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热轧轧辊失效的原因分析及对策董军，张秀芹唐山众达机械轧辊有限公司摘要：对热轧轧辊在轧钢过程中存在的辊身剥落掉块、裂纹，辊身、辊颈断裂等几种失效方式的原因进行了分析，并提出了相应的预防措施，为分析生产实践过程中轧辊失效的原因和如何采取相应改进措施以提高轧辊使用寿命提供了依据。关键词：热轧轧辊；失效方式；剥落掉块；裂纹；断裂RollforhotmillFailureCausesAnalysisandpreventionDONGJun，ZHANGXiuQin(TangshanzhongdamechanicalrollLtd)Abstract:Thefailuretypesofrollforhotmillsuchasflaking,fracture,cracketcaredescribed.Themechanismofflakingandfractureofrollisanalyzed.Thepreventivemeasuresforrollfailureandfailurecausesarefoundinpractice,andprolongingservicelifeofroll.Keywords:rollforhotmill;failuretype;flaking;fracture;crack1前言轧机在轧制生产过程中，轧辊处于复杂的应力状态。热轧机轧辊的工作环境更为恶劣：轧辊与轧件接触加热、轧辊水冷引起的周期性热应力，轧制负荷引起的接触应力、剪切应力以及残余应力等。如轧辊的选材、设计、制作工艺等不合理，或轧制时卡钢等造成局部发热引起热冲击等，都易使轧辊失效。轧辊失效主要有辊身剥落掉块、大面裂纹，辊身、辊颈断裂等形式。任何一种失效形式不仅直接导致轧辊使用寿命缩短，而且还会给钢铁厂造成较大损失，因此有必要对轧钢过程中各种轧辊的失效形式探究其产生的原因，找出延长轧辊使用寿命的有效途径。2轧辊的失效形式2.1热轧带钢支撑辊辊面剥落、掉块现热轧精轧机架的支撑辊材质多为半钢材质，该材质有较好的耐磨性能，其基体组织为碳化物+珠光体，由于组织中碳化物较多，若轧钢过程中负荷较大或疲劳使用，易在轧辊两端产生疲劳裂纹，沿圆周方向扩展，在宽度上呈块状或大块片状剥落，剥落坑表面较平整,如图1所示。支撑辊和工作辊接触可看作两平行圆柱体的接触，在纯滚动情况下，接触处的接触应力为三向压应力，如图1所示。在离接触表面深度（Z）大约为为0.786b处(b为接触面宽度之半)剪切应力最大，随着表层摩擦力的增大而移向表层。图1滚动接触疲劳破坏应力状态疲劳裂纹并不是发生在剪应力最大处，而是更接近于表面，即在Z为0.5b的交变剪应力层处。该处剪应力平行于轧辊表面，据剪应力互等定理，与表面垂直的方向同样存在大小相等的剪应力。此力随轧辊的转动而发生大小和方向的改变，是造成接触疲劳的根源。周期交变的剪切应力是轧辊损坏最常见的致因。在交变剪切应力作用下，反复变形使材料局部弱化，达到疲劳极限时，出现裂纹。另外，轧辊铸造及热处理过程中造成的材质不均匀和微型缺陷的存在，亦有助于裂纹的产生。若表面冷硬层厚度不均，芯部强度过低，过渡区组织性能变化太大，在接触应力的作用下，疲劳裂纹就可能在硬化过渡层起源并沿表面向平行方向扩展，而形成表层压碎剥落。支撑辊剥落只是位于辊身边部两端，而非沿辊身全长，这是由支撑辊的磨损型式决定的。由于在轧钢过程中，工作辊中间磨损量大、两端磨损量小而呈U型，使得支撑辊辊身两端产生了局部的接触压力尖峰、两端交变剪应力的增大，加快了疲劳破坏。轧制过程中，辊面下有接触疲劳引起的裂纹源，由于尖端存在应力集中现象，从而自尖端与辊面垂直方向向辊面扩展，或与辊面成小角度以致呈平行的方向扩展。两者相互作用，随着裂纹扩展，最终造成剥落。支撑辊剥落主要出现在上游机架，为小块剥落，在轧辊表面产生麻坑或椭球状凹坑，分布于辊身两端。有时，在卡钢等情况下，则出现沿辊身中部轴向长达数百毫米的大块剥落。减少支撑辊剥落掉块的措施有：1、加大支撑辊与工作辊的有效接触面积，减少轧钢过程中支撑辊辊身两端的轧制负荷。2、勤更换支撑辊，减少疲劳裂纹的产生。3、支撑辊辊身两端留有大的倒角或圆角，避免由于支撑辊变形造成的辊身端部尖角接触。4、在保证支撑辊耐磨性能的情况下，尽量降低其组织中的碳化物含量，提高轧辊的韧性。图1疲劳应力造成的带钢支撑辊辊面端部剥落掉块2.2热轧带钢工作辊辊面剥落、掉块工作辊剥落、掉块同样存在裂纹产生和发展的过程，生产中出现的工作辊剥落、掉块，多数为辊面裂纹所致。图2-4列举了辊面剥落的一些实例。工作辊与支撑辊接触，同样产生接触压应力及相应的交变剪应力。由于工作辊使用时间较短即下机进行磨削，故不易产生交变剪应力疲劳裂纹。轧制中，支撑辊与工作辊接触宽度不到20mm，工作辊表面周期性的加热和冷却导致了变化的温度场，从而产生显著的周期应力。辊面表层受热疲劳应力的作用，当热应力超过材料的疲劳极限时，轧辊表面便产生细小的网状热裂纹，即通称的龟裂。轧制中发生卡钢等事故或轧制中局部过载和升温，又由于随后的快速冷却而产生热应力和组织应力，使过热区产生于次表层的裂纹沿径向扩展进入硬化层并多方向分枝扩展，该裂纹在逆向轧制条件下即造成剥落。轧件的冷头、冷尾及冷边引起的显著温差，同样产生热应力。当轧辊应力值超过材料强度极限时产生热冲击裂纹。在轧制过程中，带钢出现甩尾、叠轧时，轧件划伤轧辊，亦可形成新的裂纹源。另外，更换下来的轧辊，尤其上游机架轧辊，多数辊面上存在裂纹，应在轧辊磨削时全部消除。如轧辊磨削量不够，裂纹残留下来，在下一次使用时这些裂纹将成为疲劳核心。轧辊表面的龟裂等表层裂纹，在工作应力、残余应力和冷却引起的氧化等作用下，裂纹尖端的应力急剧增加并超过材料的允许应力而朝轧辊内部扩展。当裂纹发展成与辊面成一定的角度甚至向与辊面平行的方向扩展，则最终造成剥落。如果轧辊结合层有熔合不良、夹渣、“黑线”（一层很薄的石墨层）缺陷，在轧钢过程中其会成为疲劳裂纹源并向辊面扩展，也易造成工作层从结合层剥落。减少带钢工作辊辊身剥落掉块的措施有：1、工作辊一次使用时间不要太长，若使用时间较长，辊面磨损严重，甚至辊面产生凹槽，这样会增加辊身两端的接触应力。2、轧辊再修磨时要用探伤仪检测辊面，辊面受损部位一定要清除，避免其成为下一轮轧制的裂纹源。3、提高轧辊工作层的耐热裂性能和强度。4、增加冷却水量，减少热裂纹的产生。5、轧辊制造厂家通过探伤检测轧辊的结合层缺陷。图2由皮下疲劳裂纹扩展造成的辊面剥落图3由轧钢事故造成的剥落，剥落起源于辊身中间图4结合层脆弱引起的辊面剥落2.3热轧型、棒材轧辊辊肩的剥落、掉块辊肩损坏的形式多为辊肩从槽底剥落或辊肩表面破裂，如图5-6。辊肩从槽底剥落是因为孔型被过分充满或孔型内有尖角产生应力集中轧制力超出材料允许应力造成的，辊肩宽度过小、轧材温度低也是造成辊肩剥落的原因。辊肩从表面破裂是因为冷却水不足产生的热裂纹造成的，在轧钢过程中，所有孔型而不仅是正在轧制的孔型有充足的冷却水是非常有益的。减少辊肩损坏的措施有：1、根据轧制情况逐渐改进孔型设计，减小易产生掉肩孔型的轧制力。2、增加冷却水量，防止裂纹产生和孔型的早期磨损。3、提高轧辊工作层强度以提高其抗剥落能力。图5辊肩剥落图6冷却水缺乏导致的辊肩裂纹2.4轧辊断裂轧辊在工作过程中还常常发生突然断辊事故，其断裂部位主要为带钢工作辊的辊身、型棒材工作辊孔型处、辊颈处、辊身与辊颈交界处，如图7-9。因轧制钢种、品种与生产工艺条件差异，各断裂部位所占比例不同。断辊可以是一次性的瞬断，也可以是由于疲劳裂纹发展而致。根据柯垂尔脆断条件：(τＤ/2+Ｋ)Ｋ≥4Ｇγ时，才发生脆断。其中τ——应力；Ｄ——晶粒直径；Ｋ——系数；Ｇ——材料的弹性模量；γ——有效表面能。也就是说，当τ和Ｄ较大时，易发生脆性断裂，脆性断裂的断面总体平齐。对高铬复合铸铁轧辊，如果轧辊热处理回火不充分,外层组织中会含有大量马氏体、残余奥氏体,导致轧辊铸态应力较高，亦即τ值增大；τ与Ｄ的增大,是轧辊断裂的内因。轧制机械应力、热应力的叠加是造成轧辊断裂的外因。脆性断裂总是以轧辊内部存在的裂纹作为裂纹源。如果轧辊内部存在大量裂纹，在轧制过程中，裂纹尖端产生应力集中而快速扩展连接，形成一个较大的裂纹，这种裂纹在交变应力作用下，由内向外逐渐扩大，当裂纹大到一定程度时就发生疲劳断裂。轧辊组织缺陷也会导致轧辊断裂，轧辊芯部组织不正常（球化率低，渗碳体数量过高等）导致机械性能显著下降。这种轧辊使用时，由于芯部强度较低，在热应力的作用下，较薄弱处先被拉裂，然后裂纹迅速扩展，也会导致轧辊断裂。轧辊铸造缺陷是轧辊辊颈断裂的另一个原因。如果辊颈截面存在铸造缺陷组织：较多大面积粗条状、网状渗碳体，芯部存在疏松孔洞区等，都会使材料内应力增大，力学性能下降。因此在辊身发生碰撞时，在外加震动应力与内应力的交互作用下，以脆性相和一些缺陷为核心，萌生出裂纹。由于材料较脆，裂纹便立即扩展产生瞬间断裂。轴承缺少润滑，使辊颈温度上升，从而在轴承附近的辊颈上产生深度裂纹也是辊颈断裂的一个较普遍原因。若轧材温度不均匀，冷却水不足，在热应力作用下极易在辊身或孔型中间产生热裂纹，在冲击力和弯曲应力的作用下辊身易从裂纹处断裂。辊身工作层过厚、芯部出现穿晶组织也是辊身断裂的原因。除上述原因外，造成轧辊断裂的因素还有很多：简单的机械性过载；设计和加工不当，对于截面尺寸发生变化的部位，未设计足够的圆角或精密加工，致使应力集中；辊面和辊颈硬度相差过大；辊颈的直径过小，强度不够等都有可能导致轧辊断裂。图7因轧制冲击力造成的辊颈断裂，断口呈梨形图8芯部穿晶组织导致的辊身断裂图9槽底裂纹导致的辊身断裂2.5缠辊热轧生产中，由于钢料加热温度不均，阴阳面温差大，卫板安装不稳，造成缠辊。经常出现在轧制矿用支撑钢、矿用工字钢及轻轨的过程中。有些缠辊经轧辊车削车间处理后可以使用，但修复量大，会严重减少轧辊的轧制量。缠辊严重时报废，还可能影响到另外一(两)支轧辊，造成整套轧辊的报废。因此，在孔型设计时，应着重考虑压力的配置，使钢料从孔型中平直出口；牢固安装卫板；保证钢料加热温度均匀，以防止缠辊现象发生。3结语轧辊的损坏是由多种因素相互影响和相互作用的结果，其损坏形式也多种多样。但只要通过现场分析，了解轧辊损坏的原因，针对具体的轧机系统、损坏形式采取相应措施，轧辊失效可以得到有效控制，可以最大限度降低辊耗，从而提高轧辊的使用寿命，同时减少轧钢事故，提高轧钢生产效率。作者简介董军，男，汉族，1975年生，河北省唐山市丰南区人，本科学历，助理工程师张秀芹，女，汉族，1971年生，河北省唐山市丰南区人，大专学历，助理工程师