離心軋輥在淬火過程中溫度場的探究

張少康

【摘 要】淬火是軋輥必須要經過的熱處理過程，而冷卻是淬火過程最重要的環節，對于不同要求的軋輥應選擇不同的淬火工藝，不同的淬火工藝由冷卻方式和冷卻介質決定。為了保證軋輥所需的硬度和強度要求，軋輥經過淬火過程，內部組織成分需要全部轉化為馬氏體（或下貝氏體）組織，以滿足工作要求。冷卻方式可以通過改變冷卻的時間和換熱系數來改變，換熱系數可以通過改變噴水時間和改變噴水量來改變。通過對軋輥真實淬火處理過程冷卻環節進行換熱系數的研究，輔助進行軋輥生產工藝的設計。

【關鍵詞】軋輥；淬火工藝；ProCAST；冷卻過程

一、軋輥介紹及應用

在軋鋼過程中，軋機利用一組軋輥相對滾動中產生的壓力來對鋼材進行軋制成需要的產品，軋輥是軋鋼廠最重要的零件部分，對產品質量起著至關重要的影響。但軋輥的質量并不是盡如人意的，經過不同生產工藝的軋輥，質量參差不齊，在軋輥工作的過程中，會出現裂紋、斷裂等損壞，有時也會引起嚴重的生產事故。在實際生產過程中，需要更穩定性能的軋輥，通過改進軋輥熱處理過程，來生產出符合生產需求的高品質軋輥。軋輥的生產無法進行簡單的實驗，選擇使用ProCAST軟件對整個熱處理過程進行模擬，通過進行多組邊界條件的設置，模擬軋輥的熱處理過程，建立軋輥在淬火過程中的溫度場模型，為后續的深入研究打好基礎。

二、淬火溫度為910℃情況的模擬及分析

（一）910℃實測情況和模擬設置

這是在淬火溫度為910℃的情況下，將軋輥從爐內取出后連續經歷了第一次水冷、第一次空冷、第二次水冷、第二次空冷、第三次水冷和風冷連續冷卻過程，使軋輥降到一個相對穩定較低的溫度，減小軋輥的繼續變形，達到期望的規格和性能。

在軋輥生產的實際過程中，其溫度變化如下圖所示，在4830s附近，整個軋輥的外表面區域穩定在350℃附近。

接下來，假定一些數據對比設置組，進行模擬，以期望模擬后的軋輥溫度變化曲線與實測數據相符，下表即為假定的數據設置組，設置的對比數據是在冷卻過程中，每一冷卻階段的由于冷卻介質不同時的換熱系數，其中前八組分別在30℃環境溫度的條件下分別做了對比。（表2-2）

其每次冷卻對應的時間如表2-3所示：

（二）針對實測情況模擬的結果分析

在450s時，由計算結果得出軋輥表面溫度由高到低依次為：第六組﹥第二組﹥第一組=第三組﹥第四組﹥第五組=第七組，而在0-450s的過程中，可以明顯看到隨著換熱系數的增大，軋輥表面的降溫速度越快，并且沒有與在450s時的溫度高低成正比，所以在450s這個時間點的溫度不僅與第一次水冷時間和水冷換熱系數有關系，還與第一次空冷過程有關。

通過對第一組、第三組、第五組與第七組的數據進行對比，第一組和第三組的第一次水冷換熱系數并不相同，但在450s時的溫度相差很小，且第一次空冷系數相同，但在第一次空冷結束時，第三組的溫度要高于第一組。綜合其他幾組數據可以得出在空冷過程中，增加換熱系數，軋輥表面溫度增加的幅度反而小，因為換熱是從高溫區域向低溫區域進行傳遞，水冷降低了軋輥的表面溫度，但軋輥內部溫度降低并沒有表面溫度降低的速度快，當表面降低到很低溫度時，軋輥內部的溫度仍然處于一個較高的范圍，熱量由軋輥內部向軋輥表面傳遞，然后熱量再由軋輥表面與空氣或者冷卻介質進行換熱，熱量是由內而外，最終到空氣中，當水冷結束后，軋輥表面維持在200℃左右。空冷開始時，熱量從軋輥內部到達軋輥表面，伴隨著熱量的不斷傳遞，由于軋輥內部與軋輥輥身之間的換熱系數遠遠大于軋輥表面與空氣的換熱系數，所以軋輥表面處于一個升溫的過程，這時如果增大軋輥表面的換熱系數，就會增大空氣從軋輥輥身表面帶走的熱量，就會使軋輥輥身表面的溫度相較于增大換熱系數之前的溫度低，所以在空冷過程中，增大換熱系數，而軋輥的升溫幅度反而會小。

通過比較第五組、第七組和第八組的風冷過程，可以看到在第三次水冷結束（即風冷開始的時間點上），三組模擬軋輥溫度基本相同，而后由于風冷換熱系數的不同，在整個風冷過程中，三者溫度均不相同，且換熱系數越小，溫度越高，類似于空冷過程，原因大致相同，換熱系數越大，會帶走軋輥表面更多的熱量，而在相同時間內軋輥的得到的熱量不變，所以在風冷過程中，換熱系數越大，軋輥表面溫度越低。

通過得到的結果和總結，大致可以得到關于水冷，空冷和風冷的參數設置規律，根據模擬過程得到的結果，以及由第五、七、八組的風冷情況對比，繼續設置了第九組參數，將風冷的換熱系數設置為60W/㎡℃，進行了第九次模擬。從計算結果可以看到在第二次風冷結束時，模擬結果與實際數據仍有差異。

設置了第十組和第十一組數據，將模擬結果與實際情況的誤差縮小在很小范圍內，第十一組的模擬數據可以作為理論數據（如圖2-1所示）。

因此，選擇第十一組數據作為今后深入探究軋輥生產過程中的熱處理過程的換熱系數輸入，是最符合實際生產過程的方案，能保證深入探究的準確性。