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(jīng)過的熱處理過程，而冷卻是淬火過程最重要的環(huán)節(jié)，對于不同要求的軋輥應(yīng)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(zhì)決定。為了保證軋輥所需的硬度和強度要求，軋輥經(jīng)過淬火過程，內(nèi)部組織成分需要全部轉(zhuǎn)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(shù)來改變，換熱系數(shù)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(huán)節(jié)進行換熱系數(shù)的研究，輔助進行軋輥生產(chǎn)工藝的設(shè)計。

【關(guān)鍵詞】軋輥；淬火工藝；ProCAST；冷卻過程

一、軋輥介紹及應(yīng)用

在軋鋼過程中，軋機利用一組軋輥相對滾動中產(chǎn)生的壓力來對鋼材進行軋制成需要的產(chǎn)品，軋輥是軋鋼廠最重要的零件部分，對產(chǎn)品質(zhì)量起著至關(guān)重要的影響。但軋輥的質(zhì)量并不是盡如人意的，經(jīng)過不同生產(chǎn)工藝的軋輥，質(zhì)量參差不齊，在軋輥工作的過程中，會出現(xiàn)裂紋、斷裂等損壞，有時也會引起嚴重的生產(chǎn)事故。在實際生產(chǎn)過程中，需要更穩(wěn)定性能的軋輥，通過改進軋輥熱處理過程，來生產(chǎn)出符合生產(chǎn)需求的高品質(zhì)軋輥。軋輥的生產(chǎn)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(shè)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(xù)的深入研究打好基礎(chǔ)。

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(shè)置

這是在淬火溫度為910℃的情況下，將軋輥從爐內(nèi)取出后連續(xù)經(jīng)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(fēng)冷連續(xù)冷卻過程，使軋輥降到一個相對穩(wěn)定較低的溫度，減小軋輥的繼續(xù)變形，達到期望的規(guī)格和性能。

在軋輥生產(chǎn)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(qū)域穩(wěn)定在350℃附近。

接下來，假定一些數(shù)據(jù)對比設(shè)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(shù)據(jù)相符，下表即為假定的數(shù)據(jù)設(shè)置組，設(shè)置的對比數(shù)據(jù)是在冷卻過程中，每一冷卻階段的由于冷卻介質(zhì)不同時的換熱系數(shù)，其中前八組分別在30℃環(huán)境溫度的條件下分別做了對比。（表2-2）

其每次冷卻對應(yīng)的時間如表2-3所示：

（二）針對實測情況模擬的結(jié)果分析

在450s時，由計算結(jié)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(shù)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(shù)有關(guān)系，還與第一次空冷過程有關(guān)。

通過對第一組、第三組、第五組與第七組的數(shù)據(jù)進行對比，第一組和第三組的第一次水冷換熱系數(shù)并不相同，但在450s時的溫度相差很小，且第一次空冷系數(shù)相同，但在第一次空冷結(jié)束時，第三組的溫度要高于第一組。綜合其他幾組數(shù)據(jù)可以得出在空冷過程中，增加換熱系數(shù)，軋輥表面溫度增加的幅度反而小，因為換熱是從高溫區(qū)域向低溫區(qū)域進行傳遞，水冷降低了軋輥的表面溫度，但軋輥內(nèi)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(nèi)部的溫度仍然處于一個較高的范圍，熱量由軋輥內(nèi)部向軋輥表面?zhèn)鬟f，然后熱量再由軋輥表面與空氣或者冷卻介質(zhì)進行換熱，熱量是由內(nèi)而外，最終到空氣中，當水冷結(jié)束后，軋輥表面維持在200℃左右?？绽溟_始時，熱量從軋輥內(nèi)部到達軋輥表面，伴隨著熱量的不斷傳遞，由于軋輥內(nèi)部與軋輥輥身之間的換熱系數(shù)遠遠大于軋輥表面與空氣的換熱系數(shù)，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(shù)，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(shù)之前的溫度低，所以在空冷過程中，增大換熱系數(shù)，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(fēng)冷過程，可以看到在第三次水冷結(jié)束（即風(fēng)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(fēng)冷換熱系數(shù)的不同，在整個風(fēng)冷過程中，三者溫度均不相同，且換熱系數(shù)越小，溫度越高，類似于空冷過程，原因大致相同，換熱系數(shù)越大，會帶走軋輥表面更多的熱量，而在相同時間內(nèi)軋輥的得到的熱量不變，所以在風(fēng)冷過程中，換熱系數(shù)越大，軋輥表面溫度越低。

通過得到的結(jié)果和總結(jié)，大致可以得到關(guān)于水冷，空冷和風(fēng)冷的參數(shù)設(shè)置規(guī)律，根據(jù)模擬過程得到的結(jié)果，以及由第五、七、八組的風(fēng)冷情況對比，繼續(xù)設(shè)置了第九組參數(shù)，將風(fēng)冷的換熱系數(shù)設(shè)置為60W/㎡℃，進行了第九次模擬。從計算結(jié)果可以看到在第二次風(fēng)冷結(jié)束時，模擬結(jié)果與實際數(shù)據(jù)仍有差異。

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

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