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1、铸轧辊套的热疲劳李春治 上海捷如公司铸轧辊研究所摘要 本文介绍了铸轧辊套工作过程中为什么会产生热疲劳。并说明了热疲劳裂纹扩展的动力学。还叙述了材料抗热疲劳性能试验和对试验结果的分析。作者认为国内目前使用的32Cr3Mo1V钢是一种较好的抗热疲劳裂纹的辊套专用钢。热疲劳是铸轧辊套失效的主要原因。因此了解辊套的热疲劳过程对改进辊套材料的抗热疲劳性能，提高辊套的使用寿命至关重要。在铸轧过程中辊套寿命的长短对铸轧成本的影响及大。而且辊套表面裂纹的深度和辊套冷却能力的大小对铸轧板卷的质量影响很大。本文初步探讨了与辊套热疲劳有关的一些因素。1.铸轧过程中辊套表面的温度在铸轧过程中由于流动冷却水的通过，辊套
2、内表面保持了稳定的温度。因此可以假定辊套内表面的温度基本上是不变的，一般约在2030之间。辊套外表面与熔化的高温铝液接触后铝液迅速结晶成固态铝，此时辊套表面的温度则急剧升高。这样在辊套的外表面与内表面之间就形成了温度差，此温度差使辊套内部产生热应力。温度差大则热应力大，温度差小则热应力小。因此辊套与铝液接触时表面温度的高低影响到热应力的大小。熔化的铝液在进入铸轧辊之前的瞬时温度为680左右。当铝液与辊套表面接触时辊套表面能达到多少度有不同的说法。有些资料认为是650左右有的资料认为是600，还有其它不同的认定温度。比较有根据的说法是法国KETIN厂提供的数据。他们经试验得到辊套与铝液接触后在2
3、3秒钟内辊套表面接触部份的温度约为350400.我们认为此温度是有一定的试验根据。2.辊套内部的热应力金属具有热胀冷缩的本性，这是产生热应力的物理本质。工作时辊套外径表面到内径表面温度不同，而且随着铸轧辊的转动在周期性的变化。图1 为这种变化的曲线。当辊套表面与熔融的铝液接触时表面温度急剧升高。这样就在外径表面与内径表面之间产生了温度差。表面温度最高时内外温差最大，随着铸轧辊继续转动结晶的固态铝板离开辊套表面，辊套内外温差快速减小。当辊套转动接近360尚末回到360前内外温差降至最小。下一次与熔融的液态铝再触时则重复以前的温度变化。由此可见在生产过程中辊套的外表面与内表面之间形成了周期性的变化
4、的温度梯度。温差形起的热应力为： E =T 1 其中 辊套材料的热膨胀系数 E 辊套材料的弹性模量 V 辊套材料的泊桑比T 辊套外径表面与内径表面的温度差 由公式可知热应力热的大小与材料的热膨胀系数成正比，与材料的弹性模量成正比，还与材料的泊桑比有关。这三个物理量是材料本身的性质所决定的。热应力还与辊套与铝液接触时温度升高的数值有关。温度升的越高则内外温差越大，辊套内部产生的热应力也越大。国内正在推广应用的新辊套材料32Cr3Mo1V的有关物理参数估算热应力的大小。该材料的数值为： 热膨胀系数 =14.4x10-6 -1弹性模量 E=1.97x105 N/mm2 泊桑比 v=0.25 根据法国
5、KETIN 厂提示的表面温度可达到400计算。辊套内外温度差 T=400-25=375 （其中25 为冷却水的温度）。由此可得出热1400N/mm2，此值已超过32Cr3Mo1V钢在该温度下的屈服强度（400时该钢的屈服强度约为1000N/mm2）由此可见辊套表面与熔融铝液接触时，由于产生很大的热应力会引起局部发生塑性变形。3.热应力的变化由于辊套表面的温度在不断的变化，辊套内部的热应力也在变化。由上面的公式可知应力变化的规律与温度变化同步。图2为工作时辊套表面的应力与应变的变化曲线。辊套表面第一次与铝液接触时热应力引起的应变沿OA移动，A点的应力为屈服强度。随着温度的升高热应力增大，超过材料
6、的屈服强度则沿AB点移动，此时由于热膨胀产生的应力引起了压缩塑性变形，使辊套表面的金属不能弹性回复到原始位置。当辊套表面温度向低温回复时应力应变达到D点，此时应力超过拉伸屈服强度，因而产生了拉伸塑性变形。此状态一直到E点，材料表面出现残余拉应力。4.热疲劳 工作时由于辊套每转动一周（360）遭受一次加热和冷却，由此产生一次压缩和拉伸塑性变形。长期的转动使辊套表面产生疲劳，这种疲劳是由加热和冷却引起的称作热疲劳。长期的热疲劳使辊套表面产生疲劳裂纹，疲劳裂纹出现后按一定的规律进行扩展。图3为辊套表面热疲劳裂纹形成过程的简单示意图。初始裂纹往往是起源于磨削痕迹，并沿着磨削方向发展，裂纹一旦形成即向深
7、度方向扩散，然后形成二次裂纹，此裂纹往往垂直于初始裂纹（一次裂纹），二次裂纹与一次裂纹形成网状分布。 由于热应力和机械应力的联合作用，裂纹的扩展与材料的断裂力学性质有关，即与材料的KIC（断裂韧性应力强度因子）有关。图4表明裂纹扩展速度的变化可分为三个阶段。开始时为第一阶段，裂纹的扩展速度增加的很快，但不久就减慢并稳定下来。第二阶段扩展速度稳定不变，并且稳定的时间很长。当进入第三阶段时裂纹又开始加速扩展。在第三阶段前第二阶段末辊套应下机进行车磨，把裂纹车掉。否则会给辊套带来严重的伤害，最经济的运行时间应由生产操作条件及铸轧机的具体情况而定。特别需要指出的是，开轧前如已有裂纹存在，即上次裂纹没有
8、完全车掉，在铸轧过程中残存的裂纹将快速扩展。图5给出了在给定应力不同深度的起始裂纹的扩展情况，可以看出残存裂纹深度越大，裂纹扩展的速度越快。由此可见修复辊套时清除裂纹是何等重要。 当然，欲使热应力引起的裂纹不致于引起辊套断裂，辊套材料还需具有足够的塑性和韧性。这就是对辊套材料的化学成份，锻压过程和最终热处理需要严格控制。5.抗热疲劳的辊套材料作为辊套材料必需具有良好的抗热疲劳性能，才能胜任铸轧铝板的能力。目前材料的抗热疲劳性能在实验室里难以测定，所以还不能直接测定各种辊套材料抗热疲劳材料的好坏，但是影响辊套材料热疲劳性能的因素可以从材料的其它力学性能间接地推测出来。下列性能与抗热疲劳性能有关。
9、（1） 材料的导热性能，表现为热传导系数的大小。传热越快，即材料的导热系数越高，则抗热疲劳性能越好。（2） 辊套材料在常温下的延伸率和冲击韧性以及抗拉强度越高则抗热疲劳性能好。（3） 辊套材料的高温强度。高温强度越高则抗热疲劳性能好。实践证明600时辊套材料的抗拉强度在800Mpa以上其抗热疲劳性能好。（4） 辊套材料的金相组织。金相组织包括实际晶粒的大小金相微观组织和夹杂物。晶粒度大于7级，夹杂物小于2级，具有细小回火索氏体组织的辊套材料抗热疲劳性能好。（5） 辊套的残余应力。残余应力越小越好，要少于5公斤。（6） 热装配应力 。辊套与辊芯装配时有一定的过盈量。辊套对辊芯有一定的箍紧力，辊芯
10、对辊套有一定的涨力，因此辊套内部产生切向应力。采用X-射线的方法测定过各种辊套的装配切向应力在150250Mpa之间。希望控制切向应力越小则抗热疲劳性能越好。辊套抗热疲劳性能的好坏是由辊套材料的内部因素和热装配的外部因素综合影响的一种宏观表现。是一项比较复杂的工程，控制多方面的因素才能 到良好的效果。目前国内正在扩大应用的32Cr3Mo1V辊套专用钢的抗热疲劳性能是一种比较满意的材料。在中型铸轧机上（630730）的平均使用寿命可达4000吨。使用控制比较合理的厂家可达5000-6000吨。该辊套已受到多家铸轧生产厂家的重视和选用。该辊套钢有独特的生产决窍和适宜的热装配工艺。32Cr3Mo1V辊套专用钢由上海捷如公司铸轧辊研究所监控上海重型机器厂生产。6.结束语 辊套材料的热疲劳性能是影响辊套使用寿命的主要因素。辊套工作时产生热疲劳是由辊套的工作条件所决定的。提高辊套的使用寿命应选用抗热疲劳性能好的辊套材料，辊套抗热疲劳性能的好坏与材料的化学成份，热处理和内部的金相组织以及残余应力有关。与辊套和辊芯的热装配参数有关。目前国内采用的32Cr3Mo1V钢为辊套专用钢，其抗热疲劳性能好，使用寿命长。国内许多铸轧厂选用该钢制造辊套。
