趙 崠 吳慶君

(1.太原重工股份有限公司矯直機(jī)研究所，山西 030024;2.淮南市石油化工機(jī)械設(shè)備有限公司技術(shù)部，安徽 232033)

寬厚板熱矯直機(jī)所矯直的鋼板溫度高達(dá)450～900 ℃，且矯直速度高，承受矯直力大。要求矯直后的鋼板平直度好，殘余應(yīng)力小且分布均勻，板材表面質(zhì)量好且無壓痕。其工作輥在高溫、高速、重載的工作環(huán)境中要求具有足夠的輥面硬度和表面光潔度，故在矯直過程中對(duì)工作輥進(jìn)行充分有效的冷卻，及時(shí)的控制因工作輥面溫度升高、硬度降低而導(dǎo)致的輥面磨損加速和產(chǎn)生麻點(diǎn)，成為延長(zhǎng)輥?zhàn)邮褂脡勖吞岣甙宀某C直質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

1 寬厚板熱矯直機(jī)工作輥性能參數(shù)

以一臺(tái)4 300 mm 寬厚板9 輥熱矯直機(jī)工作輥進(jìn)行說明。

1.1 工作輥參數(shù)

矯直鋼板溫度:450～900℃

單輥?zhàn)畲蟪C直力:5 163 kN

矯直速度:0～1～1.7 m/s

規(guī)格:?285+0.05mm×4 300 mm，Ra0.4 μm

因設(shè)備矯直溫度高、速度快、矯直力大;故要求工作輥材料綜合力學(xué)性能好，輥面硬度高，加工制造尺寸精密。

1.2 工作輥力學(xué)性能

材料:熱軋工作輥用鋼60CrMoV

調(diào)質(zhì)熱處理后硬度為286～321HBW

按JB/T5000.15Ⅲ級(jí)進(jìn)行超聲波檢驗(yàn)

Rm:≥765 MPa

Re:≥627 MPa

A:≥14%

Z:≥40%

Ak:≥38 J

輥身表面淬火硬度:55～60HRC，深度8 mm～10 mm

1.3 工作輥的主要熱處理溫度

調(diào)質(zhì)熱處理:淬火溫度860～880℃;回火溫度620～660℃。

輥身高中頻表面淬火溫度880～920℃;回火溫度180±10℃。

2 寬厚板熱矯直機(jī)工作輥受熱條件

在矯直過程中，引起工作輥溫度升高的主要因素是:

(1)需矯直的鋼板本身具有的熱量。

(2)矯直過程中鋼板變形產(chǎn)生的變形熱。

(3)矯直過程中鋼板與輥面間的滑動(dòng)摩擦產(chǎn)生的摩擦熱。

熱鋼板位于上、下排工作輥間，其溫度高達(dá)450～900℃，工作輥面瞬時(shí)溫度可達(dá)400℃，并使工作輥溫度在徑向和軸向逐漸升高。當(dāng)矯完3～5 塊板后，工作輥溫度達(dá)到一個(gè)穩(wěn)態(tài)平均值。

在正常工作條件下，要求輥身中部溫度約為400～450℃，最高不超過500℃;輥身邊緣約為300～350℃;輥頸溫度約為250～300℃。

工作輥面硬度隨著溫度升高而降低，實(shí)踐證明，當(dāng)輥身溫度低于400℃時(shí)，輥面硬度變化不大;超過400 ℃時(shí)輥面硬度顯著降低。在500～600℃之間硬度幾乎降一半，導(dǎo)致輥面磨損和產(chǎn)生麻點(diǎn)，降低了輥?zhàn)邮褂脡勖桶宀某C直質(zhì)量。因此要控制輥面溫度一般不超過450℃。

3 寬厚板熱矯直機(jī)工作輥的冷卻方式選擇

熱矯直機(jī)工作輥具有以下特點(diǎn):

(1)工作輥數(shù)量多，輥距小，輥系支承緊密，輥間空間小，不易布置外冷水集管。

(2)熱矯直機(jī)在生產(chǎn)中如果使用大量的外冷卻液，則輥系處于冷卻液包圍之中。冷卻液中含有矯直時(shí)產(chǎn)生的微小金屬顆粒、酸性物質(zhì)及其它雜質(zhì)。這些有害液體和固體顆粒一旦進(jìn)入軸承，不但影響潤(rùn)滑劑的性能，破壞所形成的膜，而且還會(huì)直接引起磨粒磨損，導(dǎo)致軸承早期疲勞而失效。

(3)工作輥表面在鋼板加熱和外冷卻液的交替作用下，輥面逐步形成網(wǎng)狀的熱裂紋并發(fā)生氧化，在矯直交變應(yīng)力作用下使裂紋擴(kuò)展。裂紋中滲入外冷水產(chǎn)生的高壓蒸汽崩破作用與楔形氧化鐵屑都會(huì)在矯直過程中使輥面形成大裂紋并造成底部微空隙開裂。

(4)工作輥屬于細(xì)長(zhǎng)軸類零件，其長(zhǎng)徑比達(dá)15 以上。輥身不均勻的受熱冷卻極易造成彎曲變形，影響板材矯直質(zhì)量。

通過以上分析可知，工作輥如果采用內(nèi)冷水冷卻方式則可以避免以上問題，更好的滿足寬厚板矯直機(jī)的技術(shù)性能要求。

4 寬厚板熱矯直機(jī)工作輥內(nèi)冷卻結(jié)構(gòu)與冷卻介質(zhì)要求

熱矯直機(jī)工作輥采用中空通冷卻水結(jié)構(gòu)(如圖1 所示)，內(nèi)冷卻裝置包括內(nèi)冷水管、支撐環(huán)、旋轉(zhuǎn)接頭。冷卻水由旋轉(zhuǎn)接頭進(jìn)水口經(jīng)內(nèi)冷水管到達(dá)輥身冷卻孔一端，再由內(nèi)冷水管與輥身冷卻孔間空隙流向另一端，最后由旋轉(zhuǎn)接頭出水口排出，從而帶走輥身熱量，降低工作輥溫度。

矯直機(jī)工作輥冷卻水耗量見表1 所示。

5 寬厚板熱矯直機(jī)工作輥的內(nèi)冷卻模型

熱矯直機(jī)工作輥的傳熱可以分為輥身外徑與內(nèi)冷水孔間的穩(wěn)定傳導(dǎo)傳熱和冷卻水與內(nèi)冷孔間的穩(wěn)定對(duì)流傳熱兩部分。

5.1 輥身外徑與內(nèi)冷水孔間的穩(wěn)定傳導(dǎo)傳熱

其圓筒壁的導(dǎo)熱面積不是常量，而是隨半徑而變，同時(shí)溫度也隨半徑而變。單位時(shí)間內(nèi)導(dǎo)過筒壁的熱量Q 與輥身長(zhǎng)度L、導(dǎo)熱系數(shù)λ、壁間的溫度差tw成正比，而與內(nèi)外半徑比值的自然對(duì)數(shù)成反比。由此可見增加冷卻孔直徑與長(zhǎng)度、降低供水溫度有利于輥?zhàn)拥睦鋮s。

5.2 冷卻水與內(nèi)冷孔間的穩(wěn)定對(duì)流傳熱

其傳熱與冷卻水的流動(dòng)狀況有密切關(guān)系。冷卻水流經(jīng)內(nèi)孔壁面時(shí)，在靠近壁面處總有一層滯流內(nèi)層存在，在滯流內(nèi)層中，沿壁面的法線方向上的熱傳遞主要以導(dǎo)熱的方式進(jìn)行。由于水的導(dǎo)熱系數(shù)較小，使得滯流內(nèi)層中的導(dǎo)熱熱阻就很大，因此溫度差也較大。在湍流的主體中，由于流體質(zhì)點(diǎn)混合較好，使湍流主體中的溫度基本相同。而在湍流主體和滯流內(nèi)層之間的緩沖層內(nèi)，熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流均起作用，使該層內(nèi)溫度發(fā)生緩慢變化。由此可見熱阻主要集中在滯流內(nèi)層中，因此減薄滯流內(nèi)層的厚度，是強(qiáng)化對(duì)流傳熱的重要途徑。

提高冷卻水流速與水壓進(jìn)行強(qiáng)制對(duì)流以及工作輥的旋轉(zhuǎn)擾動(dòng)均可使冷卻水的滯流內(nèi)層減薄。

圖1

表1 矯直機(jī)工作輥冷卻水耗量Table 1 Cooling water consumption of the straightener working roll

6 寬厚板熱矯直機(jī)工作輥的內(nèi)冷卻參數(shù)

以一臺(tái)4 300 mm 寬厚板9 輥熱矯直機(jī)進(jìn)行計(jì)算:

(1)其單根工作輥外徑?285 mm，冷卻孔內(nèi)徑?80 mm，冷卻水進(jìn)口溫度為25℃，出口溫度不超過50℃，質(zhì)量流量為1.53 kg/s，忽略熱損失計(jì)算其熱負(fù)荷。

式中 Q冷——單位時(shí)間內(nèi)冷卻水所交換的熱量，W;

w冷——冷卻水的質(zhì)量流量，kg/s;

c冷——冷卻水在進(jìn)出口溫度范圍內(nèi)的平均比熱，J/kg·℃;

t1、t2——冷卻水最初和最終溫度，℃。

(2)依熱量守恒原理，當(dāng)Q損略去不計(jì)時(shí)，Q冷=Q熱，計(jì)算工作輥冷卻孔內(nèi)壁溫度。

式中 λ——鋼的平均導(dǎo)熱系數(shù)，45.3 W/m·℃;

tw1、tw2——輥?zhàn)油鈴胶洼佔(zhàn)觾?nèi)孔溫度，℃;

r1、r2——輥?zhàn)油鈭A半徑和輥?zhàn)觾?nèi)孔半徑，m;

Am——輥身筒壁內(nèi)、外表面的對(duì)數(shù)平均面積，m2，Am=2πrmL;

L——輥身長(zhǎng)度，m;

rm——輥身筒壁的對(duì)數(shù)平均半徑，m。

(3)如將冷卻水的質(zhì)量流量增加到1.85 kg/s，則冷卻水的終溫可降至45.6℃。

7 結(jié)論

通過內(nèi)冷卻方式進(jìn)行熱量交換能有效的控制熱矯直機(jī)工作輥的溫度升高。內(nèi)冷卻方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng)，減少了工作輥因高溫環(huán)境造成的變形、磨損和熱裂，使板材矯平質(zhì)量得到提高。減少了換輥維護(hù)次數(shù)，減輕了工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度和設(shè)備的維護(hù)使用成本，提高了設(shè)備的生產(chǎn)效率。