熱軋鍛鋼支承輥輥身邊部局部接觸疲勞過程分析

劉超 王江濤 尹遜民 李文澤 勞瑞杰

(日照鋼鐵控股集團有限公司，山東 日照 276800)

對于熱軋板帶類軋機，支承輥是最為重要的部件之一。支承輥與工作輥直接接觸，主要功能是傳遞軋制力，從而增加工作輥的彎曲剛度，以保證成品材的尺寸精度[1]。其使用穩(wěn)定性和安全性直接影響著軋線的生產效率和帶鋼的產品質量，因而成為了熱軋板帶類軋機最為關注的焦點之一。由于支承輥的上述重要性，對其各項性能指標提出了更高的要求，目前熱軋板帶類軋機廣泛采用Cr5系列鍛鋼支承輥[2-3]。

支承輥在工作中持續(xù)承受著循環(huán)交變的接觸應力，從而導致支承輥輥面出現(xiàn)接觸疲勞。當這種接觸疲勞積累到一定程度，超過材料自身的強度時，就會萌生微裂紋，出現(xiàn)類似蜂窩狀的疲勞掉肉，甚至引發(fā)剝落[4]。熱軋板帶類軋機支承輥在實際使用中，因其使用工況的特殊性，輥身邊部一定范圍內的接觸疲勞程度最為嚴重。這種局部接觸疲勞使得輥身邊部最易出現(xiàn)蜂窩狀的疲勞掉肉，是熱軋板帶類軋機支承輥較為常見的一類失效形式，給支承輥的使用穩(wěn)定性和安全性造成了較大的威脅[5-6]。

軋機在運行過程中，支承輥與工作輥發(fā)生直接接觸，使支承輥輥身承受著交變接觸載荷，而這種交變接觸載荷會使支承輥在輥面表層或次表層發(fā)生接觸疲勞，當接觸疲勞積累到一定程度，就會產生表層或次表層疲勞裂紋[7]。由于支承輥的單次在機服役周期較長，就會使接觸疲勞裂紋發(fā)生擴展，最終引起支承輥輥面出現(xiàn)蜂窩狀的疲勞掉肉，嚴重時會造成輥身剝落事故的發(fā)生，對軋線的平穩(wěn)生產造成很大影響，并造成一定的經濟損失。通過實踐發(fā)現(xiàn)，這種支承輥輥身接觸疲勞掉肉，易發(fā)生在輥身邊部[8]。

在軋鋼過程中，支承輥與工作輥之間的接觸應力呈現(xiàn)為不均勻的分布特點，使支承輥的輥身邊部磨損過大，從而造成支承輥的不均勻磨損和局部接觸疲勞嚴重。支承輥所承受的復雜應力狀態(tài)和局部接觸疲勞嚴重是支承輥輥身邊部出現(xiàn)蜂窩狀疲勞掉肉的主要原因[9-10]。

1 疲勞掉肉的機理

以某一熱軋板帶類軋線支承輥輥身邊部局部接觸疲勞掉肉作為參考案例，對這一失效類型的機理進行分析。

1.1 掉肉規(guī)律

通過對該熱軋板帶軋線支承輥輥身掉肉事故的梳理與分析，得出以下規(guī)律：

(1)大部分支承輥輥面掉肉的原因是因局部接觸疲勞所致，掉肉出現(xiàn)在輥身邊部，該原因所占比例達63.2%。

(2)因局部接觸疲勞導致輥面掉肉的支承輥中，輥身邊部均存在亮帶。

(3)因局部接觸疲勞導致輥面掉肉的支承輥中，掉肉位于輥身邊部的亮帶內或貫穿亮帶，即掉肉位于輥身邊部。

(4)輥身邊部疲勞掉肉的分布形式有兩種(見圖1～圖4)：第一種形式是沿周向亮帶出現(xiàn)連續(xù)分布的疲勞掉肉；第二種形式是只有一處或幾處疲勞掉肉。

圖4 亮帶內單獨的一處疲勞掉肉

熱軋板帶類軋機因其工作輥磨損量相對于冷軋要大很多，為避免支承輥輥身邊部接觸應力過大而給支承輥造成的損害，支承輥會修磨一定長度和高度的圓弧或斜倒角，或者是復合倒角，單側倒角總長度在100～300 mm不等。

通過圖1、圖2，對這類輥面狀態(tài)進行說明。圖1中，兩箭頭之間的區(qū)域為周向亮帶，亮帶左側為支承輥輥身與工作輥輥身的正常接觸區(qū)域，右側為倒角未磨損區(qū)域，即未與工作輥輥身發(fā)生接觸的區(qū)域。本文中所涉及的其它支承輥輥面狀態(tài)與圖1相同，辨別方式參考圖1，即均分為三個區(qū)域，分別為：支承輥輥身與工作輥輥身正常接觸區(qū)域、亮帶區(qū)域、倒角未磨損區(qū)域。

圖1 亮帶內連續(xù)分布的疲勞掉肉(宏觀)

圖2 連續(xù)分布的疲勞掉肉(近照)

(5)因局部接觸疲勞導致掉肉的支承輥，輥面亮帶分布在支承輥的兩側倒角的磨損區(qū)域內，兩側亮帶呈現(xiàn)為對稱分布。

綜合以上總結出以下結論：

(1)因局部接觸疲勞導致掉肉的支承輥，其裂紋源多產生于輥身邊部倒角磨損區(qū)域的亮帶內。

圖3 還未發(fā)生疲勞掉肉的亮帶

(2)支承輥輥身兩側倒角磨損區(qū)域出現(xiàn)亮帶是支承輥存在疲勞掉肉風險的前兆。亮帶越光亮，這種風險程度越高。

1.2 亮帶產生的過程和形成原因

隨著支承輥單次服役軋鋼量的增加，磨損量也隨之增加，因此倒角會逐漸被啃蝕，即倒角剩余量會逐漸減小。因工作輥的磨損主要發(fā)生在過鋼區(qū)，導致工作輥輥身中部過鋼區(qū)直徑小，輥身兩側非過鋼區(qū)直徑大，使得支承輥的輥身形成馬鞍狀應力分布，如圖5、圖6所示。

圖5 馬鞍狀應力分布輥系示意圖

圖6 支承輥輥身應力狀態(tài)分布

如果支承輥長期在馬鞍狀應力下工作，邊部會因為應力集中而導致局部接觸疲勞程度加劇。支承輥磨削后的倒角粗糙度是極高的，明顯高于輥身，而倒角內形成的亮帶是較輥身其余區(qū)域粗糙度低，手感光滑。亮帶粗糙度低、光滑的主要原因是由于亮帶區(qū)域的接觸應力集中，在相同的旋轉周次下，該區(qū)域較輥身其他區(qū)域的粗糙度降落快，接觸疲勞最為嚴重，也就易在亮帶區(qū)域內產生疲勞裂紋并形成掉肉。亮帶粗糙度越小、越光滑，說明接觸疲勞程度越重。亮帶的光滑程度與接觸疲勞程度為正相關，與亮帶內產生疲勞裂紋的風險程度為正相關。

1.3 支承輥局部接觸疲勞嚴重的原因分析

支承輥輥身兩側倒角亮帶是局部接觸疲勞嚴重的表現(xiàn)。這種局部接觸疲勞嚴重的主要原因與熱軋板帶類軋機的工況特點有關。對于工作輥磨損量越大的熱軋線，這種支承輥局部接觸疲勞程度越嚴重。本研究所參考的熱軋線，軋制的成品帶鋼較薄，為保證生產的連續(xù)性，導致工作輥單次在線服役周期較長，這就導致工作輥的在線磨損量較高。這種工況特點導致支承輥在線使用所形成的馬鞍狀態(tài)應力分布狀態(tài)極其嚴重，而如果支承輥長期在馬鞍狀應力下工作，邊部就會因為應力集中而導致局部接觸疲勞程度加劇。

這種支承輥邊部局部接觸疲勞的嚴峻程度可以通過支承輥的磨損情況得到驗證。本研究發(fā)現(xiàn)該線支承輥在線使用磨損量較大，且磨損不均勻，輥身兩側磨損量高于輥身中部。該線主要軋制1250 mm與1500 mm兩種寬幅帶鋼。

通過對該線60支支承輥輥身磨損量的跟蹤與統(tǒng)計，得出以下結果：軋制1250 mm寬幅帶鋼時，輥身兩側平均磨損量為1.32 mm，輥身中部平均磨損量為0.60 mm；軋制1500 mm寬幅帶鋼時，輥身兩側平均磨損量為2.12 mm，輥身中部平均磨損量為0.68 mm。

軋制兩類寬度帶鋼支承輥輥身兩側磨損量分別高于輥身中部0.72 mm、1.44 mm。對比如圖7所示。

圖7 輥身邊部與中部磨損量對比圖

通過圖7磨損量柱狀對比圖，可以看出該線支承輥輥身兩側磨損程度明顯重于輥身中部，這是熱軋板帶類軋線支承輥磨損狀態(tài)的普遍特點。

通過硬度檢測，發(fā)現(xiàn)該線支承輥下機后輥身兩側亮帶區(qū)域加工硬化程度較輥身中部嚴重。對該線30支支承輥輥身中部與輥身邊部上機前的磨后狀態(tài)與下機后的未磨削狀態(tài)進行硬度檢測跟蹤與統(tǒng)計，如表1所示。

通過表1得出以下結果：該線支承輥輥身中部加工硬化導致的硬度升幅平均為3.2HSD，而輥身兩側亮帶區(qū)域硬度升高幅度平均達5.6HSD。

表1 硬度檢測數(shù)據(jù)統(tǒng)計結果

根據(jù)已有的研究成果，加工硬化導致的硬度增加值越大，越容易發(fā)生疲勞掉肉，其推薦的硬度增加值為不超過30LD，折合為5～5.5HSD，可見該線支承輥輥身兩側因局部接觸疲勞導致的加工硬化程度已達峰值。

1.4 支承輥輥身邊部掉肉原因分析

隨著熱軋支承輥輥身兩側倒角不斷被磨損啃蝕，倒角剩余量不斷減少，支承輥與工作輥的輥身接觸區(qū)域變長，接觸應力峰值外移至倒角磨損區(qū)域的亮帶內，導致支承輥在線使用局部接觸疲勞程度嚴重，易在局部接觸疲勞嚴重區(qū)域產生疲勞裂紋，在機繼續(xù)使用發(fā)生擴展，最終造成局部接觸疲勞掉肉。

2 預防措施

結合本研究，提出以下預防支承輥輥身邊部局部接觸疲勞掉肉的措施：

(1)做好支承輥的磨后無損檢測，采用渦流與超聲表面波復檢相結合的雙確認檢測機制。

渦流檢測的優(yōu)點是輥身檢測覆蓋率高而不易漏檢，同時也不易受輥面油污等影響，缺點是無法檢測到次表層裂紋。超聲表面波檢測的優(yōu)點是檢測方式靈活，能夠探測到輥身表面以下一定深度范圍內的次表層裂紋，從而在很大程度上避免了輥身次表層裂紋漏檢的機率，缺點是受輥面污染物的影響較大，對識別缺陷造成一定的困難。而兩種檢測方式結合，可以優(yōu)勢互補，同時彌補各自短板。

(2)對支承輥磨前和磨后分別進行硬度檢測，保證加工硬化導致的輥身硬度升幅在5.5HSD以內。

(3)支承輥磨削量的設定要保證裂紋和疲勞層能夠完全去除干凈。

(4)建立支承輥在線輥面檢查制度。利用更換工作輥的間隙對支承輥輥面進行檢查，對于檢查中發(fā)現(xiàn)輥面存在異常的情況，調整軋制計劃更換支承輥。

(5)探索支承輥與工作輥的輥型優(yōu)化，改善輥身邊部接觸應力過大的受力狀態(tài)。

(6)對支承輥進行工藝優(yōu)化，提高支承輥的抗疲勞能力。

3 討論

熱軋板帶類軋機支承輥輥身邊部局部接觸疲勞引起掉肉是較為常見的異常事故類型，實踐中發(fā)現(xiàn)很多熱軋板帶軋線的支承輥輥身邊部疲勞掉肉事故頻發(fā)，成為了影響支承輥使用安全和軋線運行穩(wěn)定的一個重要因素，同時也影響了支承輥的輥役延長，降低軋線生產效率[5]。通過本研究發(fā)現(xiàn)，熱軋板帶類軋機支承輥輥身邊部局部接觸疲勞與其特殊的工況條件有著直接而密切的關系。這種工況條件使支承輥持續(xù)處于馬鞍狀的應力分布狀態(tài)下，導致輥身邊部加工硬化和接觸疲勞速度明顯高于其它部位，使輥身邊部易提前達到材料的疲勞極限值，從而引起邊部疲勞掉肉事故的發(fā)生。受熱軋板帶類軋機工況條件特殊性的限制，支承輥承受的馬鞍狀應力分布狀態(tài)無法從根本上得到解決。鑒于這個事實，結合本研究，可通過以下4種方式對熱軋板帶類軋機支承輥邊部接觸疲勞掉肉進行預防：

(1)上機前保證支承輥疲勞層去除干凈。若上機前疲勞層未去除凈，就會在下次軋制使用中造成疲勞積累，易使支承輥在這一輥役周期內的邊部接觸疲勞程度提前達到材料的疲勞極限，從而導致輥身邊部疲勞掉肉事故的發(fā)生；

(2)加強支承輥在軋鋼服役過程中的輥面狀態(tài)檢查監(jiān)控，在檢查輥面時對于發(fā)現(xiàn)存在掉肉前兆的支承輥進行提前更換，以避免支承輥邊部疲勞掉肉事故的發(fā)生；

(3)通過輥型優(yōu)化的方式來緩解支承輥輥身邊部局部接觸疲勞程度，例如優(yōu)化支承輥倒角、優(yōu)化支承輥或工作輥的輥型；

(4)提高支承輥的抗疲勞能力，這需要軋輥廠家對支承輥的材質和生產工藝進行優(yōu)化，以提高支承輥自身的抗疲勞能力，提高材料的疲勞極限，進而減少輥身邊部疲勞掉肉事故的發(fā)生率。

4 結束語

(1)支承輥輥身兩側亮帶是支承輥存在使用風險的前兆。

(2)支承輥下機后輥身加工硬化值是進行風險監(jiān)控與預判的重要指標。根據(jù)以有的研究成果，加工硬化導致的硬度增加值越大，越容易發(fā)生疲勞掉肉，推薦的硬度增加值為不超過30LD，折合5～5.5HSD。對于輥身兩側的亮帶區(qū)域，要著重進行下機后的硬度檢測，以監(jiān)控加工硬化程度。

(3)本研究對熱軋板帶類軋機支承輥輥身邊部因局部接觸疲勞導致掉肉的過程和原因進行了全面的探討，本研究成果可作為熱軋板帶類軋機支承輥輥身邊部局部接觸疲勞的跟蹤、風險評估和進行風險干預的指導，參考該指導可對支承輥實施風險防控和采取預防措施，及時發(fā)現(xiàn)存在使用風險的支承輥和通過干預降低風險。