專利名稱：一種連鑄坯鑄軋工作輥表面熱疲勞壽命的模擬檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鑄軋工作輥表面在受到循環(huán)熱載荷與應(yīng)力載荷共同作用下失效情況的檢測方法。
背景技術(shù)：
軋鋼生產(chǎn)過程中，軋輥與軋材直接接觸使軋材變形，軋輥與軋材接觸面上承受著較大應(yīng)力載荷。而連鑄還鑄軋過程中，軋材表面為固態(tài)金屬外殼，內(nèi)層仍為液態(tài)金屬芯，相對(duì)一般的熱軋而言，軋制溫度高，軋制變形程度大，因而與軋材接觸的軋輥表面既承受較高的應(yīng)力載荷，又承受較大的溫度變化。這使得在工作過程中，軋輥表面更易產(chǎn)生裂紋，剝落，龜裂等缺陷影響軋制效果，造成軋輥熱疲勞失效。目前關(guān)于金屬熱疲勞的試驗(yàn)方法，HB6660-1992《金屬板材熱疲勞試驗(yàn)方法》與GJB 6213-2008《金屬材料熱機(jī)械疲勞試驗(yàn)方法》及日本的JIS Z 2278-1992《金屬 材料的熱疲勞試驗(yàn)方法》等均采用對(duì)試樣整體施加循環(huán)溫度載荷或應(yīng)力溫度載荷的方法，研究試樣的開裂及疲勞壽命，而未對(duì)金屬表面熱疲勞失效的試驗(yàn)方法作明確解釋。實(shí)際鑄軋過程中，軋輥的熱疲勞失效主要發(fā)生在軋輥表面，而目前并沒有合適的方法可以給出鑄軋過程中軋輥表面工況環(huán)境的真實(shí)模擬。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種可以給出鑄軋過程中軋輥表面熱疲勞失效的一種連鑄坯鑄軋工作輥表面熱疲勞壽命的模擬檢測方法。本發(fā)明主要是利用熱/力模擬試驗(yàn)機(jī)模擬連鑄坯鑄軋過程中軋輥表面的實(shí)際工況條件,將輥材加工成砧子,將軋材加工成試樣,通過控制試樣的溫度與應(yīng)力的變化模擬輥材的工作條件，通過分析與試樣接觸的砧子表面出現(xiàn)疲勞裂紋、龜裂甚至剝落的程度，確定砧子(輥材)表面發(fā)生熱疲勞失效的熱/力載荷循環(huán)周次與時(shí)間，進(jìn)而給出相應(yīng)條件下連鑄坯鑄軋工作輥表面的熱疲勞壽命。本發(fā)明方法具體內(nèi)容如下
I、制作模擬棍材(站子)和軋材(試樣):
U)將鑄軋工作輥材料加工成砧子，其頂面為具有一定曲率的凸面，該凸面的曲率是按照軋輥尺寸及軋制壓下量的不同計(jì)算出的接觸弧面的曲率。(2)將被軋材料加工成待處理試樣，其兩側(cè)設(shè)有與砧子頂面對(duì)應(yīng)的曲率凹面。2、將砧子和試樣安裝在熱/力模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)上
(I)將上述砧子底面放置在模座中夾緊，將上述相同的兩組砧子和模座固定在熱/力模
擬實(shí)驗(yàn)機(jī)的傳動(dòng)設(shè)備上。根據(jù)模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)的不同，兩組砧子和模座可采用上下裝卡，如立式試驗(yàn)機(jī)；或采用左右裝卡，如臥式試驗(yàn)機(jī)。(2)將上述試樣設(shè)在上述兩個(gè)砧子之間，該試樣分別與電加熱裝置(電阻或感應(yīng)加
熱裝置)和冷卻裝置(水冷、風(fēng)冷或空冷)相連，同時(shí)該試樣上還設(shè)有控溫電偶，其與試驗(yàn)機(jī)的控制系統(tǒng)相連，以便調(diào)整試樣的溫度與模擬的軋材表面溫度相對(duì)應(yīng)。為準(zhǔn)確掌握試樣與砧子表面的溫度是否符合實(shí)際條件，兩者表面均設(shè)有測溫電偶。C3)試驗(yàn)機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)可采用液壓傳動(dòng)或機(jī)械傳動(dòng)等方式，其可使雙側(cè)模座實(shí)現(xiàn)
軸向移動(dòng)，也可使一側(cè)模座實(shí)現(xiàn)軸向移動(dòng)，另一側(cè)模座固定。在試樣上設(shè)有力傳感器，其與試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)相連。3、模擬檢測
⑴通過與控溫電偶相連的電加熱和冷卻裝置向砧子表面施加鑄軋過程中軋輥表面所受的實(shí)際溫度對(duì)應(yīng)的載荷。(2)通過試驗(yàn)機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)向砧子表面施加鑄軋過程中軋輥表面所受的實(shí)際應(yīng)力對(duì)應(yīng)的載荷。(3)經(jīng)過上述應(yīng)力加載和卸載及溫度加熱和冷卻，完成一個(gè)工藝循環(huán)。該工藝循環(huán) 進(jìn)行多次。(4)上述工藝循環(huán)進(jìn)行多次后停止試驗(yàn)，取下試樣，觀察砧子(輥材)表面情況，如表
面出現(xiàn)龜裂、裂紋或剝落等，表明砧子在該實(shí)驗(yàn)條件(對(duì)應(yīng)工況)下熱疲勞破壞，該循環(huán)周次及時(shí)間即為試驗(yàn)輥材在具體工況下的表面熱疲勞壽命；如果砧子表面未出現(xiàn)裂、裂紋或剝落等缺陷，繼續(xù)上述工藝循環(huán)，直至砧子表面疲勞破壞為止，確定輥材表面熱疲勞壽命。本發(fā)明采用以由連鑄坯鑄軋工作輥材料加工成的砧子為研究對(duì)象，把被軋材料加工成試樣并作為對(duì)砧子施加循環(huán)應(yīng)力與溫度載荷的主體，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)連鑄坯鑄軋工況條件的物理模擬。雖然鑄軋過程中，鑄坯內(nèi)部仍為液態(tài)金屬，但是與軋輥接觸表面為固體硬殼，在實(shí)驗(yàn)?zāi)M過程中，試樣的最高加熱溫度設(shè)定與鑄軋坯的固體殼溫度一致，即可達(dá)到模擬實(shí)際工作溫度環(huán)境，根據(jù)實(shí)際工況的設(shè)備能力與鑄軋坯接觸面積計(jì)算可獲得模擬軋制力可達(dá)到模擬工況工作力條件的目的。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)條件能更好地接近軋輥實(shí)際軋制工況，所以按照本發(fā)明的方法測定熱疲勞壽命與實(shí)際工作過程的結(jié)果差別很小，貼合實(shí)際工況，數(shù)據(jù)可靠，具有實(shí)用價(jià)值，該模擬檢測方法雖然方法簡單，但科學(xué)準(zhǔn)確。


圖I是本發(fā)明砧子(輥材)與試樣(軋材)安裝及加載主視示意簡圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例I
該實(shí)施例的工況條件如下軋輥為二輥不可逆大壓下軋機(jī)用軋輥，輥材選用一種半高速鋼，主要用于軋制優(yōu)質(zhì)鋼、高合金鋼等連鑄坯。軋機(jī)為單道次大壓下量70 90 mm，連續(xù)軋制方式。相關(guān)軋制參數(shù)如下軋制力1200 t，軋制力矩240 t*m;軋制功率300 kW，軋輥尺寸01000 mmX 2000mm，軋制速度0. 4-1.5 m/min，平均軋制溫度1300°C，鑄坯表面接觸溫度1150 °C，板坯尺寸340 *1800mm (厚*寬)，產(chǎn)品尺寸250*1800mm。根據(jù)上述工況，具體作法如下在圖I所示的本發(fā)明試樣(軋材)與砧子(輥材)安裝及加載主視示意簡圖中，采用半高速鋼(Cr4Mo2V)加工成砧子I，其頂面為曲率2的凸面，其與上述直徑O 1000mm，曲率半徑R=O. 5m的軋輥對(duì)應(yīng)。采用優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼(DH36)加工成試樣2，其兩側(cè)設(shè)有與砧子頂面對(duì)應(yīng)的曲率凹面。將上述砧子底面放置在模座3中夾緊，將上述相同的兩組砧子和模座固定在臥式熱/力模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)的傳動(dòng)設(shè)備上。將上述試樣設(shè)在上述兩個(gè)砧子之間，該試樣分別與電阻加熱裝置和水冷卻裝置相連，同時(shí)該試樣上還設(shè)有與試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)相連的控溫電偶4,試樣與站子表面均設(shè)有測溫電偶5。試驗(yàn)機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)米用液壓傳動(dòng)方式，其可使雙側(cè)模座實(shí)現(xiàn)軸向移動(dòng)，在試樣上設(shè)有力傳感器，其與試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)相連。通過與控溫電偶相連的電加熱和冷卻裝置向砧子表面施加鑄軋過程中軋輥 表面所受的實(shí)際溫度對(duì)應(yīng)的載荷，通過試驗(yàn)機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)向砧子表面施加鑄軋過程中軋輥表面所受的實(shí)際應(yīng)力對(duì)應(yīng)的載荷，即將試樣以60 V /秒快速加熱到1150°C，加載30 MPa應(yīng)力，保持7秒后卸載應(yīng)力，再以15 °C /秒速度冷卻至300°C (不接觸軋材時(shí)輥?zhàn)颖砻鏈囟?，保溫45秒，完成一個(gè)工藝循環(huán)，用時(shí)約2分鐘。上述工藝循環(huán)進(jìn)行350次后停止試驗(yàn)，取下試樣，觀察砧子(輥材)表面情況，表面未出現(xiàn)裂、裂紋或剝落等缺陷，繼續(xù)上述工藝循環(huán)355次，表面出現(xiàn)龜裂、裂紋或剝落等，表明砧子在該實(shí)驗(yàn)條件(對(duì)應(yīng)工況)下熱疲勞破壞，該循環(huán)周次355次及時(shí)間11小時(shí)50分鐘即為試驗(yàn)輥材在具體工況下的表面熱疲勞壽命。實(shí)際生產(chǎn)測試該材質(zhì)鑄軋軋輥的表面熱疲勞壽命約為11-13小時(shí)。本發(fā)明模擬檢查方法與實(shí)際結(jié)果非常接近。采用傳統(tǒng)的金屬熱疲勞試驗(yàn)方法，將軋輥材料加工成試樣，軋輥材質(zhì)同樣采用半高速鋼(Cr4Mo2V)，對(duì)試樣(輥材)進(jìn)行循環(huán)熱疲勞實(shí)驗(yàn)，參照上述工藝試樣以60 0C /s快速加熱到1150 °C，保持7 s后，再以15 °C /秒速度冷卻至300°C，保溫45秒，完成一個(gè)工藝循環(huán)，用時(shí)約2分鐘。在本實(shí)驗(yàn)條件下，實(shí)驗(yàn)循環(huán)450次后，停止實(shí)驗(yàn)，用時(shí)約15小時(shí)，試樣(輥材)表面未見裂紋、剝落等疲勞缺陷出現(xiàn)。實(shí)際生產(chǎn)測試軋輥的表面熱疲勞壽命約為11-13小時(shí)，該傳統(tǒng)測試方法與實(shí)際結(jié)果偏差較大。循環(huán)次數(shù)超過450次，時(shí)間超過15小時(shí)的試驗(yàn)沒有繼續(xù)進(jìn)行的必要。實(shí)施例2
該實(shí)施例的工況條件如下軋輥為二輥不可逆大壓下軋機(jī)用軋輥，輥材選用一種半高速鋼，主要用于軋制優(yōu)質(zhì)鋼、高合金鋼等連鑄坯。軋機(jī)為單道次大壓下量70 90mm，連續(xù)軋制方式。相關(guān)軋制參數(shù)如下軋制力1200 t，軋制力矩240 t*m;軋制功率300 kW，軋輥尺寸O800mmX 2000mm，軋制速度0. 4-1. 5 m/min，平均軋制溫度1300°C，鑄坯表面接觸溫度 1150 °C，板坯尺寸250 *1800mm (厚 * 寬)，產(chǎn)品尺寸160*1800mm。根據(jù)上述工況，具體作法如下在圖I所示的本發(fā)明試樣(軋材)與砧子(輥材)安裝及加載主視示意簡圖中，采用高鎳鉻鑄鐵(3Ni4Cr2Mo)加工成砧子，其頂面為曲率2. 5的凸面，其與上述直徑0800mm，曲率半徑R=O. 4m的軋輥對(duì)應(yīng)。采用合金鋼(304H)加工成試樣，其兩側(cè)設(shè)有與砧子頂面對(duì)應(yīng)的曲率凹面。將上述砧子底面放置在模座中夾緊，將上述相同的兩組砧子和模座固定在臥式熱/力模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)的傳動(dòng)設(shè)備上。將上述試樣設(shè)在上述兩個(gè)砧子之間，該試樣分別與感應(yīng)加熱裝置和風(fēng)冷卻裝置相連，同時(shí)該試樣上還設(shè)有與試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)相連的控溫電偶，試樣與砧子表面均設(shè)有測溫電偶。試驗(yàn)機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)采用機(jī)械傳動(dòng)方式，其可使單側(cè)模座實(shí)現(xiàn)軸向移動(dòng)，在試樣上設(shè)有力傳感器，其與試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)相連。通過與控溫電偶相連的電加熱和冷卻裝置向砧子表面施加鑄軋過程中軋輥表面所受的實(shí)際溫度對(duì)應(yīng)的載荷，通過試驗(yàn)機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)向砧子表面施加鑄軋過程中軋輥表面所受的實(shí)際應(yīng)力對(duì)應(yīng)的載荷，即將試樣以70°C /秒快速加熱到1150°C，加載20 MPa應(yīng)力，保持5秒后卸載應(yīng)力，再以20°C /秒速度冷卻至300°C (不接觸軋材時(shí)輥?zhàn)颖砻鏈囟?，保溫50秒，完成一個(gè)工藝循環(huán)，用時(shí)約2分鐘。上述工藝循環(huán)進(jìn)行290次后停止試驗(yàn)，取下試樣，觀察砧子(輥材)表面情況，表面未出現(xiàn)裂、裂紋或剝落等缺陷，繼續(xù)上述工藝循環(huán)295次，表面出現(xiàn)龜裂、裂紋或剝落等，表明砧子在該實(shí)驗(yàn)條件(對(duì)應(yīng)工況)下熱疲勞破壞，該循環(huán)周次295次及時(shí)間9小時(shí)50分鐘即為試驗(yàn)輥材在具體工況下的表面熱疲勞壽命。實(shí)際生產(chǎn)測試該材質(zhì)鑄軋軋輥的表面熱疲勞壽命約為9-11小時(shí)。本發(fā)明模擬檢查方法與實(shí)際結(jié)果非常接近。采用傳統(tǒng)的金屬熱疲勞試驗(yàn)方法，將軋輥材料加工成試樣，軋輥材質(zhì)同樣用高鎳鉻鑄鐵(3Ni4Cr2Mo)，對(duì)試樣(輥材)進(jìn)行循環(huán)熱疲勞實(shí)驗(yàn)，將試樣以70 °C /秒快速加熱到1150 °C，保持5秒后，再以20 °C /秒速度冷卻至300°C，保溫50秒，完成一個(gè)工藝循環(huán)，用時(shí)約2分鐘。在本實(shí)驗(yàn)條件下，實(shí)驗(yàn)循環(huán)360次后，停止實(shí)驗(yàn)，用時(shí)約12小時(shí)，試樣(輥材)表面未見裂紋、剝落等疲勞缺陷出現(xiàn)。實(shí)際生產(chǎn)測試軋輥的表面熱疲勞壽命約為12小 時(shí)，該傳統(tǒng)測試方法與實(shí)際結(jié)果偏差較大。循環(huán)次數(shù)超過360次，時(shí)間超過12小時(shí)的試驗(yàn)沒有繼續(xù)進(jìn)行。
權(quán)利要求
1.一種連鑄還鑄軋工作棍表面熱疲勞壽命的模擬檢測方法，其特征在于 ①制作模擬棍材站子和軋材試樣 ⑴將鑄軋工作輥材料加工成砧子，其頂面為具有一定曲率的凸面，該凸面的曲率是按照軋輥尺寸及軋制壓下量的不同計(jì)算出的接觸弧面的曲率， ⑵將被軋材料加工成待處理試樣，其兩側(cè)設(shè)有與砧子頂面對(duì)應(yīng)的曲率凹面， ②將砧子和試樣安裝在熱/力模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)上 (1)將上述砧子底面放置在模座中夾緊，將上述相同的兩組砧子和模座固定在熱/力模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)的傳動(dòng)設(shè)備上， (2)將上述試樣設(shè)在上述兩個(gè)砧子之間，該試樣分別與電加熱裝置和冷卻裝置相連，同時(shí)該試樣上還設(shè)有控溫電偶，其與試驗(yàn)機(jī)的控制系統(tǒng)相連， (3)試驗(yàn)機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)可使模座實(shí)現(xiàn)軸向移動(dòng)，在試樣上設(shè)有力傳感器，其與試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)相連， ③模擬檢測 ⑴通過與控溫電偶相連的電加熱和冷卻裝置向砧子表面施加鑄軋過程中軋輥表面所受的實(shí)際溫度對(duì)應(yīng)的載荷， (21通過試驗(yàn)機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)向砧子表面施加鑄軋過程中軋輥表面所受的實(shí)際應(yīng)力對(duì)應(yīng)的載荷， (3;經(jīng)過上述應(yīng)力加載和卸載及溫度加熱和冷卻，完成一個(gè)工藝循環(huán)，該工藝循環(huán)進(jìn)行多次， (4)上述工藝循環(huán)進(jìn)行多次后停止試驗(yàn)，取下試樣，觀察砧子表面情況，如表面出現(xiàn)龜裂、裂紋或剝落等，表明砧子在該實(shí)驗(yàn)條件下熱疲勞破壞，該循環(huán)周次及時(shí)間即為試驗(yàn)輥材在具體工況下的表面熱疲勞壽命；如果砧子表面未出現(xiàn)裂、裂紋或剝落等缺陷，繼續(xù)上述工藝循環(huán)，直至砧子表面疲勞破壞為止，確定輥材表面熱疲勞壽命。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種連鑄還鑄軋工作棍表面熱疲勞壽命的模擬檢測方法，其特征在于試樣與砧子表面均設(shè)有測溫電偶。
全文摘要
一種連鑄坯鑄軋工作輥表面熱疲勞壽命的模擬檢測方法，其主要是利用熱/力模擬試驗(yàn)機(jī)模擬連鑄坯鑄軋過程中軋輥表面的實(shí)際工況條件，將輥材加工成砧子，將軋材加工成試樣，通過控制試樣的溫度與應(yīng)力的變化模擬輥材的工作條件，通過分析與試樣接觸的砧子表面出現(xiàn)疲勞裂紋、龜裂甚至剝落的程度，確定砧子(輥材)表面發(fā)生熱疲勞失效的熱/力載荷循環(huán)周次與時(shí)間，進(jìn)而給出相應(yīng)條件下連鑄坯鑄軋工作輥表面的熱疲勞壽命。本發(fā)明實(shí)驗(yàn)條件能更好地接近軋輥實(shí)際軋制工況，測定熱疲勞壽命與實(shí)際工作過程的結(jié)果差別很小，貼合實(shí)際工況，數(shù)據(jù)可靠，具有實(shí)用價(jià)值，該模擬檢測方法雖然方法簡單，但科學(xué)準(zhǔn)確。
文檔編號(hào)G01N3/34GK102798576SQ20111013825
公開日2012年11月28日 申請(qǐng)日期2011年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月26日
發(fā)明者傅萬堂, 呂知清, 孫淑華, 王振華, 趙德利, 任利國 申請(qǐng)人:燕山大學(xué)