鍛鋼支撐輥的制造與使用特性

文/賈寶瑞，蔡鵬程·河北鋼鐵集團唐鋼熱軋部

田亞強·華北理工大學

鍛鋼支撐輥的制造與使用特性

文/賈寶瑞，蔡鵬程·河北鋼鐵集團唐鋼熱軋部

田亞強·華北理工大學

賈寶瑞，工程師，主要從事軋輥管理工作，現(xiàn)攻讀華北理工大學工程碩士。

四輥軋機中的支撐輥用于支撐直徑小的工作輥撓曲，輥身和輥頸承受較大負荷，因而對支撐輥的輥身剛度、耐磨性和接觸疲勞強度，以及輥頸的韌性和彎曲疲勞強度的要求很高。在選擇支撐輥時，需要綜合考慮支撐輥的制造工藝和使用工藝，合理利用鍛鋼支撐輥的冶金特性，做好生產(chǎn)和使用的每個環(huán)節(jié)，獲得最佳使用性能的支撐輥。

四輥軋機中的支撐輥用于支撐直徑小的工作輥撓曲，在機服役周期長、輥身長期與工作輥滾動接觸承受極大的壓力，同時輥頸長期承受交變彎曲應力，因而對支撐輥的輥身剛度、耐磨性、接觸疲勞強度，以及輥頸的韌性和彎曲疲勞強度的要求很高。目前熱帶鋼軋機的支撐輥主要有鑄鋼和鍛鋼兩種材質(zhì)，雖然鑄鋼支撐輥價格較低，但鍛鋼支撐輥的強度和延展性更高，疲勞壽命更長，成為先進軋機的主流配置。唐鋼熱軋部現(xiàn)有兩條板帶鋼生產(chǎn)線，一條是1810mm短流程超薄熱帶UTSP生產(chǎn)線，另一條1700mm傳統(tǒng)生產(chǎn)線，兩線支撐輥使用的是Cr5合金鍛鋼材質(zhì)，極少量鑄造支撐輥。

鍛造支撐輥的特性

支撐輥的使用要求是：在保持表面粗糙度和輥型的前提下，在軋制周期內(nèi)確保支撐輥的完整使用，實現(xiàn)軋材質(zhì)量和產(chǎn)量的最大化。支撐輥要求具有良好的強韌性，較高的硬度和耐磨性，高的抗接觸疲勞和抗剝落性，足夠的硬化層和過渡層深度，以及良好的冶金質(zhì)量，所以必須綜合考慮硬度和韌性平衡性。

影響支撐輥使用效果的因素包括軋機類型、工藝方法、使用機架、使用周期、磨削工藝制度等。在選擇支撐輥時，除滿足基本的技術(shù)要求外，必須在綜合考慮軋機特性、操作條件和軋輥的磨削工藝及設(shè)備后，再確定規(guī)格、材質(zhì)、硬度等參數(shù)，這樣才能獲得符合軋機要求的、具有最佳使用性能的支撐輥。

制造工藝對支撐輥使用影響

成分、性能

鍛鋼支撐輥具有良好的機械性能，首先嚴格控制冶煉、鑄造、鍛造工藝的關(guān)鍵參數(shù)，減少凝固后聚集夾雜物、皮下氣泡等超標缺陷存在的機會。其次通過鍛錘或壓力機進行鍛造，可以有效消除鑄態(tài)組織中成分偏析和組織缺陷，同時進一步細化晶粒和增加淬透深度。Cr5鍛鋼支撐輥的化學成分和機械性能分別見表1和表2。

表1 支撐輥的化學成分

表2 支撐輥的機械性能

使用過程中為了適應軋輥的制造特性，使用方在與制造廠簽訂技術(shù)協(xié)議時，要求上冒口（澆注口）標注T，下冒口標注B，在支撐輥裝配軸承使用時，把B端裝配為驅(qū)動側(cè)，把T端裝配為非驅(qū)動側(cè)，最大限度地減少制造工藝對使用的影響，減少輥頸折斷的風險。

鍛造比

鍛造比是鍛件在鍛造時變形程度的一種表示方法，鍛造比的大小反映了鍛造對鍛件組織和力學性能的影響程度。鍛造比過小，在鑄造時產(chǎn)生的枝晶偏析很難被打碎，會產(chǎn)生帶狀粗晶和局部粗晶，以及組織不均勻的現(xiàn)象。而這種現(xiàn)象帶有一定的遺傳性和頑固性，在接下來的熱處理過程中是很難改變的；鍛造比過大，一方面會造成不必要的浪費，另一方面高溫合金的熱敏性高、塑性低、變形抗力大，會引起鍛件的裂紋，導致廢品的產(chǎn)生。支撐輥鍛造過程中的鍛造比一般在3以上，如果鍛造比不足，遺留在支撐輥內(nèi)部的縮孔、疏松以及粗晶等缺陷，極有可能會形成裂紋源導致剝落或斷輥事故發(fā)生。

熱處理

制定合理的熱處理工藝，提高輥身表面硬度的均勻性，通過殘余應力的檢測控制回火次數(shù)，避免殘余應力過大。熱處理類型通常分為預備熱處理和淬火、回火熱處理兩大類。有些鍛鋼輥只需預備熱處理就可以滿足性能要求。鍛鋼支撐輥的硬度偏低會影響耐磨性，增加支撐輥使用成本。如果硬度的不均勻性較差，輥身硬度超過3HSD甚至更大，會影響支撐輥的整體性能，造成不均勻磨損，影響板型質(zhì)量甚至出現(xiàn)惡性事故。

支撐輥強度低影響使用效果

如果鍛造支撐輥的整體強度低，會在使用后期出現(xiàn)明顯的不耐磨，硬度下降快等現(xiàn)象，嚴重時會出現(xiàn)異常失效現(xiàn)象。

2014年1810mm線有一根支撐輥在使用末期發(fā)生斷輥事故。斷口非常整齊，且端口邊緣有厚度均勻的小臺階（斷面見圖1），這是典型的強度低引起的支撐輥使用后期的惡性事故。此根支撐輥使用后期硬度低，磨削后檢測平均值67.3HSD，另外在機使用不耐磨損，使用一個周期過鋼量15萬噸左右，在機磨損量一般為0.8～1.1mm。

圖1 支撐輥斷面圖

圖1a是驅(qū)動側(cè)的斷面，圖1b是工作側(cè)斷面，且圖1a中1、2、3處位置與圖1b中的4、5、6處位置相對應，從圖中可以明顯看出在工作側(cè)和驅(qū)動側(cè)的斷口上均有一處三角形區(qū)域，形態(tài)異常，金相檢測后發(fā)現(xiàn)存在一定程度的組織偏析。斷面位置放大圖見圖2，圖2a為圖1a中2處位置的放大圖，圖2b為圖1a中3處位置的放大圖，從圖中可見斷口的組織比較粗大，圖2c為圖1b中4處位置的放大圖，此處組織和顏色均異常，且有放射狀的發(fā)散紋路，初步斷定此處為事故源點。經(jīng)過金相檢驗發(fā)現(xiàn)，此處沿晶界析出的碳化物顯示出原奧氏體晶粒粗大。

還有一種失效形式是因為支撐輥內(nèi)含有較高的氣體含量，主要是因為氣體氫的含量高造成軋輥的整體強度降低，嚴重時會形成氫質(zhì)斷裂。這種情況一般出現(xiàn)在支撐輥的制造后期和使用前期。

圖2 斷面位置放大圖

使用工藝對支撐輥的影響

支撐輥的在機磨損情況

1810mm線由2架粗軋機和5架精軋機組成，表3為1810mm線自2003年投產(chǎn)到2012年的支撐輥使用數(shù)據(jù)，可見不同機架支撐輥的在機磨損量。

通過以上數(shù)據(jù)，可以得出以下結(jié)論：后機架支撐輥的在機磨損量明顯大于前機架的磨損量，而且下輥的磨損量普遍大于上輥的磨損量。在支撐輥的使用過程中，下支撐輥的使用條件較差，盡量把硬度高的支撐輥放在下輥使用，以增加耐磨損性能和抗凹坑能力。

支撐輥磨損曲線

常見的支撐輥服役后的磨損曲線如圖3所示。圖3a是正常均勻磨損曲線，邊部磨損大。這是1810mm線粗軋R1下支撐輥，原始凸度為0。圖3b為工作側(cè)局部磨損情況，軋件易出現(xiàn)邊浪和板型缺陷。圖3c為典型的不均勻磨損情況，對板型的影響很大。圖3d為典型的偏磨損情況，俗稱“狗骨型”磨損曲線，軋件易出現(xiàn)中浪和板型缺陷。這是1810mm線精軋F1機架下支撐輥，原始凸度為0.1mm，總而言之，支撐輥磨損量越小、磨損得越均勻，越有利于提高軋件的板型精度、同時還可以提高支撐輥的使用壽命。

表3 2003～2012年的支撐輥使用數(shù)據(jù)

圖3 支撐輥服役后的磨損曲線

磨削工藝對支撐輥的影響

支撐輥的倒角工藝

支撐輥邊部在使用中存在應力集中，應采取輥身端部倒角或端部應力釋放措施，減少在軋輥兩端向內(nèi)的區(qū)域由于輥子輪廓磨損而導致的硬化層的影響。倒角類型一般有拋物線型、直線型、階梯型等幾種類型。支撐輥使用的倒角形狀不當會引起相應工作輥的邊部出現(xiàn)缺陷，嚴重時會導致工作輥邊部出現(xiàn)較小崩邊和較大的邊部剝落。所以合適的支撐輥倒角和凸度設(shè)定，可以有效地增加支撐輥的使用壽命，提高板帶質(zhì)量。

支撐輥的凸度設(shè)定

支撐輥的主要作用就是增加輥系剛度、優(yōu)化板型，所以支撐輥配合工作輥的使用，也要進行相應的凸度設(shè)定。支撐輥的凸度設(shè)定一般受到帶鋼溫度、冷卻水量、軋制的規(guī)格品種等多個因素的影響。適合板帶生產(chǎn)需要的凸度設(shè)定，也可以適當減少支撐輥的在機磨損，我部支撐輥設(shè)定在0～0.2mm的范圍內(nèi)。

磨削和探傷管理

當軋件通過軋機時，軋輥的咬入力最終傳到支撐輥上，作用于表面的力會引起變形或微觀塑變，軋輥的磨損量必然會增大。同時軋材抵抗變形導致表面硬度增加，這個過程就是通常所說的冷作硬化。延長服役期，冷作硬化程度升高，達到某種程度促使材質(zhì)超過其極限，裂紋就產(chǎn)生了。支撐輥下機后，需要磨掉輥身上所有的磨損痕跡和裂紋等肉眼可見的缺陷，應完全消除硬化層。磨削后使用渦流探傷和表面超聲波探傷儀檢測輥身表面質(zhì)量，以確保輥身不存在任何超過規(guī)定值的表面和次表面損傷。磨削后進行硬度檢測，硬度降須在3HSD以內(nèi)，如差值較大，則需要適當降低上機周期或重新磨削。

結(jié)束語

鍛鋼支撐輥的生產(chǎn)工藝和使用維護都直接影響使用效果，只有做好生產(chǎn)和使用的每個環(huán)節(jié)，制造過程中的配料、冶煉、鑄錠、鍛造、熱處理以及機加工等環(huán)節(jié)都需嚴格控制，在使用過程中要密切監(jiān)控軋輥的使用狀態(tài)，充分利用鍛鋼支撐輥的冶金特性，才能更充分地發(fā)揮支撐輥的使用性能。