支承輥邊部缺陷分析與控制技術(shù)

付志云

(武鋼股份公司設(shè)備管理部，湖北430083)

在四輥軋機(jī)軋鋼過程中，常常可以發(fā)現(xiàn)在軋輥的輥面邊部，沿著輥徑方向出現(xiàn)連續(xù)的輥面掉肉的現(xiàn)象。嚴(yán)重時(shí)，在軋輥邊部甚至出現(xiàn)大塊的剝落，導(dǎo)致軋輥失效。由于此類現(xiàn)象較為普遍，對生產(chǎn)造成的危害較大，因此成為軋輥事故研究的重點(diǎn)。本文將以支承輥為重點(diǎn)展開邊部缺陷的討論。

1 問題的提出

軋輥邊部缺陷通常造成軋鋼生產(chǎn)事故，該事故會嚴(yán)重影響軋鋼生產(chǎn)的節(jié)奏，影響鋼材產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量?，F(xiàn)場使用情況表明，軋輥邊部缺陷在冷、熱軋四輥軋機(jī)的支承輥和用于開坯軋制熱軋的工作輥中都有不同程度的表現(xiàn)，在支承輥出現(xiàn)的比例要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于工作輥。

軋輥邊部出現(xiàn)的這種現(xiàn)象也通常被形象地稱之為軋輥的“脫肩”或“掉肩”。對于小塊掉肉的邊部缺陷，通?？梢酝ㄟ^加大磨(車)削量的方式恢復(fù)軋輥的使用，但對于大塊剝落的缺陷，將直接導(dǎo)致軋輥的報(bào)廢。

2 產(chǎn)生缺陷的原因分析

2.1 軋輥制造過程中的影響因素

在支承輥制造過程中，對輥身部分進(jìn)行熱處理淬火工藝。目前通常采用的是將軋輥輥身置于差溫?zé)崽幚頎t內(nèi)加熱，再通過噴淬的方式冷卻。在爐內(nèi)，軋輥輥端與輥身中部的熱力場不同，受熱環(huán)境不同，軋輥材料組織升溫速度和保溫時(shí)間不同，在噴淬冷卻時(shí)，冷卻效果也不同，最終導(dǎo)致軋輥輥端的組織形態(tài)與輥身之間存在著一定的差異。在硬度檢測中，表現(xiàn)為軋輥的“軟帶”現(xiàn)象，“軟帶”通常定義為距輥端200 mm以內(nèi)。

2.2 軋輥使用過程中的影響因素

在軋機(jī)運(yùn)行過程中，由軋機(jī)壓下施加在支承輥輥頸部位的軋制力，通過支承輥與工作輥的輥面接觸，傳遞到與工作輥接觸的軋材上，對軋材進(jìn)行加工變形。工作輥與軋材之間通常為軋輥輥面中間部分接觸，軋輥兩端與軋材沒有接觸。在工作輥使用一段時(shí)間后，工作輥與軋材接觸的部分輥面出現(xiàn)磨損，軋輥輥身中部直徑尺寸發(fā)生變化。工作輥與支承輥要保持輥面接觸，使工作輥出現(xiàn)彎曲。

2.3 軋輥受力及應(yīng)力峰值的影響

在軋輥輥系靜態(tài)受力平衡分析中，支承輥輥頸兩端承受的軋制力與工作輥中部接觸的軋材的變形量和變形抗力之間組成了平衡力系。受力狀態(tài)要達(dá)到平衡，支承輥和工作輥將發(fā)生微觀形變，形成彎曲。軋輥輥系間彎曲繞度與工作輥磨損尺寸變化產(chǎn)生出的繞度疊加，對工作輥與支承輥接觸面之間的受力分布和強(qiáng)度產(chǎn)生了較大程度的影響，見圖1。

軋機(jī)軋制力和軋材的變形抗力對軋輥產(chǎn)生了剪應(yīng)力，沿軋輥輥身各點(diǎn)的剪應(yīng)力強(qiáng)度不同，軋輥邊部承受的應(yīng)力明顯高于輥身中部，形成應(yīng)力峰值。應(yīng)力峰值的大小與軋機(jī)施加的軋制力、軋材的寬度和厚度有著直接的關(guān)系。

存在于工作輥與支承輥之間的接觸面上的作用力，通過軋輥表面向內(nèi)傳遞。根據(jù)赫茲接觸理論，軋輥接觸面上的作用力向軋輥內(nèi)部傳遞，由于支承輥的輥面硬度通常低于工作輥，作用在軋輥接觸面上的剪切應(yīng)力可作用于軋輥內(nèi)部，在距輥面4 mm～10 mm深度的軋輥次表面，應(yīng)力達(dá)到最大值，見圖2。

軋輥內(nèi)部應(yīng)力峰值的強(qiáng)度與軋制力的大小、輥型、接觸面尺寸等因素存在著直接關(guān)系。工作輥在使用過程中磨損程度的增加，造成軋輥輥型尺寸發(fā)生變化，加大了兩端的受力強(qiáng)度。在軋輥次表面應(yīng)力峰值作用區(qū)域內(nèi)，長時(shí)間承受著應(yīng)力峰值的作用，并且隨著工作輥的磨損，應(yīng)力峰值遞增。在另一方面，軋輥輥端的材料組織本身存在著差異，抗事故性能較弱。在多種因素的共同作用下，使軋輥使用性能惡化。軋輥輥端次表面在周期性的應(yīng)力峰值作用下，內(nèi)部顯微組織缺陷增多，經(jīng)過長時(shí)間積累，內(nèi)部組織發(fā)生塑性變形，形成微裂紋源。由于微觀缺陷存在于軋輥次表面，難以發(fā)現(xiàn)和消除。一旦產(chǎn)生后，在軋輥后期的使用中，裂紋將在軋制力和轉(zhuǎn)動扭矩力的共同作用下，沿輥徑方向逐步擴(kuò)展，最終導(dǎo)致軋輥輥端的小塊掉肉或大塊剝落，造成了軋輥邊部缺陷的產(chǎn)生。

圖1 支承輥與工作輥輥間受力分布圖Figure 1 The stress distribution between the supporting roller and the work roll

圖2 軋輥內(nèi)應(yīng)力受力分布圖Figure 2 The roller internal bearing stress distribution

3 控制缺陷的措施

3.1 軋輥制造方面的措施

支承輥邊部材料組織的不均勻性是制造中客觀存在的現(xiàn)象，通過合理控制差溫爐溫度場或加工余量，在輥端尖角處采用圓弧過渡等方式，可以改善軋輥的使用性能。

另外，通過改善軋輥的材質(zhì)可以有效提高工作輥的耐磨性能，使軋輥輥面的磨損大幅度降低，使軋輥輥型保持良好的狀態(tài)，也使輥面接觸應(yīng)力得到改善。在熱連軋機(jī)組精軋前段，通過采用高速鋼軋輥替代原有的高鉻鐵軋輥，可較大程度提高軋輥的耐磨性能，使工作輥的換輥周期延長4～6倍。

在軋輥輥型設(shè)計(jì)方面，不僅要能夠生產(chǎn)出理想的鋼材產(chǎn)品，同時(shí)還要能夠有效釋放軋輥間的接觸應(yīng)力，采用良好的輥型可有效改善軋輥磨損狀況。為了保持良好的軋輥輥型，需要投入特殊的輥型加工設(shè)備以及大量的輥型維護(hù)成本，對于工業(yè)化生產(chǎn)有一定的難度。

3.2 對應(yīng)力峰值的控制措施

軋鋼過程中，輥間邊界接觸應(yīng)力的峰值是造成軋輥邊部缺陷的主要原因。峰值越高，對軋輥內(nèi)部組織的破壞性越大。有效降低軋輥間接觸應(yīng)力峰值是解決支承輥邊部缺陷問題的主要措施。通過在支承輥端部附近加工出倒角可有效降低軋輥接觸應(yīng)力的峰值。

應(yīng)力峰值倒角與常規(guī)的工藝倒角的加工目的不同。常規(guī)的工藝倒角將軋輥端部的尖角加工成弧型過渡，避免輥身端部尖角的應(yīng)力集中造成損傷；應(yīng)力峰值倒角是專門為減少軋輥邊緣的應(yīng)力峰值而設(shè)計(jì)。在使用現(xiàn)場，軋輥使用者經(jīng)常將兩者混淆，或?qū)⒐に嚨菇且暈閼?yīng)力峰值倒角，影響到對軋輥邊部缺陷的預(yù)防。

(1)應(yīng)力峰值倒角的設(shè)計(jì)

對于無特殊輥型要求的軋輥，可以采用倒角的方式降低應(yīng)力峰值。在倒角設(shè)計(jì)中，通常分為弧型倒角和斜面倒角。弧型倒角有較多的優(yōu)點(diǎn)，但在倒角的加工及后期倒角維護(hù)方面需要有設(shè)備的投入；斜面倒角的加工和維護(hù)比較簡單，適合于現(xiàn)場采用。

在倒角設(shè)計(jì)中，由于軋輥應(yīng)力峰值受到軋機(jī)軋制力的大小、軋材的寬度和厚度等方面因素的影響，因此，要參照軋輥在使用中的彎曲變形程度、軋機(jī)軋制力、板寬、板厚等方面因素進(jìn)行綜合考慮。軋輥在使用中的彎曲影響著軋輥間的接觸，以及接觸邊緣的應(yīng)力峰值。設(shè)計(jì)出不同寬度和深度的倒角對應(yīng)力峰值的控制將產(chǎn)生出不同的效果。

常規(guī)斜面倒角設(shè)計(jì)參考值通常為：斜面寬度為軋輥輥身長度的8%～10%，高度為0.5 mm。在輥身與倒角交界處，修磨成圓弧過渡。

在一般情況下，斜面倒角的寬度(或圓弧倒角的半徑)增加，邊部應(yīng)力峰值將會降低，但在軋輥輥身中部承受的應(yīng)力值將增加。當(dāng)?shù)菇菍挾燃訉挼捷伾韺挾扰c軋材寬度相當(dāng)時(shí)，其對應(yīng)力峰值產(chǎn)生的效用將會減弱。由于倒角的高度與軋機(jī)軋制力(或壓下變形量)、軋材的厚度有關(guān)，對于較厚的軋材，壓下量較大的軋機(jī)，在倒角高度設(shè)計(jì)中，應(yīng)適量增加，反之減少。此外，在倒角高度設(shè)計(jì)中，還應(yīng)考慮倒角修復(fù)周期的因素。在倒角邊緣與輥身表面交界處，應(yīng)進(jìn)行修磨，加工成圓弧過渡，否則界面間的夾角將形成新的應(yīng)力集中點(diǎn)。

(2)應(yīng)力峰值倒角的保持

軋輥在使用一段時(shí)間后，要進(jìn)行修磨，以消除軋輥輥面的疲勞層和輥面微觀缺陷。隨著軋輥輥面的周期性修磨，倒角的寬度和高度將發(fā)生改變。因此，倒角加工后，還需在后期的使用中加以保持。

應(yīng)力峰值倒角的形態(tài)保持是一項(xiàng)需要長期堅(jiān)持的工作，只有在軋輥整個(gè)使用壽命期內(nèi)保持良好的倒角形態(tài)，才能真正達(dá)到防止軋輥邊部缺陷產(chǎn)生的目的。

3.3 軋輥缺陷的檢測

軋輥的缺陷檢測是防止軋輥缺陷的擴(kuò)展，確保軋輥無缺陷上機(jī)使用的重要手段。缺陷檢測的意義與軋輥應(yīng)力峰值倒角加工不同。倒角的目的在于降低應(yīng)力峰值的產(chǎn)生，消除裂紋缺陷產(chǎn)生的條件，屬于事前控制；對軋輥的缺陷檢測是在軋輥表面、次表面或芯部已經(jīng)產(chǎn)生了表面或內(nèi)部缺陷后，了解缺陷的形態(tài)與狀況，屬于事后檢測。通過檢測，對軋輥缺陷有了初步的了解，再通過必要的加工方式消除缺陷，或防止缺陷軋輥的進(jìn)一步擴(kuò)展，確保軋鋼生產(chǎn)的安全。因此，軋輥的缺陷檢測也是確保軋輥使用安全的重要環(huán)節(jié)。在對支承輥及前機(jī)架工作輥實(shí)施的軋輥缺陷檢測中，要將對軋輥邊部表面和次表面的缺陷檢測作為檢測工作的重點(diǎn)。

4 結(jié)語

軋輥邊部缺陷是支承輥使用過程中的常見缺陷，邊部應(yīng)力峰值控制、工作輥材質(zhì)改善、加強(qiáng)軋輥缺陷檢測等控制技術(shù)是防止事故產(chǎn)生的重要手段。要保證軋輥在整個(gè)壽命期內(nèi)的安全使用，還需在軋輥的使用過程中加強(qiáng)對倒角形態(tài)的全程跟蹤，保證對軋輥缺陷的全過程檢測，才能使事故預(yù)防獲得實(shí)際的效果。

對于軋輥使用者，應(yīng)將對支承輥及部分開坯熱軋工作輥的應(yīng)力峰值控制及倒角的設(shè)計(jì)、加工與維護(hù)工作作為日常工作的一部分，使其規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化，并貫穿軋輥的整個(gè)使用過程。

對于軋輥制造者，憑借對軋輥邊部缺陷的深入研究和豐富的經(jīng)驗(yàn)，有義務(wù)對使用者傳授軋輥缺陷的預(yù)防知識和軋輥維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，使支承輥獲得最好的利用。