CN101556267B

CN101556267B - 一种模拟铁素体不锈钢热轧粘辊的实验方法及其装置

Info

Publication number: CN101556267B
Application number: CN 200910011680
Authority: CN
Inventors: 刘振宇; 张驰; 骆宗安; 徐洋; 王国栋
Original assignee: Northeastern University China
Current assignee: Northeastern University China
Priority date: 2009-05-22
Filing date: 2009-05-22
Publication date: 2013-07-10
Anticipated expiration: 2029-05-22
Also published as: CN101556267A

Abstract

一种模拟铁素体不锈钢热轧粘辊的实验方法及其装置，属于冶金技术领域，方法为：将铁素体不锈钢加工成两个端面带有凹槽的试样，将试样和锤头置于有机溶剂中，在超声波条件下清洗，将夹具置于热模拟实验机操作箱的左右轴上，将两个锤头放入夹具中，用夹具将两个锤头和试样夹紧；通电流加热，保温并压缩试样。装置包括热模拟实验机和两个锤头，锤头端面粗糙度为1～2μm。本发明的方法及其装置能够模拟轧辊在高温压缩过程中的表面变化情况，并且可以对道次压下量、变形速率对粘辊的影响进行研究。

Description

一种模拟铁素体不锈钢热轧粘辊的实验方法及其装置

技术领域

本发明属于冶金技术领域，特别涉及一种模拟铁素体不锈钢热轧粘辊的实验方法及其装置。

背景技术

热轧粘辊是指在带钢热轧生产过程中，轧材表面某些部分剥离成碎片黏附到工作辊表面，破坏了轧辊表面和轧材表面质量的现象。粘辊的发生缩短了轧辊的换辊时间，降低了生产效率，同时使轧材表面质量恶化。粘辊后轧材与工作辊之间摩擦系数的改变使轧制力增加，从而使带钢厚度控制出现偏差。尤其在铁素体不锈钢热轧生产过程中，粘辊现象更为明显，增加了带钢的修磨成本，降低了铁素体不锈钢带钢的成品质量。

由于带钢热轧生产过程工艺复杂，轧材种类、轧辊材质和表面粗糙度、轧制温度、轧制速度、轧制力、润滑情况等条件均会影响热轧过程中带钢的粘辊情况，所以在实际生产过程中对粘辊现象进行分析具有一定的难度。现阶段研究粘辊的手段有实验室双辊对磨实验和工业试制。

目前研究较多的双辊对磨实验装置，主要由两个不同尺寸的圆盘组成，两个圆盘分别采用轧辊材质和轧材加工；其他配套设备包括高频感应加热装置、水冷装置、温控装置和接触压力装置，通过高频感应加热装置可以将轧材圆盘以一定加热速度加热到指定温度，两圆盘相对转动，通过扭矩可以计算出两圆盘的接触压力；通过观察不同旋转次数后两圆盘表面质量对粘辊情况进行分析。双辊对磨实验是模拟板坯在高温下连续磨损情况，可以研究轧辊表面质量、氧化层厚度、轧件温度对粘辊的影响。但是双辊对磨实验中没有压缩过程，与实际轧制过程存在一定距离，不能对道次压下量、变形速率对粘辊情况的影响进行研究。

粘辊是一个连续渐变的过程，采用工业试制的方法进行实验需要多块板坯，成本高、周期长、操作不灵活且很难对轧辊表面进行连续详细的观察。因此开发出一种能够模拟轧辊与轧件在高温压缩过程中的表面变化情况的方法，是当前急需解决的问题。

发明内容

针对以上技术问题，本发明提供一种模拟铁素体不锈钢热轧粘辊的实验方法及其装置，目的在于提供一种与实际生产工艺符合程度高，可操作性强，便于准确研究铁素体不锈钢热轧粘辊的影响因素和作用机理的实验方法。

本发明的模拟铁素体不锈钢热轧粘辊的实验方法包括以下步骤：

1、将铁素体不锈钢加工成两个端面带有凹槽的试样，然后将凹槽的底面打磨至粗糙度(Ra)为0.5～4μm。凹槽的底面为平面，凹槽深度为1～5mm；凹槽底面面积占试样所在端面总面积的50～80％。

2、将打磨后的试样置于有机溶剂中，在超声波条件下清洗不少于20min，然后将试样进行氧化处理或不进行氧化处理。氧化处理方式是将试样加热至1000～1250℃，保温3～15min，在试样表面制备氧化层，厚度为1～5μm，以模拟次生氧化层；或者将试样加热至1200～1250℃，保温1～5h，在试样表面制备氧化层，厚度500～800μm，以模拟炉生氧化层。

其中制备氧化层厚度为500～800μm时，要对试样采用高压水除鳞处理或不采用高压水除鳞处理；采用高压水除鳞处理时，水压条件为15～18MPa，处理时间为2～10s。

将试样端面上的非凹槽部分打磨光滑以便于导电。

3、将夹具装配于热模拟实验机操作箱的左右轴上，将两个锤头分别放入热模拟实验机的夹具中，再将试样放入两个锤头之间；然后用夹具将两个锤头和试样夹紧，锤头与试样接触的表面为平面，在夹紧的情况下，两个锤头与试样的两个端面的非凹槽部分接触。

4、按设定加热速度、保温的温度和时间、变形速率和变形量等工艺参数进行热模拟压缩实验，以模拟实际生产中轧辊与轧件表面的压缩过程，具体方法为：通过热模拟实验机的热电偶测量锤头和试样的温度，给试样通电流加热，升温速率为1～10000℃/s，加热温度为800～1200℃，保温1～10000s，通过热模拟实验机的左右轴压缩试样，试样以0.01～50s^-1的应变速率压缩变形，变形量小于90％。其中热电偶连接的温控装置控制升温及保温程序。压缩过程中，锤头接触试样的凹槽底面。

5、重复上述实验过程。

6、利用电子显微镜、体视显微镜或扫描电镜等表面形貌观察设备，观察压缩后的试样和锤头的表面和截面形貌，研究在高温压缩变形过程中铁素体不锈钢的粘辊情况。

7、通过多个试样压缩实验，模拟轧制过程中热轧工作辊辊面的连续变化情况，及其对带钢表面的损害程度。

本发明的模拟铁素体不锈钢热轧粘辊的实验装置包括热模拟实验机和两个锤头，其中两个锤头与热模拟实验机的夹具装配在一起，夹具置于热模拟实验机操作箱的左右轴上。

上述锤头的材质为高铬铸铁或高速钢，锤头采用高铬铸铁经过正火加回火热处理方式制备，或采用高速钢经过淬火加回火的热处理方式制备，以获得适当的表面硬度。锤头制备完成后对锤头的端面进行打磨，打磨至端面粗糙度为1～2μm。将打磨后的锤头置于有机溶剂中，在超声波条件下清洗至少20min。

上述有机溶剂为常用有机溶剂，包括乙醇和丙酮。

与现有的双辊对磨实验相比，本发明的模拟铁素体不锈钢热轧粘辊的实验方法及其装置能够模拟轧辊在高温压缩过程中的表面变化情况，并且能够对道次压下量、变形速率、变形温度等热轧工艺参数和轧辊表面粗糙度与轧辊材质对粘辊的影响进行研究。将试样加工成带有凹槽的形状，保证在高温压缩前试样的凹槽部分不与锤头表面接触；凹槽底面经过打磨后，粗糙度与实际生产中的带钢表面粗糙度一致。锤头采用轧辊材料(高铬铸铁或高速钢)加工而成，当锤头端面面积与试样端面面积比值较大时，锤头与试样之间的温差较大，因此通过改变锤头截面尺寸可改变压缩前锤头表面与试样的温度差值，模拟不同轧辊冷却情况对粘辊的影响；亦可通过机械加工制造成表面粗糙度不同的锤头，用于模拟初始工作辊的辊面粗糙度对于铁素体不锈钢热轧过程中粘辊的影响。

本发明所获得的有益效果是：模拟轧辊与轧件在高温压缩过程中的表面变化情况，设计成带有凹槽的试样可以预先生成目标厚度的氧化层，并保证在高温压缩前试样的凹槽底面不与锤头表面相接触；通过设计试样与锤头的截面尺寸可以模拟高温压缩前轧件与轧辊的温度，以确定轧辊的冷却情况对热轧粘辊的影响；通过多个试样压缩可以模拟轧制过程中热轧工作辊辊面的连续变化情况及其对带钢表面的损害程度；结合热模拟实验机可灵活的变更轧制温度、轧制压下量、变形速率、试样氧化层厚度、锤头表面粗糙度和轧辊材质等条件，进而准确研究热轧工艺参数、轧材品种、轧辊种类和表面粗糙度在铁素体不锈钢热轧粘辊中的影响情况。

附图说明

图1为本发明实施例中的模拟铁素体不锈钢热轧粘辊实验装置的应用方式示意图，图中1、夹具，2、锤头，3、试样，4、第一热电偶，5第二热电偶。

图2为本发明实施例1中的铁素体不锈钢试样端面结构示意图。

图3为本发明实施例2中的铁素体不锈钢试样端面结构示意图。

图4为本发明实施例1中的铁素体不锈钢试样侧视剖面图，图中6、凹槽底面，7、端面的非凹槽部分。

图5为本发明实施例2中的铁素体不锈钢试样侧视剖面图。

图6为本发明实施例1中的压缩实验后试样表面的扫描照片图。

图7为本发明实施例1中的压缩实验后试样截面的扫描照片图。

图8为本发明实施例2中的表面带有氧化层的热模拟试样压缩实验后，试样表面的扫描照片图。

图9为本发明实施例1中压缩实验后锤头表面的电镜扫描照片图。

图10为本发明实施例2中压缩实验后锤头表面的电镜扫描照片图。

图11为本发明实施例2中的高温氧化处理后试样截面扫描照片图。

图12为现有双辊对磨实验装置结构示意图，图中，a、双辊对磨实验装置主视图，b、轧辊材料和不锈钢轧材的侧视图，8、高频感应加热线圈，9、测温装置，10、不锈钢轧材，11、水冷装置，12、轧辊材料。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明的方法及装置做进一步说明，以下实施例为本发明优选实施例。

本发明实施例中采用的铁素体不锈钢成分化学成分按重量百分比为：Cr 20～22％，C0.01～02％，O 0.002～0.005％，N 0.01～0.02％，Nb 0.1～0.2％，Ti 0.1～0.2％，Mn 0.1～0.2％，Si0.1～0.2％，P≤0.01％，S≤0.01％，余量为Fe和未除掉的杂质(微量杂质)。

本发明实施例中采用的超声波频率为20～80kHz。

实施例1

采用高速钢(Cr12MoV)加工成Φ36×30的圆柱形作为锤头，锤头端面为平面，端面平均粗糙度为1.5μm。

采用铁素体不锈钢进行热轧粘辊实验，将铁素体不锈钢加工成带有凹槽的Φ18×15的圆柱试样，如图1所示，凹槽将试样侧面的两端连通，凹槽底面距离试样端面的深度为2mm、凹槽的侧面为两个平行的平面，凹槽底面占试样端面总面积的65％，两个平面与试样轴线的距离相等。将凹槽底面打磨至粗糙度(Ra)为0.5～4μm。试样端面结构如图2所示，侧视剖面图如图4所示。

锤头与试样放入装有丙酮的烧杯中，超声波清洗20min后取出吹干。

将夹具置于热模拟实验机操作箱的左右轴上，将两个锤头分别放入夹具中，将试样放入两个锤头之间，然后用夹具将两个锤头和试样夹紧。锤头与试样接触的表面为平面，在夹紧的情况下，两个锤头与试样的两个端面的非凹槽部分接触。将热模拟实验机的一组热电偶焊接在试样表面，焊接点距离试样凹槽底面垂直距离在2～5mm；热模拟实验机的另一组热电偶焊接在锤头表面。通过两组热电偶测量模拟热轧粘辊实验过程中试样和锤头的温度；通过热模拟实验机控制模拟实验的升温和保温精度。结构如图1所示。

模拟实际生产中精轧道次的压下条件：将试样通电流加热，以10～15℃/s的速度加热到960℃保温10s，以应变速率1s^-1进行压缩变形，变形量30％(变形量以凹槽底面为基准)，以模拟实际生产中精轧道次的压下条件。压缩后将试样取下，更换新的不锈钢试样夹持在锤头的同一位置，重复上述实验过程。在压缩0次、1次、3次、5次、9次、13次、15次后，对锤头端面和每个压缩后的试样端面进行扫描电镜和金相显微镜观察。发现试样在未带有氧化层的情况下，压缩9个试样后锤头表面粘附有大块的从试样表面剥离的碎片，同时试样表面被破坏。第9个被压缩的试样表面电镜扫面如图6所示，截面电镜扫描如图7所示，压缩实验进行9次后，锤头表面电镜扫面如图9所示。本实验的方法与实际生产的热轧工作辊辊面的连续变化情况及其对带钢表面的损害程度近似。

实施例2

锤头制备方法同实施例1，不同点在于锤头端面平均粗糙度为2μm。

试样制备方法同实施例1，不同点在于：试样的凹槽侧面为两个对称的斜面，凹槽底面面积占试样端面总面积的50％。

将试样锤头与试样放入装有丙酮的烧杯中，超声波清洗20min后取出吹干。然后将试样放置在瓷舟中，将装有试样的瓷舟置于管式电阻炉均热段，在1120℃保温5min，取出淬火。获得的试样表面具有氧化层，厚度为1～2μm，如图11所示；将试样端面非凹槽部分的表面用100#以上砂纸打磨光滑以便于导电。

按实施例1所述的方法进行热模拟压缩实验。第15个被压缩的试样表面电镜扫面如图8所示。试样表面没有发生粘辊现象。压缩15次后锤头表面电镜扫面如图10所示。

实施例3

采用高铬铸铁加工成锤头，锤头为阶梯状两段式圆柱形，一段圆柱形为Φ36×20，另一段圆柱形为Φ20×10。锤头端面为平面，端面平均粗糙度为0.6μm。

试样的制备方法同实施例1。

锤头和试样的超声波清洗方法同实施例1。

按实施例1所述的方法进行热模拟压缩实验。不同点在于试样以200～210℃/s的速度加热到1050℃保温20s，以应变速率0.2s^-1进行压缩变形，变形量30％。实验结果发现，锤头在压缩5个试样后，再进行压缩实验的试样被压缩后，锤头表面粘辊现象明显，同时试样表面被破坏。

实施例4

采用实施例3所述的方法制备锤头，不同点在于锤头端面的平均粗糙度为1.0μm。

采用实施例3所述的方法制备试样，不同点在于凹槽底面面积占试样端面总面积的80％。

将试样锤头与试样放入装有丙酮的烧杯中，超声波清洗20min后取出吹干。然后将试样放置在瓷舟中，将装有试样的瓷舟置于管式电阻炉均热段，在1290℃保温15min，取出空冷至室温。获得的试样表面具有氧化层，厚度为2～4μm，将试样端面非凹槽部分的表面用100#以上砂纸打磨光滑以便于导电。

按实施例1所述的方法进行热模拟压缩实验，不同点在于试样以50～60℃/s的速度加热到1200℃保温1000s，以应变速率40s^-1进行压缩变形，变形量80％。压缩5次后的实验结果表明，锤头表面没有粘辊现象，试样表面没有被破坏。

实施例5

采用实施例2所述的方法制备锤头，不同点在于锤头端面的粗糙度为2.0μm。

采用实施例2所述的方法制备试样，不同点在于凹槽底面的面积占试样端面总面积的70％。

将试样锤头与试样放入装有乙醇的烧杯中，超声波清洗25min后取出吹干。然后将试样放置在瓷舟中，将装有试样的瓷舟置于管式电阻炉均热段，在1200℃保温1h，空冷至室温。获得的试样表面具有氧化层，厚度为500μm，将试样端面非凹槽部分的表面用100#以上砂纸打磨光滑以便于导电。

按实施例1所述的方法进行热模拟压缩实验。不同点在于试样以50～60℃/s的速度加热到1150℃保温1000s，以应变速率40s^-1进行压缩变形，变形量40％。压缩9次后的实验结果表明，锤头表面没有粘辊现象，试样表面没有被破坏。

实施例6

将试样锤头与试样放入装有乙醇的烧杯中，超声波清洗25min后取出吹干。然后将试样放置在瓷舟中，将装有试样的瓷舟置于管式电阻炉均热段，在1250℃保温5h，取出试样采用高压水除鳞处理，处理时的水压条件为15～18MPa，处理时间为2～10s。将试样端面非凹槽部分的表面用100#以上砂纸打磨光滑以便于导电。

按实施例1所述的方法进行热模拟压缩实验。不同点在于试样以200～210℃/s的速度加热到1200℃保温2000s，以应变速率50s^-1进行压缩变形，变形量85％。压缩9次后的实验结果表明，锤头表面没有粘辊现象，试样表面没有被破坏。

Claims

1.一种模拟铁素体不锈钢热轧粘辊的实验方法，其特征在于包括以下步骤：(1)将铁素体不锈钢加工成两个端面带有凹槽的试样，然后将凹槽的底面打磨至粗糙度为0.5～4μm；凹槽的底面为平面，凹槽的深度为1～5mm；凹槽底面面积占设有凹槽的端面总面积的50～80％；(2)将材质为高铬铸铁或高速钢的锤头打磨至端面粗糙度为1～2μm，将试样和锤头置于有机溶剂中，在超声波条件下清洗不少于20min，然后将试样进行氧化处理或不进行氧化处理；氧化处理是将试样加热至1000～1250℃，保温3～15min，或者将试样加热至1200～1250℃，保温1～5h；(3)将夹具装备于热模拟实验机操作箱的左右轴上，两个锤头分别放入热模拟实验机的夹具中，再将试样放入两个锤头之间，然后用夹具将两个锤头和试样夹紧；(4)设定热模拟试验机的工作参数进行热模拟实验，通电流加热试样，升温速率为1～210℃/s，加热温度为800～1200℃，保温1～10000s，通过热模拟实验机的左右轴压缩试样，试样以0.01～50s^-1的应变速率压缩变形，变形量小于90％。

2.根据权利要求1所述的一种模拟铁素体不锈钢热轧粘辊的的实验方法，其特征在于将试样放入两个锤头之间前，对试样端面上的非凹槽部分打磨光滑以便于导电。

3.根据权利要求1所述的一种模拟铁素体不锈钢热轧粘辊的实验方法，其特征在于将试样加热至1200～1250℃，保温1～5h后，获得的氧化层厚度为500～800μm，要对试样采用高压水除鳞处理或不采用高压水除鳞处理；采用高压水除鳞处理时，水压条件为15～18MPa，处理时间为2～10s。

4.根据权利要求1所述的一种模拟铁素体不锈钢热轧粘辊的实验方法，其特征在于所述的有机溶剂为乙醇或丙酮。