CN1253588C - 一种冶金轧辊的应力快速调整方法 - Google Patents

Abstract

一种冶金轧辊的应力快速调整方法，使用循环加载装置对轧辊工件施以亚共振频率的循环载荷应力，其特征在于：轧辊工件支承在一对具有一定动态弹性模量E_动，且相隔距离为L的弹性支承上形成一个弹性振动系统，该循环加载装置的施力点位于上述弹性振动系统的共振节点附近；该循环载荷应力6_循＝(1～2)6s/3D、且6_循＜6_-1/D，上述式中的6s为工件表层材料弹性极限、6_-1为工件表层材料疲劳极限、D为单自由度有阻尼振动系统的动力放大因子。本发明解决将振动时效原理应用于大型铸铁轧辊时所遇到的工件固有振动频率高难以达到、振动力大小难以确定的技术问题，其次是解决以计算替代扫频实测确定振动频率的技术问题。

Description

一种冶金轧辊的应力快速调整方法

技术领域：

本发明是关于消除或降低金属加工件内应力的方法，特别是关于铸铁轧辊降低内应力并使其均化的快速调整方法。

背景技术：

轧制是金属材料生产的一种主要生产方法，例如2001年我国钢板、钢带产量为5193万吨。作为金属轧制的主要工作元件一轧辊是一个消耗品，例如某钢铁厂轧制高铬钢或不锈钢薄板，平均每轧制一吨钢材，需要消耗轧辊80-90千克，可见全国每年轧辊消耗量之大。目前世界上常用的轧辊按其成分为钢轧辊(含碳量在0.4～1.4％)、半钢轧辊(含碳量在1.4～2.4％)和铸铁轧辊(含碳量在2.5～3％)三类；其金相组织也与一般钢铁材料有所不同，兼具钢和铁的特征。其毛坯大都为锻造和铸造成形，再经机械和热处理而成。由于锻造、铸造和热处理必然在轧辊内部产生很大的残余内应力。残余内应力会影响轧辊的变形和承载能力，残余内应力愈大，轧辊变形愈大、承载能力愈低，造成其使用寿命短，为此要求轧辊的残余内应力尽可能的低而且均匀为好。时下消除或降低内应力的方法有以下三种：

1.自然时效法。即将工件置于室外半年至一年，任其风吹雨淋、日晒夜凉，热胀冷缩。这种方法处理简单、操作方便，现为轧辊制造者广泛采用。但其缺点是处理周期长、需要一次大量的储备轧辊才能满足生产要求，因此要大量占用堆放场地和材料资金。

2.热时效法。即对工件进行缓慢加温、保温和缓慢降温处理。其优点是处理时间比自然时效法大为缩短，一般为数十小时。缺点是需要建造能置放工件的热窑和消耗大量的热能，并且操作要求严格。由于轧辊一般多是直径在700毫米左右、长度超过2米的大型工件，使用此法不仅生产成本高于自然时效法，而且不易掌握。

3.振动时效法。即对工件在其固有的频率范围内，施加循环载荷对工件进行振动。此法的优点是设备投资少、处理时间极短，一般仅需数十分钟、操作方便、节省能源、成本低。其缺点首先是工件固有频率多采用在施工现场以扫频实测方法获得，既费时，又带有一定的盲目性。尤其是对轧辊这类结构而言，其刚度大、固有频率高、而常用的循环载荷加载设备因受电机转速及功率限制难以达到共振要求。第二是施加的动应力大小的选择问题。因为施力的大小不仅对工件寿命有关，而且直接影响时效的效果。由于学术界长期存在着振动时效会不会降低工件疲劳寿命的疑问，多年来虽有人对钢结构焊件振动时效进行研究，获得了既可不影响焊接工件疲劳寿命，又可取得消减残余内应力的良好效果。但若干冶金企业将其用在铸铁轧辊的实际试验中却都以失效告终。

发明内容：

本发明提出了一种冶金轧辊的应力快速调整方法，目的在于解决将振动时效原理应用于大型铸铁轧辊时所遇到的工件固有振动频率高难以达到、振动力大小难以确定的技术问题，其次是解决以计算替代扫频实测确定振动频率的技术问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种冶金轧辊的应力快速调整方法，使用循环加载装置对轧辊工件施以亚共振频率的循环载荷应力，其特征在于：轧辊工件支承在一对具有一定动态弹性模量E_动，且相隔距离为L的弹性支承上形成一个弹性振动系统，以所采用的弹性支承作为边界约束条件，以有限元结构分析软件计算在该动态弹性模量E_动下振动系统第一阶系统频率，确定该振动系统的施振振动频率，以及计算获得不同支承距离L的工件中心轴线结点位移曲线，确定弹性支座的支承距离L，由工件表层材料弹性极限б_s和疲劳极限б_-1按б_-1/D＞б_循＝(1～2)б_s/3D公式确定循环载荷应力б_循，式中D由该系统频率比λ和阻尼比ζ由公式 $D=1/\sqrt{{(1-{\mathrm{\λ}}^2)}^2+{\left(2\mathrm{\ζ\λ}\right)}^2}$ 确定，该循环加载装置的施力点位于上述弹性振动系统的共振节点附近，依据上述计算确定的振动频率和б_循对轧辊工件进行亚共振的时效处理。

上述的冶金轧辊的应力快速调整方法，其特征在于：该弹性支承为弹簧、橡胶垫、避震块或液压避震器。

上述的冶金轧辊的应力快速调整方法，其特征在于：利用SAP5或Ansys有限元结构分析软件计算确定该振动系统的施振振动频率和弹性支座的相隔的支承距离L。

上述的冶金轧辊的应力快速调整方法，其特征在于：在施加循环载荷时用动态工艺参数监测器监测轧辊工件残余应力调整过程中振幅、加速度、输入功率、共振频率诸工艺参数的变化，当上述诸工艺参数变化趋于稳定时，结束施加循环载荷。

本发明的优点如下：

1.使用弹性支承，与工件一起构成了一个弹性振动体系，极大地降低系统振动频率，使用一般的循环加载装置即可实现共振的效果。

2.系统振动频率可通过计算快速获得，既有针对性，又节省了原来实测法的探索时间。

3.有明确的处理结束时间，节省不必要的能源浪费。

4.所用的设备价格低廉，处理快速简便，运行成本低。

5.施加的循环应力恰当，不仅能有效地减少和均化轧辊的内应力，而且可以提高其使用寿命，与半年自然时效处理的同类轧辊相比平均使用寿命显著提高。既降低了吨钢辊耗，提高了轧机生产效率，减少了繁重的更换轧辊操作，改善工人的劳动条件。

6.不必储备大量轧辊，解放了巨额的轧辊占用资金。以一台轧机每年消耗140根Φ800mm的铸铁轧辊，每根价5.5万元，采用6个月自然时效处理计，可解放385万元资金。

7.轧辊寿命的延长，减少了轧辊用量，节约轧辊资金。

附图说明：

图1是本发明的弹性振动系统示意图。

图2是第一阶中心轴线结点位移曲线图。

具体实施方式：

请参见图1，本发明是将欲处理的轧辊工件1对称地放置在一对弹性支承2上，构成一个弹性振动系统。该弹性支承2可以是弹簧，橡胶垫、避震块或液压避震器。弹性支承2具有一定的动态弹性模量E_动，选择不同的弹性支承可以有不同的动态弹性模量E_动。两个弹性支承2相距距离L。以所采用的弹性支承作边界约束条件，利用SAP5或Ansys有限元结构分析软件计算具动态弹性模量E_动的该弹性振动系统的第一阶系统频率以确定该弹振动系统最佳的振动频率；以及计算不同支承距离L下和共振中心轴线结点位移，获得各L值的结点位移曲线(参见图2)，确定两弹性支承2的支承距离L，再依据轧辊工件1外表工作层材料的弹性极限б_s和疲劳极限б_-1按б_-1/D＞б_循＝(1-2)б_s/3D公式确定循环载荷应力б_循。式中D为振动系统理论的单自由度有阻尼振动系统的动力放大因子，由该系统的频率比λ和阻尼比ζ确定：

$D=1/\sqrt{{(1-{\mathrm{\λ}}^2)}^2+{\left(2\mathrm{\ζ\λ}\right)}^2}$

对一个特定的振动系统，工艺参数确定后，其动力放大因子D就确定了。放置在上述弹性振动系统共振节点附近的循环加载装置5依据上述计算选择确定的振动频率和循环载荷应力б_循对轧辊工件1进行亚共振的时效处理。且在该振动系统上安装一个工艺参数监测传感器4，检测轧辊工件1在处理过程中的振幅、加速度、输入功率、共振频率诸工艺参数的变化，上述诸工艺参数的变化通过一个显示器3进行直观显示。当显示器3所显示的工艺参数变化处于稳定时，应该及时停止施加循环载荷，避免能量的浪费。此外，还可用载荷检测装置6和载荷控制装置7对循环载荷施加装置5的循环载荷进行调节控制。

实施例1.轧辊工件为Φ770×1200×2820mm的铬钼冷硬球墨复合铸铁轧辊，其外表层材料为厚20-30mm的自口组织，弹性极限б_s约为130Mpa、疲劳极限б_-1约为90MPa。选用动态弹性模量E_动＝360MPa的弹簧为弹性支承。利用SAP5有限元结构分析元件计算确定的系统最佳振动频率为86HZ，两弹性支承的支承距离L为1360mm。该振动系统的动力放大因子为3，则б_循＝14～28Mpa。经时效处理50分钟后所监测的诸工艺参数变化趋于稳定，测得该轧辊工作表层残余内应力减少了25％；最大与最小残余应力的差值从处理前的210MPa降为处理后的85MPa，获得了明显的均化。用本发明处理的轧辊，其平均使用寿命可达132小时，与同期经半年时效处理的同类铸铁轧辊的平均使用寿命80小时相比，提高了65％。由于轧辊寿命延长，减少了用量，仅此一项，每台轧机每年可节约250～300万元左右。

实施例2.轧辊工件为φ780×1200×2820高铬钼无限冷硬球墨复合铸铁轧辊，其外表层材料为白口组织，选用动态弹性模量E_动＝300MPa的橡胶垫为弹性支承。经用ASP5有限元结构分析软件计算和图解后，选择最佳的两橡胶垫距离L＝1200mm，振动频率70Hz，循环加载应力б_循＝15～16MPa，经1小时左右的振动时效处理，其残余应力下降了12～16％，最大残余应力和最小残余应力差值明显减小，达到降低应力和均化的效果，而且使用寿命也明显高于同期经半年自然时效处理的同类轧辊的平均使用寿命。完全达到了时效处理的目的。

Claims (4)

1、一种冶金轧辊的应力快速调整方法，使用循环加载装置对轧辊工件施以亚共振频率的循环载荷应力，其特征在于：轧辊工件支承在一对具有一定动态弹性模量E_动，且相隔距离为L的弹性支承上形成一个弹性振动系统，以所采用的弹性支承作为边界约束条件，以有限元结构分析软件计算在该动态弹性模量E_动下振动系统第一阶系统频率，确定该振动系统的施振振动频率，以及计算获得不同支承距离L的工件中心轴线结点位移曲线，确定弹性支座的支承距离L，由工件表层材料弹性极限6_s和疲劳极限6_-1按6_-1/D＞6_循＝(1～2)6_s/3D公式确定循环载荷应力6_循，式中D由该系统频率比λ和阻尼比ζ由公式 $D=1/\sqrt{{(1-{\mathrm{\λ}}^2)}^2+{\left(2\mathrm{\ζ\λ}\right)}^2}$ 确定，该循环加载装置的施力点位于上述弹性振动系统的共振节点附近，依据上述计算确定的振动频率和6_循对轧辊工件进行亚共振的时效处理。

2、根据权利要求1所述的冶金轧辊的应力快速调整方法，其特征在于：该弹性支承为弹簧、橡胶垫、避震块或液压避震器。

3、根据权利要求1所述的冶金轧辊的应力快速调整方法，其特征在于：利用SAP5或Ansys有限元结构分析软件计算确定该振动系统的施振振动频率和弹性支座的相隔的支承距离L。

4、根据权利要求1所述的冶金轧辊的应力快速调整方法，其特征在于：在施加循环载荷时用动态工艺参数监视器监测轧辊工件残余应力调整过程中振幅、加速度、输入功率、共振频率诸工艺参数的变化，当上述诸工艺参数趋于稳定时，结束施加循环载荷。

Images