酸軋支撐輥剝落分析

張德永

（河鋼唐鋼高強(qiáng)汽車(chē)板有限公司，河北 唐山 063000）

1 問(wèn)題描述

（1）3 月22 日 酸 軋 支 撐 輥SZC004 在 四 架 正 常 下 機(jī) 后，發(fā)現(xiàn)輥身中間部位有約200*200 左右剝落情況，當(dāng)前直徑1406.98mm ；

（2）4 月15 日酸軋支撐輥SZC006 在四架正常下機(jī)后發(fā)現(xiàn)中部一處掉塊，面積100mm×70mm ；

（3）4 月15 日酸軋支撐 輥SZC012 在 一 架 正常下機(jī)后發(fā)現(xiàn)輥面有2 處剝落，位置在輥身中間部位，一處面積約為200*200mm，另一處面積約100*100mm，當(dāng)前直徑1402.935mm ；

（4）4 月30 日酸軋支撐輥SZC011 在二架下機(jī)，磨削后，渦流檢測(cè)軟點(diǎn)有異常，用戶對(duì)該軋輥進(jìn)行檢測(cè)發(fā)現(xiàn)相應(yīng)位置硬度值55-60HSD，面積范圍約200*200mm，周?chē)捌渌２课挥捕戎?2HSD 以上，當(dāng)前直徑1405.768mm[1]。

（5）6 月22 日酸軋支撐輥SZC014 在四架下機(jī)，正常下機(jī)磨削后探傷發(fā)現(xiàn)輥身中部有肉眼可見(jiàn)裂紋，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)硬度偏低, 當(dāng)前直徑1405.627mm ；

（6）8 月29 日，酸軋四架上支撐輥SZC013 輥面中部發(fā)生剝落掉塊，共集中三處，最大處面積100mm×80mm，深約10mm。當(dāng)前直徑1399.72 mm[2]。

（7）9 月29 日，酸軋四架下支撐輥SZC009 輥面中部發(fā)生剝落掉塊，面積120mm×130mm，深約10mm。當(dāng)前直徑1402.048 mm。

2 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查

圖1 SZC004 金屬表面剝落情況

圖2 SZC006 金屬表面剝落情況

圖3 SZC012 剝落情況

圖4 SZC011 軟點(diǎn)情況

圖5 SZC014 輥身裂紋形貌

序號(hào) 輥號(hào) 上/ 下輥 直徑 最后下機(jī)時(shí)間、架次 換輥原因 軋制公里數(shù)/km 換輥周期1 SZC004 下 1406.98 2020/3/22 四架 正常 9766 9500×(1±20%)2 SZC006 下 1402.978 2020/4/15 四架 正常 10739 9500×(1±20%)3 SZC012 下 1402.935 2020/4/15 一架 正常 3998 3800×(1±20%)4 SZC011 上 1403.836 2020/4/30 二架 正常 5509 5500×(1±20%)5 SZC014 上 1405.627 2020/6/22 四架 正常 9367 9500×(1±20%)6 SZC013 上 1399.72 2020/8/29 四架 支撐輥掉塊 6762 9500×(1±20%)7 SZC009 下 1402.048 2020/9/29 四架 支撐輥掉塊 7732 9500×(1±20%)

圖7 SZC009 剝落情況

3 原因分析

3.1 支撐輥剝落原因分析

（1）支撐輥剝落的主要形式。支撐輥的剝落方式有兩種，第一，金屬表面的裂紋會(huì)引起脫落；第二，金屬的次表層的裂紋所引起的剝落，并所利用的支撐輥應(yīng)力的分析情況如下所示：在進(jìn)行軋制過(guò)程當(dāng)中，軋機(jī)的工作輥與金屬支撐輥在連接點(diǎn)處，會(huì)產(chǎn)生局部的壓扁現(xiàn)象，在此時(shí)，支撐輥所要承受的應(yīng)力分為三點(diǎn)：由軋制力引發(fā)的接觸壓應(yīng)力、主切應(yīng)力（赫茲應(yīng)力）、正交切應(yīng)力。

（2）表面裂紋引發(fā)的支撐輥剝落。由于輥的形狀和磨損等各種因素的影響，支撐輥表面上的壓力應(yīng)力沿輥體的方向不均勻地分布。尤其是當(dāng)發(fā)生皮帶斷裂和外來(lái)壓力等事故時(shí)，支撐輥上的局部應(yīng)力會(huì)明顯地增加。當(dāng)壓應(yīng)力超過(guò)支承輥的強(qiáng)度時(shí)，將形成表面裂紋（在這種情況下，表面裂紋通常伴隨著明顯的標(biāo)記塑性變形）。表面裂紋形成后，表面裂紋首先在周期性滾動(dòng)應(yīng)力的作用下垂直傳播到輥體中，然后在達(dá)到臨界尺寸后沿徑向和周向擴(kuò)展，最終導(dǎo)致輥表面碎裂，剝離后，通常會(huì)出現(xiàn)明顯的疲勞膨脹跡象。

（3）次表層裂紋引發(fā)的支撐輥剝落。在軋制過(guò)程中，支承輥承受的最大剪切應(yīng)力在金屬軋輥表層。在某些情況下也可能發(fā)生裂縫。有兩種主要方法：一種是即時(shí)開(kāi)裂：當(dāng)發(fā)生緊急情況（例如皮帶斷裂，打滑，異物滲透等）時(shí)，表面壓力應(yīng)力會(huì)增加，最大剪切應(yīng)力會(huì)急劇上升。當(dāng)剪切應(yīng)力超過(guò)軋輥強(qiáng)度時(shí)，在軋輥表面會(huì)形成裂紋甚至即時(shí)剝落。這樣的裂縫很少在支撐輥上發(fā)生。二是次接觸疲勞：由于支撐輥的壽命長(zhǎng)，在循環(huán)應(yīng)力下，較高應(yīng)力部位的疲勞壽命短，并且會(huì)產(chǎn)生疲勞裂紋。這種情況在支撐輥上更為常見(jiàn)，其位置通常在輥殼的突出部分，支撐輥與工作輥邊緣之間的接觸點(diǎn)以及容易集中應(yīng)力的其他位置。在形成地下疲勞裂紋之后，有兩種傳播形式：第一種是裂紋傳播到表面，形成小的坑狀薄片，而坑的底部是裂紋的來(lái)源。這種類(lèi)型的凹坑狀劈裂通常很淺，有時(shí)散布在軋輥主體上，有些在成組的凹坑中相互連接，而沒(méi)有明顯的疲勞跡象。第二，裂紋形成后，它們?cè)趶较蚝蛨A周方向上膨脹，直到周?chē)牧系膹?qiáng)度降低為止。如果出現(xiàn)大量剝落，甚至整個(gè)紙卷都將被丟棄。這種類(lèi)型的剝落通常具有明顯的疲勞增長(zhǎng)軌跡，但是裂紋的來(lái)源有時(shí)會(huì)隨碎裂塊一起掉落，并且不容易找到。

3.2 支撐輥剝落初步原因分析

（1）上機(jī)前檢測(cè)：上機(jī)前現(xiàn)場(chǎng)渦流檢測(cè)合格，可排除帶裂紋上機(jī)的情況。

（2）輥形：支撐輥和中間輥采用CVC 輥型，工作輥為凸輥輥型。盡管支撐輥未與帶材直接接觸，但也會(huì)將帶材滾動(dòng)至工作輥的巨大力量大部分轉(zhuǎn)移到了支撐輥上，并且支撐輥必須承受較大的彎曲應(yīng)力，更換周期也較長(zhǎng)，疲勞硬化，應(yīng)力集中和事故 軋制過(guò)程中容易導(dǎo)致軋輥金屬表面剝落。

（3）剝落形貌分析：根據(jù)開(kāi)裂的形態(tài)和表面碎裂的位置，支撐輥的剝落損耗屬于剝落的接觸疲勞，據(jù)認(rèn)為有兩個(gè)原因：應(yīng)力超過(guò)支承輥的疲勞壽命，在近表面層上形成疲勞裂紋，疲勞裂紋出現(xiàn)后，疲勞裂紋擴(kuò)展到表面，最終導(dǎo)致剝離，其次，軋機(jī)皮帶斷裂和輥壓壞，支承輥表面產(chǎn)生裂紋。甚至在表面上發(fā)生塑性變形。次級(jí)表面裂紋，支撐輥在繼續(xù)使用過(guò)程中發(fā)展為疲勞剝落。

（4）換輥周期：出現(xiàn)剝落的支撐輥是2014 年12 月入廠，當(dāng)時(shí)換輥周期7000×(1±10%) 公里，一直使用比較穩(wěn)定。到2018年5 月為減少酸軋換支撐輥次數(shù)，降低成本，把換輥周期提高到7000×(1±20%)公里，使用仍然穩(wěn)定。為進(jìn)一步降低成本，到2019年3 月把換輥周期提高到9500×(1±20%) 公里。但當(dāng)支撐輥直徑使用到1400mm時(shí)，延長(zhǎng)后的軋制周期已不能滿足當(dāng)前要求。

時(shí)間 2014.-2018.4 2018.5-2019.2 2019.3-2020.9四架支撐輥換輥周期9500×(1±20%) km 7000×(1±10%)km 7000×(1±20%) km

（5）淬火工藝：出現(xiàn)剝落的支撐輥為2014 年生產(chǎn)，當(dāng)時(shí)邢機(jī)使用差溫淬火工藝，差溫淬火工藝在加熱過(guò)程和冷卻過(guò)程溫度控制不當(dāng)，造成輥身局部冷卻強(qiáng)度不夠，導(dǎo)致輥身局部硬度偏低。發(fā)生剝落的位置與出現(xiàn)軟區(qū)的位置一致，都在輥身中部。分析認(rèn)為同樣是因原有熱處理工藝能力不足導(dǎo)致輥身局部強(qiáng)度不夠，淬硬層深度不均，致使軋輥在運(yùn)轉(zhuǎn)中發(fā)生輥面局部剝落。

4 下一步措施

目前已安排四支直徑到1400mm 的支撐輥（SZC004、SZC0012、SZC013 SZC014）返廠按新工藝修復(fù)，剩余陸續(xù)返廠修復(fù)。在未確定支撐輥剝落的真正原因之前，恢復(fù)酸軋支撐輥換輥周期如下。

5 結(jié)束語(yǔ)

在制定和完善有針對(duì)性的軋輥事故預(yù)防措施之后，工廠對(duì)軋輥的使用、磨削、搬運(yùn)等采取了嚴(yán)格的控制措施，并有效地控制了軋輥斷裂。 自2020年以來(lái)，沒(méi)有發(fā)生過(guò)一次輥斷裂，僅發(fā)生了一次剝落缺陷，使異常輥磨已大大減少。軋輥消耗量從2018年的0.23kg/t降低到0.19kg/t，軋輥消耗量的損失也大大減少。