李长生通过博士学位论文答辩

     2001年8月30日，答辩委员会一致同意通过李长生博士学位论文答辩。答辩委员会主席为胡壮麒院士，其他成员为：王茂才教授、郝士明教授、温景林教授和吴迪教授。
    论文的评审工作是由胡壮麒院士、王茂才教授、杨院生教授、郝士明教授、温景林教授和才庆魁教授进行的。
    评审意见认为，李长生轧辊表面使用特性研究为题开展研究，选题具有重要的实用价值和学术意义。论文从实验方法到理论分析有多处创新，研究成果具有重要理论意义和实用价值。作者学风正派，理论基础深厚，专业知识宽广，独立从事科研能力强。论文条理清晰，层次分明，图表规范，数据可靠。论文工作取得了如下具有创新性的研究成果。
    1 自行开发研制了模拟轧制状态的DTW-166热磨损实验机，为研究轧制过程中轧辊的摩擦磨损规律提供了可靠的实验手段。利用所开发的DTW-166热磨损实验机系统地研究了轧辊材料高铬铸铁、高速钢以及耐磨材料Cr12MoVCo和12Mn2SiCr的磨损率与工艺参数之间的关系。
    2 利用SEM观察了高铬铸铁、高速钢轧辊的表面磨损形貌，研究了轧辊表面氧化膜生成机制，提出了描述轧辊氧化膜脱落的裂纹相遇假说，并进一步利用此假说阐述了氧化膜脱落机制。利用金属的高温氧化理论建立了轧辊氧化膜厚度数学模型。
    3 采用有限元方法对轧辊的温度场、辊间接触压力和热应力进行了数值模拟，得到了接触应力和热应力的分布规律，并以此为依据，首次采用有限元方法对氧化膜疲劳破坏进行了数值解析。得到了疲劳裂纹扩展与热应力、接触应力的关系，支持了氧化膜脱落与裂纹相遇假说。
    4 根据宝钢生产实际，研究了氧化铁皮细孔缺陷形成机制，提出了控制氧化铁皮细孔的方法，为解决困扰现场数年之久的轧辊表面脱落问题提供了理论支持。研究成果已用于生产实际，取得了明显效果。李长生在攻读博士学位期间在国内外重要杂志上以第一作者身份发表了9篇论文，其中SCI检索1篇，EI检索2篇。获奖两项，其中省部级二等奖一项，国家级二等奖一项。指导研究生三名，其中已经毕业一名。
以下是论文简介：
题目：热带轧机轧辊表面使用特性研究
摘要：
    热带轧机精轧机组工作辊表面磨损和氧化膜对于带钢的表面质量有重要的影响。轧辊表面磨损以及氧化膜的产生和脱落为困扰热轧带钢生产的一项难题。本文采用实验研究与理论分析相结合的方法，对热带轧机精轧机组工作辊表面磨损和氧化膜进行的探索性研究取得了如下研究成果。
    首次开发研制了能够模拟轧制状态下轧件与轧辊热磨损关系的DTW-166热磨损实验机。该实验机的主要部件是上下二个圆盘，采用高频感应加热上部圆盘用于模拟热轧轧件，下部圆盘用于模拟轧辊。圆盘之间的载荷是由可控制恒定施力装置施加的。该实验机能够方便地进行不同材料在不同的载荷、滑动率和转数下的热磨损实验，实验后的试样表面可以进行磨损形貌观察。该实验机的建立对于进一步研究轧制过程中的轧件与轧辊的摩擦磨损规律提供了实验手段。
    利用自行开发研制的DTW-166热磨损实验机系统地研究了高铬铸铁轧辊、高速钢轧辊以及耐磨材料Cr12MoVCo和12Mn2SiCr的磨损率与工艺参数之间的关系。磨损初期由于氧化膜的生成减小了磨损量，因此磨损率变化不大。在相同载荷相同滑动率下，磨损率随着滑动率和载荷的增加而增大。按照实验中得到的磨损量实验数据回归得出了轧辊磨损计算数学模型。
    采用SEM观察了高铬铸铁和高速钢轧辊磨损后的表面形貌，探讨了各个阶段的磨损机制。低载荷时，由于氧化膜的存在使得轧辊表面会有效减少对磨金属之间的直接接触，从而表现为轻微磨损，磨损机制包括粘结、犁沟、微切削磨损和磨粒磨损机制。高载荷时发现了新的实验现象，产生菊花状磨损表面和山脉状磨损表面，磨损机制可能完全不同于低载荷时的磨损机制。
    采用扫描电镜、AHM-2-HL光学显微镜以及Oxford ISIS EDAX能谱仪等研究了高铬铸铁轧辊表面氧化膜的生成机制。氧化膜的主要成份是Fe3O4，它是在高温、高应力、大气、水蒸气等混合条件中轧辊表面自身氧化而形成。
    在实验观察基础上，提出了描述轧辊氧化膜脱落的裂纹相遇假说，并利用裂纹相遇假说阐述了氧化膜脱落机制。由于热应力作用产生垂直于轧辊表面的疲劳裂纹，由于接触应力作用产生氧化膜与轧辊基体结合面方向上的疲劳裂纹，随着轧制过程的进行，这些裂纹会进一步扩展，如果裂纹相遇则使轧辊表面氧化膜脱落。
    首次采用有限元方法解析了轧辊表面氧化膜的疲劳破坏问题。随着循环载荷次数的增加，氧化膜在原有微裂纹处沿X方向由于热应力的驱动作用产生的疲劳应力增大导致沿Y方向产生疲劳裂纹的增长。在氧化膜与轧辊基体的结合面上，剪切应力作为驱动力，如果其作用大于氧化膜与基体间的结合力则发生沿X方向裂纹。由于X方向的裂纹和Y方向的裂纹的不断扩展，使得裂纹相遇而导致了轧辊表面氧化膜的脱落。采用有限元方法分析轧辊氧化膜疲劳过程，得到的结果表明疲劳裂纹的扩展与热应力和接触应力的作用有关，为描述氧化膜脱落的裂纹相遇假说提供了理论支持。
    采用有限元方法，按照带钢轧制中轧辊的实际使用状态，把轧辊表面分成与带钢接触的强对流区域、带钢出口和入口附近的辐射区域、轧辊表面水冷和空冷的对流等10个区域，分别按照各自的边界条件进行处理，对轧制过过程的温度场进行解析，得到了若干块带钢的轧制以及间隙过程任意时刻任意断面的3维温度场和轧辊表面任意一点的温度变化规律。
    采用有限元方法对工作辊与支撑辊之间的接触应力场进行了有限元分析，采用间接耦合方法解析了轧辊热应力场。结果表明，接触应力呈半椭圆状的分布，沿中心线方向的表面应力最大，轧辊表面接触应力和热应力的变化对于分析在一定的作用时间内轧辊表面由于接触应力和热应力而产生的疲劳提供了理论基础。
    研究了带钢氧化铁皮细孔的产生机理。热轧带钢表面产生三次氧化铁皮，带钢表面和轧辊表面之间的相对滑动以及高压力产生轧辊的热磨损，带钢基体会被犁沟。由于轧辊表面氧化膜脱落造成的轧辊表面粗糙，累积在带钢表面的氧化铁皮会压入带钢基体之中，氧化铁皮细孔形成于带钢表面。控制氧化铁皮细孔的主要方法是保持精轧机组除鳞装置以及水冷设备处于良好的状态，控制轧辊的磨损、轧辊表面的氧化膜以及带钢的三次氧化铁皮。
    上述研究成果对进一步研究轧辊的磨损机制，分析轧辊表面在带钢轧制过程中的使用特性，提高带钢产品的表面质量，减少换辊时间，提高带钢的轧制长度等具有理论指导意义。
关键词: 热轧带钢 轧辊 磨损 氧化膜 有限元 疲劳