离心轧辊在淬火过程中温度场的探究

张少康

【摘 要】淬火是轧辊必须要经过的热处理过程，而冷却是淬火过程最重要的环节，对于不同要求的轧辊应选择不同的淬火工艺，不同的淬火工艺由冷却方式和冷却介质决定。为了保证轧辊所需的硬度和强度要求，轧辊经过淬火过程，内部组织成分需要全部转化为马氏体（或下贝氏体）组织，以满足工作要求。冷却方式可以通过改变冷却的时间和换热系数来改变，换热系数可以通过改变喷水时间和改变喷水量来改变。通过对轧辊真实淬火处理过程冷却环节进行换热系数的研究，辅助进行轧辊生产工艺的设计。

【关键词】轧辊；淬火工艺；ProCAST；冷却过程

一、轧辊介绍及应用

在轧钢过程中，轧机利用一组轧辊相对滚动中产生的压力来对钢材进行轧制成需要的产品，轧辊是轧钢厂最重要的零件部分，对产品质量起着至关重要的影响。但轧辊的质量并不是尽如人意的，经过不同生产工艺的轧辊，质量参差不齐，在轧辊工作的过程中，会出现裂纹、断裂等损坏，有时也会引起严重的生产事故。在实际生产过程中，需要更稳定性能的轧辊，通过改进轧辊热处理过程，来生产出符合生产需求的高品质轧辊。轧辊的生产无法进行简单的实验，选择使用ProCAST软件对整个热处理过程进行模拟，通过进行多组边界条件的设置，模拟轧辊的热处理过程，建立轧辊在淬火过程中的温度场模型，为后续的深入研究打好基础。

二、淬火温度为910℃情况的模拟及分析

（一）910℃实测情况和模拟设置

这是在淬火温度为910℃的情况下，将轧辊从炉内取出后连续经历了第一次水冷、第一次空冷、第二次水冷、第二次空冷、第三次水冷和风冷连续冷却过程，使轧辊降到一个相对稳定较低的温度，减小轧辊的继续变形，达到期望的规格和性能。

在轧辊生产的实际过程中，其温度变化如下图所示，在4830s附近，整个轧辊的外表面区域稳定在350℃附近。

接下来，假定一些数据对比设置组，进行模拟，以期望模拟后的轧辊温度变化曲线与实测数据相符，下表即为假定的数据设置组，设置的对比数据是在冷却过程中，每一冷却阶段的由于冷却介质不同时的换热系数，其中前八组分别在30℃环境温度的条件下分别做了对比。（表2-2）

其每次冷却对应的时间如表2-3所示：

（二）针对实测情况模拟的结果分析

在450s时，由计算结果得出轧辊表面温度由高到低依次为：第六组﹥第二组﹥第一组=第三组﹥第四组﹥第五组=第七组，而在0-450s的过程中，可以明显看到随着换热系数的增大，轧辊表面的降温速度越快，并且沒有与在450s时的温度高低成正比，所以在450s这个时间点的温度不仅与第一次水冷时间和水冷换热系数有关系，还与第一次空冷过程有关。

通过对第一组、第三组、第五组与第七组的数据进行对比，第一组和第三组的第一次水冷换热系数并不相同，但在450s时的温度相差很小，且第一次空冷系数相同，但在第一次空冷结束时，第三组的温度要高于第一组。综合其他几组数据可以得出在空冷过程中，增加换热系数，轧辊表面温度增加的幅度反而小，因为换热是从高温区域向低温区域进行传递，水冷降低了轧辊的表面温度，但轧辊内部温度降低并没有表面温度降低的速度快，当表面降低到很低温度时，轧辊内部的温度仍然处于一个较高的范围，热量由轧辊内部向轧辊表面传递，然后热量再由轧辊表面与空气或者冷却介质进行换热，热量是由内而外，最终到空气中，当水冷结束后，轧辊表面维持在200℃左右。空冷开始时，热量从轧辊内部到达轧辊表面，伴随着热量的不断传递，由于轧辊内部与轧辊辊身之间的换热系数远远大于轧辊表面与空气的换热系数，所以轧辊表面处于一个升温的过程，这时如果增大轧辊表面的换热系数，就会增大空气从轧辊辊身表面带走的热量，就会使轧辊辊身表面的温度相较于增大换热系数之前的温度低，所以在空冷过程中，增大换热系数，而轧辊的升温幅度反而会小。

通过比较第五组、第七组和第八组的风冷过程，可以看到在第三次水冷结束（即风冷开始的时间点上），三组模拟轧辊温度基本相同，而后由于风冷换热系数的不同，在整个风冷过程中，三者温度均不相同，且换热系数越小，温度越高，类似于空冷过程，原因大致相同，换热系数越大，会带走轧辊表面更多的热量，而在相同时间内轧辊的得到的热量不变，所以在风冷过程中，换热系数越大，轧辊表面温度越低。

通过得到的结果和总结，大致可以得到关于水冷，空冷和风冷的参数设置规律，根据模拟过程得到的结果，以及由第五、七、八组的风冷情况对比，继续设置了第九组参数，将风冷的换热系数设置为60W/㎡℃，进行了第九次模拟。从计算结果可以看到在第二次风冷结束时，模拟结果与实际数据仍有差异。

设置了第十组和第十一组数据，将模拟结果与实际情况的误差缩小在很小范围内，第十一组的模拟数据可以作为理论数据（如图2-1所示）。

因此，选择第十一组数据作为今后深入探究轧辊生产过程中的热处理过程的换热系数输入，是最符合实际生产过程的方案，能保证深入探究的准确性。