板形是衡量带钢质量的一项重要指标,轧辊磨损和热变形是影响带钢板形的重要因素。本文以与宝钢科研合作项目“1780热连轧轧辊的磨损模型研究”为背景,通过对轧辊材质特性、热处理工艺及组织性能分析、轧辊热疲劳的组织性能及失效机制研究,轧辊磨损生产现场实测、分析与模型优化,以及轧辊温度场与热变形的有限元数值模拟及分析计算等,系统地进行了热连轧机轧辊磨损与热变形的研究。(1)研究不锈钢热连轧轧辊材料的性能,详细研究高铬铸钢轧辊的铸态组织、成分分布,用Thermo-Calc(TCW2)软件计算高铬铸钢的平衡及非平衡凝固过程相图,分析高铬铸钢离心铸造条件下的凝固过程;总结铸态组织在热处理过程中的变化规律,为改进轧辊的化学成分设计,控制轧辊铸造组织,优化轧辊热处理工艺提供参考数据。(2)通过SEM、EDS、XRD分析及硬度测试,研究高铬铸钢轧辊热处理奥氏体化温度和保温时间对轧辊组织、成分和硬度的影响规律,结果表明:1030℃奥氏体化保温1.5 h空冷淬火,回火温度520℃、回火时间10～30 min试样的一次、二次回火处理组织均匀、硬化效果好,硬度达到了峰值740～760 HV。(3)研究高铬铸钢轧辊热疲劳过程的组织、性能和裂纹演变规律。通过约束热疲劳实验,归纳总结热疲劳循环温度、循环次数与裂纹扩展的变化规律。利用SEM、EDS等方法分析晶粒组织、成分偏析对热疲劳裂纹扩展的影响。结果表明:高铬铸钢轧辊的表面状态影响热疲劳裂纹萌生、扩展路径和方式;热循环上限温度及升温速度对裂纹扩展速率的影响较大;材料性能、组织变化等对高铬铸钢的热疲劳性能有明显影响。(4)利用SEM、EDS及硬度测试观察和分析高速钢轧辊剥落试样表面裂纹、内部裂纹和断口形貌,研究高速钢轧辊疲劳过程中碳化物种类及形态、微观组织分布、试样断口及裂纹扩展形貌。分析影响疲劳裂纹形成、扩展因素,以及硬度和耐磨性变化的影响因素。结果表明:高速钢轧辊表面产生热疲劳裂纹的主要原因是轧辊受到剧烈冷热温度交替变化,在辊表面产生严重热应变,产生热疲劳裂纹,扩展后造成剥落。裂纹萌生、扩展路径和方式与热疲劳及接触疲劳应力有关,减少轧辊中夹杂物含量、细化夹杂物状态、优化轧辊组织中碳化物形态和分布,可减轻热疲劳裂纹的萌生和扩展。(5)基于MSC.Superform大型有限元分析软件,建立热轧过程中轧辊的温度场有限元分析模型,对热轧过程轧辊温度场及热变形进行数值模拟和计算分析,并与现场的热凸度实测值进行对比分析,对热变形模型相关修正系数进行优化和调整,使热凸度预报值与实测值相差趋于最小,提高了轧辊热凸度预报精度,为改进板形设定精度、提高不锈钢板形质量和生产稳定性奠定基础,并为热磨损的研究提供基础数据。(6)建立分区处理的轧辊磨损模型,对F1～F7机架两个轧制计划的辊型磨损曲线进行计算,分析影响热连轧轧辊磨损模型的主要因素。以宝钢1780热连轧生产线精轧机组为例,对轧辊进行现场数据采集,实测轧辊的磨损辊型曲线,在对比计算预报值与实测数据基础上优化和调整模型参数。运用iSIGHT优化软件,减小模型计算值的偏差,当轧制力影响指数α取值1.02、常数项bw取值2.58x10-6时,磨损计算值辊型曲线与实测值辊型曲线吻合度较好,误差较小,提高了轧辊磨损预报的精度。(7)轧辊磨损造成的辊缝轮廓变化和辊面质量恶化,是影响带钢板形和表面质量的直接原因,可以通过合理制定轧制计划转移轧辊磨损;利用CVC技术、PC技术等使轧辊磨损趋于均匀;通过润滑和轧辊充分水冷却减少磨损等来改善轧件的板形控制。同时,氧化膜的稳定性对降低轧辊与板带钢之间的摩擦系数、提高耐磨性、提高板带钢的尺寸精度和表面质量有着非常重要的作用。通过优化轧制温度,机架之间冷却和轧辊冷却,使带钢表面温度得到有效控制,可解决轧辊氧化膜脱落问题。