熱態(tài)鋼板矯直機工作輥內(nèi)冷卻技術(shù)分析及參數(shù)確定

趙 崠 吳慶君

(1.太原重工股份有限公司矯直機研究所，山西 030024;2.淮南市石油化工機械設(shè)備有限公司技術(shù)部，安徽 232033)

寬厚板熱矯直機所矯直的鋼板溫度高達450～900 ℃，且矯直速度高，承受矯直力大。要求矯直后的鋼板平直度好，殘余應(yīng)力小且分布均勻，板材表面質(zhì)量好且無壓痕。其工作輥在高溫、高速、重載的工作環(huán)境中要求具有足夠的輥面硬度和表面光潔度，故在矯直過程中對工作輥進行充分有效的冷卻，及時的控制因工作輥面溫度升高、硬度降低而導(dǎo)致的輥面磨損加速和產(chǎn)生麻點，成為延長輥子使用壽命和提高板材矯直質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

1 寬厚板熱矯直機工作輥性能參數(shù)

以一臺4 300 mm 寬厚板9 輥熱矯直機工作輥進行說明。

1.1 工作輥參數(shù)

矯直鋼板溫度:450～900℃

單輥最大矯直力:5 163 kN

矯直速度:0～1～1.7 m/s

規(guī)格:?285+0.05mm×4 300 mm，Ra0.4 μm

因設(shè)備矯直溫度高、速度快、矯直力大;故要求工作輥材料綜合力學(xué)性能好，輥面硬度高，加工制造尺寸精密。

1.2 工作輥力學(xué)性能

材料:熱軋工作輥用鋼60CrMoV

調(diào)質(zhì)熱處理后硬度為286～321HBW

按JB/T5000.15Ⅲ級進行超聲波檢驗

Rm:≥765 MPa

Re:≥627 MPa

A:≥14%

Z:≥40%

Ak:≥38 J

輥身表面淬火硬度:55～60HRC，深度8 mm～10 mm

1.3 工作輥的主要熱處理溫度

調(diào)質(zhì)熱處理:淬火溫度860～880℃;回火溫度620～660℃。

輥身高中頻表面淬火溫度880～920℃;回火溫度180±10℃。

2 寬厚板熱矯直機工作輥受熱條件

在矯直過程中，引起工作輥溫度升高的主要因素是:

(1)需矯直的鋼板本身具有的熱量。

(2)矯直過程中鋼板變形產(chǎn)生的變形熱。

(3)矯直過程中鋼板與輥面間的滑動摩擦產(chǎn)生的摩擦熱。

熱鋼板位于上、下排工作輥間，其溫度高達450～900℃，工作輥面瞬時溫度可達400℃，并使工作輥溫度在徑向和軸向逐漸升高。當(dāng)矯完3～5 塊板后，工作輥溫度達到一個穩(wěn)態(tài)平均值。

在正常工作條件下，要求輥身中部溫度約為400～450℃，最高不超過500℃;輥身邊緣約為300～350℃;輥頸溫度約為250～300℃。

工作輥面硬度隨著溫度升高而降低，實踐證明，當(dāng)輥身溫度低于400℃時，輥面硬度變化不大;超過400 ℃時輥面硬度顯著降低。在500～600℃之間硬度幾乎降一半，導(dǎo)致輥面磨損和產(chǎn)生麻點，降低了輥子使用壽命和板材矯直質(zhì)量。因此要控制輥面溫度一般不超過450℃。

3 寬厚板熱矯直機工作輥的冷卻方式選擇

熱矯直機工作輥具有以下特點:

(1)工作輥數(shù)量多，輥距小，輥系支承緊密，輥間空間小，不易布置外冷水集管。

(2)熱矯直機在生產(chǎn)中如果使用大量的外冷卻液，則輥系處于冷卻液包圍之中。冷卻液中含有矯直時產(chǎn)生的微小金屬顆粒、酸性物質(zhì)及其它雜質(zhì)。這些有害液體和固體顆粒一旦進入軸承，不但影響潤滑劑的性能，破壞所形成的膜，而且還會直接引起磨粒磨損，導(dǎo)致軸承早期疲勞而失效。

(3)工作輥表面在鋼板加熱和外冷卻液的交替作用下，輥面逐步形成網(wǎng)狀的熱裂紋并發(fā)生氧化，在矯直交變應(yīng)力作用下使裂紋擴展。裂紋中滲入外冷水產(chǎn)生的高壓蒸汽崩破作用與楔形氧化鐵屑都會在矯直過程中使輥面形成大裂紋并造成底部微空隙開裂。

(4)工作輥屬于細長軸類零件，其長徑比達15 以上。輥身不均勻的受熱冷卻極易造成彎曲變形，影響板材矯直質(zhì)量。

通過以上分析可知，工作輥如果采用內(nèi)冷水冷卻方式則可以避免以上問題，更好的滿足寬厚板矯直機的技術(shù)性能要求。

4 寬厚板熱矯直機工作輥內(nèi)冷卻結(jié)構(gòu)與冷卻介質(zhì)要求

熱矯直機工作輥采用中空通冷卻水結(jié)構(gòu)(如圖1 所示)，內(nèi)冷卻裝置包括內(nèi)冷水管、支撐環(huán)、旋轉(zhuǎn)接頭。冷卻水由旋轉(zhuǎn)接頭進水口經(jīng)內(nèi)冷水管到達輥身冷卻孔一端，再由內(nèi)冷水管與輥身冷卻孔間空隙流向另一端，最后由旋轉(zhuǎn)接頭出水口排出，從而帶走輥身熱量，降低工作輥溫度。

矯直機工作輥冷卻水耗量見表1 所示。

5 寬厚板熱矯直機工作輥的內(nèi)冷卻模型

熱矯直機工作輥的傳熱可以分為輥身外徑與內(nèi)冷水孔間的穩(wěn)定傳導(dǎo)傳熱和冷卻水與內(nèi)冷孔間的穩(wěn)定對流傳熱兩部分。

5.1 輥身外徑與內(nèi)冷水孔間的穩(wěn)定傳導(dǎo)傳熱

其圓筒壁的導(dǎo)熱面積不是常量，而是隨半徑而變，同時溫度也隨半徑而變。單位時間內(nèi)導(dǎo)過筒壁的熱量Q 與輥身長度L、導(dǎo)熱系數(shù)λ、壁間的溫度差tw成正比，而與內(nèi)外半徑比值的自然對數(shù)成反比。由此可見增加冷卻孔直徑與長度、降低供水溫度有利于輥子的冷卻。

5.2 冷卻水與內(nèi)冷孔間的穩(wěn)定對流傳熱

其傳熱與冷卻水的流動狀況有密切關(guān)系。冷卻水流經(jīng)內(nèi)孔壁面時，在靠近壁面處總有一層滯流內(nèi)層存在，在滯流內(nèi)層中，沿壁面的法線方向上的熱傳遞主要以導(dǎo)熱的方式進行。由于水的導(dǎo)熱系數(shù)較小，使得滯流內(nèi)層中的導(dǎo)熱熱阻就很大，因此溫度差也較大。在湍流的主體中，由于流體質(zhì)點混合較好，使湍流主體中的溫度基本相同。而在湍流主體和滯流內(nèi)層之間的緩沖層內(nèi)，熱傳導(dǎo)和熱對流均起作用，使該層內(nèi)溫度發(fā)生緩慢變化。由此可見熱阻主要集中在滯流內(nèi)層中，因此減薄滯流內(nèi)層的厚度，是強化對流傳熱的重要途徑。

提高冷卻水流速與水壓進行強制對流以及工作輥的旋轉(zhuǎn)擾動均可使冷卻水的滯流內(nèi)層減薄。

圖1

表1 矯直機工作輥冷卻水耗量Table 1 Cooling water consumption of the straightener working roll

6 寬厚板熱矯直機工作輥的內(nèi)冷卻參數(shù)

以一臺4 300 mm 寬厚板9 輥熱矯直機進行計算:

(1)其單根工作輥外徑?285 mm，冷卻孔內(nèi)徑?80 mm，冷卻水進口溫度為25℃，出口溫度不超過50℃，質(zhì)量流量為1.53 kg/s，忽略熱損失計算其熱負荷。

式中 Q冷——單位時間內(nèi)冷卻水所交換的熱量，W;

w冷——冷卻水的質(zhì)量流量，kg/s;

c冷——冷卻水在進出口溫度范圍內(nèi)的平均比熱，J/kg·℃;

t1、t2——冷卻水最初和最終溫度，℃。

(2)依熱量守恒原理，當(dāng)Q損略去不計時，Q冷=Q熱，計算工作輥冷卻孔內(nèi)壁溫度。

式中 λ——鋼的平均導(dǎo)熱系數(shù)，45.3 W/m·℃;

tw1、tw2——輥子外徑和輥子內(nèi)孔溫度，℃;

r1、r2——輥子外圓半徑和輥子內(nèi)孔半徑，m;

Am——輥身筒壁內(nèi)、外表面的對數(shù)平均面積，m2，Am=2πrmL;

L——輥身長度，m;

rm——輥身筒壁的對數(shù)平均半徑，m。

(3)如將冷卻水的質(zhì)量流量增加到1.85 kg/s，則冷卻水的終溫可降至45.6℃。

7 結(jié)論

通過內(nèi)冷卻方式進行熱量交換能有效的控制熱矯直機工作輥的溫度升高。內(nèi)冷卻方式結(jié)構(gòu)簡單，實用性強，減少了工作輥因高溫環(huán)境造成的變形、磨損和熱裂，使板材矯平質(zhì)量得到提高。減少了換輥維護次數(shù)，減輕了工作人員勞動強度和設(shè)備的維護使用成本，提高了設(shè)備的生產(chǎn)效率。