（机械设计及理论专业论文）中厚板轧机轧辊磨损及其数学模型研究.pdf

摘要 摘要 板带钢尤其是中厚板在国民经济中占有极其重要的地位。板带轧机轧 辊磨损是轧制过程中难以精确控制的因素之一。轧辊磨损破坏了原始辊型， 直接影响轧件板形、板凸度的精确控制，严重制约板带钢产品质量的提高， 同时轧辊磨损大大增加了辊耗。轧辊磨损研究对于提高轧机控制水平和改 善产品质量具有十分重要的意义。中厚板轧机轧辊磨损及其数学模型是中 厚板生产领域亟待深入研究的问题。 本文论述了轧辊磨损的机理和特点，分析了轧辊磨损的形式和影响因 素，总结了中厚板轧机轧制工艺及轧辊磨损的特点。建立了轧件与轧辊表 面间的相对滑动模型，计算了变形区内金属相对工作辊表面的滑动距离。 考虑影响轧辊磨损的相关因素，建立了中厚板轧机轧辊磨损模型。该模型 从摩擦学原理出发，以对轧制过程中摩擦运动的定量分析为前提，克服了 普通经验公式单纯依靠现场数据进行统计回归的局限性和不足。 将轧辊磨损模型中的待定参数分为三类，系统研究了各种工艺参数的 计算方法，并给出了计算结果。利用现场实际数据，采用遗传算法对模型 参数进行了优化，给出了参数优化的结果。对模型进行了仿真检验，验证 了模型的正确性和实用性。 本文对轧辊磨损及其数学模型的研究方法和成果，对于各种板带轧机 的轧辊磨损研究具有广泛的理论指导意义，并且对板带钢生产有一定的工 程实用价值。 关键词中厚板；轧机；磨损机理；轧辊；数学模型；磨损预报；遗传算法 燕山大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t p l a t ea n ds t r i pi s v e r ys i g n i f i c a n tf o rt h en a t i o n a le c o n o m y ，a n dt h i si s e s p e c i a l l yt r u ef o rm e d i u ma n dh e a v yp l a t e r o l lw e a ro np l a t ea n ds t r i pr o l l i n g m i l l si so n eo ft h ef a c t o r st h a ta r ed i f f i c u l tt ob ea c c u r a t e l yc o n t r o l l e di nt h e r o l l i n gp r o c e s s t h er o l lw e a rd e s t r o y so r i g i n a lr o l ls h a p ea n dd i r e c t l ym a k e a g a i n s tt h ep r e c i s ec o n t r o lf o rf l a t n e s sa n dp r o f i l eo fp l a t ea n ds t r i p ，a n dt h e i m p r o v e m e n to fp l a t ea n ds t r i pp r o d u c tq u a l i t yi ss e r i o u s l yr e s t r i c t e db yi t i n a d d i t i o n ，r o l lw e a rg r e a t l yi n c r e a s e st h ew a s t a g eo f r o l l i n gr o l l s r e s e a r c ho nr o l l w e a ri sv e r ys i g n i f i c a n tf o rt h ei m p r o v e m e n to fr o l l i n gm i l l s c o n t r o ll e v e la n d t h ea m e l i o r a t i o no fp r o d u c tq u a l i t y i nt h ed o m a i no fm e d i u ma n dh e a v yp l a t e p r o d u c t i o n ，r o l lw e a ra n di t sm a t h e m a t i cm o d e lo fp l a t er o l l i n gm i l l si so n eo f t h ep r o b l e m st h a ta r eu r g e n tt ob et h o r o u g h l yr e s e a r c h e d t h i sd i s s e r t a t i o ne l a b o r a t e dt h em e c h a n i s ma n dc h a r a c t e r i s t i co fr o l lw e a r a n dm a d ea na n a l y s i so ft h em o d a l i t ya n di n f l u e n c ef a c t o r so fr o l lw e a r , a n dt h e c h a r a c t e r i s t i c so fr o l l i n gt e c h n i c sa n dr o l lw e a ro fp l a t er o l l i n gm i l l sw e r e s u m m a r i z e d t h em o d e lo f s l i p p a g e b e t w e e n p l a t e a n dr o l ls u r f a c ei n d e f o r m a t i o na r e aw a sf o u n d e dt oc a l c u l a t et h e s l i p p a g e d i s t a n c e 。w i t h c o n s i d e r a t i o no ft h ei n f l u e n c ef a c t o r s ，t h er o l lw e a rm o d e lo fp l a t er o l l i n gm i l l s w a sf o u n d e d t h ism o d e ls t a r to f ff r o mt h et r i b o l o g yp r i n c i p l e ，a n dt a k et h e q u a n t i t a t i v ea n a l y s i so ff r i c t i o nm o v e m e n ti nr o l l i n gp r o c e s sa s ap r e m i s e i t a v o i d st h el i m i t a t i o na n ds h o r t c o m i n go fg e n e r a lm o d e l s s i m p l e xs t a t i s t i c a l r e g r e s sa c c o r d i n gt om e a s u r e dd a t a t h eu n k n o w n p a r a m e t e r so fr o l lm o d e lw e r ec l a s s i f i e dt ot h r e ec a t e g o r i e s t h ec a l c u l a t i o nm e t h o d so fa l lk i n d so ft e c h n i c s p a r a m e t e rw e r er e s e a r c h e d s y s t e m a t i c a l l y ，a n dt h ec a l c u l a t i o nr e s u l t sw e r eg i v e n b a s e do nt h ea c t u a ld a t a f r o mp r o d u c t i o ns c e n e ，t h e s p e c i f i cm o d e lp a r a m e t e r sw e r eo p t i m i z e du s i n g i i a b s t r a c t g e n e t i ca l g o r i t h m s ，a n dt h eo p t i m i z a t i o nr e s u l t sw e r eg i v e n t h es i m u l a t i o na n d e x a m i n a t i o nw a sd o n et ot h er o l lw e a rm o d e lt o t e s t i f y i t sc o r r e c t n e s sa n d p r a c t i c a b i l i t y t h er e s e a r c hi d e aa n da c h i e v e m e n t so fr o l lw e a ra n di t sm a t h e m a t i cm o d e l i nt h i sd i s s e r t a t i o nh a v ec o m p r e h e n s i v ea c a d e m i cg u i d a n c es i g n i f i c a n c ef o rt h e r e s e a r c ho no t h e rt y p e so fp l a t ea n ds t r i pr o l l i n gm i l l s ，a n dt h e yh a v ec e r t a i n e n g i n e e r i n gp r a c t i c a l i t yi m p o r t a n c ef o rp l a t ea n ds t r i pp r o d u c t i o n k e y w o r d s m e d i u ma n dh e a v yp l a t e ；r o l l i n gm i l l ；w e a rm e c h a n i s m ；r o l l i n g r o l l ；m a t h e m a t i cm o d e l ；w e a rp r e d i c t i o n ；g e n e t i ca l g o r i t h m s i i i 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文中厚板轧机轧辊磨损及 其数学模型研究，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学位期间独 立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包 含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人 承担。 作者签字庞惫，锑 日期：护7 年如历 燕山大学硕士学位论文使用授权书 中厚板轧机轧辊磨损及其数学模型研究系本人在燕山大学攻读硕 士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归燕山 大学所有，本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单位及相关人员。本 人完全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授 权燕山大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论 文的全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密圈。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：傀老、锑 刷程各倒掣 日期：d - 7 杉月7 r 日期：碲岁月，多r 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究的工程背景 1 1 1中厚板轧机生产概况 钢板和带钢是国民经济各部门中应用最广泛的钢材，其产量占钢材总 产量的一半还要多。中厚板钢材在国民经济发展中的地位尤其重要。中厚 板钢材大量应用于大直径油气输送管道的生产，以及高炉、锅炉、压力容 器的制造和大型舰船、大型桥梁、海上采油平台的修建【l 】。中厚板生产堪称 是一个国家的工业基础，对交通、能源、建筑行业以及重型机器制造业和 军工国防工业的发展都很重要。 世界各国都非常重视中厚板轧制设备和生产技术的发展，我国建国以 来也一直大力发展中厚板生产行业。尤其是近十多年来我国中厚钢板的生 产和消费量同步迅速增长，并由中厚板净进口国逐渐转变为净出口国。然 而随着国民经济和相关行业的发展，国内中厚板市场将在较长的时期内保 持巨大的市场需求，中厚钢板资源将持续偏紧。并且用户对中厚板产品的 质量要求也在迅速提高。 多年来，国内长期使用的中厚板轧机主要有二十多套l l “。与国际先进 水平市日比，这些旧式中厚板轧机设备装备和生产技术的不足之处主要表现 在以下几个方面： ( 1 ) 技术装备水平低轧机多为老式设备，轧制压力、刚性模数和轧制 速度偏低，并且缺乏板形控制、检测和自动控制装置，缺乏控轧控冷( t m c p ) 等先进生产工艺设施。矫直、剪切、冷床、探伤等精整设施落后，缺乏热 处理设施。中厚板轧制生产设备整体技术水平较低，具有国际先进水平的 中厚板轧机很少。 ( 2 1 产品档次低、品种规格少产品宽度偏窄并且以大路货为主，普通 中厚板比例高达7 5 左右，专用板不能满足市场需求，比例仅有2 5 3 0 ， 燕山大学t 学硕上学位论文 且大部分为一般用途。高技术含量、高附加值的高强度造船板、管线钢板、 高压锅炉板等专用板很少，仍需大量进口，耗费大量资金。而出口产品主 要是普通中板，利润比较低。 ( 3 ) 产品质量差我国中厚板普遍存在表面质量差、夹杂多、尺寸精度 差等质量问题，实物质量与国外相比差距较大。造成质量差的原因除轧机 本身装备水平低外，还与前工序配套水平低有关，例如炼钢设备容量小， 难以配套炉外精炼设施和高水平的连铸。 1 1 2 中厚板轧机发展趋势 随着国民经济的迅速发展，市场对中厚板产品的产量需求不断增大， 对中厚板产品的质量要求也在迅速提高。为了适应满足国民经济的发展趋 势，满足市场需求，最近几年我国掀起了建设中厚板轧机的热潮1 1 , 3 , 4 1 。据不 完全统计，截至2 0 0 6 年国内新建或改建3 5 0 0 m m 轧机有十多套，其中包括 一些民营企业，另外宝钢新建了5 0 0 0 m m 轧机，首钢在河北省抚宁县新建 了4 3 0 0 m m 宽厚板轧机，江苏沙钢建设了5 0 0 0 m m 轧机，鞍钢正在建设 5 5 0 0 m m 宽厚板轧机。 经过这些新建和改造后，我国中厚板轧机的设备格局将发生重大变化， 将形成以4 m 以上的宽厚板轧机领衔的格局。除了数量的增加和型号的扩大 外，中厚板轧机设备装备和生产技术的整体水平都将有所提高，有些轧机 如宝钢的5 0 0 0 m m 轧机和首钢4 3 0 0 m m 轧机等的技术装备水平将达到世界 领先水平。 当前中厚板轧机设备及生产技术的发展呈现出一些重要的发展趋势， 主要包括以下几个方面： ( 1 ) 提高轧机生产能力增大轧辊辊身长度，增大轧机刚度，提高轧件 宽度，实现高刚度轧制。采用强大的驱动电机，增大了轧制力、轧制力矩 等力能参数，提高了轧制速度，使轧机的生产效率和生产能力都有所提高p i 。 ( 2 ) 采用连铸连轧生产工艺直接使用连铸坯作为轧制来料，可以简化 冶金生产过程，节约能源降低能耗，减少污染，提高金属收得率【4 】。提高连 第1 章绪论 铸板坯使用比例，有利于降低生产成本提高效益。在当前节约型社会和环 保型经济潮流的背景下，连铸连轧生产工艺便显得尤为突出，是一个重要 的发展趋势。 ( 3 ) 提高平面形状控制水平中厚板轧制过程中的平面形状控制，对于 提高产品成材率和轧机产量有非常重要的意义 5 】。m a s 轧制法、a l t s 轧制 法、立辊轧制、钢板头部弯曲在线控制等技术的发展和应用，使中厚板平 面形状控制水平不断提高。 ( 4 ) 提高板形控制水平板形控制理论和方法，在薄带钢轧制中的研究 和应用比较深入、广泛。对于中厚板轧制的板形控制研究，是近些年才发 展起来的。目前，随着市场竞争的j j n , 居0 ，用户对中厚板产品板形质量的要 求不断提高。为提高中厚板板形质量、产品成材率及使用性能，减少精整 工序，板形控制已成为中厚板生产中一项不可或缺的重要技术。近年来， 中厚板轧机板形控制研究也在不断深入，国内外开发了许多板形控制能力 比较强的新型中厚板轧机，如p c 轧机、h c w 轧机、c v c 轧机等1 6 。为实 时随即控制厚板轧制的板形，在许多旧轧机的改造和新轧机的建设上，都 设置了板形快速调节装置，对液压弯辊、液压倾辊、轧辊分段冷却等板形 快速调节方法的研究和应用也都在不断深入。 ( 5 ) 采用控轧控冷工艺控轧控冷工艺也就是热机械控制工艺( t m c p 工 艺) ，通过控制板坯出炉温度、低温阶段累积压下率和轧制温度、轧后冷却 速度和终冷温度等工艺参数，以实现控制奥氏体状态、相变产物及组织状 态，从而生产出强度、韧性和可焊接性都比较强的中厚板产品，满足用户 的使用要求。控轧控冷工艺对设备装备水平和工艺控制水平要求都比较高， 是目前中厚板轧制领域的一个发展重点。 1 2 轧辊磨损及其数学模型研究现状 长期以来，国内外科研人员对轧辊磨损问题进行了坚持不懈的研究， 探索了一系列重要的轧辊磨损计算模型，使轧辊磨损预报计算精度不断提 高。尤其是近年来随着计算机技术和数值计算方法的发展，使轧辊磨损模 型的精确性和科学性进一步提高1 ”。 燕山大学 学硕上学位论文 然而轧辊磨损是一种十分复杂的微观动态系统过程，是轧制过程中最 难以精确控制的过程因素之一1 8 ，9 1 。在轧制过程中，各种磨损形式同时存在， 各种影响因素共同作用、相互影响且多具有时变性，现场生产条件又具有 很强的不确定性，严格从磨损机理上推导轧辊磨损模型完全不切实际，也 没有必要。目前对轧辊磨损进行全面系统研究的文献资料并不多，能用于 指导实际生产的实用的轧辊磨损模型更少。到目前为止，人们对轧辊磨损 模型的研究主要针对热连轧机工作辊进行，且主要集中于对现场实测数据 的回归解析【i o , i q 。 ( 1 ) k 十年代，邹家祥等人对武钢1 7 0 0 m m 热连轧机工作辊磨损进行研 究，依据大量实测工作辊磨损数据，用统计回归及高次曲线拟合的方法， 建立了磨损量分布曲线的解析式【1 2 】。 用统计回归的方法得出的磨损量分布曲线方程为： y = 【( ) f b x ，) e x p ( 一口工) 】k t ( 1 一1 ) 式中x ：、x ；各统计点距辊身中间位置的距离及其平均值 y ；、y ；各点实际磨损量与辊身中点磨损量的比值及其平均值 总平均误差量 k 辊身中间位置绝对磨损量 口指数系数，其值为 窆( z t ，一乃( ) ，；一乃 b = 型了一 ( 1 - 2 ) ( 工，一巧) 2 j ；l 用高次曲线拟合磨损数据得到的磨损曲线方程为： y = a o + 6 x 9 + a 2 x s 十 工7 + a 4 x “ ，、 + a 工4 + a ，+ a j 2 + a x + o 、7 式中a 拟合系数 这种方法主要是对实测磨损数据进行数学意义上的曲线拟合推导，没 有充分考虑轧制过程的特点和相关影响因素，存在较大的误差。 4 ( 2 ) 有的研究者简化认为工作辊磨损量在板宽范围内是均匀分布的，且 磨损量与对应的相对轧制量和工作辊直径之间各存在着简单的线性相关关 系。在文献u 3 中，r r s o m e r 等人针对具体热带钢连轧机，提出各机架工 作辊磨损率的简化计算公式为： h ，22 9 9 2 5 3 3 3d 1 1 w 3 7 = 1 2 2 4 7 4 2 6d 1 、7 式中 w 1 ：第l 、2 机架工作辊平均磨损率 m k ，第3 7 机架工作辊平均磨损率 d t 工作辊直径 在文献 1 4 】中，作者认为中厚板轧机工作辊磨损在板宽范围内是均匀分 布的，针对具体轧机作者提出工作辊磨损量w 与相应的轧制吨位q 之间的 关系为： w = k g 警q ( 1 5 ) 啊q 式中 g 与实际钢种有关的钢种影响系数 、基准产品的厚度、宽度 啊、岛实际轧制产品的厚度、宽度 由于只考虑了轧辊直径或轧制量的影响，对轧辊磨损影响因素的考虑 过于单一，模型缺乏充足的科学理论依据和精确性保障。 ( 3 ) 文献 1 5 - 1 9 1 分别介绍了针对不同轧机采用统计回归方法得出的半 经验半理论模型。文献 2 0 2 5 1 进一步深入考虑轧辊磨损与轧制力、接触弧 长、轧制长度等几个主要影响因素之间的关系，使用统计方法得出了回归 模型，根据实测数据采用不同的数学方法得出模型的参数。其中比较有代 表性的是日本学者提出的热带钢轧机工作辊磨损计算模型i ”】： w 一嘻( 俐6 石l d l i 4 ( z ) ( 1 - 6 ) 式中w 工作辊磨损量 f 带钢计算编号 一轧制带钢块数 p 轧制力 w 轧件宽度 五接触弧长度 r - - 压下率 l 轧制带钢长度 n 工作辊直径 4 ( x ) 横向位置坐标z 的影响函数，当0 w 2 时取0 口、a 、b 与轧辊材质、带材温度、润滑剂、冷却液等因素有关 的系数 该类模型的基本结构可表示为： w = a a “b 4 c ( 1 - 7 ) 式中_ ，轧辊磨损量 a 、b 、c 有关轧制负荷、接触弧长、轧制长度的参量 a 、口、回归系数 目前国内外使用较多的经验公式大都属于这种形式，在应用上取碍了 一定的效果。但是，这种半经验半理论的模型仍未从摩擦磨损原理上合理 解释轧辊磨损的本质，且未考虑支承辊的影响和轧制力沿辊身横向不均匀 分布的影响。 ( 4 ) 文献 2 6 1 中建立了热带钢轧机的轧辊磨损模型，认为工作辊磨损量的 横向分布值w ( x 1 为： 吣，2 球小岫惴讣 m 。、 卟忙t 铷， 一 式中l 工作辊换辊周期时间内的总轧制长度 6 第1 章绪论 d l 工作辊直径 q ( 工1 辊间接触压力横向分布 尸( j 卜一轧制压力横向分布 蜀( 石) 、恐( 石) 工作辊和支承辊的负载半径分布 冠、足工作辊与支承辊的公称半径 g 。，岛工作辊和支承辊接触的滚动和滑动磨损系数 g ，、t 工作辊与轧件接触的滚动和滑动磨损系数 c ( “) 与辊缝中金属横向流动有关的函数 该模型揭示了轧辊间相互磨损的内在规律，但未合理计算工作辊与轧 件间相互接触的滚动和滑动距离，未能充分分析二者之间的磨损关系，而 这正是工作辊磨损的主要部分。 从数学的角度出发，建立轧辊磨损的理论统计模型，是当前研究轧辊 磨损模型的普遍方i j j l 2 7 0 8 1 。目前国内外使用较多的经验公式，大都足结合 实测数据采用统计回归的方法得出轧辊磨损模型的结构形式和具体参数 2 9 , 3 0 ，轧辊磨损量的计算主要还是采用统计回归的方法。但建立在统计规 律上的轧辊磨损模型受实测条件及所使用的测量工具的限制以及实测数据 量多少的影响较大，使轧辊磨损计算的精度受到一定的限制。 1 3 本文选题意义及主要研究内容 1 3 1 本文的选题意义 在板带轧机轧制过程中存在着严重的轧辊磨损【3 1 1 。轧辊磨损不仅增加 了辊耗，而且改变了原始辊型f 3 扣3 钔，直接影响轧件板形、板凸度的精确控 制，严重制约着产品质量的提高1 3 5 , 3 6 。轧辊磨损还会加剧薄板轧制的边部 减薄现象，以及加剧中厚板轧制的平面形状不良现象，降低成材纠3 - q 。轧 辊磨损的准确计算和合理预报对轧机的轧制规程分配、辊缝设定、钢板厚 度精度、平面形状控制以及板形板凸度控制都会产生很大的影响。深入研 究轧辊的磨损机理，建立精确实用的轧辊磨损预报模型，对于提高轧机控 制水平和改善产品质量具有十分重要的意义。 7 燕山大学t 学硕上学位论文 轧辊磨损足一种十分复杂的微观动态系统过程，是轧制过程中最难以 精确控制的过程因素之一。轧机轧辊磨损的机理复杂，形式多样，影响轧 辊磨损的因素也非常多而且复杂。目前对轧辊磨损的研究还很不充分，尚 未建立起足够精确可靠的、充分反应磨损本质的轧辊磨损理论模型，这已 经成为制约板带轧机控制水平提高和产品质量改善的重要瓶颈。对轧辊磨 损机理的研究还有待进一步深入，建立更加科学的轧辊磨损数学模型是提 高轧机控制水平和改善产品质量的迫切需要。 1 3 2 本文主要研究内容及研究思路 本文针对轧辊磨损这个轧钢生产领域非常重要的问题，结合秦皇岛首 钢板材有限公司3 4 5 4 中厚板轧机和济南钢铁公司3 5 0 0 中厚板轧机实际生 产过程，进行了深入研究。 结合摩擦磨损的基本原理分析论述轧辊磨损的机理及特点，总结影响 轧辊磨损的相关因素。针对中厚板轧机生产过程，总结其轧制工艺及轧辊 磨损的特点。 在分析总结轧辊磨损数学模型研究现状的基础上，本文将建立更为科 学合理的轧辊磨损模型。该模型考虑工作辊与轧件间以及工作辊与支承辊 之间的相对滑动距离、轧制压力和辊间接触压力横向分布、轧辊间的弹性 压扁参数、轧辊热凸度、轧辊负载辊径变化、接触弧长、轧制长度、辊身 硬度等影响轧辊磨损的相关因素，进而提供工作辊和支承辊磨损量分布的 计算方法。 对轧辊磨损数学模型中的诸多影响因素和参数进行系统的分析研究。 对各个参数分别研究其计算方法，并结合实际轧制条件给出计算结果。其 中比较突出的创新工作，是客观分析轧制过程中的实际摩擦运动，深入分 析轧辊间及轧辊同轧件间接触摩擦的相对运动关系，建立轧制变形区内轧 件金属同轧辊表面间的相对滑动模型，计算变形区内金属相对轧辊表面的 滑动距离，为轧辊磨损模型的相对滑动距离参数提供精确的量化分析依据。 在此基础上，结合实际生产过程，通过对大量现场实测轧辊磨损数据的回 8 第1 章绪论 归分析，利用遗传算法对模型的优化参数进行优化解析，并利用新的轧制 条件对模型进行仿真检验。 9 燕山大学工学硕上学位论文 第2 章轧辊的磨损机理分析 2 1 摩擦磨损的基本概念 磨损是指由于机械作用，间或伴有化学或电的作用，物体工作表面材 料在相对运动中不断损耗的现象【3 8 i 。磨损是伴随材料表面相互摩擦产生的 必然结果，是一种十分复杂的微观动态系统过程，其分类方法也比较多， 图2 - 1 所示的是几种常见的分类方法 3 8 , 3 9 。 最常见的分类方法，是按磨损机理来分类，一般可分为：粘着磨损、 磨粒磨损、腐蚀磨损、疲劳磨损、冲蚀磨损、微动磨损和冲击磨损。 ( 1 ) 粘着磨损当摩擦表面相对运动时，由于粘着作用使两表面的材料 由一个表面转移到另一个表面，继而发生材料微粒脱落引起的磨损现象， 统称为粘着磨损。 ( 2 ) 磨粒磨损在接触摩擦过程中，由于硬的颗粒或表面硬的凸起物引 起材料从其表面分离出来的现象，称为磨粒磨损。 ( 3 ) 腐蚀磨损在腐蚀性的气体或液体环境中摩擦时，摩擦表面材料将 与周围介质发生化学反应或电化学反应，并在一个或两个表面上生成反应 产物，经过摩擦，反应产物就会被磨掉，露出新的表面，继续腐蚀和磨损， 这种现象称为腐蚀磨损。 ( 4 ) 疲劳磨损摩擦表面材料微体积由于重复变形使其发生疲劳，而引 起微小颗粒组织从表面脱落的现象，这就是疲劳磨损。疲劳磨损还包括接 触疲劳磨损和热疲劳磨损等形式。 上述四种磨损机理是各不相同的，但是冲蚀磨损、微动磨损和冲击磨 损这三种磨损机理常与前四种有类似之处，或为前四种机理中某几种机理 的复合，如冲蚀磨损有与磨粒磨损类似之处，但也有其自身的特点；微动 磨损常综合包含粘着磨损、磨粒磨损、疲劳磨损和腐蚀磨损这四种形式， 或包含其中的部分形式。 0 第2 章轧辊的麝损机理分析 图2 1 摩擦磨损的分类 f i g 2 1 t h ec l a s s i f i c a t i o no ff r i c t i o nw e a r 在实际工况中，材料的磨损往往不只是一种机理在起作用，而是几种 机理同时存在。例如，磨粒磨损往往伴随着粘着磨损。只不过在不同条件 下，某一种机理起主要作用，而当条件发生变化时，起主要作用的机理也 会有所转变【3 8 州3 1 。 在具体的工作条件下，影响磨损的因素是十分复杂的，它包括工作条 件( 载荷、速度、运动方式等) 、环境因素( 湿度、温度和周围气氛等) 、介质 燕山大学1 = 学硕士学位论文 因素和润滑条件以及零件材料的成分、组织和工作表面的物理、化学、机 械性能等，其中每一个因素稍有变化都可能使磨损量改变并使磨损机理发 生变化1 4 “6 1 。 摩擦力与摩擦系数成正比，而不同材料的摩擦力( 或摩擦功) 及摩擦系数 与材料表面磨损速度之间并没有直接的依赖关系 4 7 4 8 】。通常消耗在磨损方 面的功仅占总摩擦功的很小一部分。在摩擦系数波动不大时，特别是在干 摩擦条件下，材料的磨损强度可能显著变化。摩擦力的产生和表面的磨损 是表面接触过程中的两种不同表现。 磨损时零件表面的损坏是材料表面单个微观体积损坏的总和。目前对 磨损评定方法还没有统一的标准，主要的评定方法有三种：磨损量、耐磨 性和磨损比p ”，其中比较常用的是磨损量。评定材料磨损的三个基本磨损 量足长度磨损量坼、体积磨损量和重量磨损量。长度磨损量足指磨 损过程中零件表面尺寸的改变量，这在实际设备的磨损监测中经常使用。 体积磨损量和重量磨损量是指磨损过程中零件或试样的体积或重量的改变 量。一般情况下，磨损都是随时间累积的函数，因此用磨损率m 来表示磨 损量的时间特性。 2 2 轧辊磨损机理及特点 轧辊是轧制过程中直接作用于金属轧件的压力加工工具，是轧钢生产 中的主要消耗备件之一。轧制时轧辊与轧件之间以及轧辊之间的相互接触 摩擦作用，导致了轧辊的磨损。在轧制过程中，轧辊承受周期性的机械载 荷和温度波动，并伴有较硬氧化物颗粒的研磨作用1 5 0 】。轧辊长期处于水蒸 气和空气的氧化性氛围中，与周围液体及气体介质相互作用，受到多种类 型磨损机理的共同作用。在热轧生产中是按轧制单位来组织生产的，即每 轧完一定数量的轧件后更换轧辊。在整个轧制单位内，累积产生了较大的 磨损量，轧辊的辊型经历了很大的变化。 轧辊磨损量是指以轧后辊径最大值为基准，其他位置直径与基准值之 差，通常采用轧辊在使用一个轧制周期后的径向尺寸变化量来表示。 第2 章轧辊的磨损机理分析 对于工程实际中的磨损问题，通常从微观和宏观两个角度束研究。微 观研究是从物理、化学、材料等方面研究各种磨损的形成、变化和破坏机 理，探索各种磨损的本质，建立磨损的基本规律。而磨损的宏观研究是把 各种磨损作为一种共同的表面损伤现象，研究它的影响因素和变化规律。 轧辊磨损与其他磨损在形成机理上是基本相同的。从摩擦学角度分析， 轧辊的磨损可理解为轧辊宏观和微观尺寸的变化。肉眼明显可见的、表面 摩擦引起的极大损坏形式就表现为宏观磨损；微观磨损是一种磨耗，是轧 制过程中轧辊表面材料微观组织不断损坏消耗的过程5 ”。我们所讨论的轧 辊磨损，同时包括宏观磨损和微观磨损，具体表现为轧辊直径的缩小。 同时，轧辊磨损在几何和物理条件上与一般磨损又有差别，如辊缝内 实际接触面积远大于刚性条件下接触峰点面积的总和；轧件与轧辊的相对 位移即接触弧内轧件表面的滑移较小；轧辊上的某点与轧件的周期性接触； 轧件上的氧化皮作为磨粒进入辊缝；伴有冷却液和润滑液的作用5 2 1 ，另外 还有高温热流的影响。 从磨损机理上来看，轧辊的磨损形式主要分为以下几类： ( 1 ) 高温轧件表面产生氧化铁皮，这些氧化铁皮在轧制力作用下破碎形 成坚硬的碎片，其碎片颗粒作为磨粒进入工作辊与轧件问以及工作辊与支 承辊间的接触作用中，在轧辊循环转动的过程中不断磨i g j 车l 辊表面，对轧 辊造成磨粒磨损； ( 2 ) 轧辊在周期性的承载、卸载、加热、冷却过程中不断承受接触疲劳 应力和热疲劳应力，当循环应力超过轧辊材料的疲劳强度时，表面层将引 发裂纹并逐渐扩展，最后使裂纹区的材料断裂剥落，形成了疲劳磨损，其 中包括接触疲劳磨损和热疲劳磨损； ( 3 ) 轧辊与轧件之间以及轧辊之间在高温及高压力条件作用下相互接触 摩擦，接触表面微观颗粒接触点发生塑性变形，使接触处的材料从一个表 面转移到另一个表面，继而发生材料微粒脱落的现象，这便使轧辊表面产 生了粘着磨损： ( 4 ) 轧辊工作时处于水蒸气和空气的氧化性气氛中，轧辊与高温轧件接 触及相互摩擦使得辊面温度升高，促使辊面氧化加快，在载荷作用下，氧 燕山大学下学硕士学位论文 化层破裂形成了高温氧化磨损；轧辊表面与其剧围液体及气体介质相互作 用，发生化学或电化学反应，表面膜不断形成和破坏，形成了其它化学磨 损。这些磨损形式共同构成了腐蚀磨损。 一般认为，上述磨损形式中的前两种即磨粒磨损和疲劳磨损是热轧生 产中轧辊磨损的主要形式。事实上，在实际轧制条件下，上述几种磨损形 式总是同时存在相互影响，共同对轧辊的磨损起作用。 四辊轧机工作辊的磨损主要是由于工作辊与轧件之间以及工作辊与支 承辊之间的相互接触摩擦所引起的，这种相互摩擦包括滑动摩擦和滚动摩 擦。薄板带连轧机工作辊的磨损，主要发生在经常与轧件相接触的部位， 故相当于轧件宽度部分的磨损比较深，近似于箱形孔。并且因为轧件边部 温降较快以及金属横向流动等因素的影响，致使多数情况下工作辊箱形边 部磨损量要大些，而箱形底部较平坦。 四辊轧机支承辊的磨损主要足由于支承辊与工作辊接触的相对滑动和 相互滚动造成的。支承辊与工作辊之间存在较大的接触载荷，工作辊表面 的碳化物颗粒将支承辊表面的金属微粒磨削下来，使支承辊产生磨损。磨 损量的大小与轧辊的材质、表面硬度及光洁度、辊间压力横向分布、相对 滑动量和滚动距离等因素有关。一般情况下，下支承辊的磨损量大于上支 承辊，其主要原因是由于夹带大量氧化铁皮的冷却水作用在辊面，致使下 支承辊工况条件较差，加速了轧辊的磨损。 一般情况下，轧辊的磨损量沿辊身长度方向的分布是不均匀的，轧辊 磨损不均匀分布的辊廓形状及其形成过程与下列因素有关： ( 1 ) 轧制力能参数轧制力和辊间接触压力的大小及其沿辊身长度方向 的不均匀分布，是轧辊不均匀磨损的重要原因。根据摩擦学原理，特定材 料的磨损量大小与接触摩擦的正压力成线性关系，轧辊的磨损也是随着轧 制力和辊间接触压力的增加而增加【5 3 , 5 4 1 。因此，压力较高的部位就会产生 比较严重的磨损； ( 2 ) 轧件与轧辊表面温度的不均匀分布状况温度分布既影响轧辊材料 的磨损性能，也影响轧制载荷的分布情况。轧制变形区内温度场状态频繁 急剧变化，且在横向上分布很不均匀，加剧了轧辊磨损的不均匀分布； 第2 章轧辊的磨损机理分析 ( 3 ) 轧件金属横向流动的影响在轧制变形区内，金属相对于轧辊在纵 向和横向上都有明显的相对滑动。金属的横向流动在轧件中部较小，在边 部较大。金属横向流动沿轧件宽度方向上的不均匀分布，造成了轧辊磨损 量的横向分布差异； ( 4 ) 轧辊的串动工作辊的串动有促使磨损均匀化的作用，可避免由于 带材边部温降而导致的局部磨损量增大； ( 5 ) 轧辊的表面状况，如轧辊表面的粗糙度、摩擦系数、辊面硬度以及 再生氧化铁皮的状况等； ( 6 ) 每一轧制单位中产品种类及规格，如宽度、重量、材质等参数的影 响，以及不同产品轧制顺序编排的影响。 由于各种因素的影响，使轧辊表面的磨损量沿辊身长度方向的横向分 布很不均匀，这就给轧辊磨损机理的分析、数学模型的建立和磨损量的计 算都带来了很大的难度。 2 3 轧辊磨损的影晌因素及理论计算公式 轧辊磨损的机理复杂，形式多样，影响轧辊磨损的因素也非常多而且 很复杂1 5 4 , 5 5 。通过对轧辊磨损机理的分析，归纳出影响轧辊磨损的主要因 素，主要可以从轧件、轧辊以及轧制工艺三个方面加以考虑，如图2 2 所示。 轧辊磨损的诸多影响因素，反映到轧辊磨损量的累积上就是各个不同 的影响参数。在轧制过程中影响轧辊磨损量的有效轧制参数，也可以主要 从图2 2 所示的三个方面提取。各个有效轧制参数在不同的轧制道次各不相 同，各个参数作为影响变量共同对轧辊的磨损起作用。轧辊的磨损量与各 影响参数之间的关系可以用以下关系式加以表述： w = e ( e ，q ，l , d , w ，五，正，五，魄，a ，m ，g ，n ，v ，)( 2 - 1 ) 式中p 轧制力 q 辊间接触压力 l 轧件长度 d 轧辊直径 燕山大学t 学硕上学位论文 轧件宽度 z 轧件温度 l 轧辊温度 ，前滑系数 ，压下率 名接触弧长 n g 轧辊硬度 a 轧件材质 肘轧辊材质 g 轧辊粗糙度 j 冷却制度 y 轧制速度 卜一冷却介质 轧件方面 轧件的温度 轧件的材质 轧件的宽度 轧件的厚度 轧件的表面状态 轧辊磨损的影响斟素 轧辊方面 轧辊的材质 轧辊的商径 轧辊的原始辊型 轧辊的硬度 轧辊表呵温度 轧辊的表血粗糙度 轧制工艺方面 轧制雎力 轧制速度 轧制长度 润滑状态 冷却条件 轧制计划 图2 - 2 影响轧辊磨损的因素 f i g ，2 2 t h ei n f l u e n c ef a c t o r so f r o l lw e a l 式( 2 - 1 ) 只是笼统的表述了轧辊磨损量的相关影响因素和参数。结合1 2 节中对轧辊磨损数学模型研究现状的总结，本文认为进一步深入研究轧辊 磨损，建立更加科学合理的轧辊磨损模型，需要重视以下几方面问题： 1 6 第2 章轧辊的磨损机理分析 ( 1 ) 应该深入分析轧辊间及轧辊同轧件间接触摩擦的相对运动关系，建 立轧制变形区内金属同轧辊表面间的相对滑动模型，计算变形区内金属相 对轧辊表面的纵向及横向滑动距离，为轧辊磨损模型提供更加精确的量化 依据； ( 2 ) 应该分析轧制力和辊间接触压力参数，为轧辊磨损模型提供精确的 轧制力及辊间接触压力横向分布差异数据： ( 3 ) 另外还应该充分重视研究支承辊的磨损情况，以及支承辊对工作辊 的磨损作用。 2 4中厚板轧机轧制工艺及轧辊磨损特点 2 4 1 轧制工艺及轧辊磨损特点 中厚板的生产工艺过程由原料及轧前准备、轧制和轧后精整三大部分 组成，其中最主要的工作量集中在轧制阶段。轧机便是轧制过程中的主要 设备，也足整套生产线上的核心设备【5 7 1 。 由于中厚板产品用途广泛，使用环境复杂，对产品的尺寸规格、精度 等级尤其足性能要求各不相同，所以形成了中厚板产品品种和规格的复杂 多样性，也使得中厚板的轧制工艺比较复杂5 。枷l 。中厚板的轧制方法，按 照板坯进入轧机的方式可以分为三种： ( 1 ) 横轧一纵轧法包括纵向辗平、横轧宽展和纵轧延伸三个过程。当 板坯宽度和长度明显小于成品的宽度和长度时，使用这种工艺； ( 2 ) 全纵轧法当板坯的宽度等于或大于成品板宽时，即可不用横轧， 直接纵向轧制成成品： ( 3 ) 全横轧法当板坯的宽度需要增大而长度不需要延长时，板坯仅进 行横轧直到成品厚度。 对于中厚板轧机的轧制过程而言，不管采用何种轧制方式，每个轧件 都需要多道次往复轧制，轧完一块钢板的多个道次在同一个机架和同一对 轧辊间完成。并且轧件规格变换频繁，轧机设备及工艺参数频繁调整。不 同规格轧件咬入机制不同，轧件咬入复杂。由于中厚板轧制工艺的这些特 7 燕山大学t 学硕士学位论文 点，使得中厚板轧机的轧辊磨损与其它轧机有许多不同之处： ( 1 ) 由于轧制规程的多个道次在同一机架上完成，使最末道次的辊型与 轧制规程中前面数道次不同的工艺参数均直接相关，这就加大了中厚板轧 制过程分析和轧辊磨损计算的难度。 ( 2 ) 在中厚板轧制过程中轧机压下量比较大，轧件变形显著，同时轧制 温度比较高且变形区内温度场状态频繁急剧变化，机架和轧辊承受的机械 载荷和热载荷比较显著，轧辊磨损严重，磨损状况也比较复杂。 ( 3 ) 中厚板轧件的长度通常都比较短，由于轧制时不断地咬钢、抛钢， 使得轧辊工作在稳定轧制条件下的时间很短。轧辊除了受到与连轧过程中 相同的周期变化的力和热载荷外，还将受到很频繁的冲击载荷，轧辊疲劳 损坏的成分增大。因此轧制相同数量的轧件时，中厚板轧机的轧辊磨损要 比其它轧机的轧辊磨损更加严重。 ( 4 ) 与连轧工艺不同，轧完一块钢的各个道次对轧辊的磨损都作用在了 同一对轧辊上。而实际上，每一道次的磨损机理和规律足不尽相同的，对 轧辊磨损的积累量也就不同。在每一个换辊j i 吉j 期内，又有不同种类不同规 格的多块钢板需要轧制。这就使中厚板轧机轧辊磨损过程本身比较繁冗、 复杂，其研究分析也比较困难。 由此可见，中厚板轧机轧辊磨损变化的时间常数很大，是一个缓慢积 累的过程。它的准确计算和合理预报对轧机的轧制规程分配、辊缝设定、 板凸度和平直度控制及钢板厚度精度控制都会产生很大的影响。 2 4 2 轧辊磨损实例 不同轧机的轧辊磨损状况和特点各不相同，与轧机的具体形式和实际 生产条件有很大的关系。 图2 3 所示的是某中厚板轧机工作辊磨损实测数据示意刚2 5 。从图中 可以看出，该轧机的轧辊磨损曲线可以近似看作一个抛物线形，中间部分 的磨损要比两端的磨损大得多，主要原因足每个轧制道次的轧制力分布， 在轧辊的中部要比两端大，所以反映到轧辊磨损曲线上，中间部分的磨损 1 8 第2 章轧辊的磨损机理分析 较大。 o 量 o 1 0 删 晕- 0 2 0 龆 群 霹o 3 0 0 4 0 与轧辊端部距离( m ) 图2 - 3 中厚板轧机丁作辊磨损实测值 f i g 2 - 3 t h em e a s u r e dv a l u eo f w o r kr o l lo np l a t em i l l 还有一些文献介绍实测数据表明，轧辊磨损可分为中间定常磨损和边部 集中磨损两部分，如图2 - 4 所示的是实测磨损量沿辊身横向的分布曲线示意 图2 4 l 。形成边部磨损加剧的主要原因是，在轧件接触区边缘部分温度降低 梯度很大，负荷在边部区域的作用加强，产生很大的热疲劳应力，另外还 有轧件金属三维流动的影响。 w e j 操作侧 。 w c j 驱动侧 边部 定常部分 边部 图2 - 4 中厚板轧机工作辊磨损实测曲线