疲劳寿命对比
赵强
摘 要：在钢板热轧生产线上，轧机在高温重载的条件下工作，轧辊承受周期性的热载荷作用，会过早产生疲劳裂纹，缩短设备的疲劳寿命，使其提前失效。针对这一问题，从轧辊材料选择、冷却方法和结构设计3个方面展开论述，并提出了一些可行的建议，这对轧钢现场的操作人员和技术人员有一定的指导意义。
关键词：轧辊；疲劳强度；轧辊材料；冷却方法
中图分类号：TG333.17 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.12.051
在钢板热轧生产线上，轧机在高温重载的条件下工作，轧辊会承受周期性的热载荷冲击。在轧制应力、热应力等载荷的综合作用下，疲劳裂纹会过早出现在轧辊上，缩短轧辊的疲劳寿命，使其提前失效。基本几周次下来，轧辊材料就会发生屈服。本文针对这个问题展开了论述，要想有效解决这个问题，要先考虑材料，因为如果材料选择不当，即便是采用最优良的结构设计方案和最佳的冷却方式，可能对提高零件疲劳寿命的效果也不会太明显，不会产生质的变化。同时，还要考虑的是冷却方式的选择，思考采用什么样的介质冷却，在什么部位冷却。另外，考虑采用什么样的轧辊冷却结构，因为对结构的设计前人已经做了很多工作，这方面的技术已经比较成熟。因此，如果在选择一种性能很好的材料的前提下，加上有效的冷却方式和优良的结构设计，就可能解决这个问题。
1 材料选择
工程上常用的材料有金属材料、复合材料、高分子材料和陶瓷材料。金属材料包括纯金属、金属间化合物、特种金属材料和合金等，其有较好的强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度。复合材料是由2种及2种以上不同的材料，在微观或宏观上结合形成的新材料，各种原材料在性能上互相弥补，使其综合性能比原来的材料更优越，可以满足各种不同的需求。高分子材料也被称为聚合物材料，具有很高的弹性和柔性，但其熔点或流动温度很低，热稳定性不好。陶瓷材料是一种无机非金属材料，具有高熔点、高耐磨性、高硬度和耐氧化等优点，可以作为结构材料和功能材料。本文通过对现有资料繁荣对比和对以往经验的总结，选了2种材料研究，一种是纳米陶瓷，另一种是钛合金。
1.1 纳米陶瓷
在纳米陶瓷产生之前，人们常采用的陶瓷为工程陶瓷。工程陶瓷具有质量轻、导热性能好、硬度强度高等优点，同时，还具备耐腐蚀、耐磨损、耐高温的特点，应用较为广泛。但是，工程陶瓷有致命的缺陷，它很脆，易碎，易产生裂纹，韧性也比较差，因而在使用上受到了较大的限制。随着纳米技术的不断成熟和应用的广泛，产生了一种新的陶瓷——纳米陶瓷。这种材料既保留了工程陶瓷的高硬度和耐高温特性，还具有金属材料的良好韧性。
纳米陶瓷是在现有陶瓷中加入纳米粉体改性得到的，这些粉体是指纳米级颗粒、晶片纤维、晶须等，使传统陶瓷晶粒、晶界达到纳米级别，从而大幅度提高材料的韧性、塑性和疲劳强度。
纳米陶瓷与传统陶瓷相比，在断裂强度和断裂韧性方面都有大幅提高，耐高温性能也有明显改善。同时，纳米陶瓷的硬度、弹性和抗热震等性能要比传统陶瓷好，其具备在高温重载热轧条件下工作的能力。
1.2 钛合金
钛是一种重要的结构金属，它具有很多的优异特性，所以，被广泛应用于各种工业生产中。在钛的基础上加入一些化学元素，可以组合生成钛合金。
钛有2种晶体结构，分别为密排六方結构的α钛和体心立方结构的β钛。利用这2种不同晶体结构的钛，添加适当的化学元素，就能够得到不同组织的钛合金。按照不同的基体组织，钛合金分可以分为3类，即α合金、（α+β）合金和β合金，我国分别用TA，TC，TB表示。
α钛合金的抗氧化能力强，性能稳定，在500～600 ℃的温度下，仍可以保持良好的抗蠕变性和较高的疲劳强度。（α+β）钛合金，是一种双相合金，有良好的塑性和韧性，综合性能也很好，能较好地进行热压力加工，还能通过热处理进行强化，但其热稳定性次于α钛合金。β钛合金，不经热处理就有较高的强度，室温强度可达1 372～1 666 MPa，但其热稳定性最差，高温下不建议使用。
在3种钛合金中，最常用的是α钛合金和（α+β）钛合金。在高温重载热轧条件下，可能更适合使用α钛合金。
2 冷却方法选择
在轧制现场，通常采用给轧辊内部通循环水冷却、轧辊表面喷雾冷却和通水冷却与喷雾冷却相结合的方式为轧辊降温。运用同一种冷却方式，采用不同的冷却介质，冷却不同的部位，可以得到不同的冷却效果。
2.1 冷却介质的选择
良好的冷却效果依赖于轧辊与冷却介质之间有较大的换热系数。在冷却方式和冷却部位相同的条件下，冷却介质的导热系数是影响换热系数的关键要素，而且介质的选择不光考虑冷却效果，还要考虑介质的耐高温性、无毒和不污染环境等因素。
在选择冷却介质时，笔者给出2点建议：①改变喷雾冷却中水雾的物理状态，即用颗粒很小的冰粒来代替水雾中的小水滴。②用干冰作为冷却介质，干冰为二氧化碳固态物，常压下-78.5 ℃，干冰吸热后升华变为二氧化碳气体，可以带走大量的热量。在现场可以将压缩空气与干冰颗粒混合，通过喷嘴将混合后的干冰颗粒喷向轧辊表面冷却。
2.2 冷却部位
经过分析，轧辊的冷却部位有3处：①轧辊与轧件的接触部分；②轧辊与轧件未接触的轧辊表面；③轧辊内部的冷却孔。
关于冷却部位，笔者给出3点建议：①采用尺寸合理的连铸坯（在保证轧件轧制后应有强度的情况下，使铸坯尺寸尽量接近产品尺寸），减小压下量，减少轧辊与轧件的接触面积，降低温升；②对轧辊与轧件未接触的辊面，用多组对称多喷头的方式强制冷却；③更换轧辊内部冷却水，采用冷却效果更好的冷却液。
3 结构设计
在对轧辊强度、刚度影响比较小的情况下，在轧辊内部靠近边缘处沿周向，尽量多地开冷却孔和冷却槽结构，增大冷却液与轧辊的换热面积。
4 结束语
在高温重载的条件下，轧辊承受着周期性的热载荷作用，会过早产生疲劳裂纹，缩短疲劳寿命，使其提前失效。针对这个问题，本文从轧辊材料、冷却方法和结构设计3个层面论述，给出了相应的解决方案和建议，以期为现场的操作人员和技术人员提供参考。
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〔编辑：白洁〕
