连铸连轧产线工况对工作辊温度场的影响因素

连铸连轧产线工况对工作辊温度场的影响因素

钱俊燃、李斌、孙卓洋、孟祥青

（日照钢铁控股集团有限公司，日照276806）

摘要：在热轧带钢生产中，工作辊温度是影响带钢板形和凸度的重要因素。通过辊型对比及轧辊温度跟踪，对精轧工作辊的温度场进行了评估分析，总结不同因素等对工作辊辊温变化规律的影响。发现：下工作辊的冷却效果要好于上工作辊的冷却效果；出口侧水量越大，工作辊表面处于高温状态的时间就越短，表面温度下降的越快，有利于抑制工作辊氧化，减少带钢表面氧化铁皮缺陷；带钢温度越高，工作辊在轧制过程中的最高表面温度就越大。基于此，利于优化工况改善带钢板型及表面质量控制。

关键字：热轧带钢；工况；工作辊冷却

概述

在热轧带钢生产过程中，轧辊热凸度是影响带钢产品质量的重要因素。控制轧辊温度是精确控制轧辊热凸度，预测轧辊热变形的基础。研究轧制过程中轧辊温度场变化和分布规律，分析各种因素对轧辊温度场的影响，对精确控制轧辊热凸度和板形，提高产品质量有重要意义。

对轧辊温度场和热凸度等研究表明：带钢宽度和工作辊移动对轧辊热凸度有显著影响。此外，轧制宽度、冷却水量大小、水流量分布形式、压下率、轧制节奏等因素对工作辊温度场和热凸度的影响，同时对工作辊冷却水量分布进行了优化设计。本文研究工作辊距离表面不同深度处温度变化规律以及圆周方向水量分布的影响，探讨不同因素对辊温的影响。

1轧辊温度场模型

1.1温度场模型认知

轧辊实际轧制过程，每圈依次要经过带钢接触传热→轧辊出口空气对流传热及带钢辐射传热→出口挡水板换热→出口冷却水对轧辊冲击换热→工作辊与空气对流换热→工作辊与支撑辊间接触传热→工作辊与空气对流换热→入口冷却水对轧辊冲击换热→入口挡水板换热→轧辊入口空气对流传热及带钢辐射传热。因此，在轧制过程中轧辊轴向、径向和周向的温度都要发生变化。依据实际换热条件，忽略工作辊轴向热传导，只考虑径向和周向热传导。

2热轧工作辊温度场分析

2.1工作辊周向温度场分析

以F1机架工作辊为例，采用工作辊周向温度场模型对工作辊温度场计算，研究过程在边界条件设置时，针对工作辊与带钢接触传热，考虑板材在热轧过程中由于材料内部的摩擦挤压产生的热量。工作辊转动一周过程中，距离辊面不同深度处的温度变化。分析得出，工作辊与带钢接触的区域，塑性变形热量传入工作辊，辊面温度迅速上升到500℃左右。从接触区域出来，空气自然对流冷却及带钢辐射作用，使辊面温度降到400℃左右。出口挡水板积水及喷嘴冷却水冲击射流冷却作用，使辊面温度迅速降低到100℃以下。从出口冷却区域出来，由于辊面温度低于内部温度，所以热量由轧辊内部向表面传递，造成辊面温度回升，后在入口冷却区域，经历同样冷却水冷却作用，辊面温度进一步降低。

工作辊经历一个轧制期和一个间歇期的过程中，从辊面出发往轧辊内部的距离，即距离辊面不同深度处的温度曲线。随着深度增加，温度波动幅度逐渐减缓，因为工作辊表面直接与带钢表面和冷却水接触，热量传入与传出迅速，温度变化幅度大；而辊面的热量往轧辊内部的传递需要一定时间，所以轧辊内部温度变化幅度小，且距表面深度越大，温度变化幅度越小。

2.2分析结果验证

为验证分析结果，选取F1机架工作辊为研究对象。轧制结束时抽出轧辊，利用接触式测温仪，分别选取垂直于上工作辊和下工作辊的中部的横截面，沿圆周方向测量8个点轧辊表面温度。从图1和图2可以看出，上工作辊和下工作辊在下机后的表面温度计算值和实测值吻合均较好，最大误差在2℃以内，本文的计算模型能够较好地模拟热轧工作辊的温度场分布。

图1上工作辊表面温度计算值与实测值的对比图2下工作辊表面温度计算值与实测值的对比

3不同因素对辊温的影响

基于上述分析研究，下面就各项因素对辊温的影响进行分析。

3.1上辊、下辊辊温的差异

以F2机架为研究对象，利用周向模型计算上辊、下辊的温度。在轧制过程中，上工作辊的表面温度比下工作辊的表面温度高，这是上辊及下辊不同的冷却条件导致的。由于下辊没有挡水板的遮挡作用，挡水板的积水换热变成冷却水的流水换热；另外上辊的冷却水在轧钢时会落到下辊上，也会加强下工作辊的冷却效果。

3.2入出口水量分配比例对辊温的影响

图3工作辊温度与出入口水量分配比例的关系

工作辊圆周方向冷却水流量的分配比例对工作辊的冷却有着很大的影响。以F1机架为研究对象，轧制速度为0.91m/s，参考计算模型对6种分配比例进行计算。

图3得出 6种工况下，工作辊上升的最高温度都是在520℃左右，但是出口侧工作辊表面冷却到的最低温度有所不同。当出口侧分配比例为100%时，工作辊表面温度最低能降到86℃，其它5种分配比例下，最低温度分别为96℃、97℃、100℃、106℃、117℃。为了控制氧化膜厚度，必须尽快使辊面温度降下来，通过加大出口侧冷却水量、减少入口侧水量来加强工作辊的冷却效果。

因此，可以考虑关闭入口水，只开出口水的方式，迅速将工作辊表面的热量散失掉，缩短辊面处于高温状态的时间，有利于维护工作辊辊面氧化膜，减少带钢表面氧化铁皮缺陷。

3.3带钢温度对辊温的影响

以F2机架工作辊为例，轧制时间为7h，连轧无间歇，轧制速度平均为2．6m/s，分别对带钢温度在900℃、1000℃和1100℃的条件下，对工作辊温度场进行模拟计算。图8为在不同带钢温度条件下，工作辊旋转一周过程中的温度变化。由图4可以看出，带钢温度在900℃时，工作辊在与带钢接触时最高温度可以上升到350℃左右，而带钢温1000℃时，最高温度可以上升到400℃左右。这是因为带钢温度越高，工作辊与带钢的温差越大，传入工作辊的热流密度越大，因此工作辊最高表面温度就越大。

图4不同带钢温度下工作辊旋转一周的温度变化

4结语

通过阶段性生产条件总结及原因分析，得到以下结论：

1)通过仿真计算和实测下机温度，验证了上工作辊的温度比下工作辊高，下工作辊的冷却效果要好于上工作辊的冷却效果。

2)出口侧水量越大，工作辊表面处于高温状态的时间就越短，表面温度下降的越快。因此，可以考虑关闭入口水，只开出口水的方式，迅速将工作辊表面的热量散失掉，缩短辊面处于高温状态的时间，有利于维护工作辊辊面氧化膜，减少带钢表面氧化铁皮缺陷。

参考文献：

[1]沈训良，毛新平．超薄规格热轧带钢生产技术［J］．中国冶金，2011，21(7):23-25．

[2]姚玉玺，文成秀，杨玉东，等．1150初轧机轧辊温度场分析和冷却效应研究［J］．重型机械，1998，3(6):16－18．

[3]廖三三．宽带钢热连轧机工作辊温度场及热凸度的研究［D］．北京:北京科技大学，2000．

[4]李俊洪．板带轧机板形计算理论及其在宽带轧制中应用研究［D］．秦皇岛:燕山大学，2003．