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【摘 要】：我国现有热轧辊表面温度设计≤550℃是按照入口设计的。轧辊接触面高达1100℃，出口表面升温大约≥800℃左右，旋转一周，接触表面升温概率为5-15%，轧辊表面是呈现微米（毫米）级热传导高温循环退火与磨损。在钢板热轧制过程中，通过冷却水将轧辊表面温度降至≤550℃，旋转一周，降温概率85-95%。轧辊表面处于冷却淬火的热震过程。材料的耐高温性能较差时，微米（毫米）级的硬度衰减较大，出现高磨损状态；当材料耐高温性能较好时，轧辊表面微米（毫米）级硬度衰减较小，抗磨损性能较好。
【关键词】：退火 磨损 优化设计 轻微磨损
高速钢轧辊以广泛应用于冶金轧机上。由于一些厂家铸造轧辊存在有不合理的制造工艺，结合层强度很低，钢板轧制生产中需要留有≥12-15mm的余量，在生产使用中是难以准确控制的。高速钢材料脆性大、抗事故能力差，需要加强现场管理，才能确保轧机正常运转，减少因轧制事故对轧辊及生产所造成的破坏。
锻钢轧辊心部的性能远远优越于铸钢轧辊。但是，表面高温耐磨损性能与结合层脱落，是制约我国轧机热轧辊制造的二个关键性技术难题。经过多年的细致研究表明，高温轧辊磨损的机理是高温轧辊在钢板轧制的过程中形成了微米（或微米）级间断高温退火所导致的。高温退火使得表面微观硬度下降，抵抗磨损的能力降低。
一、理论依据
我国现行的高速钢轧辊是在≤550℃的条件下可以得到较高的硬度。高速钢轧辊由于拥有较高的显微硬度和强度，因此，提高了磨损性能。为了满足轧辊表面温度≤550℃，在生产中采用了冷却喷水装置。然而，高速钢轧辊还是出现高磨损现象。
为了更深入地研究热轧辊的磨损，我们建立热轧辊的工作原理，研究热轧辊在钢板轧制过程中所出现的高温磨损现象。
热轧辊的工作原理图如下：
热轧板是横向进给，进给速度十分缓慢，如0.1-0.8米/分。这时热轧辊表面的受热时间很长。
轧辊表面热传导模型
根据热轧辊工作状态我们建立热轧辊磨损层与基体金属分布数学模型如下：
热力设计公式：
根据热力学原理，表面的热流量密度的计算公式如下：
（01）
轧辊磨损层的热流量密度的传递过程：
（02）
在实际轧辊的制造中，轧辊磨损层的热传导系数都是低于心部，因此，对于传热过程的主要作用是增加热阻，减少通过表面的热流量密度q，按照公式（1），当轧辊磨损内外两侧温度Tg和Tc保持不变时，附加热障涂层后，假设外壁燃气侧的换热系数Hg和内壁冷气侧的换热系数Hc均保持不变，按照公式（2），轧辊磨损层外表面温度相应增高（Towc>Tow），轧辊磨损层内的温度Tiwc相应减小，但是如果轧辊磨损层内外壁的换热系数发生变化，导致热流量密度q发生变化，则内外壁温度相应发生变化。
由公式计算可以得到如下公式：
Kc（Towc-Towc1）/δc = Kb（Towc1-Tiwc）/δb （3）
Kb（Towc1-Tiwc）/δb=Hc（Tiwc-Tc） （4）
由公式1和公式2的除下列等式：
（5）
（6）
计算时的已知量：Kb；δb；Kc；δc；hc；Tc；Towc；
轧辊表面应力传导模型
这里省略！
通过上面的热传导模型可以看出，我国现型轧辊表面设计温度≤550℃是非常不合理的。严格地说，轧辊冷却后进入轧板时的表面温度≤550℃。但是，轧辊与热轧板接触温度1100℃后，温差高达到550℃，在传输的过程中，轧辊表面温度会升高的。在设计中，我们应该控制轧辊出口时的温度，大约≤800℃。
我国现行的无限轧辊、高铬钢轧辊、高速钢轧辊材料、轻微磨损轧辊的回火温度与显微硬度的关系如图1所示。
热轧辊工作表面的硬度达HV650-800，硬度虽然很高，但是在800℃回火时，轧辊硬度则会降至HV220左右。为此，在工作过程中设有冷却装置，保证轧辊表面在入口时的温度≤550℃。
在轧辊高温轧制的过程中，轧辊接触温度为1100℃，在轧件出口时表面瞬间升温大约≥800℃，轧辊旋转一周，设接触表面升温概率5%，接触时间大约3秒/周，轧辊在脱离轧板的出口温升大约≥768.2℃，接触时间大约5秒/周，轧辊在脱离轧板的出口温升大约≥803.6℃。
通过冷却水装置，设轧辊表面温度降至≤550℃，旋转一周，降温概率85-95%，降温时间2分/周。
工作中，轧辊是在瞬间升温≥800℃与降温≥550℃的过程中形成了微米（毫米）级层热传导型高温循环退火现象。
经过轧机的相关数据统计与计算，我们可以得到以下众多的工作特性曲线：
1、轧辊表面热传导升温特性曲线：
一般轧辊加热停留时间大约为2-15秒，入口温度≤550℃
2、轧辊表面热传导冷却特性曲线：大约90-120秒/周
3、轧辊表面抗热震裂性能特性曲线
轧辊表面的微观裂纹与材料的抗热震性能有关。
4、轧辊表面持久应力与寿命特性曲线
轧辊在重载荷交变应力作用下，耐磨层需要有很高的持久应力表现才可以满足抗高温磨损的技术要求。
5、热轧辊周期性循环加热与冷却特性曲线
热轧辊是在升温、淬火冷却周期性循环的条件下工作的。温度范围550--800℃.
二、结果与实际操作讨论
通过图-1温度分布数学模型和图-3我们可以看出，热轧辊在旋转一周时，表面升温是按照微米（毫米）级层厚热传导进行的，升温速度与材料的换热系数、线膨胀系数和弹性模量等因素有关。 轧辊表面材料换热系数越大，轧辊材料的导热效果越好，体内的温度会与轧辊表面的温度形成快速热传导对流，因此有利于降低轧辊的表面温度。线膨胀系数和弹性模量越小越有利于抵抗轧辊表面热龟裂。
轧辊的旋转速度越慢，轧辊表面的升温越快，温度越高。在轧机的实际工作中，升温保持时间大约为2-15秒/周，升温最高温度大约在800℃左右。
通过图-4可以看出，热轧辊旋转一周时，表面冷却降温的概率为95-85%，冷却时间大约90-120秒/周，表面冷却水的速度有关。如图中的冷却1、冷却2和冷却3曲线。冷却速度是采用秒来计算的。
在高速钢轧辊的理想冷却系统中，轧辊的冷却建议采用环形喷嘴，保证能够向轧辊表面喷射出连续、有力的水流。在这些喷嘴中，靠近轧板出口的温度最高，应该设为主喷嘴，这样冷却水的阻力小，冷却效果好。从主喷嘴喷出的水量应该控制在总供水量的30-35%为宜，喷射角为20--30°。
主喷嘴是保证将冷却水迅速喷到轧辊刚刚脱离轧件表面高达800℃的轧辊表面部位上，为了达到冷却效果，要保证水的压控制在0.5--0.7MPa，流量≥500L/min，不能使用散射，冷却效果差。冷却水需进行过滤或沉淀，尽可能降低固体粒子的含量。
冷却水温控制非常重要，一定要保证合适的温度范围。
通过图-3可以看出，轧辊的回火温度在550--800℃区间时，无限冷却轧辊、高铬钢轧辊、高速钢轧辊的硬度显著下降。轻微磨损轧辊的硬度可以保持在HV500左右。
热轧辊在工作的过程中事实上是表面短时间高温加热与冷却水表面淬火的循环工作过程
从理论上分析，热轧辊表面的升温、冷却、磨损、应力衰减是按照微米（毫米）级层厚进行的，因此，出现了很高磨损状态。磨损的程度与高温时的硬度、强度等因素有关。
通过图-5和图-7的特性曲线可以看出，热轧辊可循环工作次数与表面温度和寿命是紧密相连的。轧辊表面温度越高，寿命越短，工作旋转的次数越少；表面温度越低，轧辊工作时可旋转的次数越长。
轧辊表面抗热震裂纹能力与材料的组成和结构紧密相关，热震的条件不同，其表征抗热震性的参数也不同，因此，不能随意选用材料。改善抗热震性的途径首先，应从显微结构出发，应该使用具有低的线膨胀系数和弹性模量，高的换热系数。
*--根据配方估算的参考数值
通过图-5可以看出，热轧辊的寿命与轧辊的材料密切相关。
三、结论
1、热轧辊的工作形式是处于一个高应力热轧板的循环周期性的加热与冷却过程；
2、热轧辊工作在表面加热800℃与冷却550℃循环过程中，通常以时间的计算是以秒为单位；
3、热轧辊表面温升大约800℃左右，是以微米（毫米）级层厚热传导实现高温循环退火，维持时间2-15秒。高温磨损机理是在微米（毫米）级高温循环退火中进行的；
4、热轧辊表面降温≤550℃，冷却时间大约90-120秒。
5、轧辊表面呈现周期性加热和冷却，形成了一个周期性的抗热震裂纹过程，热轧辊耐磨材料的选取要充分考虑到抗热震性能好的参数。
6、轧辊设计应选用≤800℃条件，应选用高硬度、高强度和高导热性材料具有良好的抗耐磨性能。
7、轧辊冷却设计温度≤550℃，材料耐高温设计≤800℃。
【关键词】：退火 磨损 优化设计 轻微磨损
高速钢轧辊以广泛应用于冶金轧机上。由于一些厂家铸造轧辊存在有不合理的制造工艺，结合层强度很低，钢板轧制生产中需要留有≥12-15mm的余量，在生产使用中是难以准确控制的。高速钢材料脆性大、抗事故能力差，需要加强现场管理，才能确保轧机正常运转，减少因轧制事故对轧辊及生产所造成的破坏。
锻钢轧辊心部的性能远远优越于铸钢轧辊。但是，表面高温耐磨损性能与结合层脱落，是制约我国轧机热轧辊制造的二个关键性技术难题。经过多年的细致研究表明，高温轧辊磨损的机理是高温轧辊在钢板轧制的过程中形成了微米（或微米）级间断高温退火所导致的。高温退火使得表面微观硬度下降，抵抗磨损的能力降低。
一、理论依据
我国现行的高速钢轧辊是在≤550℃的条件下可以得到较高的硬度。高速钢轧辊由于拥有较高的显微硬度和强度，因此，提高了磨损性能。为了满足轧辊表面温度≤550℃，在生产中采用了冷却喷水装置。然而，高速钢轧辊还是出现高磨损现象。
为了更深入地研究热轧辊的磨损，我们建立热轧辊的工作原理，研究热轧辊在钢板轧制过程中所出现的高温磨损现象。
热轧辊的工作原理图如下：
热轧板是横向进给，进给速度十分缓慢，如0.1-0.8米/分。这时热轧辊表面的受热时间很长。
轧辊表面热传导模型
根据热轧辊工作状态我们建立热轧辊磨损层与基体金属分布数学模型如下：
热力设计公式：
根据热力学原理，表面的热流量密度的计算公式如下：
（01）
轧辊磨损层的热流量密度的传递过程：
（02）
在实际轧辊的制造中，轧辊磨损层的热传导系数都是低于心部，因此，对于传热过程的主要作用是增加热阻，减少通过表面的热流量密度q，按照公式（1），当轧辊磨损内外两侧温度Tg和Tc保持不变时，附加热障涂层后，假设外壁燃气侧的换热系数Hg和内壁冷气侧的换热系数Hc均保持不变，按照公式（2），轧辊磨损层外表面温度相应增高（Towc>Tow），轧辊磨损层内的温度Tiwc相应减小，但是如果轧辊磨损层内外壁的换热系数发生变化，导致热流量密度q发生变化，则内外壁温度相应发生变化。
由公式计算可以得到如下公式：
Kc（Towc-Towc1）/δc = Kb（Towc1-Tiwc）/δb （3）
Kb（Towc1-Tiwc）/δb=Hc（Tiwc-Tc） （4）
由公式1和公式2的除下列等式：
（5）
（6）
计算时的已知量：Kb；δb；Kc；δc；hc；Tc；Towc；
轧辊表面应力传导模型
这里省略！
通过上面的热传导模型可以看出，我国现型轧辊表面设计温度≤550℃是非常不合理的。严格地说，轧辊冷却后进入轧板时的表面温度≤550℃。但是，轧辊与热轧板接触温度1100℃后，温差高达到550℃，在传输的过程中，轧辊表面温度会升高的。在设计中，我们应该控制轧辊出口时的温度，大约≤800℃。
我国现行的无限轧辊、高铬钢轧辊、高速钢轧辊材料、轻微磨损轧辊的回火温度与显微硬度的关系如图1所示。
热轧辊工作表面的硬度达HV650-800，硬度虽然很高，但是在800℃回火时，轧辊硬度则会降至HV220左右。为此，在工作过程中设有冷却装置，保证轧辊表面在入口时的温度≤550℃。
在轧辊高温轧制的过程中，轧辊接触温度为1100℃，在轧件出口时表面瞬间升温大约≥800℃，轧辊旋转一周，设接触表面升温概率5%，接触时间大约3秒/周，轧辊在脱离轧板的出口温升大约≥768.2℃，接触时间大约5秒/周，轧辊在脱离轧板的出口温升大约≥803.6℃。
通过冷却水装置，设轧辊表面温度降至≤550℃，旋转一周，降温概率85-95%，降温时间2分/周。
工作中，轧辊是在瞬间升温≥800℃与降温≥550℃的过程中形成了微米（毫米）级层热传导型高温循环退火现象。
经过轧机的相关数据统计与计算，我们可以得到以下众多的工作特性曲线：
1、轧辊表面热传导升温特性曲线：
一般轧辊加热停留时间大约为2-15秒，入口温度≤550℃
2、轧辊表面热传导冷却特性曲线：大约90-120秒/周
3、轧辊表面抗热震裂性能特性曲线
轧辊表面的微观裂纹与材料的抗热震性能有关。
4、轧辊表面持久应力与寿命特性曲线
轧辊在重载荷交变应力作用下，耐磨层需要有很高的持久应力表现才可以满足抗高温磨损的技术要求。
5、热轧辊周期性循环加热与冷却特性曲线
热轧辊是在升温、淬火冷却周期性循环的条件下工作的。温度范围550--800℃.
二、结果与实际操作讨论
通过图-1温度分布数学模型和图-3我们可以看出，热轧辊在旋转一周时，表面升温是按照微米（毫米）级层厚热传导进行的，升温速度与材料的换热系数、线膨胀系数和弹性模量等因素有关。 轧辊表面材料换热系数越大，轧辊材料的导热效果越好，体内的温度会与轧辊表面的温度形成快速热传导对流，因此有利于降低轧辊的表面温度。线膨胀系数和弹性模量越小越有利于抵抗轧辊表面热龟裂。
轧辊的旋转速度越慢，轧辊表面的升温越快，温度越高。在轧机的实际工作中，升温保持时间大约为2-15秒/周，升温最高温度大约在800℃左右。
通过图-4可以看出，热轧辊旋转一周时，表面冷却降温的概率为95-85%，冷却时间大约90-120秒/周，表面冷却水的速度有关。如图中的冷却1、冷却2和冷却3曲线。冷却速度是采用秒来计算的。
在高速钢轧辊的理想冷却系统中，轧辊的冷却建议采用环形喷嘴，保证能够向轧辊表面喷射出连续、有力的水流。在这些喷嘴中，靠近轧板出口的温度最高，应该设为主喷嘴，这样冷却水的阻力小，冷却效果好。从主喷嘴喷出的水量应该控制在总供水量的30-35%为宜，喷射角为20--30°。
主喷嘴是保证将冷却水迅速喷到轧辊刚刚脱离轧件表面高达800℃的轧辊表面部位上，为了达到冷却效果，要保证水的压控制在0.5--0.7MPa，流量≥500L/min，不能使用散射，冷却效果差。冷却水需进行过滤或沉淀，尽可能降低固体粒子的含量。
冷却水温控制非常重要，一定要保证合适的温度范围。
通过图-3可以看出，轧辊的回火温度在550--800℃区间时，无限冷却轧辊、高铬钢轧辊、高速钢轧辊的硬度显著下降。轻微磨损轧辊的硬度可以保持在HV500左右。
热轧辊在工作的过程中事实上是表面短时间高温加热与冷却水表面淬火的循环工作过程
从理论上分析，热轧辊表面的升温、冷却、磨损、应力衰减是按照微米（毫米）级层厚进行的，因此，出现了很高磨损状态。磨损的程度与高温时的硬度、强度等因素有关。
通过图-5和图-7的特性曲线可以看出，热轧辊可循环工作次数与表面温度和寿命是紧密相连的。轧辊表面温度越高，寿命越短，工作旋转的次数越少；表面温度越低，轧辊工作时可旋转的次数越长。
轧辊表面抗热震裂纹能力与材料的组成和结构紧密相关，热震的条件不同，其表征抗热震性的参数也不同，因此，不能随意选用材料。改善抗热震性的途径首先，应从显微结构出发，应该使用具有低的线膨胀系数和弹性模量，高的换热系数。
*--根据配方估算的参考数值
通过图-5可以看出，热轧辊的寿命与轧辊的材料密切相关。
三、结论
1、热轧辊的工作形式是处于一个高应力热轧板的循环周期性的加热与冷却过程；
2、热轧辊工作在表面加热800℃与冷却550℃循环过程中，通常以时间的计算是以秒为单位；
3、热轧辊表面温升大约800℃左右，是以微米（毫米）级层厚热传导实现高温循环退火，维持时间2-15秒。高温磨损机理是在微米（毫米）级高温循环退火中进行的；
4、热轧辊表面降温≤550℃，冷却时间大约90-120秒。
5、轧辊表面呈现周期性加热和冷却，形成了一个周期性的抗热震裂纹过程，热轧辊耐磨材料的选取要充分考虑到抗热震性能好的参数。
6、轧辊设计应选用≤800℃条件，应选用高硬度、高强度和高导热性材料具有良好的抗耐磨性能。
7、轧辊冷却设计温度≤550℃，材料耐高温设计≤800℃。