鋁板帶熱軋支承輥常見(jiàn)失效案例

李俊豐

(煙臺(tái)南山輕合金有限公司，山東龍口265718)

支承輥是熱軋生產(chǎn)線上最昂貴的消耗部件之一，也是決定軋機(jī)效率和軋材質(zhì)量的重要消耗部件。因此必須對(duì)支承輥進(jìn)行很好的保養(yǎng)和維護(hù)，防止其過(guò)早失效或出現(xiàn)嚴(yán)重失效。本文就鋁板帶熱軋支承輥在使用過(guò)程中的常見(jiàn)失效案例進(jìn)行分析總結(jié)。

1 輥印

1.1 特征

軋輥輥印以隨機(jī)局部壓痕為特征，一般為“環(huán)形”，最大直徑約為15～30mm，深度為0.05～0.1mm(圖1)。

圖1 支承輥輥印Fig.1 Backup roll mark

1.2 機(jī)理

軋輥輥印是由于碎屑進(jìn)入軋輥咬入?yún)^(qū)或工作輥與支承輥接觸區(qū)而生成，其中更多的是在軋輥咬入?yún)^(qū)產(chǎn)生。當(dāng)碎屑?xì)埩襞c軋輥接觸，應(yīng)力超過(guò)700MPa，則易造成工作輥壓痕，或工作輥和支承輥都有壓痕。潛在的碎屑源包括金屬屑、焊接飛濺、氧化鐵皮以及不佳的帶材面質(zhì)量。隨著軋機(jī)不斷運(yùn)行，軋輥輥印可引發(fā)表面裂痕，并向徑向和圓周彌散，直至剝落發(fā)生。

1.3 預(yù)防措施

(1)發(fā)現(xiàn)并消除軋輥碎屑源;

(2)增加工作輥硬度/硬度深度;

(3)增加工作輥和支承輥間的硬度差。

2 邊部崩碎性剝落

2.1 特征

剝落坑內(nèi)表面不平整，通常，有一個(gè)山丘和深谷的外貌，山丘一般高度為3～6mm，表面磨得較光滑。由于一連串的剝落相互連接，崩碎性剝落的形貌比線性剝落的形貌粗糙，如圖2所示。小的縱向裂紋通常會(huì)出現(xiàn)在剝落坑邊緣的軋輥表面上。當(dāng)軋輥輥身硬度比提供的原始硬度增加約5～8HSD時(shí)，會(huì)出現(xiàn)這樣的剝落。測(cè)量軋輥表面硬度是最簡(jiǎn)單的方法，更好的方法是使用渦流或超聲波檢測(cè)軋輥表面。

圖2 邊部崩碎性剝落Fig.2 Edge spalling

2.2 機(jī)理

由于接觸應(yīng)力受到軋輥對(duì)中、帶材寬度、工作輥凸度、停止速度和分離力的影響，并與軋機(jī)負(fù)載參數(shù)結(jié)合起來(lái)降低支承輥表層的機(jī)械性能。圖3顯示軋輥間接觸壓力分布，圖中被實(shí)線隔開(kāi)的下部分(a)表示最高接觸壓力作用在軋輥中心的范圍，實(shí)線上部分(b)表示作用在軋輥端部的范圍。顯然，接觸壓力在熱軋機(jī)的軋輥端部較高。此外，影響接觸壓力分布的最大因素還有工作輥的磨損。有時(shí)熱軋過(guò)程中，軋制區(qū)之外的接觸壓力是軋制區(qū)內(nèi)的高兩倍還多。

圖3 軋輥間接觸壓力分布Fig.3 Pressure distribution between rollers in contact

2.3 預(yù)防

為了確保軋輥性能，每次均須對(duì)支承輥進(jìn)行足夠的磨削，以恢復(fù)軋輥表面一個(gè)全新的軋制條件。實(shí)踐中，軋輥車間磨削程序是基于對(duì)某一特定軋機(jī)上的軋制壓力和循環(huán)轉(zhuǎn)數(shù)的評(píng)估。重點(diǎn)是支承輥的磨削量必須足夠，以減少剛好在臨界值以下的損傷。支承輥磨削量的控制很重要，軋輥在長(zhǎng)期高負(fù)荷和交變軋制應(yīng)力作用下一方面會(huì)產(chǎn)生疲勞層，如果疲勞層磨削去除不完全再次使用時(shí)，則可能導(dǎo)致支承輥出現(xiàn)剝皮脫落現(xiàn)象。對(duì)于帶材熱軋機(jī)，除了壓力集中穿透比較深的地方，一般磨床磨削1～2mm即足夠去掉輥身上的冷加工損傷。

3 高次數(shù)循環(huán)“破碎”接觸疲勞的剝落

3.1 特征

支承輥高周期接觸應(yīng)力疲勞剝落相當(dāng)普遍，可在軋輥輥身的任何部位發(fā)生，且經(jīng)常帶有一個(gè)“破碎”剝落外觀。由于支承輥的硬度低，“破碎”剝落通常較大，且與工作輥高周期接觸疲勞剝落相比，其外觀通常更嚴(yán)重。表皮下接觸應(yīng)力疲勞裂紋在露出至表面前，可以無(wú)征兆的發(fā)展至剝落。剝落前探測(cè)表皮下接觸應(yīng)力疲勞裂紋的唯一方法，是通過(guò)采用雙探頭(“調(diào)節(jié)/捕捉”)變送器直束超聲波檢驗(yàn)。特殊情況下，在高次數(shù)循環(huán)接觸應(yīng)力疲勞區(qū)域可以看到疲勞“破損”軌跡?！翱住钡牡撞渴橇鸭y源的起點(diǎn)，位于軋輥表皮下，然后彌散至軋輥表面(圖4、圖5、圖6))。

圖4 支承輥高次數(shù)循環(huán)“破碎”接觸疲勞的剝落Fig.4Photograph of backup roll showing high-cycle“crushed”contact fatigue spalling

圖5 高次數(shù)循環(huán)接觸疲勞“破碎”剝落(圖4)放大圖Fig.5 High-cycle“crushed”contact fatigue spalling(a larger version of Fig.4)

圖6 高次數(shù)循環(huán)接觸疲勞剝落(支承輥輥身中心位置)放大圖Fig.6Detail view of high-cycle contact fatigue spalling(at the center of backup roll body)

圖6中箭頭所指的是高次數(shù)循環(huán)接觸疲勞“破碎”剝落的區(qū)域，顯示疲勞軌跡是從表皮下的裂紋引發(fā)的。

3.2 機(jī)理

支承輥高次數(shù)循環(huán)接觸應(yīng)力疲勞的機(jī)理，與接觸應(yīng)力疲勞一樣，無(wú)論最大瞬時(shí)剪切應(yīng)力在軋輥表皮下任何部位發(fā)生，當(dāng)其超過(guò)材料的抗壓應(yīng)力時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生剝落。支承輥高次數(shù)循環(huán)接觸應(yīng)力疲勞最易出現(xiàn)在輥身中心凸出部位、輥身邊部和支承輥與工作輥邊部間的接觸點(diǎn)。這些區(qū)域?qū)儆谲堉破陂g的應(yīng)力集中點(diǎn)，且表皮下的最大瞬時(shí)剪切應(yīng)力顯著增加。

3.3 預(yù)防措施

(1)研磨完成后，在每個(gè)軋輥上用雙探頭超聲波檢查技術(shù)(“調(diào)節(jié)/捕捉”)和表面波傳送器進(jìn)行檢驗(yàn)，以確保返回軋機(jī)上服務(wù)的每個(gè)軋輥均無(wú)表面和表皮下裂紋;

(2)研磨過(guò)程中，軋輥?zhàn)銐虻哪ハ骷瓤梢员ＷC磨掉在表面形成的任何裂紋，也可以重新將表皮下的裂紋定位在遠(yuǎn)離最大合力剪切應(yīng)力的區(qū)域內(nèi)，重新定位裂紋可防止其擴(kuò)散;

(3)縮短換輥周期時(shí)間，減少軋輥承受應(yīng)力的周期數(shù)。超過(guò)軋輥抗壓強(qiáng)度的重復(fù)使用會(huì)導(dǎo)致表皮下的裂紋擴(kuò)散;

(4)減少軋制力可降低最大剪切應(yīng)力的產(chǎn)生;

(5)增加支承輥的硬度，以提高軋輥抗疲勞強(qiáng)度;

(6)如果接觸應(yīng)力疲勞剝落發(fā)生在軋輥壽命晚期，可通過(guò)適當(dāng)?shù)剡x擇軋輥材質(zhì)和熱處理工藝，增加淬硬層深度，在小直徑軋輥上增加抗疲勞強(qiáng)度;

(7)合理設(shè)計(jì)支承輥輥身邊部的導(dǎo)角或“放松”斜度的設(shè)計(jì)，以減少工作輥和支承輥輥身邊部間接觸點(diǎn)處應(yīng)力的集中，這種設(shè)計(jì)也可減少在支承輥輥身邊部的應(yīng)力集中;

(8)減少輥身凸度量，以便減少輥身中心處的最大瞬時(shí)剪切應(yīng)力。

4 滑痕

4.1 特征

滑痕是工作輥和支承輥間的相對(duì)滑動(dòng)。由于多數(shù)工作輥輥身比支承輥輥身長(zhǎng)，損傷通常擴(kuò)展到整個(gè)支承輥輥面或最后在支承輥上有所減輕。如果工作輥嚴(yán)重磨損成一個(gè)凹坑，損傷將會(huì)在支承輥輥端結(jié)束。兩種情況下會(huì)出現(xiàn)損傷，當(dāng)打滑產(chǎn)生高溫或由于改變?cè)冀Y(jié)構(gòu)導(dǎo)致微結(jié)構(gòu)損壞時(shí)就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重裂紋。較大的摩擦滑動(dòng)，稱為打滑，先由摩擦熱損壞軋輥微結(jié)構(gòu)，然后在局部弱化區(qū)域引發(fā)疲勞失效和剝落。

4.2 機(jī)理

嚴(yán)重裂紋源于熱沖擊，因?yàn)槔鋮s期間局部熱膨脹轉(zhuǎn)變成高拉伸應(yīng)力，導(dǎo)致塑性應(yīng)變，發(fā)生裂紋。微結(jié)構(gòu)損壞是通過(guò)支承輥材料熱摩擦?xí)r重新奧氏體化實(shí)現(xiàn)的，隨后用乳液進(jìn)行快速冷卻，以將該區(qū)域轉(zhuǎn)換成為充分回火和應(yīng)力釋放的馬氏體或貝氏體。即使打滑時(shí)沒(méi)有出現(xiàn)裂紋，如果繼續(xù)使用，軋輥將會(huì)增加更多的應(yīng)力，引發(fā)裂紋和潛在疲勞剝落。

4.3 預(yù)防

(1)合理控制軋制乳液濃度盡量避免出現(xiàn)工作輥打滑現(xiàn)象;

(2)控制軋機(jī)系統(tǒng)油品泄漏，一旦出現(xiàn)大量泄漏必須停機(jī)清理乳液，防止過(guò)度潤(rùn)滑;

(3)控制軋制壓下量，避免咬入失敗出現(xiàn)打滑現(xiàn)象;

(4)打滑后可見(jiàn)的損傷可通過(guò)磨削加工來(lái)消除，但是可見(jiàn)損傷消除后必須進(jìn)行渦流檢測(cè)。軋輥表面無(wú)損檢測(cè)(NDE)可以檢測(cè)到劃傷和加工硬化區(qū)域，可進(jìn)行補(bǔ)充機(jī)加工防止軋輥在以后的使用中出現(xiàn)嚴(yán)重失效。

5 肩部剝落

5.1 特征

支承輥端部剝落，剝落內(nèi)表面顯示有疲勞痕跡，通常，可見(jiàn)管狀裂紋或擴(kuò)展通道。圖7顯示的是接觸壓力造成的表面裂紋，具有典型疲勞擴(kuò)展的肩部剝落，俗稱“掉肩”。圖8顯示的是肩部剝落變化，輥身的一小部分區(qū)域是分離的，分離只發(fā)生在靠近邊部的區(qū)域。

5.2 機(jī)理

此種剝落通常認(rèn)為是支承輥輥端應(yīng)力過(guò)高導(dǎo)致的，可能是由于擠壓、碰撞、滑痕、震顫、碎裂、倒角不足或軋輥磨損產(chǎn)生裂紋而引起的剝落。多數(shù)肩部剝落與工作輥磨損有關(guān)，小塊邊部剝落則與倒角不夠有關(guān)?；瑒?dòng)機(jī)理和可變的線接觸壓力都有助于控制支承輥表面碎片磨損。熱軋機(jī)中，來(lái)自工作輥的氧化物碎片侵蝕支承輥材料，導(dǎo)致形成凹面中心。然后，不均勻的軋輥接觸力對(duì)支承輥輥身的極端承重點(diǎn)進(jìn)行選擇性冷加工。與工作輥相關(guān)的支承輥硬度是影響磨損率的主要因素。影響鋼輥耐磨性的材料特征導(dǎo)致細(xì)分散碳化物存在于硬化微結(jié)構(gòu)中。溶解在基體中的合金阻止軋輥表面氧化磨損機(jī)制。鋼輥微結(jié)構(gòu)中大量的碳化物比周圍的基體更能很好的抵抗滑動(dòng)磨損。

圖7 碎片剝離和軋輥表面上可見(jiàn)的疲勞擴(kuò)展Fig.7 Spalling and visible fatigue crack extension on the roll surface

圖8 邊部剝落Fig.8 Edge flaking

5.3 預(yù)防

經(jīng)常更換工作輥以保證軋機(jī)有一個(gè)良好的輥型。磨損的工作輥和窄帶材生產(chǎn)會(huì)加重支承輥輥端的應(yīng)力。長(zhǎng)期軋制后不均勻的輥接觸壓力引發(fā)疲勞失效。

6 總結(jié)

通過(guò)對(duì)鋁板帶熱軋機(jī)支承輥使用中的一些常見(jiàn)失效案例進(jìn)行分析，熱軋支承輥失效與制造材質(zhì)、工藝處理、工作環(huán)境、維護(hù)管理等多方面因素有關(guān)。因此，要確保支承輥穩(wěn)定使用需嚴(yán)格進(jìn)行入廠檢驗(yàn)、注意日常儲(chǔ)存、正確磨削、合理使用，定期做好硬度、探傷檢測(cè)以及軋輥檔案等軋輥管理工作。只有通過(guò)日常嚴(yán)格的軋輥管理才能減少軋輥失效事故，降低生產(chǎn)成本，保證軋機(jī)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

［1］鄒家祥.軋鋼技術(shù)［M］.冶金工業(yè)出版社，2005.

［2］Aluminium Hot Rolling Tandem Mill Equipment operation and maintenance manual.

［3］黃志堅(jiān).軋機(jī)軋輥與軸承使用維護(hù)技術(shù)［M］.冶金工業(yè)出版社，2007.