CN102798576B - 一种连铸坯铸轧工作辊表面热疲劳寿命的模拟检测方法 - Google Patents
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Abstract
一种连铸坯铸轧工作辊表面热疲劳寿命的模拟检测方法，其主要是利用热/力模拟试验机模拟连铸坯铸轧过程中轧辊表面的实际工况条件，将辊材加工成砧子，将轧材加工成试样，通过控制试样的温度与应力的变化模拟辊材的工作条件，通过分析与试样接触的砧子表面出现疲劳裂纹、龟裂甚至剥落的程度，确定砧子（辊材）表面发生热疲劳失效的热/力载荷循环周次与时间，进而给出相应条件下连铸坯铸轧工作辊表面的热疲劳寿命。本发明实验条件能更好地接近轧辊实际轧制工况，测定热疲劳寿命与实际工作过程的结果差别很小，贴合实际工况，数据可靠，具有实用价值，该模拟检测方法虽然方法简单，但科学准确。
Description
技术领域 本发明涉及一种铸轧工作辊表面在受到循环热载荷与应力载荷共同作用下失效情况的检测方法。
背景技术 轧钢生产过程中，轧辊与轧材直接接触使轧材变形，轧辊与轧材接触面上承受着较大应力载荷。而连铸坯铸轧过程中，轧材表面为固态金属外壳，内层仍为液态金属芯，相对一般的热轧而言，轧制温度高，轧制变形程度大，因而与轧材接触的轧辊表面既承受较高的应力载荷，又承受较大的温度变化。这使得在工作过程中，轧辊表面更易产生裂纹，剥落，龟裂等缺陷影响轧制效果，造成轧辊热疲劳失效。
目前关于金属热疲劳的试验方法，HB6660-1992《金属板材热疲劳试验方法》与 GJB 6213-2008《金属材料热机械疲劳试验方法》及日本的JIS Z 2278-1992《金属材料的热疲劳试验方法》等均采用对试样整体施加循环温度载荷或应力温度载荷的方法，研究试样的开裂及疲劳寿命，而未对金属表面热疲劳失效的试验方法作明确解释。实际铸轧过程中，轧辊的热疲劳失效主要发生在轧辊表面，而目前并没有合适的方法可以给出铸轧过程中轧辊表面工况环境的真实模拟。
发明内容 本发明的目的在于提供一种可以给出铸轧过程中轧辊表面热疲劳失效的一种连铸坯铸轧工作辊表面热疲劳寿命的模拟检测方法。
本发明主要是：利用热/力模拟试验机模拟连铸坯铸轧过程中轧辊表面的实际工况条件，将辊材加工成砧子，将轧材加工成试样，通过控制试样的温度与应力的变化模拟辊材的工作条件，通过分析与试样接触的砧子表面出现疲劳裂纹、龟裂甚至剥落的程度，确定砧子（辊材）表面发生热疲劳失效的热/力载荷循环周次与时间，进而给出相应条件下连铸坯铸轧工作辊表面的热疲劳寿命。
本发明方法具体内容如下：
1、制作模拟辊材（砧子）和轧材（试样）：
将铸轧工作辊材料加工成砧子，其顶面为具有一定曲率的凸面，该凸面的曲率是按照轧辊尺寸及轧制压下量的不同计算出的接触弧面的曲率。
将被轧材料加工成待处理试样，其两侧设有与砧子顶面对应的曲率凹面。
2、将砧子和试样安装在热/力模拟实验机上：
将上述砧子底面放置在模座中夹紧，将上述相同的两组砧子和模座固定在热/力模拟实验机的传动设备上。根据模拟实验机的不同，两组砧子和模座可采用上下装卡，如立式试验机；或采用左右装卡，如卧式试验机。
将上述试样设在上述两个砧子之间，该试样分别与电加热装置（电阻或感应加热装置）和冷却装置（水冷、风冷或空冷）相连，同时该试样上还设有控温电偶，其与试验机的控制系统相连，以便调整试样的温度与模拟的轧材表面温度相对应。为准确掌握试样与砧子表面的温度是否符合实际条件，两者表面均设有测温电偶。
试验机的机械系统可采用液压传动或机械传动等方式，其可使双侧模座实现轴向移动，也可使一侧模座实现轴向移动，另一侧模座固定。在试样上设有力传感器，其与试验机控制系统相连。
3、模拟检测：
通过与控温电偶相连的电加热和冷却装置向砧子表面施加铸轧过程中轧辊表面所受的实际温度对应的载荷。
通过试验机的机械系统向砧子表面施加铸轧过程中轧辊表面所受的实际应力对应的载荷。
经过上述应力加载和卸载及温度加热和冷却，完成一个工艺循环。该工艺循环进行多次。
上述工艺循环进行多次后停止试验，取下试样，观察砧子（辊材）表面情况，如表面出现龟裂、裂纹或剥落等，表明砧子在该实验条件（对应工况）下热疲劳破坏，该循环周次及时间即为试验辊材在具体工况下的表面热疲劳寿命；如果砧子表面未出现裂、裂纹或剥落等缺陷，继续上述工艺循环，直至砧子表面疲劳破坏为止，确定辊材表面热疲劳寿命。
本发明采用以由连铸坯铸轧工作辊材料加工成的砧子为研究对象，把被轧材料加工成试样并作为对砧子施加循环应力与温度载荷的主体，从而实现对连铸坯铸轧工况条件的物理模拟。虽然铸轧过程中，铸坯内部仍为液态金属，但是与轧辊接触表面为固体硬壳，在实验模拟过程中，试样的最高加热温度设定与铸轧坯的固体壳温度一致，即可达到模拟实际工作温度环境，根据实际工况的设备能力与铸轧坯接触面积计算可获得模拟轧制力可达到模拟工况工作力条件的目的。
本发明与现有技术相比具有如下优点：实验条件能更好地接近轧辊实际轧制工况，所以按照本发明的方法测定热疲劳寿命与实际工作过程的结果差别很小，贴合实际工况，数据可靠，具有实用价值，该模拟检测方法虽然方法简单，但科学准确。
附图说明
图 1 是本发明砧子（辊材）与试样（轧材）安装及加载主视示意简图。
具体实施方式
实施例1
该实施例的工况条件如下：轧辊为二辊不可逆大压下轧机用轧辊，辊材选用一种半高速钢，主要用于轧制优质钢、高合金钢等连铸坯。轧机为单道次大压下量70～90 mm，连续轧制方式。相关轧制参数如下：轧制力1200 t，轧制力矩240 t*m；轧制功率300 kW，轧辊尺寸：Φ1000 mm×2000mm，轧制速度：0.4-1.5 m/min，平均轧制温度 1300℃，铸坯表面接触温度1150 ℃，板坯尺寸： 340 *1800mm（厚*宽），产品尺寸： 250*1800mm。
根据上述工况，具体作法如下：在图1所示的本发明试样（轧材）与砧子（辊材）安装及加载主视示意简图中，采用半高速钢（Cr4Mo2V）加工成砧子1，其顶面为曲率2的凸面，其与上述直径Φ1000mm，曲率半径R=0.5m的轧辊对应。采用优质结构钢（DH36）加工成试样2，其两侧设有与砧子顶面对应的曲率凹面。将上述砧子底面放置在模座3中夹紧，将上述相同的两组砧子和模座固定在卧式热/力模拟实验机的传动设备上。将上述试样设在上述两个砧子之间，该试样分别与电阻加热装置和水冷却装置相连，同时该试样上还设有与试验机控制系统相连的控温电偶4，试样与砧子表面均设有测温电偶5。试验机的机械系统采用液压传动方式，其可使双侧模座实现轴向移动，在试样上设有力传感器，其与试验机控制系统相连。通过与控温电偶相连的电加热和冷却装置向砧子表面施加铸轧过程中轧辊表面所受的实际温度对应的载荷，通过试验机的机械系统向砧子表面施加铸轧过程中轧辊表面所受的实际应力对应的载荷，即将试样以60 ℃/秒快速加热到1150℃，加载30 MPa应力，保持7 秒后卸载应力，再以15 ℃/秒速度冷却至300℃（不接触轧材时辊子表面温度），保温45秒，完成一个工艺循环,用时约2 分钟。上述工艺循环进行350次后停止试验，取下试样，观察砧子（辊材）表面情况，表面未出现裂、裂纹或剥落等缺陷，继续上述工艺循环355次，表面出现龟裂、裂纹或剥落等，表明砧子在该实验条件（对应工况）下热疲劳破坏，该循环周次355次及时间11 小时50 分钟即为试验辊材在具体工况下的表面热疲劳寿命。实际生产测试该材质铸轧轧辊的表面热疲劳寿命约为11-13 小时。本发明模拟检查方法与实际结果非常接近。采用传统的金属热疲劳试验方法，将轧辊材料加工成试样，轧辊材质同样采用半高速钢（Cr4Mo2V），对试样（辊材）进行循环热疲劳实验，参照上述工艺试样以60 ℃/s 快速加热到1150 ℃，保持7 s后，再以15 ℃/秒速度冷却至300℃，保温45 秒，完成一个工艺循环，用时约2 分钟。在本实验条件下，实验循环450次后，停止实验，用时约15 小时，试样（辊材）表面未见裂纹、剥落等疲劳缺陷出现。实际生产测试轧辊的表面热疲劳寿命约为11-13 小时，该传统测试方法与实际结果偏差较大。循环次数超过450次，时间超过15 小时的试验没有继续进行的必要。
实施例2
该实施例的工况条件如下：轧辊为二辊不可逆大压下轧机用轧辊，辊材选用一种半高速钢，主要用于轧制优质钢、高合金钢等连铸坯。轧机为单道次大压下量70～90mm，连续轧制方式。相关轧制参数如下：轧制力1200 t，轧制力矩240 t*m；轧制功率300 kW，轧辊尺寸：Φ800mm×2000mm，轧制速度：0.4-1.5 m/min，平均轧制温度 1300℃，铸坯表面接触温度1150 ℃，板坯尺寸：250 *1800mm（厚*宽），产品尺寸：160*1800mm。
根据上述工况，具体作法如下：在图1所示的本发明试样（轧材）与砧子（辊材）安装及加载主视示意简图中，采用高镍铬铸铁（3Ni4Cr2Mo）加工成砧子，其顶面为曲率2.5的凸面，其与上述直径Φ800mm，曲率半径R=0.4m的轧辊对应。采用合金钢（304H）加工成试样，其两侧设有与砧子顶面对应的曲率凹面。将上述砧子底面放置在模座中夹紧，将上述相同的两组砧子和模座固定在卧式热/力模拟实验机的传动设备上。将上述试样设在上述两个砧子之间，该试样分别与感应加热装置和风冷却装置相连，同时该试样上还设有与试验机控制系统相连的控温电偶，试样与砧子表面均设有测温电偶。试验机的机械系统采用机械传动方式，其可使单侧模座实现轴向移动，在试样上设有力传感器，其与试验机控制系统相连。通过与控温电偶相连的电加热和冷却装置向砧子表面施加铸轧过程中轧辊表面所受的实际温度对应的载荷，通过试验机的机械系统向砧子表面施加铸轧过程中轧辊表面所受的实际应力对应的载荷，即将试样以70℃/秒 快速加热到1150℃，加载20 MPa应力，保持5 秒后卸载应力，再以20℃/秒速度冷却至300℃（不接触轧材时辊子表面温度），保温50秒，完成一个工艺循环,用时约2分钟。上述工艺循环进行290次后停止试验，取下试样，观察砧子（辊材）表面情况，表面未出现裂、裂纹或剥落等缺陷，继续上述工艺循环295次，表面出现龟裂、裂纹或剥落等，表明砧子在该实验条件（对应工况）下热疲劳破坏，该循环周次295次及时间9 小时 50 分钟即为试验辊材在具体工况下的表面热疲劳寿命。实际生产测试该材质铸轧轧辊的表面热疲劳寿命约为9-11 小时。本发明模拟检查方法与实际结果非常接近。采用传统的金属热疲劳试验方法，将轧辊材料加工成试样，轧辊材质同样用高镍铬铸铁（3Ni4Cr2Mo），对试样（辊材）进行循环热疲劳实验，将试样以70 ℃/秒 快速加热到1150 ℃，保持5 秒后，再以20 ℃/秒速度冷却至300℃，保温50 秒，完成一个工艺循环,用时约2 分钟。在本实验条件下，实验循环360次后，停止实验，用时约12 小时，试样（辊材）表面未见裂纹、剥落等疲劳缺陷出现。实际生产测试轧辊的表面热疲劳寿命约为12 小时，该传统测试方法与实际结果偏差较大。循环次数超过360次，时间超过12 小时的试验没有继续进行。
Claims (2)
1.一种连铸坯铸轧工作辊表面热疲劳寿命的模拟检测方法，其特征在于：
①制作砧子和试样：
⑴将铸轧工作辊材料加工成砧子，其顶面为具有一定曲率的凸面，该凸面的曲率是按照轧辊尺寸及轧制压下量的不同计算出的接触弧面的曲率，
⑵将被轧材料加工成试样，其两侧设有与砧子顶面对应的曲率凹面，
②将砧子和试样安装在热/力模拟实验机上：
⑴将上述砧子底面放置在模座中夹紧，将相同的两组夹紧的砧子和模座固定在热/力模拟实验机的传动设备上，
⑵将上述试样设在两个被模座夹紧的砧子之间，该试样分别与电加热装置和冷却装置相连，同时该试样上还设有控温电偶，其与热/力模拟实验机的控制系统相连，
⑶热/力模拟实验机的机械系统可使模座实现轴向移动，在试样上设有力传感器，其与热/力模拟实验机控制系统相连，
③模拟检测：
⑴通过与控温电偶相连的电加热装置和冷却装置向砧子表面施加铸轧过程中轧辊表面所受的实际温度对应的载荷，
⑵通过热/力模拟实验机的机械系统向砧子表面施加铸轧过程中轧辊表面所受的实际应力对应的载荷，保持7秒后卸载应力，
⑶经过上述应力加载和卸载及温度加热和冷却，完成一个工艺循环，该工艺循环进行多次，
⑷上述工艺循环进行多次后停止试验，取下试样，观察砧子表面情况，如表面出现龟裂、裂纹或剥落，表明砧子在该实验条件下热疲劳破坏，该工艺循环次数及所用时间即为试验辊材在具体工况下的表面热疲劳寿命；如果砧子表面未出现龟裂、裂纹或剥落缺陷，继续上述工艺循环，直至砧子表面疲劳破坏为止，确定辊材表面热疲劳寿命。
2.根据权利要求1所述的一种连铸坯铸轧工作辊表面热疲劳寿命的模拟检测方法，其特征在于：试样与砧子表面均设有测温电偶。
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