冷軋軋機(jī)支承輥輥面剝落原因與應(yīng)對(duì)策略

（西南鋁業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司冷軋廠，重慶 400000）

1 背景

西南鋁業(yè)集團(tuán)高精板帶事業(yè)部冷軋板帶生產(chǎn)線，有兩臺(tái)1850mm進(jìn)口冷軋高速軋機(jī)，軋制過(guò)程中支承輥除了要承受巨大的軋制力，還要承受由于高速軋制下的轉(zhuǎn)矩，AGC輥縫調(diào)節(jié)，彎輥調(diào)節(jié)，厚差波動(dòng)，斷帶擠料，輥型變化等因素均會(huì)造成支承輥輥面局部應(yīng)力集中、與工作輥不同支承輥不具備頻繁更換的條件，更換周期可長(zhǎng)達(dá)一至兩個(gè)月，易造成輥面疲勞和裂紋導(dǎo)致脫落，嚴(yán)重的情況下無(wú)法修復(fù)最終造成報(bào)廢。報(bào)廢除了增加成本，同時(shí)也會(huì)對(duì)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)造成重大影響甚至導(dǎo)致停產(chǎn)[1]。

冷軋廠一號(hào)1850mm軋機(jī)是國(guó)內(nèi)最早引進(jìn)的（四輥）不可逆軋機(jī)，德國(guó)DEMAG技術(shù)，1992年投產(chǎn)，近年來(lái)為提高軋機(jī)效率，我廠大膽嘗試了大壓下量軋制，減少軋制道次提高生產(chǎn)效率，以期達(dá)到降本增效的目的，大壓下量軋制增加了軋制力，軋制力達(dá)到1000KN以上，這給軋機(jī)輥系提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，備用的3對(duì)支承輥，其中一對(duì)由于輥面脫落面積較大已報(bào)廢，如圖1。如再報(bào)廢支承輥輥將對(duì)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)造成重大隱患。因此，探索支承輥輥身脫落的起因，并及時(shí)有效的針對(duì)性預(yù)防，對(duì)降低軋機(jī)由于輥身脫落造成的重大斷帶火災(zāi)隱患和企業(yè)順利生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)都有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

圖1 一號(hào)軋機(jī)支承輥輥面剝落及疲勞麻坑

2 四輥軋機(jī)支承輥輥面脫落的原因

2.1 冷軋軋機(jī)輥系主要受力狀態(tài)

四輥鋁帶軋機(jī)高速軋制過(guò)程中，在軋制力的作用下，軋輥和支承輥在圓柱接觸弧線上會(huì)發(fā)生擠壓變形，工作輥與支承輥主要承受由軋制力引發(fā)的法向的接觸應(yīng)力б，如圖2所示。

圖2 四輥軋機(jī)工作輥與支承輥主要接觸應(yīng)力

根據(jù)赫茲方程，最大接觸應(yīng)力бHmax=[ZE(F/bρE)]1/2

F：法向力（軋制力）；

ZE：材料彈性系數(shù)；

b：工作輥與支承輥實(shí)際接觸長(zhǎng)度；

ρE：綜合曲率半徑，ρE=ρ1ρ2/(ρ1±ρ2)

除了法向接觸應(yīng)力之外，在傳動(dòng)扭矩作用下也會(huì)在支承輥輥身形成沿徑向的剪切應(yīng)力[2]。

2.2 裂紋

軋機(jī)軋制過(guò)程中帶材厚差波動(dòng)，輥系傾斜和彎輥實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，工作輥，支承輥在磨床磨削時(shí)輥型也不一致，導(dǎo)致支承輥與工作輥在接觸弧線上的接觸應(yīng)力б沿輥身方向不可能均勻分布，且局部接觸應(yīng)力會(huì)隨著軋制狀態(tài)突然陡增或驟減，當(dāng)接觸點(diǎn)的接觸應(yīng)力б達(dá)到或超過(guò)支承輥所能承受的應(yīng)力極限時(shí)，就會(huì)在接觸點(diǎn)形成一定范圍的塑性變形，這種塑性變形不可逆，從而造成表面局部裂紋的發(fā)生。軋輥是循環(huán)軋制，輥身所承受的應(yīng)力是循環(huán)往復(fù)的，造成了裂紋的不斷延伸，最終剝落[3]。剝落的殘屑極有可能再次壓入輥系接觸面，加劇局部應(yīng)力陡增，厚差突然波動(dòng)，傾斜調(diào)整，嚴(yán)重的厚差波動(dòng)甚至造成斷帶，最終擠料造成更嚴(yán)重后果。

支承輥本身也可能存在制造缺陷，輥身內(nèi)部有隱性裂紋，軋制中發(fā)生應(yīng)力急劇變化時(shí)內(nèi)部隱性裂紋會(huì)快速發(fā)展成顯性裂紋最終導(dǎo)致脫落，這種制造缺陷將會(huì)對(duì)軋機(jī)正常軋制構(gòu)成重大的斷帶失火風(fēng)險(xiǎn)，需要重點(diǎn)防范。

2.3 疲勞

疲勞是十分常見(jiàn)的輥身破壞形式，支承輥的疲勞又不可避免。支承輥的正常使用周期長(zhǎng)達(dá)一個(gè)多月，與工作輥的接觸點(diǎn)循環(huán)往復(fù)，循環(huán)應(yīng)力的原因，輥身區(qū)域極易造成接觸疲勞，使用壽命大大縮短，支承輥還未到期更換就已經(jīng)形成了疲勞裂紋，支承輥繼續(xù)工作，疲勞裂紋會(huì)繼續(xù)擴(kuò)展，最后形成小麻坑（一般小的芝麻粒大小，大的有黃豆粒大小），這種坑狀脫落一般比較明顯，肉眼可以直觀并且有十分明顯的手感。由于形成的小麻坑是凹坑，在循環(huán)應(yīng)力作用下，每次接觸弧經(jīng)過(guò)麻坑時(shí)，在麻坑周圍會(huì)加劇應(yīng)力集中，這種應(yīng)力集中亦會(huì)加劇疲勞裂紋向輥徑向和圓周向擴(kuò)展，直至造成大面積輥面脫落，這種疲勞脫落在支承輥上十分普遍。

2.4 我廠四輥1850mm軋機(jī)支承輥剝落的主要原因

冷軋廠一號(hào)1850mm軋機(jī)支承輥設(shè)計(jì)使用材質(zhì)為Cr3鍛鋼，輥身主要尺寸?1270～1230×1850mm，輥型為凸輥（凸度為+0.1mm），工作輥也是凸輥（凸度為0.05mm）。支承輥輥身剝落位置大部分處在輥身中部向兩側(cè)逐漸減少，主要集中在輥身中部，寬度約600mm～900mm較為集中，該位置正好對(duì)應(yīng)支承輥與工作輥輥型凸度中部最高點(diǎn)，見(jiàn)圖3。

圖3 冷軋廠軋機(jī)支承輥與工作輥接觸弧線示意圖

我廠支承輥輥身剝落區(qū)域主要集中在輥身中部，主要為密集的麻點(diǎn)坑居多，多為圓形大小Φ2mm～10mm，2mm～5mm深，發(fā)生輥面脫落的位置也相對(duì)集中在中部一米范圍內(nèi)，很顯然，我廠支承輥脫落的最主要原因是由于輥身疲勞所致。

原因分析有三個(gè)：第一，為實(shí)現(xiàn)硬合金軋制，我廠支承輥輥型選用正凸度，工作輥輥型也選用是正凸度，輥身中部一米范圍內(nèi)均是應(yīng)力較集中的區(qū)域，軋制過(guò)程中，循環(huán)應(yīng)力往復(fù)作用，工作輥彎輥實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，支承輥長(zhǎng)周期使用，循環(huán)應(yīng)力往復(fù)頻次達(dá)到了支承輥的疲勞極限，形成裂紋，裂紋在循環(huán)應(yīng)力作用下不斷擴(kuò)展而最終脫落。第二，我廠1850mm軋機(jī)是全油高速軋機(jī)，最高軋制速度1000（米/分鐘），因?yàn)閬?lái)料裂邊，厚差波動(dòng)等因素極易導(dǎo)致軋機(jī)斷帶，斷帶瞬間的應(yīng)力聚變?cè)斐奢伾肀韺恿鸭y，這種裂紋不做探傷肉眼是不可能發(fā)現(xiàn)的，最終導(dǎo)致支承輥下機(jī)后上磨床正常磨削，磨削量較小不足以磨除因斷帶產(chǎn)生的隱性疲勞裂紋，下一周期上機(jī)使用時(shí)就可能發(fā)生剝落。我廠2017年報(bào)廢了一根支承輥，報(bào)廢原因即是由于斷帶導(dǎo)致的大面積輥身脫落。第三，我廠支承輥使用年限已有25年，直徑偏小，硬度偏低，疲勞極限已大大降低，在減少中間道次，增加壓下量的工藝需求下，發(fā)生疲勞麻坑的頻率變得越來(lái)越容易。2019年報(bào)廢了第二根支承輥，報(bào)廢原因即是由于輥徑偏小，硬度低，上機(jī)不足4天即出現(xiàn)帶材表面印痕，此印痕即是支承輥表面形成的疲勞麻坑印到工作輥上形成，無(wú)法正常使用而報(bào)廢。

3 應(yīng)對(duì)策略

支承輥的疲勞極限主要與工況有關(guān)，與的應(yīng)力狀態(tài)以及自身硬度有關(guān)聯(lián)，即硬度越高，疲勞極限越長(zhǎng)，越不容易造成疲勞破壞，應(yīng)力越集中，疲勞極限越短，越容易造成疲勞破壞。針對(duì)我廠軋機(jī)工況與軋制工藝特點(diǎn)，提出以下幾點(diǎn)主要應(yīng)對(duì)策略：

（1）合理的軋制道次分配，減少軋制道次的同時(shí)兼顧軋制力，優(yōu)化工藝路線，杜絕某一中間道次軋制力超高的軋制工藝路線出現(xiàn)，保證帶材性能的前提下優(yōu)化各道次厚度分配，使各軋制道次軋制力均衡。

（2）保證工藝需求的情況下降低輥系凸度，減小最大接觸應(yīng)力。目前支承輥凸度已由0.12mm降低至0.08mm，工作輥凸度0.05降低至+0.03mm。

（3）我廠軋機(jī)支承輥設(shè)計(jì)硬度75HS～80HS，已使用25年，目前在線支承輥?zhàn)钚≥亸?240mm，輥面硬度67HS～70HS，硬度偏低，因此建議按設(shè)計(jì)要求考慮采購(gòu)新支承輥。

（4）適當(dāng)調(diào)整縮短支承輥更換周期至1個(gè)月，縮短換輥周期，能夠有效減少循環(huán)應(yīng)力頻次，避免軋制過(guò)程中達(dá)到疲勞極限。

（5）軋制薄料可能出現(xiàn)負(fù)輥縫，應(yīng)力在軋輥邊部集中，應(yīng)定期對(duì)工作輥，支承輥邊部倒角進(jìn)行修繕。

（6）定期半年對(duì)支承輥進(jìn)行一次超聲探傷，及時(shí)發(fā)現(xiàn)內(nèi)部損傷，避免重大生產(chǎn)安全事故。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)我廠支承輥剝落的現(xiàn)場(chǎng)跟蹤與分析，經(jīng)過(guò)不斷的摸索，我廠通過(guò)優(yōu)化軋制工藝路線，摸索合理的軋制道次分配，降低輥系凸度，縮短支承輥使用周期、修繕輥系邊部倒角，嚴(yán)格執(zhí)行支承輥定期探傷等正對(duì)性措施，支承輥剝落現(xiàn)象得到了有效的控制，為工廠的可持續(xù)生產(chǎn)提供了意見(jiàn)和建議。