論述高溫重載條件下提高軋輥疲勞壽命的方法

趙強(qiáng)

摘 要：在鋼板熱軋生產(chǎn)線上，軋機(jī)在高溫重載的條件下工作，軋輥承受周期性的熱載荷作用，會過早產(chǎn)生疲勞裂紋，縮短設(shè)備的疲勞壽命，使其提前失效。針對這一問題，從軋輥材料選擇、冷卻方法和結(jié)構(gòu)設(shè)計3個方面展開論述，并提出了一些可行的建議，這對軋鋼現(xiàn)場的操作人員和技術(shù)人員有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：軋輥；疲勞強(qiáng)度；軋輥材料；冷卻方法

中圖分類號：TG333.17 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.12.051

在鋼板熱軋生產(chǎn)線上，軋機(jī)在高溫重載的條件下工作，軋輥會承受周期性的熱載荷沖擊。在軋制應(yīng)力、熱應(yīng)力等載荷的綜合作用下，疲勞裂紋會過早出現(xiàn)在軋輥上，縮短軋輥的疲勞壽命，使其提前失效。基本幾周次下來，軋輥材料就會發(fā)生屈服。本文針對這個問題展開了論述，要想有效解決這個問題，要先考慮材料，因?yàn)槿绻牧线x擇不當(dāng)，即便是采用最優(yōu)良的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案和最佳的冷卻方式，可能對提高零件疲勞壽命的效果也不會太明顯，不會產(chǎn)生質(zhì)的變化。同時，還要考慮的是冷卻方式的選擇，思考采用什么樣的介質(zhì)冷卻，在什么部位冷卻。另外，考慮采用什么樣的軋輥冷卻結(jié)構(gòu)，因?yàn)閷Y(jié)構(gòu)的設(shè)計前人已經(jīng)做了很多工作，這方面的技術(shù)已經(jīng)比較成熟。因此，如果在選擇一種性能很好的材料的前提下，加上有效的冷卻方式和優(yōu)良的結(jié)構(gòu)設(shè)計，就可能解決這個問題。

1 材料選擇

工程上常用的材料有金屬材料、復(fù)合材料、高分子材料和陶瓷材料。金屬材料包括純金屬、金屬間化合物、特種金屬材料和合金等，其有較好的強(qiáng)度、塑性、硬度、韌性和疲勞強(qiáng)度。復(fù)合材料是由2種及2種以上不同的材料，在微觀或宏觀上結(jié)合形成的新材料，各種原材料在性能上互相彌補(bǔ)，使其綜合性能比原來的材料更優(yōu)越，可以滿足各種不同的需求。高分子材料也被稱為聚合物材料，具有很高的彈性和柔性，但其熔點(diǎn)或流動溫度很低，熱穩(wěn)定性不好。陶瓷材料是一種無機(jī)非金屬材料，具有高熔點(diǎn)、高耐磨性、高硬度和耐氧化等優(yōu)點(diǎn)，可以作為結(jié)構(gòu)材料和功能材料。本文通過對現(xiàn)有資料繁榮對比和對以往經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，選了2種材料研究，一種是納米陶瓷，另一種是鈦合金。

1.1 納米陶瓷

在納米陶瓷產(chǎn)生之前，人們常采用的陶瓷為工程陶瓷。工程陶瓷具有質(zhì)量輕、導(dǎo)熱性能好、硬度強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，同時，還具備耐腐蝕、耐磨損、耐高溫的特點(diǎn)，應(yīng)用較為廣泛。但是，工程陶瓷有致命的缺陷，它很脆，易碎，易產(chǎn)生裂紋，韌性也比較差，因而在使用上受到了較大的限制。隨著納米技術(shù)的不斷成熟和應(yīng)用的廣泛，產(chǎn)生了一種新的陶瓷——納米陶瓷。這種材料既保留了工程陶瓷的高硬度和耐高溫特性，還具有金屬材料的良好韌性。

納米陶瓷是在現(xiàn)有陶瓷中加入納米粉體改性得到的，這些粉體是指納米級顆粒、晶片纖維、晶須等，使傳統(tǒng)陶瓷晶粒、晶界達(dá)到納米級別，從而大幅度提高材料的韌性、塑性和疲勞強(qiáng)度。

納米陶瓷與傳統(tǒng)陶瓷相比，在斷裂強(qiáng)度和斷裂韌性方面都有大幅提高，耐高溫性能也有明顯改善。同時，納米陶瓷的硬度、彈性和抗熱震等性能要比傳統(tǒng)陶瓷好，其具備在高溫重載熱軋條件下工作的能力。

1.2 鈦合金

鈦是一種重要的結(jié)構(gòu)金屬，它具有很多的優(yōu)異特性，所以，被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)生產(chǎn)中。在鈦的基礎(chǔ)上加入一些化學(xué)元素，可以組合生成鈦合金。

鈦有2種晶體結(jié)構(gòu)，分別為密排六方結(jié)構(gòu)的α鈦和體心立方結(jié)構(gòu)的β鈦。利用這2種不同晶體結(jié)構(gòu)的鈦，添加適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)元素，就能夠得到不同組織的鈦合金。按照不同的基體組織，鈦合金分可以分為3類，即α合金、（α+β）合金和β合金，我國分別用TA，TC，TB表示。

α鈦合金的抗氧化能力強(qiáng)，性能穩(wěn)定，在500～600 ℃的溫度下，仍可以保持良好的抗蠕變性和較高的疲勞強(qiáng)度。（α+β）鈦合金，是一種雙相合金，有良好的塑性和韌性，綜合性能也很好，能較好地進(jìn)行熱壓力加工，還能通過熱處理進(jìn)行強(qiáng)化，但其熱穩(wěn)定性次于α鈦合金。β鈦合金，不經(jīng)熱處理就有較高的強(qiáng)度，室溫強(qiáng)度可達(dá)1 372～1 666 MPa，但其熱穩(wěn)定性最差，高溫下不建議使用。

在3種鈦合金中，最常用的是α鈦合金和（α+β）鈦合金。在高溫重載熱軋條件下，可能更適合使用α鈦合金。

2 冷卻方法選擇

在軋制現(xiàn)場，通常采用給軋輥內(nèi)部通循環(huán)水冷卻、軋輥表面噴霧冷卻和通水冷卻與噴霧冷卻相結(jié)合的方式為軋輥降溫。運(yùn)用同一種冷卻方式，采用不同的冷卻介質(zhì)，冷卻不同的部位，可以得到不同的冷卻效果。

2.1 冷卻介質(zhì)的選擇

良好的冷卻效果依賴于軋輥與冷卻介質(zhì)之間有較大的換熱系數(shù)。在冷卻方式和冷卻部位相同的條件下，冷卻介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)是影響換熱系數(shù)的關(guān)鍵要素，而且介質(zhì)的選擇不光考慮冷卻效果，還要考慮介質(zhì)的耐高溫性、無毒和不污染環(huán)境等因素。

在選擇冷卻介質(zhì)時，筆者給出2點(diǎn)建議：①改變噴霧冷卻中水霧的物理狀態(tài)，即用顆粒很小的冰粒來代替水霧中的小水滴。②用干冰作為冷卻介質(zhì)，干冰為二氧化碳固態(tài)物，常壓下-78.5 ℃，干冰吸熱后升華變?yōu)槎趸細(xì)怏w，可以帶走大量的熱量。在現(xiàn)場可以將壓縮空氣與干冰顆粒混合，通過噴嘴將混合后的干冰顆粒噴向軋輥表面冷卻。

2.2 冷卻部位

經(jīng)過分析，軋輥的冷卻部位有3處：①軋輥與軋件的接觸部分；②軋輥與軋件未接觸的軋輥表面；③軋輥內(nèi)部的冷卻孔。

關(guān)于冷卻部位，筆者給出3點(diǎn)建議：①采用尺寸合理的連鑄坯（在保證軋件軋制后應(yīng)有強(qiáng)度的情況下，使鑄坯尺寸盡量接近產(chǎn)品尺寸），減小壓下量，減少軋輥與軋件的接觸面積，降低溫升；②對軋輥與軋件未接觸的輥面，用多組對稱多噴頭的方式強(qiáng)制冷卻；③更換軋輥內(nèi)部冷卻水，采用冷卻效果更好的冷卻液。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

在對軋輥強(qiáng)度、剛度影響比較小的情況下，在軋輥內(nèi)部靠近邊緣處沿周向，盡量多地開冷卻孔和冷卻槽結(jié)構(gòu)，增大冷卻液與軋輥的換熱面積。

4 結(jié)束語

在高溫重載的條件下，軋輥承受著周期性的熱載荷作用，會過早產(chǎn)生疲勞裂紋，縮短疲勞壽命，使其提前失效。針對這個問題，本文從軋輥材料、冷卻方法和結(jié)構(gòu)設(shè)計3個層面論述，給出了相應(yīng)的解決方案和建議，以期為現(xiàn)場的操作人員和技術(shù)人員提供參考。

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〔編輯：白潔〕