特大型寬厚板軋機(jī)支承輥的使用與維護(hù)

楊志洪

(中國第一重型機(jī)械股份公司鑄鍛鋼事業(yè)部，黑龍江 161042)

寬厚板軋機(jī)生產(chǎn)的鋼板尺寸厚度為(10～400)mm，寬度為(2.5～5)m，目前使用的大部分為四輥可逆式軋機(jī)結(jié)構(gòu)。支承輥是軋機(jī)上承載工作輥碾壓鋼坯的重要部件，在軋制過程中，支承輥雖然不與軋制鋼坯直接接觸，但要承受巨大的軋制力作用。另外，由于工作輥的反復(fù)啟動、旋轉(zhuǎn)、制動，也使支承輥承受周期性變化的應(yīng)力，還承受巨大的沖擊力。在軋制鋼板時(shí)，變形溫度范圍一般在1 150～1 800℃，輥面一邊承受高溫，一邊承受急冷，工作條件極其惡劣。

在寬厚板軋機(jī)大量投入生產(chǎn)使用的過程中，由于軋輥使用和維護(hù)技術(shù)落后，專業(yè)技術(shù)人員缺乏，致使特大型支承輥在使用和維護(hù)上出現(xiàn)了較多問題，嚴(yán)重影響了支承輥的使用壽命和設(shè)備的生產(chǎn)效率。

本文以某鋼鐵公司5 000 mm 軋機(jī)支承輥為例，根據(jù)支承輥的使用特點(diǎn)，針對使用過程中發(fā)現(xiàn)的問題，探討了特大型支承輥的使用和維護(hù)方法，解決了質(zhì)量問題，從而提高了特大型支承輥的使用壽命。

1 支承輥的基本情況

1.1 支承輥的基本參數(shù)

支承輥總長為11 014 mm，輥身長度5 000 mm，直徑2 000 mm，重量216 t，輥身硬度48～56HS，輥身抗拉強(qiáng)度≥1 150 MPa，屈服強(qiáng)度≥800 MPa，輥頸抗拉強(qiáng)度≥880 MPa，屈服強(qiáng)度≥500 MPa。

1.2 支承輥的工作條件

軋機(jī)形式為四輥可逆式，軋制力為(50～100)MN，彎輥力≤4 000 kN，軋制速度(0±3.01～7.30)m/s，軋制鋼坯寬度(900～4 800)mm。

1.3 支承輥的受力特點(diǎn)

在寬厚板軋制過程中，四輥軋機(jī)支承輥的輥肩部位承受的應(yīng)力很大，如圖1 所示。由于應(yīng)力疲勞造成輥面加工硬化，沿輥面母線呈馬鞍形狀分布，邊部硬化情況比中間嚴(yán)重，這就導(dǎo)致了在支承輥輥肩部位出現(xiàn)裂紋。對支承輥邊部倒角形狀采取合理的設(shè)計(jì)能解決支承輥的肩部應(yīng)力疲勞問題，延長使用壽命。

2 支承輥使用中的問題

支承輥在用于寬厚板軋機(jī)生產(chǎn)過程中，普遍存在輥肩產(chǎn)生裂紋、掉肉的現(xiàn)象，這主要是由于寬厚板軋機(jī)軋制時(shí)軋輥的受力情況導(dǎo)致的。軋制寬厚板時(shí)，鋼坯的邊部、工作輥和支承輥邊部之間的接觸區(qū)域是應(yīng)力集中的地方。隨著軋輥的每一次轉(zhuǎn)動，如果最大的殘余剪切應(yīng)力正好位于軋輥的表皮下，一旦超過材料的疲勞強(qiáng)度，裂紋就會在這個(gè)位置形成，持續(xù)的往復(fù)碾壓循環(huán)，會將裂紋向表面彌散，最終就會發(fā)生“破碎”剝落。

圖1 工作輥與支承輥的受力示意圖Figure 1 Schematic sketch of work roll and backup roll under stress

2.1 質(zhì)量問題的現(xiàn)場情況

該公司5 000 mm 寬厚板軋機(jī)隨機(jī)帶的一件卡號為0706092 的支承輥共上線使用4 次。2008年6 月28 日第一次上線在新線使用，用于精軋機(jī)下支承輥。2008 年12 月8 日放在老線精軋機(jī)使用。在新線共使用3 次，于2009 年6 月4 日下線。下線后發(fā)現(xiàn)靠傳動側(cè)(400～500)mm 位置出現(xiàn)大面積剝落現(xiàn)象，軸向長約100 mm，周向長120 mm，邊緣裂紋深度(6～20)mm，下線時(shí)支承輥直徑為1 992.25 mm。隨后對支承輥進(jìn)行了磨削，并對剝落區(qū)域進(jìn)行了局部打磨，打磨深度10 mm，但未將剝落底部的裂紋清凈。繼續(xù)上線使用一次，下線后剝落面積增大，軸向長約120 mm，周向長200 mm，裂紋深度為(6～47)mm。此次下線后剝落部位銹蝕比較嚴(yán)重，現(xiàn)場進(jìn)行了剝落面打磨，肉眼觀察裂紋的性質(zhì)為疲勞裂紋。支承輥輥面剝落形貌如圖2 所示。

2.2 質(zhì)量問題的調(diào)查結(jié)果

(1)從支承輥剝落面的形貌看，裂紋起源是發(fā)生在輥面，未發(fā)現(xiàn)肉眼可見的夾雜或裂紋源擴(kuò)展的形貌存在;

(2)從用戶使用情況看，在支承輥下線后每次的磨削量雙面均不足1 mm，上機(jī)時(shí)間至少1 個(gè)月;

(3)對第一次剝落位置附近的硬度進(jìn)行檢測，該區(qū)域硬度已高于支承輥輥面初始硬度6 HS;

圖2 支承輥輥面剝落形貌Figure 2 Peeling appearance surface of backup roll

(4)從支承輥使用后的輥形看，邊部倒角采用的是單弧面倒角形式且尺寸很小，接近于無倒角。

2.3 質(zhì)量問題的原因分析

根據(jù)支承輥上述剝落的現(xiàn)象判斷，此部位發(fā)生剝落的主要原因是對支承輥每次的磨削量不足。上機(jī)使用4 次的磨損和磨床磨削合計(jì)只有7.75 mm，每次的磨削量雙面均不足1 mm，疲勞層根本沒有磨凈，誘發(fā)了疲勞裂紋。疲勞裂紋在頻繁的交變沖擊載荷作用下誘發(fā)裂紋擴(kuò)展最終造成剝落發(fā)生，而非支承輥本身的冶金缺陷引起。

根據(jù)有限元計(jì)算法對不同倒角形式進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖3 所示。軋輥磨損后，邊部受力會急劇升高，在無倒角時(shí)表現(xiàn)最為突出，而在采用雙圓弧倒角的情況下，軋輥邊部受力上升幾乎為零。可以得出，合適的邊部倒角可以減少邊部的載荷量。

圖3 不同倒角形狀對支承輥邊部受力的影響Figure 3 Effects of various chamfer shapes on backup roll edge under stress

3 支承輥的維護(hù)與修復(fù)

3.1 支承輥的磨削制度

支承輥磨削方案的制定要考慮磨削量和輥面硬度兩個(gè)因素。因?yàn)榻饘俨牧铣霈F(xiàn)剝落的前期現(xiàn)象主要表現(xiàn)在等效應(yīng)力增加部位硬度的升高，因此對支承輥輥面硬度的檢查是預(yù)防剝落的最有效措施。具體方法如下:

(1)在支承輥的正常使用周期內(nèi)下線檢查，當(dāng)次的磨削量通常應(yīng)不小于(1.5～2)mm。如果在此磨削量范圍內(nèi)，渦流探傷仍檢測出缺陷波，則還需加大磨削量，直至缺陷波消失為止;

(2)支承輥下線正常磨削的輥面硬度應(yīng)不高于輥面原始硬度2HS，如果高于此硬度，則需加大磨削量，直至硬度在原始硬度范圍之內(nèi);

(3)支承輥正常上機(jī)使用4～5 次，在下線后應(yīng)做一次深度磨削，磨削量一般為前幾次的1.5～2 倍，約(2.5～3)mm。

3.2 支承輥倒角參數(shù)的修正

根據(jù)有限元計(jì)算法模擬的結(jié)果，修正倒角處的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖4 所示。

3.3 支承輥剝落處的修復(fù)使用

根據(jù)支承輥現(xiàn)場剝落面打磨后疲勞裂紋分布的情況制定了打磨方案，并上線進(jìn)行了使用。

(1)將剝落面可見的三處裂紋(上下兩處多而深，中間少而淺)，分別用打磨砂輪打磨干凈，再采取著色等表面探傷手段進(jìn)行檢測，檢查裂紋是否打磨干凈，直至檢測無裂紋為止;

圖4 支承輥邊部倒角參數(shù)修正前后示意圖Figure 4 Schematic sketch of chamfer parameters of backup roll edge before and after correction

(2)剝落面的裂紋隨著深度的增加，裂紋的面積會逐漸縮小，因此，打磨面積盡可能不擴(kuò)大;

(3)裂紋打磨干凈后，將打磨區(qū)域的邊緣和凹坑底部打磨圓滑，邊緣圓角不小于R15 mm，凹坑底部圓角不小于R5 mm。

4 改進(jìn)效果

針對5 000 mm 寬厚板軋機(jī)支承輥在生產(chǎn)中出現(xiàn)的問題，采取了嚴(yán)格控制磨削量和輥面硬度，設(shè)計(jì)合理的邊部倒角形狀等措施后，現(xiàn)有支承輥在軋制下機(jī)后檢查未再發(fā)現(xiàn)邊部倒角位置裂紋缺陷，硬度升高值明顯回落，實(shí)現(xiàn)了安全生產(chǎn)。同時(shí)對已出現(xiàn)問題的支承輥進(jìn)行打磨修復(fù)后，繼續(xù)投入使用，效果良好，提高了支承輥的使用壽命。