基于延長軋輥使用壽命的軋鋼工藝措施探究

劉海熙，趙忠云

（廣西柳州鋼鐵集團有限公司熱軋板帶廠，廣西柳州 545002）

0 引言

作為軋鋼機械的重要設(shè)備構(gòu)件，軋輥在軋制進程中與鋼坯運轉(zhuǎn)接觸，實施定量附加壓力作用，使鋼坯產(chǎn)生形變，以完成對應(yīng)的軋鋼制備需求。軋輥在生產(chǎn)中應(yīng)具備高標(biāo)準(zhǔn)的抗損耗和耐疲勞特性，特別是在軋鋼構(gòu)件市場需求量日益提高的今天，大量的軋鋼制備作業(yè)使得軋輥磨損消耗量提高，相應(yīng)生產(chǎn)投資費用也隨之增加。軋輥的作業(yè)通常在強氧化性、高壓高溫、冷熱急變等環(huán)境下，不同機座輥筒經(jīng)過外部熱應(yīng)力、機械應(yīng)力、沖擊力、摩擦力等的綜合作用，易導(dǎo)致軋輥的龜裂、磨損、剝落等現(xiàn)象，以影響軋輥的工作時長。同時，由于軋輥設(shè)備構(gòu)件的費用較高，其損耗量是軋鋼生產(chǎn)成本的重要經(jīng)濟影響因素。因此，在冶金生產(chǎn)中應(yīng)通過有效的技術(shù)手段，改良軋鋼生產(chǎn)工藝，提升制備效率，延長軋輥使用周期，降低軋輥換件率。

1 延長軋輥使用壽命的實踐意義

軋輥在軋鋼過程中主要通過對金屬溶液的周期接觸，使之快速凝固，并完成不間斷的塑性形狀改變，該過程中軋輥磨損程度較大，而且其損耗換件率費用占軋鋼成本較大[1]。因此應(yīng)建立健全軋輥工藝管控體系，掌握軋鋼生產(chǎn)線各軋輥的使用情況和運轉(zhuǎn)軌跡，保證合理成對配置和生產(chǎn)運行，科學(xué)提升軋輥的運行效率，形成合理的磨削量方案，以有效降低軋輥的使用疲勞度，在滿足正常軋鋼生產(chǎn)量的基礎(chǔ)上，延長軋輥使用周期，壓縮軋輥非正常換輥數(shù)量，提升軋鋼生產(chǎn)線產(chǎn)能和經(jīng)濟效益。可見，生產(chǎn)線中軋輥的管控制度體系是否完備及管控是否合理，是軋鋼生產(chǎn)線成本控制及軋輥使用周期長短的重要影響條件。針對軋輥構(gòu)件的管理應(yīng)安排專人負責(zé)，形成完備的管控體系，建立一套完整的軋輥出入庫檢驗、投產(chǎn)配對、缺陷維修保養(yǎng)、非正常下線等信息庫記錄，以科學(xué)管控軋輥應(yīng)用狀況和軌跡，實現(xiàn)降低軋輥的損耗，延長軋輥的使用周期，提升軋鋼生產(chǎn)線的單位成本產(chǎn)能，因此具有重要的生產(chǎn)實踐意義。軋輥軋鋼流水線如圖1 所示。

圖1 軋輥軋鋼流水線

2 軋輥使用壽命影響因素分析

性能優(yōu)良的軋輥一方面可實現(xiàn)軋鋼生產(chǎn)的有序進行，另一方面可提升帶坯制備品質(zhì)。軋輥的結(jié)構(gòu)可分成輥套和輥芯兩部分[2]。輥套是與溶液體直接接觸的構(gòu)件，輥芯插入冷卻液傳導(dǎo)至輥套進行冷卻作用，并轉(zhuǎn)移輥套的熱量。軋輥通常在惡劣環(huán)境下工作，隨著軋輥使用時間的延長，軋鋼生產(chǎn)品質(zhì)會降低。

2.1 輥套影響因素

軋鋼生產(chǎn)中，軋輥內(nèi)溫度應(yīng)視為等同于冷卻液體的溫度，軋輥外表溫度經(jīng)過旋轉(zhuǎn)并同溶液定時周期性接觸，通過外界和冷卻液的傳導(dǎo)實現(xiàn)溫度減低，此時軋輥內(nèi)會產(chǎn)生內(nèi)部熱應(yīng)力，并在外表產(chǎn)生余下應(yīng)力[3]。軋鋼生產(chǎn)時，輥套熱形變的往復(fù)循環(huán)可加速表面的機械疲勞形成細小裂紋，同時受軋鋼操作外力作用及溶液的長期侵蝕會加劇裂紋的增加，并使輥套難以繼續(xù)使用。同時，人員操作經(jīng)驗及軋鋼機械的作業(yè)環(huán)境也是影響軋輥是否可達到預(yù)計經(jīng)濟時長的重要因素。較大的裂紋會使輥套車削磨損程度加深，甚至?xí)鹄鋮s液的滲入，導(dǎo)致軋輥無法使用。通常軋輥外部的劃傷也是形成應(yīng)力匯聚及裂紋擴大的影響因素，在形成輕微或點狀裂紋情況下既需要對輥套實施車磨處理或更換處理（圖2）。

圖2 軋輥輥套

2.2 輥芯影響因素

（1）水槽破損。由于水槽結(jié)構(gòu)設(shè)計因素，引起在輥芯水槽操作過程中的差異性應(yīng)力匯聚，會引起水槽破損。另一方面，在軋鋼時軋輥會受到的復(fù)雜綜合應(yīng)力，如不能正確熱操作輥芯，會導(dǎo)致材料調(diào)質(zhì)硬度提升，引起輥芯水槽的破損。破損斷裂處會引起水路栓堵，影響軋輥使用壽命及鋼材的加工精度。

（2）水槽形成栓堵。在軋鋼生產(chǎn)時，由于水槽的設(shè)計缺陷、冷卻液用水水質(zhì)難以達標(biāo)以及池內(nèi)路由內(nèi)有雜物等原因，導(dǎo)致輥芯水槽形成栓堵，會引起輥套外表形變的加劇，進而影響軋輥使用壽命及鋼材的加工精度。軋輥輥芯如圖3 所示。

圖3 軋輥輥芯

3 軋鋼生產(chǎn)中軋輥的典型問題及成因分析

3.1 典型問題

3.1.1 軋槽表面產(chǎn)生麻點缺陷

軋槽表面麻點是比較普遍的質(zhì)量缺陷，主要表現(xiàn)為表面不平整、粗糙，多為連續(xù)狀，也存在少量零星局部狀[4]。軋槽內(nèi)的麻點缺陷正常是允許存在的，但麻點深度不可大于軋槽允許的厚度偏差值。引起麻點的主要因素有：軋件外表受擠壓作用，使得氧化鐵材料剝離；制產(chǎn)品孔洞破損或形成破損的氧化鐵物質(zhì)；鋼坯加熱過程中外表的強烈氧化；軋輥表面侵蝕作用等。

3.1.2 輥環(huán)損壞

輥環(huán)軋輥軋制生產(chǎn)時會受到軋制應(yīng)力、熱應(yīng)力、裝配應(yīng)力等復(fù)雜應(yīng)力的聯(lián)合作用，由于生產(chǎn)中輥環(huán)內(nèi)徑切向拉應(yīng)力提升，使用單一的材料難以達到延長軋輥使用時長的目的。隨著輥環(huán)單位應(yīng)力提升，同時受到不同種類應(yīng)力疊加，會引起輥環(huán)損壞，嚴重者會引起崩裂。

3.1.3 軋輥產(chǎn)生裂紋

在進行金屬軋制生產(chǎn)時，因為夾鋼、甩尾、碰撞等影響，在軋輥內(nèi)外會存在軟點或裂紋缺陷。由于軋輥存在的軟點、裂紋會引起生產(chǎn)流程的影響及減少軋輥應(yīng)用時長，長期作用裂紋會持續(xù)連接擴大，引起軋輥的剝落，縮短軋輥的使用壽命。

3.1.4 軋槽中間位置非均勻性掉塊

軋槽中間位置通常包括銅元素，所以極易引起非均勻性掉塊缺陷[5]。特別是在對軋槽中間位置加熱過的程中，大量銅成分會在軋槽中間內(nèi)壁表面持續(xù)游走，如果加熱溫度達到銅的熔點，即會大大降低其熱塑效果，形成表層的裂紋出現(xiàn)。隨著銅成分的不斷游走，裂紋的程度會加深，進而形成非均勻性掉塊現(xiàn)象。以窄帶鋼軋制過程為例，因為控制監(jiān)管不達標(biāo)，各個軋槽生產(chǎn)量由操作人員自行調(diào)控，因此會造成軋槽的磨損度不統(tǒng)一，在維修保養(yǎng)軋輥過程中，存在裂縫未完全磨削處理情況，導(dǎo)致存在細小裂紋，一旦進行后續(xù)生產(chǎn)操作小裂紋就會連接形成大裂紋，進而導(dǎo)致軋槽掉塊。

3.2 成因分析

引起軋輥問題的成因很多，如冷卻處理能力差、操作使用不規(guī)范、軋輥自身性能及質(zhì)量問題、軋鋼生產(chǎn)工藝技術(shù)缺陷等。欠缺合理的冷卻處理會導(dǎo)致輥子面形成大溫度差，提升輥子剝落的熱應(yīng)力，過高的溫度會降低輥子的剛性和抗磨效果，進而導(dǎo)致裂紋、剝落、爆槽等缺陷。軋鋼生產(chǎn)時，如未科學(xué)考量鋼材性能及軋鋼生產(chǎn)工藝技術(shù)，應(yīng)用的軋輥材料不合理，或由于操作使用不規(guī)范形成堆鋼、卷輥現(xiàn)象，會導(dǎo)致掉肉、爆槽、斷裂等缺陷。鋼材產(chǎn)品軋制時，因為冶金材料常伴有硅酸鹽、二氧化硅等脆性雜質(zhì)，此類雜質(zhì)經(jīng)加熱后會影響軋輥的正常使用時長，其中雜物含量越大、粒徑越大，對軋輥的危害也越強，特別是外形鋒利的雜物尤其具備強危害效果。

4 軋鋼工藝改進措施

4.1 優(yōu)化改良軋輥冷卻系統(tǒng)

為提升冷卻液的使用效率和冷卻性能，延長軋輥使用周期，可通過優(yōu)化改良軋輥冷卻系統(tǒng)的方式。鋼材軋制時將產(chǎn)生大量熱，為降低軋輥換件率和加工生產(chǎn)后溫度的降低，應(yīng)進行必要的冷卻處理。用于軋輥冷卻作用的主要為一次冷卻水箱和二次冷卻水箱，水箱中一次冷卻液通過狹縫軸向射入到軋制位置，實現(xiàn)銅管的冷卻及潤滑作用，二次冷卻液主要實現(xiàn)軋管溫度的迅速降低，防止氣流流進封套內(nèi)，避免氧化銅管。冷卻系統(tǒng)的噴水環(huán)主要實現(xiàn)軋輥的冷卻功能。軋輥在高速傳動運轉(zhuǎn)頻率下工作，應(yīng)科學(xué)控制冷卻液的壓力和流量。應(yīng)保證冷卻系統(tǒng)中冷卻液供應(yīng)充足且連續(xù)，如果軋輥過熱，應(yīng)立即更新，避免因工作疲勞而形成裂紋。鋼材軋制時，應(yīng)通過合理控溫實現(xiàn)軋輥溫度保持在合理區(qū)間，應(yīng)控制水泵壓力低于0.8 MPa，軋輥冷卻液流速大于3500 L/h。將常規(guī)方狀含孔結(jié)構(gòu)改進為無孔圓筒噴頭，增加兩列橢圓水縫在切分楔位置，控制水縫噴灑切分楔區(qū)域?qū)挒?～8 mm?？刂魄蟹中ㄎ恢盟繛槌Ｒ?guī)位置的3 倍以上，以保證切分楔的冷卻效果，增加切分楔位置的軋槽使用時長。

4.2 合理配置孔型

針對常見的冷卻液冷卻功效不達標(biāo)情況，將熱軋窄帶鋼在常規(guī)孔型前提下，對孔型實施強迫寬展技術(shù)，并將原有高溫道次換為較低溫度道次，并將強迫寬展的槽底改為直線形，為防止由于軋件面不平導(dǎo)致軋鋼產(chǎn)品不符合標(biāo)準(zhǔn)，同時將強迫寬展的孔斜率設(shè)置為17.7°，將特定軋槽規(guī)格進行對應(yīng)改良，確保不發(fā)生拉尾缺陷。

4.3 科學(xué)配比冷卻液參數(shù)，改進供水體系

合理控制冷卻液水溫，溫度過高會促使軋輥形成斷裂，溫度過低會阻礙工藝結(jié)晶效果，影響鋼制品的制備效果，一旦實際溫度與設(shè)計溫度偏差過大，會加速軋輥的疲勞度。軋鋼軋制過程中，冷卻液的溫度應(yīng)控制在40～60 ℃。通過改良軋輥冷卻液管路，以濁中方式取代原有的濁低方式，選取變頻電機輸出，控制水壓為0.8 MPa，并可實現(xiàn)自動調(diào)整。

4.4 軋輥材料性能優(yōu)化

以標(biāo)準(zhǔn)的Q215 熱軋窄帶鋼為例，其中部輥環(huán)寬及原始軋槽中間距均達到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。但基于輥環(huán)斷裂缺陷的視角考量，輥環(huán)的寬度依舊不符合實際要求，易因疲勞生產(chǎn)形成裂紋，以至形成輥環(huán)裂紋。因此，基于輥長度的考慮，應(yīng)增加輥縫寬度設(shè)計，同時增加中部輥環(huán)寬度設(shè)計。

4.5 規(guī)范操作工藝

實施軋鋼工藝工程中，因操作不規(guī)范導(dǎo)致軋輥受損的情況比較常見，應(yīng)注意軋輥同導(dǎo)向器的碰撞接觸，科學(xué)管控軋輥的冷卻開關(guān)，避免新?lián)Q的軋輥缺少冷卻液。實施有效的點檢制度，避免發(fā)生卷輥情況，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)應(yīng)馬上停機，待卷輥料冷卻至室溫方可處理。在實施軋制料料形控制時，應(yīng)嚴禁出現(xiàn)單架次料形過大情況。加工時，應(yīng)削切處理軋料端黑頭，防止加工出現(xiàn)過黑鋼。

4.6 應(yīng)用自動厚度控制技術(shù)

軋鋼生產(chǎn)時，因生產(chǎn)線入口張力、厚度、形變抗力、摩擦因數(shù)等參數(shù)的差異，軋鋼機械的制備能力也有所不同，相應(yīng)形變曲線可對特定材料厚度出口形成影響[6]?；诖耍谲堜摴に囍幸胱詣雍穸瓤刂萍夹g(shù)，其原理是通過算法模型對軋鋼材料厚度、軋制機械性能、外因干擾等實施自動化控制，進而實現(xiàn)自動化的軋機輥縫寬度、軋制速度、軋制壓力參數(shù)給定，利用高精密性的液壓下壓輔助系統(tǒng)實現(xiàn)快速響應(yīng)操作，控制厚度偏差在合理范圍。由于板坯厚度對軋機制備質(zhì)量有一定影響，液壓自動厚度控制技術(shù)會對軋機加工精度構(gòu)成影響，因此有利于軋輥使用周期的延長。

4.7 科學(xué)控制軋輥修復(fù)率

為確保各個生產(chǎn)線軋槽產(chǎn)能輸出的穩(wěn)定運行，應(yīng)嚴控防止出現(xiàn)多余裂紋，如控制不及時，軋制生產(chǎn)數(shù)量和質(zhì)量將會受到影響?；诖耍瑢嵤┸堜摷庸ち鞒虝r，應(yīng)嚴格依據(jù)軋制流程規(guī)范作業(yè)，如Q215 型熱軋窄帶鋼成品軋輥的車削加工應(yīng)達到600 mm 標(biāo)準(zhǔn)等。如果保養(yǎng)維修中不能實現(xiàn)軋槽裂紋的完全消除，應(yīng)及時停止使用軋輥進行加工作業(yè)，并及時進行更換處理。

5 結(jié)束語

通過對軋鋼工藝實施改良，提升軋輥裝配、使用等技術(shù)管理手段，實現(xiàn)軋輥剛性、抗沖擊性及防熱裂性的有效提升，降低軋輥損耗，增加軋輥的使用壽命。本文基于生產(chǎn)實際，圍繞延長軋輥使用壽命的軋鋼工藝措施進行討論，論述延長軋輥使用壽命的實踐意義，討論軋輥使用壽命影響因素，分析軋輥生產(chǎn)應(yīng)用的典型問題及問題成因，并提出合理的軋鋼工藝改進措施，以達到降低軋輥生產(chǎn)損耗、延長軋輥使用壽命、提升軋鋼加工效率的目的。