热轧带钢高速钢复合轧辊周期性热冲击下的温度波

冯明杰,王恩刚,赫冀成

(东北大学材料电磁过程研究教育部重点实验室,沈阳110819)

热轧带钢高速钢复合轧辊周期性热冲击下的温度波

冯明杰,王恩刚,赫冀成

(东北大学材料电磁过程研究教育部重点实验室,沈阳110819)

建立了高速钢复合轧辊在带钢热轧过程中的2维传热模型,以Flunet6.3为计算平台,利用移动坐标系技术和自定义函数功能,研究周期性热冲击下辊内温度波的传播特点和咬入温度及轧制速度对温度波的影响,探讨高速钢复合轧辊工作层的适宜厚度。结果表明:辊内的温度场表现为以轧辊转动一周为周期的高频波和以轧制一块带坯为周期的低频波。高频波具有强烈的薄层效应,而低频温度波随深度衰减缓慢,影响范围较深。同一深度处温度波动的幅度随咬入温度的增加而增大,随轧制速度的增加而减小,且轧制参数对高频温度波的影响远大于对低频温度波的影响。工作层有足够厚度时,才能消除低频温度波对高速钢复合轧辊双金属复合界面结合质量的影响。

热轧;带钢;高速钢复合轧辊;温度波;热冲击

高速钢复合轧辊是20世纪70年代末出现的一种新型轧辊,其工作层采用的是具有高强度、高硬度、高耐磨性和易淬透的高碳高速钢,芯部采用的是具有良好韧性的锻钢或球磨铸铁,两者以冶金结合的方式复合在一起。这种轧辊很好地解决了单种材质强度和韧性之间的矛盾,并能节约大量贵重金属,满足了目前轧钢设备大型化、高速化、自动化和恶劣工作条件的需求,被广泛应用于热、冷轧带钢和板材生产[1-4]。在带钢的热连轧过程中,工作辊的周期性受到带坯的传热和冷却介质的冷却作用(周期性的热冲击),辊内的非稳态温度场表现为周期性的温度波。这种周期性的温度波决定着轧辊的热凸度和辊缝形状,同时周期性的热作用也会影响到轧辊表面附近材料的组织和性能。发纹、龟裂和掉肉等问题往往起源于轧辊的表面,而周期性热冲击所带来的表层附近剧烈的温度波动是主要原因之一。因此,工作辊在轧钢过程中的温度分布问题,受到相关科技工作者的极大关注,并被深入研究[5-11]。但对于高速钢复合轧辊而言,在工作层与辊芯之间还存在双金属复合面,由于两种金属无论在成分上还是在性能上都存在很大差异,并且界面附近往往还存在气孔、夹杂等缺陷,在较大的温度波动下,会因较大热应力的产生而影响到界面的应用性能。因此,进一步研究高速钢复合轧辊在轧钢过程中的温度分布和温度波的传播问题,具有重要的理论和实际应用价值。

本工作建立了带钢热轧工作辊的2维传热模型,以Fluent6.3为计算平台,利用该软件提供的“用户自定义函数(User Defined Function)”功能结合自编的C语言程序,以精轧F1机架的高速钢工作辊为对象,研究了轧钢过程中周期性温度波的传播特点及咬入温度和轧制速度对温度波的影响,探讨了高速钢复合轧辊工作层的合理设计厚度。

1 数学物理模型的建立

1.1 传热模型

考虑到工作辊的径向传热远大于轴向传热,为了研究上的方便,在本研究中仅考虑轧辊中间横截面上的径向和周向传热,而将轴向传热忽略不计。并作如下假定:(1)轧辊材料各向同性;(2)双金属复合界面上不存在结合缺陷;(3)忽略带坯咬入和抛出时轧制速度的变化。将坐标原点设在轧辊中间横截面的中心,建立笛卡尔坐标系,则工作辊内的2维非稳态传热过程可由式(1)来描述:

式中:ρ为轧辊材料的密度,kg/m3;c为轧辊材料的比热容,J/(kg·K);λ为轧辊材料的导热系数,W/(m· K);τ为时间,s;t为轧辊的温度,℃;x和y分别为轧辊中的某点在x和y方向上的坐标,m。

1.2 换热边界条件

根据换热边界条件的不同情况,沿工作辊的周向划分为8个不同的区域(Z1～Z8),如图1所示。其中Z1为与轧件相接触区,Z2和Z8为辐射换热区,Z3和Z7为水雾冷却区,Z4和Z6为喷射冷却区,Z5为与支承辊接触传热区。具体边界条件的求取在文献[12]中有详细论述,在此不再累述。

图1 工作辊的换热边界条件Fig.1 Heat transfer boundary conditions of work roll

2 计算方法和模型验证

2.1 计算方法

F1机架工作辊的直径为730mm,其中工作层的厚度为70mm,相关轧制参数如表1所示。用Gam2 bit2.0前处理软件创建求解区域,采用四边形网格对求解区域进行网格剖分。首先沿径向将区域分为3层。外层采用0.1mm的细网格,中间层采用因子为1.12单比例剖分法,沿径向由外向内,尺寸逐渐变大,辊芯为内层,采用等比例剖分法,然后生成面网格。高速钢复合轧辊工作层材料的化学成分(质量分数/%,下同):C 1.81,M n 0.37,Si 0.31,Cr 4.13,Mo 9.21, V 4125,W 4.12,P 0.021,S 0.024,余量为Fe。辊芯材料的化学成分:C 2190,Si 1182,M n 0152,P 01027,S 01038,余量为Fe。两种材料的比热和导热系数等物性参数以温度二次函数的形式导入计算模型中,工作层和辊芯的密度分别取为8667kg/m3和7713kg/m3。计算时,带坯的咬入温度tin分别取900, 1000,1100℃和1200℃,轧制速度v分别取1.0,2.0, 3.0m/s和4.0m/s,设定工作辊所在的坐标系为固定坐标系,而边界条件是以ω角速度转动的移动坐标系,将带坯的咬入温度和轧制速度交叉配对,分别进行计算。边界条件采用Fluent6.3提供的“用户自定义函数(U ser Defined Function)”功能结合自编的C语言程序导入传热计算模型中。对传热方程的离散,在时间上采用一阶全隐格式,在温度上采用二阶中心差分格式,工作辊的初始温度设为25℃,计算时间步长为0.01s。

2.2 模型验证

为了验证数值模拟结果的准确性,采用快速反应R型可伸缩性热电偶和电脑数据自动记录系统,在稳定轧制的情况下,连续测定了轧辊表面某点的温度在纯轧和间歇阶段的温度变化。其中,热电偶安装在后切水板的下侧并与轧辊表面充分接触,图2为实测结果和该轧制条件下数值模拟的结果,从图2可知,计算结果与实测值吻合较好,变化趋势一致,纯轧阶段的最大温差不大于60℃,间歇阶段的最大温差不大于30℃。由此可知,该数学模型和计算方法具有较高的可信度。

表1 F1机架的轧制参数___________Table 1 Rolling parameter________________ of_F1mill

图2 实测结果与数值模拟结果的比较(tin=1200℃,v=2.0m/s)Fig.2 Comparison between the numerical simulation and the measured results(tin=1200℃,v=2.0m/s)

3 计算结果与分析

3.1 温度波的传播特点

图3为带坯咬入温度tin为1200℃,轧制速度v为210m/s条件下,一块带坯轧制过程中,辊内不同深度处的温度波(其他轧制条件下,温度波相似)。从图3中可以看出,无论是纯轧阶段还是间歇阶段,轧辊表面和内部的温度都会发生周期性的变化。每转动一周,都会出现一个最高温度和一个最低温度,随深度的增加,最高温度迅速变小而最低温度缓慢升高,两者的温差逐渐缩小。纯轧阶段,轧辊转动约5～6周后,表面温度波的极值趋于稳定,最高温度为612.5℃,最低温度为37.2℃,而内部的最高和最低温度都随着轧制过程的进行而逐渐升高。进入空转阶段后,表面的最高温度和最低温度迅速降低,空转约10周后,温度极值趋于稳定。内部的最高和最低温度也随着轧辊空转而逐渐降低,但降低的幅度随深度的增加而逐渐变缓,且离开表面的距离越远,温度曲线越高。如果以轧辊转动一周所经历的时间为一个考察周期,在轧辊较深处的温度波的波幅几乎衰减到了零;但当以轧制一块带坯所经历的时间为一个考察周期时,该处的温度依旧存在较大的起伏。由此可见,辊内的温度波可以分为以轧辊转动一周所经历的时间为一个周期的高频波和以轧制一块带坯所经历的时间为一个周期的低频波(包括纯轧和间歇两个阶段)来进行分析,辊内的温度分布是这两种温度波共同作用的结果。

图3 一块带坯轧制过程中辊内离表面不同深度处的温度波(tin=1200℃,v=2.0m/s)Fig.3 Temperature wave of different distance from the surface during a slab rolling(tin=1200℃,v=2.0m/s)

图4为辊内高频温度波和低频温度波在轧钢过程中的变化。其中图4(a)是一块带坯的纯轧阶段表面附近不同深度处的高频温度波。可以看出,当表面进入接触传热区(Z1)后,温度迅速升高,脱离钢坯的瞬间,轧辊表面达到了最高温度。进入出口辐射换热区(Z8)后,带坯与工作辊表面之间的换热大为减弱,再加上热量向轧辊内部的传导作用,轧辊表面的温度迅速下降。进入冷却区后(Z7～Z3),冷却介质将轧辊表面附近的热量快速带走,温度进一步降低。当轧辊表面转到入口辐射区(Z2)后,又会受到轧前带坯的辐射热作用,温度又会逐渐升高。同时,表面层附近不同深度的温度也发生周期性的变化,但随着深度的增加,温度波的波幅快速衰减,且温度峰值出现的时间逐渐后移。图4(b)是4块带坯轧制过程中,轧辊内部不同深度处的低频温度波。进入纯轧阶段后,由于轧辊表面的净换热量是正值,热量不断地由辊面传向内部,辊内深处的温度会不断升高。当完成一块带坯的轧制进入间隙阶段后,受冷却作用的影响,轧辊表面的净换热量变为负值,热量通过表面传向冷却介质,使轧辊内部的温度又逐渐降低,而后进入下一个循环周期。可以看出,随着深度增加,低频温度波的波幅也不断衰减,但衰减程度远小于表面层的高频温度波,并且随着轧钢块数的增加,轧辊内部的整体温度缓慢升高。尽管工作辊换热条件的周期性变化不是简谐波,但非简谐的周期性变化都可以展开为傅里叶级数,表示为无穷多个简谐波的叠加[13],因此,轧辊中的温度响应可以看作是一系列简谐波相互叠加的结果。由简谐温度波的传播特点可知,波幅与深度成指数关系衰减,并与频率相关,温度波的频率越高,温度波的衰减越快。这正是高频波影响深度小而低频波影响深度大的根本原因。

图4 轧辊表面附近的高频温度波(a)和轧辊深处的低频温度波(b)(tin=1200℃,v=2.0m/s)Fig.4 High2frequency temperature wave in outer layer(a)and low2frequency temperature wave in interior of roll(b)(tin=1200℃,v=2.0m/s)

3.2 咬入温度和轧制速度对高频温度波的影响

图5 不同咬入温度和轧制速度下高速钢复合轧辊高频温度波的波动大小与深度的关系(a)v=1.0m/s;(b)v=2.0m/s;(c)v=3.0m/s;(d)v=4.0m/sFig.5 Relation ship of high2frequency temperature fluctuation and dep th of roll in different biting temperature and rolling speed (a)v=1.0m/s;(b)v=2.0m/s;(c)v=3.0m/s;(d)v=4.0m/s

剧烈的周期性的温度波动,必然会给轧辊带来很大的热应力,而热应力往往会导致材料裂纹的萌生和扩展,严重的话,会造成轧辊的龟裂或掉肉,因此了解辊内不同深度处温度的波动大小具有重要的意义。需要说明的是,频率对材料使用性能的影响也有很大关系,频率愈高,在同样的温度波动下,对材料的危害将更大。图5为不同咬入温度和轧制速度下,高速钢复合轧辊在纯轧阶段高频波在一个周期内(轧辊转动一周)的温度波动大小与深度的关系。可以看出,高频波的温度波动幅度随着深度的增加而快速减小,在同一轧制速度下,随着咬入温度的降低,温度波动幅度随深度的变化曲线逐渐下移;在咬入温度一定的条件下,轧制速度愈大,轧辊表面的温度波动幅度愈大,但随深度增加而减小的程度也愈大。如果以温度波动幅度Δt≥5℃的所在的深度为轧辊的热冲击影响深度,可以看出,热冲击影响深度与咬入温度的关系不大,而受轧制速度的影响相对较大,在轧制速度v为110,4.0m/s条件下,轧辊的高频热冲击影响深度分别为8.0,3.5mm,更深处热冲击的影响变得微乎其微。在正常生产条件下,轧制速度一般都大于210m/s,因此,轧辊高频热冲击的影响深度一般不大于5mm。需要说明的是,轧辊的表面裂纹不仅与热冲击有关,同时也受轧辊材料性能和工人操作水平等因素的影响。高频温度波所影响区域位于轧辊的表面层,频率高,温度波动剧烈,对轧辊应用性能的影响较大。

3.3 咬入温度和轧制速度对低频温度波的影响

高频热冲击尽管程度剧烈,但影响的深度有限,仅局限于表面层附近的几个毫米。辊内还存在以轧制一块板坯所经历的时间为周期的低频温度波,也存在一定的温度波动,尽管作用周期长,温度变化相对缓慢,但它的影响深度要远大于高频温度波。图6为不同咬入温度和轧制速度下,高速钢复合轧辊内的低频温度波在一个周期内的温度波动大小与深度的关系。可以看出,随着深度的增加,低频温度波的波幅缓慢减小,温度曲线变化斜率远小于高频。在咬入温度一定的条件下,随轧制速度的增大,同一深度处的温度波动幅度逐渐变小。在咬入温度为1200℃条件下,当轧制速度由1.0m/s升高到4.0m/s时,离轧辊表面10mm深度处的温度波动幅度由118.5℃减小到了74.8℃。在轧制速度一定的条件下,随着咬入温度的增加,温度波动幅度的变化曲线逐渐升高。但到达一定深度后,4条曲线几乎汇聚在了一起,并接近于零,该深度几乎与咬入温度无关。如果用高频热冲击影响深度相同的标准来判断低频热冲击的话,在实际生产的轧制速度下,低频热冲击的影响深度约为35～40mm。

图6 不同咬入温度和轧制速度下高速钢复合轧辊低频温度波的波动大小与深度的关系(a)v=1.0m/s;(b)v=2.0m/s;(c)v=3.0m/s;(d)v=4.0m/sFig.6 Relationship of low2frequency temperature fluctuation and depth of roll in different biting temperature and rolling speed (a)v=1.0m/s;(b)v=2.0m/s;(c)v=3.0m/s;(d)v=4.0m/s

轧辊内部存在一定厚度的双金属结合界面是高速钢复合轧辊的典型特征,结合界面外侧的高碳高速钢(工作层)和内侧的球墨铸铁或铸钢,两者在线膨胀系数、弹性模量等物性参数上都存在很大不同,如果界面位于低频热冲击的影响范围之内,将会由于周期性热应力的作用而使界面的应用性能受到影响。因此,工作层厚度的确定是高速钢复合轧辊设计的一项重要内容。从计算结果来看,为了消除低频热冲击对复合界面结合质量的影响,工作层应当有足够的厚度。

4 结论

(1)辊内的温度波可分为以轧辊转动一周为周期的高频波和以轧制一块带坯为周期的低频波。在表层附近,高频温度波起主要作用,温度波动极为剧烈,但随着深度的增加迅速衰减,影响深度仅为几个毫米。在轧辊内部热冲击较小,低频温度波起主要作用,但影响范围广,温度波衰减缓慢,影响深度约为35～40mm。

(2)在轧辊的同一深度温度波动的幅度与咬入温度和轧制速度有关,随轧制温度的增加而增大,随轧制速度的增加而减小,且轧制参数对高频温度波的影响远大于对低频温度波的影响。

(3)计算结果表明,为了消除低频温度波对高速钢复合轧辊双金属复合界面结合质量的影响,工作层应当有足够的厚度。

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Numerical Simulation on Temperature Wave of High Steel Composite Roll Under Periodic Heating Shock During Continuous Hot Slab Rolling

FENGM ing2jie,WANG En2gang,HE Ji2cheng
(Key Laboratory of National Education M inistry for Electromagnetic Processing of Materials,Northeastern University,Shenyang 110819,China)

A 22dimension heat transfer model of high steel composite rolls during continuous hot slab rolling was established,meanw hile the sp reading p ropertiesof temperature waves under periodic heat2 ing shock and the effects of biting temperature or rolling speed of slabs on temperature waves in the rollswere studied by use of rotating reference frame and user2defined functions based on Flunet6.3 software.A t the same time,the app rop riate dep th of working layer of high speed steel composite roll w as also discussed.The results indicate that the temperature field in the rolls can be describe by use of a high2frequency temperature w ave and low2frequency temperature w ave of w hich periodic is the costing time of work roll rotating one cycle and rolling one slab,respectively.The high2frequency tem2 perature wave has severe thin2liver effect,w hile the low2frequency temperature wave slow ly attenu2 ates w ith dep th and its influence dep th ism uch deeper than that of high2frequency temperature w ave. The value of temperature fluctuation increases w ith biting temperature rising and decreases w ith roll2 ing speed rising at the same dep th,and the influence of rolling parameters on temperature fluctuation of high2frequency temperature w ave is much greater than that of low2frequency temperature wave. When the dep th of working layer is enough,the impact of low2frequency temperature w ave on com2 posite quality of high speed steel composite rolls can be avoided.

ho t rolling;slab steel;high speed steel composite roll;temperature w ave;heating shock

TG249.9

A

100124381(2010)1220008206

国家高技术研究发展计划资助项目(2003AA 331050);国家自然科学基金资助项目(200809123)

2009210222;

2010206217

冯明杰(1971—),男,博士,讲师,主要研究方向:高速钢复合轧辊的制备及应用,联系地址:辽宁省沈阳市东北大学材料电磁过程研究教育部重点实验室(110819),E2mail:fengm j@epm.neu.edu.cn