轧辊性能提升

热处理老马

]热轧辊工艺简介
（以带钢轧辊为例）
轧辊包括工作辊和支承辊，是轧机的关键零件
之一，装在轧机中。在热轧带钢生产中，轧辊的消耗量很大，尤其是工作辊，它始终与红热钢坯直接接触。因此，找出轧辊的损坏原因并做出相应的解决措施，提高轧辊寿命，降低辊耗，是轧机，制造商和用户都十分关注的问题。在实际生产过程中，轧辊的破坏形式主要有轧辊磨损、轧辊裂纹轧辊剥落及轧辊断裂等。
一．轧辊磨损
轧辊磨损与其他磨损在形成机理上相同。从摩擦学角度来讲，可理解为轧辊宏观和微观尺寸的变
化。一般讨论的轧辊磨损，包括宏观磨损和微观磨
损，具体表现为轧辊直径的缩小。然而轧辊磨损在
几何和物理条件上与一般磨损又有差别，如轧辊上
的某点与轧件周期性接触；轧件上的氧化铁皮作为
磨粒进入辊缝；冷却液和润滑液的作用以及热的影
响等。因此，在实际工作条件下轧辊磨损的因素很
复杂，根据其产生的原因可分为以下几种：
（1）机械磨损或摩擦磨损。工作辊与轧件及支
撑辊表面相互作用引起的摩擦形成的磨损。
（2）化学磨损。辊面与周围其他介质相互作用，
造成表面膜的形成与破坏的结果。
（3）热磨损。在工作状态下，轧辊因高温作用其
表面层温度剧烈变化引起的磨损。
工作辊磨损 ：
工作辊磨损主要是由工作辊与轧件及工作辊 与支撑辊之间的相互摩擦引起的，这种摩擦包括滑动摩擦和滚动摩擦，其磨损主要发生在与轧件相接触的部位。在生产过程中，由于带钢在轧机间形成活套，
以致增大了带钢对上辊的包角，增加了接触面积的
压力；带钢上表面再生氧化铁皮的滞留也增加了上
辊的磨损，因此，上辊比下辊的磨损量大。由于传动端与电机连接，因振动之故，传动侧的磨损量比换辊侧的大。
二．支承辊磨损：
支撑辊磨损主要是与工作辊的相对滑动和滚动
造成的。工作辊表面的炭化物颗粒将支撑辊表面的
金属微粒磨削下来，使支撑辊产生磨损。其磨损量的大小与轧辊的材质、表面硬度及光洁度、辊间压力横向分布、相对滑动量和滚动距离等因素有关。实践证明，由于夹带大量氧化铁皮的冷却水作用在辊面，致使下支撑辊工况条件差，从而加速了轧辊的磨损。另外，支承辊的磨损也与上、下支撑辊的辊面硬度有关。
三．轧辊裂纹
由于多次温度循环产生的热应力造成轧辊逐渐破裂，即裂纹，它是发生在轧辊表面薄层的一种
微表面现象。轧制时，轧辊受冷热交替变化剧烈，从而在轧辊表面产生严重应变，逐渐产生热疲劳裂
纹。这种裂纹是由热循环应力、拉应力及塑性应变
等多种因素形成的，其中，塑性应变使裂纹出现，拉 应力使其扩展。
四．轧辊剥落
轧辊剥落通常是由显微裂纹引起的轧辊破坏，热轧带钢的支撑辊和工作辊由于力学因素、工作条件及服役周期不同，其剥落方式及轻重也不同。热轧工作辊剥落是由接触疲劳造成的，生产中出现的剥落多数为辊面裂纹所致。工作辊与支撑辊接触，产生接触应力及相应的交变剪应力，通常工作辊服役约 9-48小时就下机进行磨削，因此不易产生疲劳裂纹。由于支撑辊与工作辊接触宽度不足即使在冷却水的作用下，支承辊也无明显的温差，工作辊则不然。当工作辊与高温带钢接触时，其辊面温度可升高到600度以上，当其接触到冷却水时，工作辊的温度又迅速降到200以下。这种周期性的加热和冷却使工作辊辊面产生了变化的温度场，因而产生了明显的周期应力，当热应力超过材料的疲劳极限时，轧辊表面便产生细小的网状热裂纹，即龟裂。另外，在轧制过程中，当带钢出现甩尾，叠轧时，轧件将划伤轧辊，这样就形成了新的裂纹源。轧辊表面的龟裂、表层裂纹等，在工作应力、残余应力和冷却作用下引起的氧化，使裂纹尖端的应力急剧增加并超过材料的允许应力而向轧辊内部扩展。当裂纹发展成与辊面呈一定的角度甚至沿着辊面平行的方向扩展时，就造成了剥落。
支撑辊剥落
支撑辊剥落主要是由距辊面一定深度的交变剪切应力造成的，其剥落部位主要发生在支撑辊两端。支撑辊由于服役周期较长，普遍存在磨损量
大，磨损严重且不均匀等现象。由于支撑辊的中间
磨损量大，两端磨损量小，所以辊身两端产生局部
的接触应力尖峰，造成两端交变剪应力的增大，因
而加快了疲劳破坏。同时辊身中部的剪应力点，在
轧辊磨损的推动作用下，逐渐往辊身内部移动至少0.5mm ，不易形成疲劳裂纹；而轧辊边部的最大剪应力点，由于该边部磨损较少，基本保持不变，故其在交变应力的反复作用下，局部材料弱化，出现裂纹。 在轧制过程中，辊面以下为接触疲劳引起的裂纹源，由于尖端存在应力集中现象，因而自尖端开始沿辊面垂直方向向辊面扩展，或与辊面成小角度以致呈平行的方向扩展，两者相互作用，随着裂纹扩展，最终造成剥落。
五．轧辊断裂
轧辊断裂的因素很多，其中包括本身的因素，即辊身内部存在大量裂纹及轧辊组织缺陷和轧辊的铸造缺陷。在生产过程中，如辊身内部存在大量裂纹，则该裂纹尖端产生应力集中而快速扩展并连接形成一个较大的裂纹，这种裂纹在交变应力的作用下，由内向外逐渐扩大，当裂纹扩大到一定程度时就会发生断裂；轧辊组织缺陷和轧辊的铸造缺陷
也都会造成断辊。轧辊设计所受的局限性及设计的不合理也会造成轧辊断裂，由此引起的断裂主要发生在轧辊的辊颈或辊颈与辊身的过渡处。辊颈直径 受轧辊轴承径向尺寸的影响，辊颈直径比辊身直径小得多；在辊颈与辊身的连接处，由于直径突然变化，以致当轧辊受载时产生明显的应力集中现象。
在轧制过程中，过大的轧制力会使工作辊辊颈从根部和辊颈受力处断裂。因此，在工作辊设计过程中，应尽量加大轧辊的辊颈直径及辊颈和辊身的过渡圆角，同时，一定要校核工作辊辊颈所能承受的扭转力矩。
提高轧辊使用寿命的相应措施
热轧辊长期在环境中工作，与热钢坯直接接触，承受强大的轧制力，同时表面还要承受轧材的强力磨损，且反复被热轧材加热和冷却水冷却，经受温度变化较大的热疲劳作用。因此，要求热辊轧材具有淬透性高，热膨胀系数低，热传导能力高和高的高温屈服强度及抗氧化性高等特点。
出现裂纹的轧辊应及时更换进行磨削，保证其适度的磨削量，以消除残余裂纹。
为减小或者消除内应力，工作辊在使用一个周期后要进行一次消除应力退火，或将磨削后的轧辊浸入具有一定温度的油剂中保存。合理的轧辊辊型配置，均匀辊间接触应力，保持适量均匀的磨损，利用磨损的推动作用以有效消除轧辊剥落。
从轧制工艺方面出发。要确保冷却水的正常投入，在使用过程中必须加强对轧辊冷却喷嘴的管理，保证喷嘴和过滤网不堵塞，水量足够，确保轧
辊的温度控制在正常范围之内；在热轧带钢生产中
还可应用轧制润滑技术，实践证明，轧制润滑可以
减少轧辊的磨损，降低轧制力及轧制扭矩，缓解轧
辊的热疲劳，改善轧制时的应力状态；应用在线磨
辊技术和工作辊横移以降低轧辊磨损，延长带钢的
轧制公里数，减少换辊次数。轧辊的破坏是由多种因素相互作用和相互影响引起的，它的损坏形式多种多样。虽然在实际工作中轧辊破损还不能完全避免，但我们可以针对具体的损坏形式，提出相应的解决办法；还可根据轧辊的使用环境来考虑轧辊的选材，保证轧辊可以经受温度变化较大的热疲劳作用；也可以通过合理安排换辊周期、合理布置冷却水和轧制润滑等工艺手段及应用在线磨辊技术减少轧辊的磨损。
综上所述，轧辊断裂和工作面深裂纹是不可逆损失，原因非常多，通过严控材料成分、锻造工艺流程、合理加工、合理安排热处理、严格按照轧辊使用规则使用轧辊，可以有效降低轧辊开裂频率。
如果采用一种新的轧辊生产工艺，从材料源头开始控制，进一步通过合理热加工手段，使轧辊服役时间进一步延长，对轧辊生产商和钢厂来说，都能起到降本增效的作用。
天津特钢带钢生产线年产300万吨带钢，原来生产线所用轧辊都是自产自用，使用寿命不太理想，轧辊最长磨削修整更换时间为两天一次，整体轧辊使用寿命在一个月左右。轧辊材料昂贵，更换对钢厂来说也是很大一部分支出。
我公司和特钢技术负责人经过一系列探讨，针对轧线现服役的轧辊质量提升问题达到了一致，钢厂负责人要求我们通过热处理手段，在不换材料的情况下把轧辊整体寿命提升1到2倍，整体上把轧辊制作和使用成本降下来。
经过双方技术部门协商，轧辊材料还是用原来的70CrNiMoV钢，为了降低材料成本，把轧辊主轴部分更改为42CrMo材料（调质处理），用70CrNiMoV钢做成辊套，辊套经过加工和热处理以后，两者安装在一块使用，等辊套使用报废以后，主轴不用更换，新辊套安装上就可以使用，首先达到降低材料成本的效果。

注：上图为所做辊套，加热前喷淋抗氧化介质
复合辊套经过锻造后，经过探伤和粗加工后，进行热处理作业，该辊套长680毫米，外径660毫米，内径495毫米，，首先辊套表面均匀喷淋抗氧化介质，装炉整体加热，利用无机介质局部淬火，经过回火后，检测工作面硬度HRC52-55，轧辊工作面淬硬层深度在80毫米，轧辊内表面硬度和辊轴保持一致。
经过磨削后，复合轧辊安装至轧机进行生产，经过当班人员记录，该复合轧辊磨削修整从2天一次提升到6-8天一次，轧辊表面平整度高，微裂纹少，预计轧辊使用寿命可以提升2倍以上 。
目前复合轧辊使用正常，厂方比较满意，我方经过研究，分批多做了几套复合轧辊，做出几项改进：
1.轧辊套调质淬火前喷淋1/4浓度抗氧化脱碳介质，降低轧辊套表面脱碳氧化，提升材料利用率，降低脱碳导致轧辊开裂因素。
2.钢坯装炉以前，喷淋抗氧化介质，减少钢坯氧化脱碳层；在除磷环节利用高冷速介质保持水压，尽量去除钢坯表面氧化皮层，从而降低因为氧化皮带来的轧辊磨损。
3.轧机最好全线采用快冷介质冷却，可以降低轧辊工作温度50度以上，延长使用寿命，同时生产的钢材可以保证3到6个月不生锈，轧钢设备也能得到有效保护，使用中不再需要更换废水，降低厂家使用成本和排污费用。

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