 对于整体运动而无变形的物体，2 1 2 式右边应为全倒数，即 害+ ；窨+ 专窘+ 窘+ 尘k = 言竽 c z 彤， 西2，跏，2a 2 出2 qd 7 一 2 1 2 辊套传热的控制方程 铸轧过程是极其复杂的过程，集中了高温金属液体的流动，凝固及轧制变形 等现象，如图2 1 【1 刀所示。 图2 - 1 双辊铸轧工艺铸轧区示意图 1 一供料嘴；2 一铝溶液；3 - 液固区；4 一固态金属；5 一辊套；6 铸坯 硕士学位论文第二章辊套的温度场研究 假设辊套材料为均质的各向同性材料，r k ，p 。c 为常数，由于辊套作整体转 动且无变形，无内热源，则由式2 - 1 3 可得，在柱坐标中辊套传热方程为 等= n l ；筹+ 等+ 上等+ 窘l _ 1 u 0 丽o t r 2 r n o 一蚱筹- u w 警 c 2 ， 石一l - 石+ 萨+ 一万+ 虿i _丽一蚱瓦面 旺1 利 式中：t 为辊套温度，；7 | 为时间，s ；n 为铸轧辊材料的热扩散率，m 2 s ；k 为导热系数，w m k ；p 为密度，k m 3 ；c 为比热，j k g k 为圆周速度， m s ；u r 为径向速度，m s ；球。，为轴向速度，m s 。 对铸轧辊而言，除了在铸轧宽度上的两边较窄的区域外，温度沿轴向变化很 小，这里假定温度与轴向无关，则在柱坐标中，其二维导热微分方程为 石ot=。陪筹+oez+；1：0硼2t：1lluo丽cot-urcotcor2 r n o u r o r ( 2 1 5 ) 石钟f 石+ + ；z 硼：l 一 面 一 心q 因为铸轧辊只作匀速旋转，因此玑= o ，则稳态方程为 。陋塑+ 一c 0 2 t + 三宴l ：1 一c o t ( 2 - 1 6 ) o ；石+ 一o r e + 7 万l r u 一丽