銅加工過程軋輥冷卻與質(zhì)量控制

胡賢富，劉昆，杜文遠

（上海龍陽精密復(fù)合銅管有限公司，上海 浦東新區(qū) 201201）

1 前言

目前，我國軋輥業(yè)基本滿足國內(nèi)需求并出口國外，軋輥的種類也是多種多樣。雖然我國軋輥業(yè)起步較晚，但是隨著近年來的迅猛發(fā)展和企業(yè)的大舉投入，從原來的仿制到現(xiàn)在某些方向的自主創(chuàng)新研發(fā)已經(jīng)開始引領(lǐng)全球。

軋輥在高溫、高壓、周期性作用力沖擊等條件下工作，始終處于復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)中，因此要求軋輥具有足夠的強度及剛度，有較高的表面硬度、耐磨性和耐熱性。其中軋輥自身的材質(zhì)、所連鑄連軋的產(chǎn)品的形狀和復(fù)雜程度、冷卻方法和工作條件、軋制的操作技術(shù)及軋輥的加工方法等都會對軋輥的消耗造成影響。隨著軋機產(chǎn)量的提高、軋輥材質(zhì)的改善、軋輥制造方法的變更、軋輥熱處理工藝的革新、軋輥堆焊技術(shù)的進步以及冷卻方法的改進等，軋輥的使用壽命得到延長，尤其是工藝潤滑技術(shù)的應(yīng)用，使軋輥消耗指標(biāo)又達到新的水平。

在銅管連鑄連軋生產(chǎn)過程中，如何通過改變軋輥的工作條件來延長其使用周期，本文就主要探究水冷卻系統(tǒng)對軋輥影響。軋輥是軋制過程中最為關(guān)鍵的設(shè)備，其質(zhì)量直接關(guān)系著工廠的生產(chǎn)效率和更換的成本，因此如何保證軋輥的表面質(zhì)量，并延長其使用周期是軋制工藝需要探索的課題。

圖1 軋機機箱圖

圖2 軋輥底座

2 三輥行星軋機和水冷卻系統(tǒng)的描述

2.1 三輥行星軋機（PSW）

三輥行星軋機是德國西馬克（SMS）公司在70年代研發(fā)的，用來熱軋鋼棒和鋼管的。憑借其結(jié)構(gòu)簡單、操作簡便、節(jié)能、效率更高、效果更優(yōu)等特點，迅速引起關(guān)注并很快被引用到有色棒材的加工上來，因此得到快速發(fā)展。90年代初，芬蘭奧托昆布公司把其應(yīng)用于通盤管的軋制當(dāng)中，研制出銅管生產(chǎn)的新方法，后來又經(jīng)過西馬克公司的改進后得到廣泛的推廣，國內(nèi)的公司也相繼引進這種連鑄連軋的生產(chǎn)線。

圖3 軋輥

圖4 軋輥的冷卻裝置噴水環(huán)

軋制系統(tǒng)為三個軋輥底座和軋輥，軋輥底座結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳動是通過軸承和齒輪傳遞的，目前軋輥安裝有拉桿式、液壓鎖動式和熱裝三種連接方式。

該軋機軋輥軸線與管坯軸線成一定的傾角，這種傾斜的布局使管坯產(chǎn)生必要的進給運動。軋輥軸線繞行星輪軸線再偏轉(zhuǎn)一個角度，軋輥軸線與軋制線成空間交叉二直線，所決定的角度產(chǎn)生軸向送進，銅管以螺旋方式運動，邊旋轉(zhuǎn)邊前進。行星輪圍繞著太陽輪及軋管轉(zhuǎn)動，且本身又自轉(zhuǎn)，構(gòu)成整個周轉(zhuǎn)輪系。

2.2 水冷卻系統(tǒng)

水冷卻系統(tǒng)采用的是西門子觸摸屏與PLC閉環(huán)控制還有先進的丹弗斯變頻器。西門子觸摸屏界面上可以溫度顯示，設(shè)定值和實際值，并進行處理，可以監(jiān)控電機的頻率，水溫等多個運行實時動態(tài)的顯示，實現(xiàn)溫度的閉環(huán)控制，實現(xiàn)該水冷系統(tǒng)中，元件、溫度等異常的報警功能。水冷卻閉環(huán)控制系統(tǒng)是常見的水冷卻自動控制系統(tǒng)，而且這種變頻節(jié)能的水冷卻系統(tǒng)的應(yīng)用很廣泛。

軋機在軋制的過程中會產(chǎn)生大量的熱，為了延長軋輥的更換周期和壽命并保證加工產(chǎn)品的加工溫度，必須要進行降溫冷卻。行星軋機有兩個冷卻水箱，分一次和二次冷卻水，一次冷卻水通過縫隙軸向噴淋到軋制工作區(qū)，起到潤滑和冷卻銅管的作用；二次冷卻是為了迅速降低軋管溫度并防止空氣進入軋制密封罩防止銅管氧化而設(shè)置的。軋輥的冷卻裝置噴水環(huán)用于對軋輥進行冷卻，如下圖所示。

3 軋輥材質(zhì)及疲勞機理

軋輥選用的材質(zhì)是一種空冷硬化的熱作模具鋼4Cr5MoSiV1，也是熱作模具鋼中使用最廣泛的鋼號之一。該鋼以其較高的熱強度和硬度；在中溫條件具有很好的韌性、熱疲勞性能和一定的耐磨性，在較低的奧氏體化溫度條件下空淬，熱處理變形小，產(chǎn)生氧化皮的傾向小，而且可以抵抗軋管的熱沖擊作用。

軋輥工作在交變的力和高溫的作用下，其表面反復(fù)受到摩擦，會產(chǎn)生強烈的磨損，為了提高耐磨性，其熱處理方式采用表面淬火+二次回火，一般確定最佳淬火溫度為1020--1050℃，同時回火溫度為560～580℃。

表1 4Cr5MoSiV1鋼的化學(xué)成分（GB/T1299-2000）W/%

表2 4Cr5MoSiV1鋼的淬火

表3 4Cr5MoSiV1鋼的回火

在軋制過程中，由于鑄坯變形和摩擦產(chǎn)生大量的變形熱和摩擦熱，使軋輥和軋材溫度升高。在軋材對軋輥表面的熱沖擊下，可能會產(chǎn)生裂紋，而且軋輥表面溫度過高，與軋輥內(nèi)部有一定的溫差，產(chǎn)生熱應(yīng)力，也可能會產(chǎn)生斷裂。即使在冷卻水的作用下，軋輥溫度依然有700℃左右，要保持好軋輥溫度的穩(wěn)定，溫度的變化也會產(chǎn)生熱應(yīng)力產(chǎn)生疲勞斷裂。如下表所示，軋輥在540℃時的疲勞極限比常溫降低很多，因此冷卻裝置降低軋輥的溫度并維持軋輥溫度的恒定就顯得非常重要。

4 軋輥冷卻水的參數(shù)和作用

為了軋輥的質(zhì)量和使用壽命對冷卻裝置的要求非常重要。正確的調(diào)整和使用可減緩軋輥的磨損，提高軋輥的壽命；可保證軋輥表面光潔，使軋件表面質(zhì)量良好。

4.1 軋輥冷卻水壓力和流量的控制

軋制的過程中，軋機的主驅(qū)動轉(zhuǎn)速超過1300轉(zhuǎn)每分鐘，輔助驅(qū)動（軋輥）轉(zhuǎn)速不低于700轉(zhuǎn)每分鐘（工作時一般將近1000轉(zhuǎn)每分鐘）。軋輥在這么高的轉(zhuǎn)速下進行軋制，必須要嚴(yán)格控制好冷卻水的流量和壓力才行。冷卻水要連續(xù)、足量的進行冷卻，如果軋輥溫度過高應(yīng)更換，預(yù)防軋輥出現(xiàn)熱疲勞裂紋。實際生產(chǎn)中，一般軋輥冷卻水流量要不小于3500L/h，水泵的壓力要有0.8MPa，這樣才能控制軋輥的溫度不至于過高并維持溫度的穩(wěn)定。

4.2 冷卻水要有適宜的溫度

冷卻水要選擇好適宜的溫度，過高冷卻的效果不好軋輥失效加快，過低會導(dǎo)致軋輥開裂并影響軋管的再結(jié)晶從而影響產(chǎn)品質(zhì)量，極冷與極熱，加速疲勞，生產(chǎn)中軋輥冷卻水溫度設(shè)定在40～60℃之間。

4.3 冷卻水的潔凈度要滿足要求

冷卻水中有雜物的容易堵塞噴水環(huán)的出水孔，可能還會對軋輥和軋件的表面質(zhì)量有一定的影響，可以增設(shè)過濾網(wǎng)或過濾系統(tǒng)進行過濾，采用的水質(zhì)一般用純凈水為好。

4.4 軋輥冷卻水噴入的位置

冷卻水噴入的位置對冷卻的影響也是很大的，因為軋輥受力最大的工作區(qū)是其突變區(qū)而且軋輥高速的旋轉(zhuǎn)會把冷卻水迅速甩走，使冷卻效果大大降低，因此需要選擇合適的噴入位置。工廠一般會把軋輥上的突變區(qū)作為冷卻水的噴入位置，如圖所示圖中紅點所形成的環(huán)形就是由噴水環(huán)噴入的地方。

4.6 冷卻水能夠循環(huán)利用，減少對新水的耗費。

5 冷卻水的其他作用

冷卻水還充當(dāng)了潤滑油的載體，不僅提供了冷卻性能又提供了潤滑性能。在軋制銅管時，軋輥與管坯之間的摩擦是必要的，這是因為所有變形能都是從軋輥與管坯之間的工作表面所產(chǎn)生的剪切應(yīng)力轉(zhuǎn)換來的，軋制需要一定的摩擦力，但軋輥的摩擦磨損和接觸疲勞是導(dǎo)致其失效的主要原因，給產(chǎn)品的質(zhì)量控制帶來了很大的困難。對每臺軋機，所采用潤滑油的含量都要特別配置，以便控制軋輥和管坯之間接觸所必需的潤滑性能。如果摩擦力太小，就會產(chǎn)生打滑等問題；摩擦力太大，因軋制功率過大大導(dǎo)致電機在軋制過程中超負荷跳閘等，因此，潤滑油的作用不是簡單消除摩擦，而是控制摩擦力而滿足生產(chǎn)要求。

表4 4Cr5MoSiV1鋼的疲勞極限

圖5 軋輥上冷卻水噴入位置

圖6 探傷統(tǒng)計表

6 產(chǎn)品質(zhì)量特性追蹤和反饋

通過統(tǒng)計技術(shù)對產(chǎn)品質(zhì)量特性進行追蹤和反饋，我們可以更好地了解到關(guān)于軋輥的情況，因為產(chǎn)品的質(zhì)量特性和軋輥的狀態(tài)關(guān)系密切。如下圖所示，我們可以看到在前100根產(chǎn)品的百公斤傷點數(shù)基本上和我們的目標(biāo)一致，突變點后隨著軋輥表面質(zhì)量質(zhì)量惡化，產(chǎn)品質(zhì)量特性百公斤傷點數(shù)變得越來越多甚至超過我們的標(biāo)準(zhǔn)值成為廢料，根據(jù)數(shù)據(jù)特征我們就可以追溯到軋輥質(zhì)量問題，并對問題產(chǎn)品進行隔離處理，快速響應(yīng)。因此運用統(tǒng)計技術(shù)對產(chǎn)品質(zhì)量特性追蹤和反饋，是對軋輥使用質(zhì)量控制有效方法。

7 結(jié)語

本文通過對軋輥材質(zhì)和熱處理工藝以及軋輥水冷卻系統(tǒng)、產(chǎn)品質(zhì)量特性追蹤和反饋的介紹，分析了軋輥的質(zhì)量和使用壽命的影響因素并探究了實際生產(chǎn)過程中如何改進水冷卻系統(tǒng)的參數(shù)和對軋輥材質(zhì)、熱處理來進行提高和改善。