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东北大学硕士学位论文 摘要 板坯连铸机连铸辊疲劳破坏分析 摘要 连铸辊是板坯连铸机的重要组成部件之一，在连铸机的工作中起着至关重要的作用。 它的工作条件十分恶劣，处在高温、多水、多蒸汽，加上氧化铁皮和保护渣皮等环境中， 这些因素给连铸辊的使用寿命带来了极为不利的影响。在这种环境下任何材料均难以抗 拒裂纹的产生，如果不及时修复就会导致连铸辊断裂，直接影响连铸机的作业率；如果 辊面磨损量过大，还会对钢坯质量造成不良的影响。 梅山l 拌连铸机是从意大利引进的二手设备，1 9 9 8 年投产以来随着使用时自j 的延长， 出现断辊的频次在逐年增加。在这种情况下，就迫切需要分析失效原因，对现有的连铸 辊进行寿命预测及评估。本课题通过对连铸辊材质的试件进行疲劳试验，得到连铸辊的 疲劳极限；利用热力学原理计算出连铸辊外表面的温度分布；利用a n s y s 软件分析得 到连铸辊的温度场和应力场；并且应用现代强度理论对连铸辊的裂纹形成寿命进行了估 算。计算结果基本符合梅山l 群连铸机连铸辊的工作情况。 总体而言，通过进行连铸辊寿命评估，可以对现有的连铸辊的使用寿命进行预测， 判断继续使用的可行性。为下一步继续修复使用还是更新提供可靠的依据，为连铸辊管 理的科学决策提供参考，对减少不必要的损失和降低因连铸辊异常断裂造成的停机事故 和降低检修成本都具有重要的意义。 关键词：连铸机连铸辊热应力温度场疲劳寿命 i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r t a n a l y s i so nt h ef a t i g u eb r e a k a g eo fr o l l e r i nc o n t i n u o u sc a s t i n gm a c h i n e a b s t r a c t r o l l e r ，w h i c hi so n eo f t h ek e yc o m p o n e n t so f t h ec o n t i n u o u sc a s t i n gm a c h i n e ，p l a y sa n i m p o r t a n tr o l ei nt h ep r o c e s so fo p e r a t i o n h o w e v e r , s o m eh a r dc o n d i t i o n ss u c ha sh i g h t e m p e r a t u r e ，m o i s t n e s sa n do x i d i z a t i o nb f i n gb a di n f l u e n c et os e r v i c el i f eo ft h er o l l e r a n y m a t e r i a lw o u l dg e n e r a t ec r a c k si nt h i ss i t u a t i o n t h er o l l e rw o u l dc r a c ki fi tw a sn o tr e p a i r e d i nt i m e a n dt h i sa c c i d e n tw i l ld e c r e a s et h ee f f i c i e n c yo ft h ec o n t i n u o u sc a s t i n gm a c h i n e d u e t ot h ea b r a s i o no f t h es u r f a c eo f r o l l e r , t h eq u a l i t yo f m e t a lt h i ns t r i p sw o u l db ei n f l u e n c e d n o 1c o n t i n u o u sc a s t i n gm a c h i n eo fm e i s h a ns t e e lp l a n ti sas e c o n d - h a n de q u i p m e n t i m p o r t e df r o mi t a l y t h ef r e q u e n c yo fc r a c k sh a si n c r e a s e dy e a rb yy e a rs i n c e1 9 9 8 t od e a l w i t ht h i sp r o b l e m ，t h er e a s o nf o rc r a c k ss h o u l db ea n a l y z e d ，a n dt h ef a t i g u el i m i t a t i o no ft h e c r a c ks h o u l db et e s tb yf a t i g u ee x p e r i m e n t t h i sp a p e ru s e dt h et h e r m o d y n a m i ct h e o r ya n d a n s y ss o f t w a r et oa n a l y z ea n dc a l c u l a t et h et e m p e r a t u r ef i e l da n dt h e r m a ls t r e s sf i e l do f r o l l e ro fn o 1c o n t i n u o u sc a s t i n gm a c h i n eo fm e i s h a ns t e e lp l a n t t h em o d e mm e c h a n i c a l s t r e n g t ht h e o r yw a sa p p l i e d t oe s t i m a t et h ef o r m a t i o nl i f eo ff a t i g u ec r a c k t h er e s u l ti st h a tt h e e s t i m a t e dl i f eo fm i l e ra c c o r d e dw i t hf a c to nt h ew h o l e i nt h i sp a p e r , t h ea u t h o rp r e s e n t e dt h e m a i nr e a s o n so fw h i c ht h ef r e q u e n c yo fr u p t u r ei n c r e a s e dm a r k e d l ys i n c et h el a s tt w oy e a r s a n d p r o v i d e ds o m es o l u t i o n st or e s o l v et h i sp r o b l e m i naw o r d ，a c c o r d i n gt ot h ee s t i m a t i o n ，w ec a ns p e c u l a t eo nt h ea c t u a ls e r v i c el i f eo f r o l l e r i th a sd e e ps i g n i f i c a n c ei na f f o r d i n gr e l i a b l ec r i t e r i o nt od e c i d ew h e t h e rt oc o n t i n u e m e n d i n g t h er o l l e ro ru p d a t e ，p r o v i d i n gt h er e f e r e n c ef o ra d m i n i s t r a t i o n ，a n dr e d u c i n gt h el o s s c a u s e db yt h er u p t u r eo f r o l l e r k e yw o r d s ：c o u t i n u o n sc a s t i n gm a c h i n e ，r o l l e r , t h e r m a ls t r e s s ，t e m p e r a t u r ef i e l d ，f a t i g u e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并 表示谢意。 学位论文作者签名：省面砭， 日期：堋；多 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位 论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名：力面仨 签字日期：一一7 弓，舌 导师签名：盘奔彳筝 签字日期：勋7 弓、多 东北大擘硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究背景 近年来我国的板坯连铸技术取锝了很大的进展，2 0 0 3 年国内各种类型的板坯连铸机 ( 如图1 1 ) 已有1 2 0 台约1 8 0 流。板坯连铸生产品种的扩大和质量的提高，为我国基 本建设提供了很好的材料。一大批新技术、新工艺、新的设计理念注入到连铸装备的研 发之中，为整个钢铁工业的发展做出了重大贡献，使连铸比不断提升。2 0 0 2 年，中国的 连铸比攀升为9 2 5 ，高于全球平均水平4 个百分点；2 0 0 3 年上半年已达到9 6 3 6 ， 超过国际的8 9 7 0 平均水平的6 6 6 个百分点。2 0 0 5 年，我国连铸生产伴随着钢铁生产 持续商速增长的形势，再次取得可喜的成绩。据不完全统计，2 0 0 5 年新诞生连铸机共 8 1 台、2 3 5 流，年增产能7 0 8 3 万吨。其中，板坯( 含扁坯) 连铸机增加3 l 台、4 5 流， 年增产能3 3 5 1 万吨：薄板坯连铸轧设备增加3 台、4 流，年增产能7 8 0 万吨；大方坯、 矩形坯连铸机增加l l 台、4 0 流，年增产能5 9 8 万吨；小方坯、矩形坯连铸机增加3 l 台、1 2 9 流，年增产能1 9 9 4 万吨：圆坯连铸机增加3 台、1 1 流，年增产能1 6 0 万吨； 异形坯连铸机增加2 台、6 流，年增产能2 0 0 万吨。2 0 0 5 年新增连铸机平均单流年产能 为3 0 1 4 万吨。新增板( 扁) 坯连铸机和薄板坯连铸连轧设备年产能共4 1 3 1 万吨，占所 有新增连铸机总产能的5 8 3 2 。截至2 0 0 5 年年末，全国正在生产的连铸机累计总台数 达6 7 7 台、2 2 0 7 流，年产能达到4 1 0 7 7 7 5 万吨，其中板( 扁) 坯连铸机和薄板坯连轧 设备的年产能约占年总产能的4 1 。2 0 0 5 全国连铸坯总产量约为3 3 4 2 0 万吨，同比增 加约6 8 9 7 万吨，增长约2 6 。 在连铸坯产量迅速提高的同时，国产的连铸设备水平也在快速提高。例如国产的方 坯连铸机可以与国际同类产品媲美，某些性能甚至超过国际水平。在上世纪8 0 年代初， 国内生产的主要是小方坯连铸，以与中、小转炉( 3 0 吨及5 0 吨以下) 配合为主；8 0 年 代中叶，引进了国外多种机型，经过吸收、消化和创新，提高了国产方坯连铸机的技术 水平和产品功能，并研发出短流程及特钢方坯连铸机。随着高效连铸技术的起步和发展， 钢厂和连铸设备制造企业确立了“高效连铸机技术是一个系统工程”的理念，根据炉机匹 配，生产节奏控制，钢水纯净度及二次精炼，连铸机装备的自动化、智能化等新的要求， 进行设计、研制和刨新，使国产连铸装备提升到一个新的能级，从而大大提高了连铸机 的国产化率。 1 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 尽管国产连铸设备有了足够的长迸，但应该看到，与先进国家相比，还存在一定的 差距，连铸辊的疲劳断裂问题就是其中之一。国产连铸装备要完全适应中国钢铁工业的 可持续发展，要做的工作还有很多。国产连铸装备在技术、工艺上要研发、创新的课题 还很多。 图1 i 板坯连铸机 f i 9 1 is l a bc a s l c r 1 2 课题来源及研究意义 课题源于上海宝钢梅山钢铁有限公司，梅山炼钢厂l 号连铸机目前所使用的连铸辊 基本上都是1 9 9 8 年投产时随意大利二手设备一起安装使用的进口连铸辊。连铸辊在线 使用一段周期后，要求下线修复后再次投入使用。连铸辊正常的使用周期是6 个月。l 号连铸机的连铸辊在投产后一直如此反复修复使用。但是近2 年来，连铸辊在正常的使 用周期内，出现断裂的情况次数明显增加，平均半年断裂3 根，特别是2 0 0 5 年1 0 月份 至2 0 0 6 年3 月已经发生6 根断裂。梅钢一号连铸机的年产量1 6 0 万吨，按每吨利润1 0 0 0 元人民币计算，1 号连铸机一个小时能创造1 8 万元利润。而一旦出现断辊事故，就要停 机换辊，扇形段有十根辊，更换一次需要4 个小时，那么将造成7 3 万元利润损失。与 造价大约是2 5 万元一根的连铸辊相比起来这是一笔很大的损失。连铸辊的断裂情况如 图1 2 ，1 3 ，可以看出这是明显的疲劳断裂。另外还在一些连铸辊上发现明显的轴向裂 纹( 如图1 4 ) ，这也是疲劳破坏产生的。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 图1 2f 0 4 0 0 m m 连铸辊断裂面 f 逛1 2t h er u p t u r eo f 4 0 0 m mr o l l e ro f s l a bc a s t e r 图1 3 矿3 0 0 m m 连铸辊断裂面 f i 9 1 3 t h er u p t u r eo f 3 0 0 m mr o l l e ro f s l a bc a s t e r 图1 4 连铸辊裂纹 f i 9 1 4t h ec r a c ko f r o l l e r 为了解决近期连铸辊断裂频次增加的问题，首先应该对现有的连铸辊进行寿命评估 和可靠性分析。在现有的理论分析基础上，结合生产实际情况，深入研究连铸辊断裂的 - 3 - 东北大学硕士学位论文第一章绪论 根本原因。利用热应力分析、载荷分析、结构分析等方法，计算出梅钢l 号轧机中断裂 连铸辊的使用寿命，找出连铸辊断裂的主要原因。这对判断梅山1 号连铸机连铸辊目前 的整体状况以及继续发展趋势，为下一步连铸辊的修复或更新提供依据都具有现实意 义。与此同时，从连铸机扇形段结构、冷却系统、修复保养等几方面综合考虑，确定一 套保证连铸辊使用寿命的方案。 通过进行连铸辊寿命评估，可以对现有的连铸辊的使用寿命进行预测，判断继续使 用的可行性，为下一步继续修复使用还是更新提供可靠的依据，为连铸辊管理的科学决 策提供参考，减少不必要的损失和降低因连铸辊异常断裂造成的停机事故和降低检修成 本都具有重要的意义。连铸辊的性能决定了铸轧过程是否能够顺利进行，同时也是获得良 好的带坯质量的基本前提。连铸辊经常损坏不仅本身造成经济损失，更重要的是直接影 响连铸机的工作率，增加维修工作量，因此提高连铸辊的使用寿命是从未间断的课题， 具有重要的技术、经济意义。 1 3 国内外研究现状 为了满足连铸辊的性能要求，国外在2 0 世纪六、七十年代使用的辊体材料以普通碳 素钢和普通c r - m o 钢为主，在2 0 世纪八十年代以后向c r - n i m o v 多元低合金钢发展，主 要是通过增加合金元素的种类及含量改善辊体材料的热处理性能，提高材料的断裂韧性 和其他性能。连铸辊的制造技术也由整体锻造辊发展到目前的表面处理的复合辊技术， 获得具有优越辊面性能的复合辊，使用效果明显提高，不仅可以提高连铸辊的使用性能，而 且可以降低成本。除了堆焊技术以外，连铸辊的使用寿命直接取决于现场使用技术，研究 连铸辊的操作使用规范和判废标准，对于提高连铸辊的使用寿命具有极其重要的价值。 日本川崎钢铁公司的科研人员对连铸辊的材质及损伤机理进行了长期、系统的研 究，开发出了能适应连铸机强冷和缓冷条件下使用的连铸辊堆焊合金s u p e rk b s 和 w 6 3 0 。通过对新材料和原有材料基本性能的比较试验，证明新开发的材料却是具有很 好的抗热裂性和抗水蒸气氧化性。其使用寿命是原来的1 7 倍，完全可以取代原来的1 3 c r 4 n i 堆焊合金，实现连铸辊的长寿化。 国内连铸技术的开发研究始于2 0 世纪8 0 年代中期，目前主要集中在上海钢研所、东 北大学、重庆大学3 家。其中上海钢研所在铸机设备和不锈钢双辊薄带连铸方面开发的 铸机为同径双辊式铸机，分3 个阶段研究开发了不同辊径的薄带连铸机，并通过了国家认 证。东北大学采用异径双辊铸机试验了高速钢、硅钢、不锈钢带的直接铸造，试制了厚l 东北大学硕士学位论文第一章绪论 5 m m ，宽2 5 0 m m 的薄带，并用试制的高速钢加工出了合格的锯条、刀片等。重庆大学则 采用围径双辊铸机对高速钢、不锈钢、铝合金等多种材料进行研究，并制取了厚1 5 5 m i r l ，宽1 5 0 m i l l 的薄带【l 】。 虽然在连铸技术方面国内外学者已经做了很多研究，连铸辊的使用寿命已经得到较 大提高，但是由于连铸辊处在高温、多水、多蒸汽，加上氧化铁皮和保护渣皮等十分恶 劣的工作环境下，连铸辊受到非常不利的影响在使用寿命内发生断裂的事故还是不断发 生。分别从辊套和辊芯两方面分析，连铸辊的断裂有以下几点原因： ( 1 ) 辊套热篦裂 铸轧过程中，辊套表面受短暂的热冲击及温度循环变化产生了循环变化产生了循环 热应力。周而复始的受热和变形引起辊套表面的机械疲劳而导致微裂纹出现，加上液体 侵蚀和渗透及扭转、弯曲循环再喝的联合作用，是辊套表面加速了塑性交形，并使裂纹 扩展成网络，最后导致辊套表面热龟裂而失效。 ( 2 ) 断裂 国内外常发生辊套沿纵向或切向断裂，这是由于辊套在热处理过程中参与应力未彻 底消除，辊套与辊芯配合的过盈量偏大使胀应力积聚成倍增加，加上材质内部缺陷及表 面划伤造成应力集中以及液体侵蚀或渗透使材料变脆所致。辊套的断裂时用户最不希望 的，因为无法修复，会造成严重的经济损失。 ( 3 ) 裂纹扩展速度过快 铸轧中，在冷热交交界区出现有一定倾角的纵向裂纹，倾斜方向与轧辊旋转方向相 反，裂纹扩展速度过快。有时纵向裂纹长达2 0 0 - - 3 0 0 r a m ，过早使辊套失效。原因在于 热处理工艺不妥，造成内部残余应力较大，铸轧过程中，冷却程度不够，从而加速了裂 纹的生成与扩展。 ( 4 ) 塑性变形 有两种形式，一是表面局部塑性变形，轧辊使用一段时间后，当应力值达到并超过 屈服强度时，辊套表面就会产生塑性变形。辊芯水草局部堵塞使局部产生过热现象，故 塑性变形使辊套表面局部凸起，导致轧出的板材纵、横向厚度不均；另外一种是两侧规 律性的塑性变形，由于轧件较宽，接触压应力未传到轧件的中间部分，而限制在有拉应 力的、相邻的边缘内由于两侧接触应力大，因此相应处轧辊发生了规律性的塑性变形， 使两侧凹陷，导致轧出的板材横截面呈“狗骨”形状 ( 6 ) 水槽堵塞 5 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 水槽堵塞市连铸机常见的现象，是由于水质不符合要求及水槽结构不好造成的。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。 ( 7 ) 水槽破裂 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。 ( 8 ) 塑性变形 铸轧辊使用一段时间后，在辊芯两侧发生规律性的凹陷，导致轧出的板材横截面呈 “狗骨”形状。 目前对于连铸辊断裂问题的研究基本是从热力学角度分析的，而对于连铸辊的疲劳 性能分析和寿命估算的研究还比较少。本文正是从机械疲劳强度角度对连铸辊进行分 析，并对断辊事放的原因作了验证1 2 】。 1 4 课题研究内容 本课题从连铸辊的疲劳断裂原因入手分析板坯连铸机连铸辊的疲劳强度并对连铸 辊的疲劳寿命进行了估算。概括来说，本课题的研究内容可归纳为如下五点：通过试验 得到连铸辊材料性能参数，包括强度极限、疲劳极限、金相组织等；应用热应力与热疲 劳理论、传热学等分析连铸辊温度场；应用a n s y s 软件模拟连铸辊的实际工况，求解 出连铸辊的温度场和应力场；应用现代强度理论估算连铸辊的疲劳寿命；通过分析造成 连铸辊疲劳的原因，给出相对应的提高连铸辊性能的方案。 东北大学硕士学位论文第二幸疲劳性能试验 第二章疲劳性能试验 在进行连铸辊的疲劳分析时，反映材料抗疲劳性能的疲劳强度一寿命曲线( 仃_ n 曲线) 是必不可少的 3 1 。为了得到该曲线，需要对连铸辊材料进行拉伸试验和高频疲劳 试验。同时，考虑到连铸辊中间段在连铸过程与高温板坯接触，该部分材质的内部组织 发生变化。为了鉴别连铸辊中间段与端部材质的差别，分别从两处取试样做硬度试验和 金相试验。 2 1 拉伸试验 强度极限吒是用来检验材料或构件的静强度是否符合要求。为求得强度极限吼， 进行金属材料室温拉伸试验。从梅钢离检车间的断辊中间部分切取试件，连铸辊材料为 2 1 c r m 0 4 v 5 1 1 。试验在梅山技术中心检测实验室进行，所用设备微机控制电液伺服 万能实验机( 如图2 1 ) 。检测依据为金属材料室温拉伸试验方法( g b t 2 2 8 2 0 0 2 ) ，试验 结果见表2 1 。 图2 1 微机控制电液伺服万能实验机 f i 口1a l l p u r p o s ee l e c t r o - h y d r a u l i ce x p e r i m e n tm a c h i n e 样品状态描述：来样材质为2 1 c r m 0 4 v 5 1 1 的棒状标准拉伸试样1 6 根。样品标识 为1 1 、l - 3 、2 - l 、2 - 3 、3 - 1 、3 3 、4 - 1 、4 3 、5 - 1 、5 - 3 、6 - 1 、6 - 3 、7 - 1 、7 3 、8 - 1 、8 - 3 。 7 东北大学硕士学位论文第二章疲劳性能试验 2 2 高频疲劳试验 所谓的o r - n 曲线指的是交变应力与疲劳寿命关系的曲线。在疲劳试验中，当试件 个数有限，生产任务急迫和为了节约经费，不宜进行大量试验时，常常采用常规试验。 它能直接为生产设计部门提供疲劳性能数据，还可以作为一些特殊疲劳试验的预备性试 验。由于常规试验方法消费少，周期短，因此便于实现。为了得到盯- n 曲线，本试验 采用的便是常规试验方法。 常规试验可分为以下两种： ( 1 ) 在每个应力水平下试验一个试件。 ( 2 ) 在每个应力水平下试验一组试件。 采用常规试验方法时，一般由最高应力水平开始逐渐降低应力水平，记录在各级应 力水平下实践的疲劳寿命( 破坏循环数) ，直到完成全部试件为止。根据这些测值，即 可确定一条通用的盯- n 曲线。 8 一 东北大学硕士学位论文第二章疲劳性能试验 2 2 1 实验设备及试件 东北大学强度实验室的p l g 1 0 0 全自动高频疲劳实验机( 图2 2 ) 由主机和控制 系统两部分组成。该系统是基于共振原理进行的。主机由主振弹簧、测力传感器、试样 及主振系统的质量构成机械振动系统，振动由激振器来激励和保持，当激振器产生的激 振力的频率和振动系统的固有频率基本一致时，这个系统便发生了共振，这时主质量在 共振状态下所产生的惯性力往复作用在试样上，来完成对实验的疲劳实验。控制系统采 用上下机控制方式，上位机为p c 机，下位机是由d s p 数据采集及处理部分和振动、电 机驱动部分组成的控制器，上下位机之间采用r s 2 3 2 进行通讯。 图2 2p i o 一1 0 0 全自动高频疲劳实验机 f i 贮2p ig 一1 0 0h 曲f r e q u e n c yf a t i g u et e s n n gm a c h i n e 试件根据高频试验机要求，由梅山钢铁公司离检车间提供。该试件取自于梅山1 号连铸 机二冷区连铸辊中间部分，材料为2 1 c r m 0 4 v 5 1 1 。试件规格如图2 3 。 f i g 2 3s p e c i m e nf o rf a t i g u ee x p e r i m e n t 兰 羔 东北大学硕士学位论文第二章疲劳性能试验 2 2 2 试验步骤 在每个应力水平下试验一个试件测定盯- n 曲线时，至少需要l o 个材料和尺寸相同 的试件。其中，一个作为静力试验用，1 2 个试件作为备品，其余7 8 个试件作疲劳 试验用。 2 2 2 1 强度极 限o r b 的确定 强度极限是用来检验材料或构件的静强度是否符合要求，并且根据强度极限选定各 级应力水平。由表2 1 的实验数据计算吼的平均值为5 3 2 8 5 7 1 m p a ，为方便计算取 2 5 3 0 m p a 。 2 2 2 2 确定应力比 应力比r 是交变应力中最小应力。和最大应力s ：的比值，即r = 瓯。s 二。当 r = 一1 时，表示对称循环。当r 等于其它任何数值时，表示非对称循环。 应力比的大小是根据生产和设计要求，以及试验机的条件来确定的。为了了解旋转 构件材料的疲劳性能时，应力比常取r 早1 1 3 1 。而本文要求连铸辊的疲劳性能，属于旋转 构件，所以取r _ 一1 。 2 2 2 3 确定加载系数k 各级应力水平的大小一般按以下原则确定：1 、应力水平至少分为7 级：2 、高应力 水平间隔可取得大一些，随着应力水平的降低间隔越来越小；3 、最高应力水平可通过 预试验确定，光滑圆试件轴向加载的预试应力取( o 6 _ - o 7 ) 。本次实验的加载系数 k 分别取0 6 5 ，0 4 8 ，0 4 ，0 3 ，0 2 ，0 1 9 ，0 1 8 5 。 2 2 2 4 确定施加的交变载荷 对于轴向加载疲劳试验，当已知各级最大载荷和应力比时，可由下式求最小载荷和 平均载荷： 圪h = 尼p 雠 ( 3 。1 ) 巴：毕( 3 - 2 )一m 只。= k o - b r a r 2 = 0 6 5 5 3 0 3 1 4 ( 匀2 = 1 3 2 5 1 n = 1 3 3 k n 只。= 吒= ( 一1 ) 1 3 3 = 一1 3 3 k n 只= 0 1 0 东北大学硕士学位论文 第二章疲劳性能试验 2 2 2 5 安装试件 先将试件的一端拧入固定盘中，将固定盘和试件一同安放在试验台上( 如图2 4 ) ， 然后下降试验台，在试件上拧入另一个固定盘。起动电机使试验台上升，在上固定盘快 要接触圆筒时停止上升。将控制机的静载荷清零，然后点动电机上升使试件与圆筒下端 接触，解除瞬间静载荷为负，数值很小。最后将上下固定盘分别用6 个螺栓固定住，拧 螺拴时应对称拧紧以保证固定盘的水平状态，拧紧力不需过大。 图2 4 安装试件 f i 9 2 4f i x i n gt h es p e c i m e n 2 2 2 6 确定交变载荷的频率 试件安装后，开启控制机中的频率扫描命令。频率的确定由p l e 一1 0 0 全自动高频 疲劳实验机自动搜索确定( 图2 5 ) ，本次试验固有频率分布在1 5 0 h z 附近。 图2 5 搜索固有频率 f i 9 2 5s e a r c h i n gf o rt h en a t u r a lf r e q u e n c i e s 1 l 一 东北大学硕士学位论文 第二章疲劳性能试验 2 2 2 7 开始试验 设罨静载载荷与动载载荷值后，启动试验机。起振时，当试验机的振动峰值达到设 定动载荷的8 0 以上时，控制机将疲劳循环次数清零，疲劳试验开始。选择静载锁定、 动载锁定和断裂保护，以保证试验正常运行并在试件疲劳破坏后停止继续试验。如图 2 6 。 2 2 3 试验结果 图2 6 止在进行疲劳试验 f i 9 2 6f a t i g u ee x p e r i m e n ti np r o g r e s s 按照以上步骤对每一根试件进行疲劳试验，共作7 组试验7 组试验结果见表2 2 。 由于断裂保护的值设置的比较高，在疲劳失效时并不是每一根试件都能看出明显的裂 纹。试件2 的疲劳断裂比较明显如图2 7 ，其余的试件表面也都有微小裂纹，出现在试 件2 产生裂纹的相似位置，但不明显( 如图2 8 ) 。 图2 7 试件2 的疲劳断裂裂纹 f i g2 7t h ec r a c ko f s p e c i m e n2 1 2 东北大学硕士学位论文第二章疲劳性能试验 图2 8 疲劳试验后的试件 f i 簖8t h es p e c i m e nw h i c hh a v eb e e ne x p e r i m e n t e d 表2 2 疲劳试验记录 t a b l e2 2t r a c kr e c o r do f f a t i g u ee x p e r i m e n t 编号 加载系数j ，麒( k n ) j k ( k n )圪( k n )疲劳寿命n ( x 1 0 3 次) l g 芷 根据试验结果，第6 根试件在应力瓯= o 1 9 0 。作用下未及1 0 7 循环发生了破坏。而 第7 根试件在= 0 1 8 5 0 b 作用下，经1 0 7 循环逸出。两个应力的差数为： 瓯一马= o 1 9 0 b o 1 8 5 0 - 6 = 0 0 0 5 0 - , 曼的5 为 5 = o 1 8 5 0 b 5 = o 0 0 9 2 5 因为瓯一s 马x 5 ，所以取瓯，s 的平均值作为该材料( r _ - l 时) 的疲劳极限奠。 钆= 主( 瓯蝎) = 三( o 1 9 0 b + 0 1 8 5 0 b ) = 0 1 8 7 5 0 b = 0 1 8 7 5 5 3 0 = 9 9 3 7 5 m p a 将循环次数进行对数处理，加载系数k 值为纵坐标，l g n 为横坐标，画出盯- n 曲 线。如图2 9 1 3 东北大学硕士学位论文第二章疲劳性能试验 氛。 。 坶n 菇 图2 9 盯- n 曲线 f i g2 9t h ec u r v eo f s t r e s s - n a t u r a ll i f e 2 3 硬度和金相组织试验 本次试验共作了两组，试件分别取自于同一根连铸辊的中部和端部。其中中部是连 铸辊与板坯高温接触区域，而端部是轴承接触的远离板坯区域。由于端部试件在试验时 发生严重的塑性变形，没有取得试验结果。为了分析两组试件的区别，又做了硬度测试 和金相分析。 硬度测试所用的仪器型号是：4 0 1 m v d m 数显显微维氏硬度计。施加力f = 0 0 1 蚝， 加载时间：1 0 s ，点间间隔：o 1 m m 。在连铸辊中部材质的试件上打了3 6 个点，去掉两 个偏离很大的值，取硬度平均值为2 0 4 5 h v ；在连铸辊端部材质的试件上打了3 1 个点， 去掉一个偏离分大的值，取硬度平均值为1 9 4 6 h v 。 金相分析采用的仪器是：o l y m p u s g x 7 1 金相显微镜。各取一张放大5 0 0 倍的照 片如图2 1 0 ，2 1 1 。可以看出两组试样的内部组织明显不同。 分析结果说明，连铸辊的中部在高温工作环境下内部组织发生了改变，晶格变密。 所以连铸辊中部的硬度比端部大。 1 4 - 东北大学硕士学位论文第二章疲劳性能试验 图2 1 0 连铸辊中部试件金相组织 f i 口1 0m e t a l l o g r a p h i cs t r u c t u r eo fs p e c i m e n f r o mt h em i d d l eo f r o l l e r 图2 1 1 连铸辊端部试件金相组织 f i 9 2 1 1m e t a l l o g r a p h i cs t r u e t t l r eo fs p e c i m e n f r o mt h ee n do f r o l l e r 2 4 其它疲劳性能参数 由手册 4 1 查找与2 1 c r m 0 4 v 5 1 1 材料成分相近材料的疲劳性能常数：断裂韧性 !兰 k i c = 9 9 5 m p a m 2 = 3 1 4 6 n m m2 ，p a r i s 常数c = 7 2 4 x 1 0 “2 ，m = 2 9 2 。 2 5 本章小结 1 得到疲劳极限s 一- - 9 9 m p a ，并画出2 1 c r m 0 4 v 5 1 1 的c r - n 曲线。 2 查找得到与2 1 c r m 0 4 v 5 1 1 材料成分相近材料的疲劳性能参数，为疲劳寿命计算 做好准备。 3 金相分析结果说明连铸辊的中部在高温工作环境下内部组织发生了改变，硬度 比端部大。 1 5 东北大学硕士学位论文第三幸连铸辊的温度场和应力场分析 第三章连铸辊的温度场和应力场分析 连铸辊外表面的应力谱是分析连铸辊疲劳破坏和估算连铸辊疲劳寿命的重要组成 部分。本章就是要求解出连铸辊外表面的应力场，为制定连铸辊外表面应力谱提供应力 值。为此首先要求出连铸辊外表面的温度场，然后利用a n s y s 求解热应力的间接方法 解出连铸辊外表面的热应力。 目前计算温度场一般都是采用实测的第一类边界条件( 1 i p 表面温度) ，但现有的测试 手段很难十分准确地测出其表面温度，从而使内部温度场的计算结果与实际情况出入较 大。这里引用燕山大学孙蓟泉教授、张兴中教授等提出的方法：在距连铸辊表面3 m m 处埋设热电偶，测得的温度值基本反映了该点的温度变化情况。然后根据连铸辊与铸坯的 直接接触导热、辐射换热和对流换热的实际工作情况，推导其表面温度和综合传热系数， 以及铸坯与连铸辊接触时的接触热阻【5 】o 3 1 连铸辊温度场的数学描述 在连续铸轧时，金属熔体由铸嘴装置连续注入一对转向相反、内部通水冷却的铸轧 辊的辊缝中，金属熔体在铸轧区直接与辊套表面接触，其热量经辊套传出：部分由冷水 带走，部分向周围环境散发或同时有强冷部分带走，实现凝固结晶，再经轧制成型成为 所需产品。 稳定铸轧时，由于金属熔体及带坯在铸轧时传递给辊套的热量在铸轧宽度方向上的 变化不大，同时，除两边缘很窄的区域外，辊套温度沿轴向的变化不大，因而可将铸轧 辊套温度问题视为二维问题。 在辊套内表面，有冷水带走部分热量：在辊套外表面，除铸轧区外，由辊套向周围 介质散热。除此之外，根据梅钢l 号连铸机的具体工作环境，还要考虑外强冷却效应， 外冷区域由冷水带走部分热量。因为铸轧区长度远小于辊套外圆弧长，故可视热流在该 区域为均匀分布：考虑辊套外表面向周围环境散热时，铸轧区部分的影响可不考虑。 连铸辊在工作中所受的热载荷( 图3 1 ) 有：连铸辊与铸坯接触区域的传导传热量q l ； 连铸辊与铸坯间的辐射换热量q 2 ；连铸辊与周围空气的自然对流换热量q 3 ；连铸辊内孔 与冷却水之间的受迫对流换热量q 。考虑连铸辊的热平衡有： g + 奶+ 奶+ 幺= 0o q ) 1 6 东北大学硕士学位论文g s _ 章连铸辊的温度场和应力场分析 板坯 辊 导热区q 换热q 3 幺 图3 i 连铸辊热载荷 f i 9 3 1t h et h e r m a ll o a do f r o l l e r 3 1 1 连铸辊与铸坯接触区域的传导传热量 连铸辊与铸坯接触区域的传导传热量是通过接触表面的接触热阻传到连铸辊内部。 由赫兹公式。铸坯与连铸辊接触宽度 6 1 ： 丑= 幄 式中r 一连铸辊半径； p 一连铸辊与铸坯接触压力； i r _ 辊距： e s 一坯壳的弹性模量。 由此，接触区域的传导传热量为7 】： q = 警b l = _ f - ) b l ( 3 - 3 ) 或 蜴= 褚肼( 3 - 4 ) 式中： ，o ，铸坯及连铸辊表面温度； 卜前坯宽度； 6 连铸辊外表面与热电偶接触点的距离； ，在外表面处实测的温度值； 连铸辊导热系数； 东北大学硕士学住论文第三章连铸辊的温度场和应力场分析 r 。连铸辊与铸坯表面的接触热阻； 连铸辊与铸坯接触区域的传热系数。 i 由- t - t b 未知，用式( 3 3 ) 、式( 3 4 ) 尚不能求出q l ，故先求出q 2 、q 3 和q 4 ，o a 式( 3 1 ) 3 。1 。2 连铸辊与铸坯间的辐射换热量 由斯蒂芬一玻尔兹曼定律可得连铸辊与铸坯两表面间的辐射换热量为川 奶：一 ， 6 1 岛铸坯及连铸辊的表面黑度； a 1 、a 2 铸坯在两辊距之白j 的面积和连铸辊的表面积： 仍：铸坯对连铸辊的辐射角系数； c o 黑体的辐射系数。 仍2 ：a d + c d - a b - b c ( 3 6 ) 仍22 歹一 3 西 式中历= 上；石= 唔一口i d ；历= ( 考+ 口) 詈； 丽= 万孑；口= t g - i l d d 2 - ： 所小分腼一府 7 ， 对辐射热量的影响较小，故可用距铸辊外表面3 m m 处实测温度f ，代替 ，这样由式( 3 5 ) 1 8 东北大学硕士学位论文第三章连铸辊的温度场和应力场分析 3 1 3 连铸辊外表面与空气自然对流换热量 由牛顿对流换热公式7 】得 。 幺= ( 屯一t 1 ) 刀讲 ( 3 8 ) h 3 = i 3 4 孚 i c 瞄 岛= ! 4 8 ( t b - 6 ) 3 ( 紊流)( 3 9 b ) 式中1 1 3 对流换热系数： ，i 周围环境温度。 由式( 3 9 ) 可知，t b 的变化对h 3 影响很小，所以可用t s 代替t b ，求得h 3 。 3 1 4 连铸辊内孔与冷却水之间的受迫对流换热量 q 4 = h 4 ( “2 一t 2 ) 蒯l ， ( 3 - 1 0 ) h 4 = o 8 彤0 4 ( 3 1 1 ) 一l 式中 f 。：连铸辊内孔壁温度； t 2 冷却水平均温度： j 0 水的雷诺数( r e = d l u ) ； 易水的普朗特数； 冷却水流速： u 水的运动粘性系数； 正连铸辊内孔直径。 连铸辊内孔冷却水的温度变化可视为线性变化，则水所吸收的热量为川 翻= 等胪叮a t ( 3 - 1 2 ) q 4 = 翻 式中：p 水的密度； t 一进、出口水的温差： c p 水的定压比热容 1 9 东北大学硕士擘住论文第三章连铸辊的温度场和应力场分析 将式( 3 - 1 2 ) 代入式( 3 一1 0 ) 可得连铸辊内孔壁的温度 f ：= ，：+ 1 d l w 矿o c p 3 1 5 连铸辊的热平衡 至此，绞、珐和q 均可求出，由热平衡方程( 3 - 1 ) 求得 q l = q ，+ q 一岛 这样，可求出接触区域连铸辊的外表面温度和传热系数h 以及接触热阻 ( 3 1 3 ) ( 3 - 1 4 ) ( 3 1 5 ) ( 3 1 6 ) 在二冷区，由于l 与d 相差不多，因此式( 3 7 ) 所得纯：al ，即连铸辊背对铸坯的上半表 面辐射换热量很小，可忽略。在这一区域只有蜴，g 应等于连铸辊表面与距表面3 m m 间 的导热量。即 珐= 一珐一州t o - 弛t 一) = 一等以训 ( 3 1 7 ) 将式( 3 8 ) 代入式( 3 1 7 ) 可求得对流区域的外表面温度 如2 壶艮蚍 d 。 在连铸辊面对铸坯的下半表面，既有辐射换热，又有对流换热。由于铸坯与连铸辊接 触宽度很小，所以认为整个下半表面都有辐射和对流换热。 q 2 蝣互t b - - t j2 等”) ( 3 - 1 9 ) 州2 由式( 3 5 ) 和式( 3 8 ) 及式( 3 1 9 ) 可得该区域的表面温度 乇2 赤阶似f i ( 3 - 2 0 ) 2 0 面 c 5 i 盟1 万一刎 ”。一啊 l l l i = b 隅 硒 东北大学硕士学位论文第三章连铸辊的温度场和应力场分析 式中综合传热系数。 综上所述，将连铸辊表面分成4 个区域，即与铸坯直接接触的导热区域、面对铸坯的 下半表面的辐射与对流换热综合传热区域、上半表面的对流换热区域、连铸辊内孔受追 对流换热区域。每个区域根据以上方法都能确定其传热系数和表面温度分布。 3 2 原始数据及温度场计算 梅山钢铁公司1 号板坯连铸机下驱动辊内径为6 0 m ，外径为4 0 0 r a m ，铸坯表面温度为 9 0 0 0 ，铸坯宽度为1 3 2 0 n 硼, 内孔冷却水流速为0 3 5 m s ，进出口水温差为1 5 0 ，平均水温 为3 5 。 引用连铸辊外表面3 m m 处温度曲鲥5 1 ，如图3 2 所示。 巾( ) 圈3 2 连铸辊外表面3 r a m 处温度曲线 f i 9 3 2m e a s u r e dt e m p e r a t u r e sa t3 m mf r o mo t t t 镕rs u r f a c eo f r o l l e r q l ：铸坯与连铸辊间的压力为7 8 4 0 0 n 。1 ，则 p ：堡堂：一5 9 4 1 3 2 ll f 。= 丢( 1 5 2 8 “) = 丢( 1 5 2 8 + 9 0 0 ) = 1 2 1 4 。c e ：! 墅二垒1 0 5 2 1 9 8 8 7 9 5 5 5 1 5 2 8 1 0 0 2 1 0 东北大擘硕士学位论文第三章连铸辊的温度场和应力场分析 川