寬厚板支承輥差溫?zé)崽幚砉に囇芯颗c生產(chǎn)實(shí)踐

白興紅 郭 峰

(一重天津研發(fā)中心，天津300457)

寬厚板支承輥差溫?zé)崽幚砉に囇芯颗c生產(chǎn)實(shí)踐

白興紅 郭 峰

(一重天津研發(fā)中心，天津300457)

在寬厚板支承輥差溫?zé)崽幚砑訜徇^(guò)程中進(jìn)行了實(shí)際測(cè)溫及數(shù)值模擬，得到輥身不同深度處的溫度場(chǎng)分布，確定了支承輥表面與差溫爐之間的換熱邊界條件，制定了寬厚板支承輥生產(chǎn)件的差溫?zé)崽幚砉に嚒Ｉa(chǎn)實(shí)踐表明，采用差溫?zé)崽幚淼暮癜逯С休?，硬度均勻性較高△HSD≤4，表面金相組織為性能優(yōu)良的回火馬氏體。

寬厚板支承輥；差溫?zé)崽幚恚挥捕染鶆蛐?；回火馬氏體

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)多家鋼廠新建了一批以3 500 mm以上為主的寬厚板生產(chǎn)線，投產(chǎn)和在建的寬厚鋼板軋機(jī)約有58臺(tái)，占全球?qū)捄皲摪遘垯C(jī)1/3多，已成為全球生產(chǎn)厚板中的一支主要力量[1]。隨著現(xiàn)代寬厚板軋機(jī)陸續(xù)投產(chǎn)，所需高技術(shù)要求的大型支承輥也越來(lái)越多，為制造出世界先進(jìn)水平的大型寬厚板支承輥，中國(guó)一重投資興建了世界首臺(tái)?3 200 mm×6 500 mm巨型臥式差溫爐，適用于輥身長(zhǎng)度2 800 mm～6 500 mm、輥身直徑1 800 mm～2 600 mm、輥頸直徑1 000 mm～1 600 mm的軋輥，支撐負(fù)荷裝載量為350 t，基本涵蓋了所有規(guī)格尺寸的寬厚板支承輥[2]。

在新差溫爐投入使用之前，我們從兩方面對(duì)差溫?zé)崽幚砉に囘M(jìn)行系統(tǒng)研究，一方面采用試驗(yàn)件進(jìn)行實(shí)際測(cè)溫，另一方面對(duì)差溫加熱的溫度場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，不斷優(yōu)化工藝參數(shù)，最終給出科學(xué)、合理的差溫?zé)崽幚砉に嚒２捎貌顪責(zé)崽幚砉に?，已為鞍鋼生產(chǎn)了國(guó)內(nèi)最大的5500mm支承輥，為多家鋼廠生產(chǎn)了數(shù)支3 000 mm～5 000 mm寬厚板支承輥。

1 寬厚板支承輥差溫加熱測(cè)溫試驗(yàn)

1.1 測(cè)溫試驗(yàn)件

基于寬厚板支承輥的技術(shù)要求，結(jié)合其使用工況和性能特點(diǎn)，中國(guó)一重自主設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了適于寬厚板支承輥的材料Cr2.5(一重代號(hào)YB-50)和Cr1.5(一重代號(hào)YB-50-W)。針對(duì)巨型差溫爐，我們采用材質(zhì)YB-50、直徑2 285 mm的寬厚板支承輥?zhàn)鳛樵囼?yàn)件，對(duì)差溫?zé)崽幚砉に噷?shí)施了實(shí)際測(cè)溫，為確定該設(shè)備與工件在差溫?zé)崽幚磉^(guò)程中的界面換熱參數(shù)提供了數(shù)據(jù)支持。試驗(yàn)件化學(xué)成分見(jiàn)表1。

試驗(yàn)件敷偶深度分別為距輥身表面1 090 mm(心部)、150 mm、100 mm及15 mm(近表面)試驗(yàn)件，幾何尺寸如圖1所示。

1.2 測(cè)溫工藝

支承輥加熱測(cè)溫試驗(yàn)按圖2所示的熱處理工藝進(jìn)行。

1.3 測(cè)溫結(jié)果

表1 YB-50化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of material YB-50 (mass fraction, %)

圖1 試驗(yàn)件尺寸Figure 1 Test piece size

圖2 差溫加熱工藝曲線Figure 2 Curve of differential temperature heat treatment process

圖3為加熱階段輥身各測(cè)溫點(diǎn)的升溫曲線。從圖中可以看出，差溫加熱完成后，輥身表面溫度最高達(dá)920℃，距離輥身表面100 mm處溫度為860℃，輥?zhàn)有牟繙囟葹?80℃。結(jié)合YB-50材質(zhì)的相變點(diǎn)及CCT曲線，0～100mm內(nèi)溫度均大于該支承輥材料的Ac3點(diǎn)，即輥身表面獲得了大于100 mm的奧氏體層，保證該支承輥達(dá)到要求的淬硬層深；輥身心部溫度為580℃，250 mm深處溫度為765℃，低于該材料的Ac1點(diǎn)，即距離輥身表面250 mm至輥身心部仍保持在相變點(diǎn)以下，保留心部強(qiáng)韌性。

圖3 支承輥測(cè)溫曲線Figure 3 Measured temperature curve of backup roll

2 寬厚板支承輥差溫加熱工藝的數(shù)值模擬

采用上述表面溫度實(shí)測(cè)結(jié)果確定工件與爐體間的邊界換熱條件，運(yùn)用ABAQUS數(shù)值模擬軟件計(jì)算工件在差溫加熱過(guò)程中的溫度場(chǎng)，并與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較，為制定寬厚板支承輥差溫?zé)崽幚砉に囂峁?shù)據(jù)支撐。

2.1 界面換熱邊界條件的確定

支承輥表面在差溫爐中加熱和保溫過(guò)程中與燃?xì)獍l(fā)生對(duì)流換熱，同時(shí)與爐壁發(fā)生輻射換熱。表面換熱過(guò)程通常用牛頓公式計(jì)算[3-4]：

上式中，左邊是工件表層熱傳導(dǎo)熱流密度，右邊是換熱熱流密度，Ts是工件表面溫度，Ta是外界環(huán)境溫度，h是界面換熱系數(shù)。界面換熱系數(shù)可表述為對(duì)流換熱系數(shù)h1和輻射換熱系數(shù)h2之和，即h=h1+h2。

對(duì)流換熱系數(shù)可用經(jīng)驗(yàn)公式表述[4-6]：

輻射換熱系數(shù)表述為：

h2=εσ(Ta2+Ts2)(Ta+Ts)

式中，σ是斯特芬-玻爾茲曼常數(shù)；ε是工件表面與爐壁之間的有效黑度或有效輻射率。

將爐溫設(shè)定為外界環(huán)境溫度Ta，對(duì)支承輥在差溫加熱過(guò)程中的溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算。根據(jù)試驗(yàn)測(cè)溫獲得表層溫度數(shù)據(jù)，利用反算法確定A=2.2×10-6、ε=0.4～0.6時(shí)，得到的模擬結(jié)果與實(shí)際測(cè)溫相差不大，比較結(jié)果見(jiàn)圖4。

2.2 輥身不同深度處溫度計(jì)算與驗(yàn)證

工件內(nèi)部溫度主要取決于熱傳導(dǎo)，選擇與敷偶深度相同處節(jié)點(diǎn)溫度，并與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖5。實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值吻合得較好，說(shuō)明邊界換熱條件和熱物性參數(shù)選擇較為適當(dāng)，且數(shù)值模擬結(jié)果具有較高的可參考性。

圖4 表面溫度實(shí)測(cè)與計(jì)算結(jié)果對(duì)比Figure 4 Comparison of measured and calculated surface temperatures

(a)心部

(b)100 mm深

(c)250 mm深圖5 不同深度處溫度實(shí)測(cè)與計(jì)算結(jié)果對(duì)比Figure 5 Comparison of measured and calculated temperatures at different depths

3 寬厚板支承輥差溫?zé)崽幚淼纳a(chǎn)實(shí)踐

目前，我公司采用巨型臥式差溫爐已對(duì)30多支寬厚板支承輥實(shí)施了差溫?zé)崽幚?，以我公司為某鋼廠生產(chǎn)的5 000 mm級(jí)寬厚板支承輥為例介紹其生產(chǎn)實(shí)踐情況，支承輥材料代號(hào)為YB-50-W。

3.1 差溫?zé)崽幚砉に囍贫ㄅc實(shí)施

借鑒試驗(yàn)件測(cè)溫結(jié)果，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬，制定了該支承輥的最終熱處理工藝。加熱采用差溫旋轉(zhuǎn)方式，以確保輥身溫度均勻性；冷卻采用噴霧淬火方式，通過(guò)調(diào)整水壓、風(fēng)壓，靈活地控制冷卻強(qiáng)度；淬火完成后立即將工件轉(zhuǎn)入電爐中回火，確?；鼗饻囟染鶆蛐?。

圖6為支承輥差溫加熱溫度場(chǎng)模擬計(jì)算結(jié)果。加熱后輥身表面溫度達(dá)到890℃，距離輥身表面100 mm處溫度為840℃，(0～100)mm內(nèi)溫度均大于該支承輥材料的Ac3點(diǎn)(815℃)，即輥身表面獲得了大于100 mm的奧氏體層，保證得到要求的淬硬層深。輥身心部溫度為572℃，保留心部強(qiáng)韌性。

圖6 溫度場(chǎng)模擬結(jié)果分析Figure 6 Analysis on simulation results of temperature field

3.2 硬度檢測(cè)

待支承輥完成最終熱處理后，對(duì)其輥身進(jìn)行硬度檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。從表2可以看出，硬度完全滿足技術(shù)要求，且輥身硬度均勻性較高△HS≤4，表明利用差溫爐加熱對(duì)工件表面溫度均勻性有明顯優(yōu)勢(shì)。

3.3 金相組織觀察

對(duì)經(jīng)最終熱處理后的支承輥?zhàn)霰砻娼鹣嘟M織分析，如圖7所示。金相組織為回火馬氏體+顆粒狀碳化物，具有較高的耐磨性和抗疲勞性能等。

表2 支承輥硬度技術(shù)要求與實(shí)測(cè)值(HSD)對(duì)比Table 2 Comparison of the technical requirements and the measured values of the backup roll hardness (HSD)

圖7 輥身表面金相組織Figure 7 Metallurgical structure of roll surface

4 結(jié)論

(1)對(duì)寬厚板支承輥差溫加熱過(guò)程進(jìn)行了實(shí)時(shí)測(cè)溫，得到了輥身不同深度處的溫度分布。

(2)采用實(shí)測(cè)表面溫度數(shù)據(jù)確定了差溫加熱時(shí)支承輥表面與爐氣之間邊界換熱條件，數(shù)值模擬結(jié)果表明，輥身不同深度處的溫度計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值吻合較好。

(3)制定了合理的差溫?zé)崽幚砉に?，生產(chǎn)實(shí)踐表明，輥身表面硬度均勻性較高(△HSD≤4)，金相組織為性能優(yōu)良的回火馬氏體。

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[2] 白興紅,陳春云. 寬厚板軋機(jī)支承輥用巨型臥式差溫爐[J]. 金屬加工, 2012, (9): 33-34.

[3] 劉莊,等. 熱處理過(guò)程中的數(shù)值模擬[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 1996.

[4] 康大韜,葉國(guó)斌. 大型鍛件材料及熱處理[M]. 北京: 龍門(mén)書(shū)局出版社, 1998.

[5] 李勇,等. 基于實(shí)測(cè)溫度的特大型支承輥溫度場(chǎng)模擬參數(shù)的優(yōu)化[J]. 大型鑄鍛件, 2015(5): 9-11.

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編輯 陳秀娟

Research and Practice on Differential Temperature Heating Treatment Process for Backup Roll of Wide and Heavy Plate Mill

Bai Xinghong, Guo Feng

The actual temperature measurement and numerical simulation have been carried out in the process of heating in differential temperature heat treatment for backup roll of wide and heavy plate to obtain temperature field distribution at different depth of roller body, and confirm the heat transfer boundary conditions between the surface of the backup roll and the differential temperature furnace, and establish the differential temperature heat treatment process for backup roll of wide and heavy plate. The production practice show that the hardness uniformity of backup roll for wide and heavy plate is higher after differential temperature heat treatment, i.e. △HSD≤4, and the metallographic structure of the surface is a tempered martensite with excellent properties.

backup roll for wide and heavy plate; differential temperature heat treatment; hardness uniformity; tempered martensite

2016—09—09

白興紅(1984—)，女，工程師，碩士，鍛造軋輥材料與工藝技術(shù)研究。

TG156

A