棒材熱軋過程三維熱力耦合模擬及高硼高速鋼輥套復(fù)合軋輥研制.pdf

1、軋輥是冶金行業(yè)最大的消耗件，軋輥消耗成本約為軋鋼生產(chǎn)成本的5％～15％[138]，直接關(guān)系到鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量與生產(chǎn)成本。目前使用的軋輥大部分為美國30年代開發(fā)的高鎳鉻鉬無限冷硬鑄鐵軋輥，工作層使用完畢后便整體報(bào)廢。采用輥套式軋輥結(jié)構(gòu)，使軋輥的60％左右可以循環(huán)使用，同時(shí)工作外層采用高合金材料并進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚?，從而達(dá)到理想的使用效果，大幅提高軋輥使用壽命，降低生產(chǎn)成本。輥套軋輥是冶金行業(yè)與軋輥生產(chǎn)企業(yè)長期研究的課題，如何

2、提高其安全性與穩(wěn)定性及選用合適的結(jié)構(gòu)與材料是解決問題的關(guān)鍵所在。 本論文以棒材熱軋過程及軋輥為對象系統(tǒng)研究了棒材軋制過程軋件的溫度場演變及塑性流變的基本規(guī)律，軋輥的溫度場演變及熱膨脹規(guī)律，對組合式軋輥的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究；分析了軋輥失效原因、軋輥使用的材料及合金元素在高速鋼軋輥材料中的作用，并研制成功了一種具有高耐磨性、高強(qiáng)度、高韌性、高耐熱性等綜合性能指標(biāo)優(yōu)異的軋輥材料，研究了雙金屬復(fù)合工藝，采用輥套與輥芯過盈配合的組合式軋輥的

3、技術(shù)方案，在此基礎(chǔ)上成功研制出了棒材軋制用輥套復(fù)合軋輥?，F(xiàn)場使用證明，高硼高速鋼雙金屬輥套復(fù)合軋輥具有足夠的安全穩(wěn)定性與更高的使用壽命。 研究工作主要包括如下四個(gè)部分： （1）建立了棒材熱軋大變形熱力耦合三維彈塑性有限元仿真分析模型并確立其熱力邊界條件，建立熱力耦合模型的迭代算法和Marc軟件的分析流程以及確立其收斂的判據(jù)與條件，為棒材熱軋過程的三維仿真分析提供了理論基礎(chǔ)。 （2）運(yùn)用MARC軟件對圓棒熱軋成品道

4、次進(jìn)行了非線性三維熱力耦合彈塑性有限元模擬，模擬中考慮了幾何非線性、材料非線性和邊界條件的非線性問題，軋件與軋輥之間的接觸換熱考慮為與軋制壓力、軋件的屈服強(qiáng)度、軋件與軋輥的導(dǎo)熱系數(shù)、軋件與軋輥的表面形貌等因素的函數(shù)關(guān)系，得到了軋制過程軋件與軋輥的溫度場和應(yīng)力場的演變規(guī)律，其結(jié)果對組合式軋輥的結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。 （3）提出了采用熱量等效的方法來計(jì)算軋制過程軋輥輥芯與輥套溫度場與應(yīng)力場，建立了相應(yīng)的傳熱方程與熱應(yīng)力分析模型

5、及其邊界條件，得到了軋輥的穩(wěn)態(tài)溫度分布規(guī)律。通過對軋制過程熱膨脹、接觸應(yīng)力和等效應(yīng)力的計(jì)算分析，對組合式軋輥的過盈裝配方案的可行性進(jìn)行了論證，并對比分析了不同輥芯直徑下的接觸應(yīng)力和等效應(yīng)力，選取了合適的輥芯直徑，論證了組合軋輥在使用過程中的安全穩(wěn)定性。 （4）通過軋輥失效分析、軋輥材料分析，提出了提高材料導(dǎo)熱性與基體紅硬性為突破方向的軋輥材料設(shè)計(jì)思路，將高速鋼基體與硼化物硬質(zhì)相相結(jié)合，首次提出“高硼高速鋼”材料概念，分析了合金元

6、素在高速鋼材料中的作用，研制了一種具有高韌性、高耐磨性及抗熱疲勞裂紋性能優(yōu)良的高硼高速鋼軋輥材料，并對材料的主要物理和力學(xué)性能進(jìn)行了測試，研究了雙金屬復(fù)合的鑄造工藝，對雙金屬復(fù)合輥套軋輥進(jìn)行了金相和能譜分析；采用輥套與軋輥過盈聯(lián)結(jié)，研制成功了組合式軋輥。 本論文的研究工作，對棒材軋制組合式軋輥的開發(fā)提供理論參考，所研制成功的組合式高硼高速鋼復(fù)合軋輥具有重要的工程應(yīng)用前景，對軋輥制造業(yè)的技術(shù)升級(jí)、節(jié)能降排、提高鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效