热轧带钢轧辊破坏原因分析

木子

轧辊包括工作辊和支承辊，是轧机的关键零件之一，装在轧机牌坊窗口当中。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。
    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。
    1 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。
    2 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。
    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。
    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。
    1 工作辊剥落
    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8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20mm，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500～600℃；当其接触到冷却水时，工作辊的温度又迅速降到100～150℃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。
    2 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。
    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
    （1）热轧辊长期在700～800℃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。
    （2）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。
    （3）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。
    （4）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。
    （5）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。