熱軋支承輥邊部剝落失效分析

郭 峰 ，韓笑宇

邊部剝落是熱軋支承輥的主要失效形式，占熱軋支承輥失效的50%以上。熱軋機(jī)(包括連軋機(jī)及中寬厚板) 一般為四輥軋機(jī)，支承輥在軋制過(guò)程中承受著巨大的交變彎曲應(yīng)力和扭矩，并伴隨有劇烈的沖擊和震動(dòng)，支承輥工作表面溫度可達(dá)幾十至上百度，工況條件較為惡劣。近年來(lái)，隨著鋼鐵產(chǎn)能的不斷釋放，支承輥單周期過(guò)鋼量不斷提升，支承輥剝落事故發(fā)生的頻率也隨之增加，為鋼鐵企業(yè)的正常生產(chǎn)帶來(lái)諸多困擾。

本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)某鋼企熱軋支承輥剝落事故的探究，旨在形成一套熱軋支承輥邊部剝落規(guī)范分析流程，并對(duì)剝落原因進(jìn)行概括總結(jié)，同時(shí)結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)提出處理建議、預(yù)防與改進(jìn)措施，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作人員處理類(lèi)似失效事故具有重要的指導(dǎo)作用。

1 典型失效案例簡(jiǎn)介

邊部剝落是熱軋支承輥失效的主要形式，一般始發(fā)于支承輥輥身邊部300～500 mm 以?xún)?nèi)，剝落層沿輥身周向呈連續(xù)或斷續(xù)分布；或以上述位置作為初始裂紋源在輥身內(nèi)部周向擴(kuò)展，造成輥身大面積剝落（見(jiàn)圖1）。在典型失效案例中，表現(xiàn)為邊部大面積掉肉（見(jiàn)圖1（a）），且邊部殘留部分仍然可見(jiàn)前期小剝落坑（見(jiàn)圖1（c）），以及輥身整體大面積剝落（見(jiàn)圖1（b），（d））。

圖1 熱軋支承輥邊部剝落典型案例現(xiàn)場(chǎng)

2 典型失效分析流程

鑒于熱軋支承輥大面積剝落失效往往會(huì)造成支承輥提早報(bào)廢，所以精準(zhǔn)分析原因所在，判定質(zhì)量責(zé)任、處理事故及采取預(yù)防措施意義重大。本文以某支承輥典型失效分析流程為范例，為類(lèi)似事故的標(biāo)準(zhǔn)化分析處理提供指導(dǎo)。

2.1 宏觀現(xiàn)場(chǎng)勘查

現(xiàn)場(chǎng)宏觀勘查是處理所有零件失效問(wèn)題必不可少的首要步驟，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料，熱軋支承輥典型剝落都伴隨著疲勞裂紋的萌生及擴(kuò)展，故類(lèi)似“海灘”狀疲勞擴(kuò)展痕跡是宏觀現(xiàn)場(chǎng)勘查的主要對(duì)象。此外，剝落的形貌、位置、尺寸等也是現(xiàn)場(chǎng)勘查的重要關(guān)注點(diǎn)。

國(guó)內(nèi)某廠熱軋支承輥大面積剝落導(dǎo)致早期失效現(xiàn)場(chǎng)勘查如下：該支承輥輥身大面積剝落，幾乎遍布整個(gè)輥身軸向所有區(qū)域。距輥身非字端操作側(cè)方向450 mm 處可見(jiàn)明顯的“海灘”狀疲勞裂紋擴(kuò)展軌跡，通道寬120 mm（見(jiàn)圖2）。

2.2 超聲波探傷

宏觀勘查僅能辨別肉眼可見(jiàn)的缺陷形貌、尺寸等信息，對(duì)于未剝落的輥身部位應(yīng)輔助以超聲波探傷，掌握失效支承輥整體缺陷情況。

將上述失效支承輥輥身旋轉(zhuǎn)一周詳細(xì)探傷，發(fā)現(xiàn)疲勞擴(kuò)展通道由距輥身端面250 mm、距輥面30 mm 深起周向螺旋擴(kuò)展一周至70 mm 深，直至圖2中可見(jiàn)的疲勞擴(kuò)展通道（見(jiàn)圖3）。

圖2 熱軋支承輥大面積剝落現(xiàn)場(chǎng)勘查

圖3 超聲波探傷定位疲勞擴(kuò)展通道

該疲勞擴(kuò)展通道由表面部位至30 mm 深處的輥面已剝落，表面裂紋源已隨大面積剝落一起掉落，但“海灘”狀擴(kuò)展痕跡及方向清晰可見(jiàn)（見(jiàn)圖4）。經(jīng)測(cè)量，表面裂紋源發(fā)生在距輥身邊部200 mm 范圍內(nèi)。在此范圍內(nèi)，沿裂紋源周向500 mm未剝落部位可見(jiàn)聚集性小剝落坑，進(jìn)一步證明輥身邊部缺陷頻發(fā)的事實(shí)，而此聚集性小剝落坑即為本次大面積剝落裂紋源的早期缺陷形態(tài)。

圖4 疲勞擴(kuò)展通道由表面至30 mm 深部位詳細(xì)形貌

2.3 使用記錄查詢(xún)

在掌握失效支承輥缺陷情況的基礎(chǔ)上，還需了解支承輥的使用數(shù)據(jù)，對(duì)缺陷形成原因進(jìn)行初步判定。

該支承輥近五次上機(jī)正常時(shí)間均在兩周左右，每次上機(jī)磨損量2 mm 以?xún)?nèi)，盡管粗軋機(jī)軋制噸位高于精軋機(jī)，但并未顯著增加支承輥的在機(jī)磨損量，可以認(rèn)為支承輥在機(jī)磨損及軋制噸位均在正常范圍內(nèi)。連軋機(jī)支承輥正常下機(jī)磨削量多控制在2～3 mm，而該支承輥每次下機(jī)磨削量明顯偏大。尤其第三次僅上機(jī)7 天，下機(jī)磨削卻超過(guò)10 mm，由此推測(cè)支承輥使用狀態(tài)不佳，由于在機(jī)磨損局部產(chǎn)生裂紋、壓痕、小剝落坑等輥面缺陷，為去除缺陷，故下機(jī)磨削量較大（見(jiàn)表1）。

表1 失效支承輥近五次使用數(shù)據(jù)

綜上，筆者根據(jù)該支承輥失效表現(xiàn)出的疲勞裂紋擴(kuò)展特性及使用記錄中磨削量的異常表現(xiàn)，初步判斷該支承輥大面積剝落失效的原因是輥身邊部在軋制過(guò)程中由于應(yīng)力集中產(chǎn)生早期裂紋、小剝落坑等缺陷，這些缺陷在下機(jī)磨削時(shí)未除凈，而是作為疲勞裂紋源逐步向深處周向擴(kuò)展，超過(guò)材料強(qiáng)度后輥面大面積脫落。

2.4 分析驗(yàn)證

經(jīng)確認(rèn)該支承輥未發(fā)生過(guò)任何軋制事故，渦流歷史缺陷信號(hào)也未發(fā)現(xiàn)任何異常。為了驗(yàn)證在距輥身端部200 mm 內(nèi)是否存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，筆者分析各機(jī)架軋輥輥型及串輥情況：

該熱連軋機(jī)的工作輥均為凹輥輥型，輥身長(zhǎng)度1 880 mm，F(xiàn)1～F7 工作輥均為正弦曲線（見(jiàn)圖5）；F8 為CVC 曲線（見(jiàn)圖6）。圖中平滑曲線為工作輥磨后輥型；有明顯臺(tái)階的不平滑曲線為工作輥磨前輥型?？梢园l(fā)現(xiàn)，工作輥在每個(gè)軋制周期下機(jī)時(shí)，由于中間部位在機(jī)磨損而形成兩端280 mm 范圍內(nèi)的高點(diǎn)，半徑落差可達(dá)0.2 mm。

圖5 正弦曲線工作輥輥型

圖6 CVC 曲線工作輥輥型

該支承輥輥身長(zhǎng)1 700 mm，兩端各有150 mm長(zhǎng)、深1.1 mm 的倒角，其余部位為平輥，輥系工作時(shí)無(wú)串輥。由此，在軋制過(guò)程中，隨著在機(jī)損耗，工作輥兩端280 mm 范圍內(nèi)產(chǎn)生半徑方向0.2 mm 高點(diǎn)，在無(wú)串輥的情況下，支承輥兩端倒角150 mm 長(zhǎng)略顯不足，即與支承輥輥面有280-150-90=40 mm 長(zhǎng)的接觸區(qū)（見(jiàn)圖7），必然形成應(yīng)力集中，加之整體軋制量偏大，疲勞硬化層逐漸累積，便在此部位形成了早期疲勞裂紋或小剝落（現(xiàn)場(chǎng)其他事故輥仍然可見(jiàn)），其作為裂紋源在軋制過(guò)程中持續(xù)向輥身徑向深處和周向擴(kuò)展，最終導(dǎo)致大面積剝落事故的發(fā)生。

圖7 軋制過(guò)程中工作輥與支承輥輥面接觸情況示意圖

2.5 小結(jié)

本案例中工作輥與支承輥邊部接觸部位，隨著在機(jī)軋制磨損，會(huì)在支承輥輥身端面200 mm 左右形成應(yīng)力峰值，在周期性軋制力的循環(huán)作用下，形成疲勞硬化，疲勞硬化層逐漸累積，導(dǎo)致早期小剝落的產(chǎn)生，并作為疲勞裂紋源在軋制過(guò)程中向深處周向擴(kuò)展，最終導(dǎo)致大面積剝落事故。

3 預(yù)防與改進(jìn)措施

（1） 建立良好的下機(jī)維護(hù)磨削制度，完善支承輥檢測(cè)手段，包括超聲波探傷及硬度檢測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)硬度偏高的現(xiàn)象，應(yīng)加磨疲勞硬化層使輥身硬度降至技術(shù)要求的合理水平。

（2） 支承輥使用過(guò)程中一旦發(fā)現(xiàn)表面損傷應(yīng)立即下機(jī)維護(hù)，去除表面缺陷，上機(jī)前應(yīng)經(jīng)過(guò)詳細(xì)表面波探傷或磁粉檢測(cè)等手段確保缺陷完全除凈，否則帶傷使用缺陷極有可能持續(xù)擴(kuò)展，造成支承輥的提早報(bào)廢。

（3） 可根據(jù)板寬規(guī)格調(diào)整支承輥輥身兩端倒角長(zhǎng)度，或設(shè)計(jì)卸應(yīng)力型倒角，減少與工作輥接觸帶來(lái)的輥身邊部應(yīng)力集中。

（4） 適當(dāng)控制單周期軋制量有助于發(fā)現(xiàn)并及時(shí)處理早期剝落，避免大面積剝落失效的產(chǎn)生。例如某鋼廠1780 mm 不銹鋼熱軋控制制度，單周期過(guò)鋼量不超過(guò)20 萬(wàn)t，對(duì)應(yīng)軋制公里數(shù)不超過(guò)5 000 km。

4 結(jié) 語(yǔ)

（1） 以國(guó)內(nèi)某熱軋支承輥大面積剝落事故為例，分析確定熱軋支承輥剝落事故原因是輥身邊部應(yīng)力集中導(dǎo)致的疲勞裂紋擴(kuò)展。

（2） 通過(guò)建立良好的下機(jī)維護(hù)磨削制度，上機(jī)前確保缺陷完全除凈；合理設(shè)計(jì)輥身倒角尺寸，適當(dāng)控制軋制量，可有效預(yù)防熱軋支承輥輥身剝落事故的發(fā)生。

（3） 本文分析流程具有典型代表性，可為類(lèi)似生產(chǎn)事故的規(guī)范化處理提供技術(shù)指導(dǎo)。