支承輥邊部缺陷分析與控制技術

付志云

(武鋼股份公司設備管理部，湖北430083)

在四輥軋機軋鋼過程中，常?？梢园l現在軋輥的輥面邊部，沿著輥徑方向出現連續的輥面掉肉的現象。嚴重時，在軋輥邊部甚至出現大塊的剝落，導致軋輥失效。由于此類現象較為普遍，對生產造成的危害較大，因此成為軋輥事故研究的重點。本文將以支承輥為重點展開邊部缺陷的討論。

1 問題的提出

軋輥邊部缺陷通常造成軋鋼生產事故，該事故會嚴重影響軋鋼生產的節奏，影響鋼材產品的質量和產量。現場使用情況表明，軋輥邊部缺陷在冷、熱軋四輥軋機的支承輥和用于開坯軋制熱軋的工作輥中都有不同程度的表現，在支承輥出現的比例要遠遠高于工作輥。

軋輥邊部出現的這種現象也通常被形象地稱之為軋輥的“脫肩”或“掉肩”。對于小塊掉肉的邊部缺陷，通常可以通過加大磨(車)削量的方式恢復軋輥的使用，但對于大塊剝落的缺陷，將直接導致軋輥的報廢。

2 產生缺陷的原因分析

2.1 軋輥制造過程中的影響因素

在支承輥制造過程中，對輥身部分進行熱處理淬火工藝。目前通常采用的是將軋輥輥身置于差溫熱處理爐內加熱，再通過噴淬的方式冷卻。在爐內，軋輥輥端與輥身中部的熱力場不同，受熱環境不同，軋輥材料組織升溫速度和保溫時間不同，在噴淬冷卻時，冷卻效果也不同，最終導致軋輥輥端的組織形態與輥身之間存在著一定的差異。在硬度檢測中，表現為軋輥的“軟帶”現象，“軟帶”通常定義為距輥端200 mm以內。

2.2 軋輥使用過程中的影響因素

在軋機運行過程中，由軋機壓下施加在支承輥輥頸部位的軋制力，通過支承輥與工作輥的輥面接觸，傳遞到與工作輥接觸的軋材上，對軋材進行加工變形。工作輥與軋材之間通常為軋輥輥面中間部分接觸，軋輥兩端與軋材沒有接觸。在工作輥使用一段時間后，工作輥與軋材接觸的部分輥面出現磨損，軋輥輥身中部直徑尺寸發生變化。工作輥與支承輥要保持輥面接觸，使工作輥出現彎曲。

2.3 軋輥受力及應力峰值的影響

在軋輥輥系靜態受力平衡分析中，支承輥輥頸兩端承受的軋制力與工作輥中部接觸的軋材的變形量和變形抗力之間組成了平衡力系。受力狀態要達到平衡，支承輥和工作輥將發生微觀形變，形成彎曲。軋輥輥系間彎曲繞度與工作輥磨損尺寸變化產生出的繞度疊加，對工作輥與支承輥接觸面之間的受力分布和強度產生了較大程度的影響，見圖1。

軋機軋制力和軋材的變形抗力對軋輥產生了剪應力，沿軋輥輥身各點的剪應力強度不同，軋輥邊部承受的應力明顯高于輥身中部，形成應力峰值。應力峰值的大小與軋機施加的軋制力、軋材的寬度和厚度有著直接的關系。

存在于工作輥與支承輥之間的接觸面上的作用力，通過軋輥表面向內傳遞。根據赫茲接觸理論，軋輥接觸面上的作用力向軋輥內部傳遞，由于支承輥的輥面硬度通常低于工作輥，作用在軋輥接觸面上的剪切應力可作用于軋輥內部，在距輥面4 mm～10 mm深度的軋輥次表面，應力達到最大值，見圖2。

軋輥內部應力峰值的強度與軋制力的大小、輥型、接觸面尺寸等因素存在著直接關系。工作輥在使用過程中磨損程度的增加，造成軋輥輥型尺寸發生變化，加大了兩端的受力強度。在軋輥次表面應力峰值作用區域內，長時間承受著應力峰值的作用，并且隨著工作輥的磨損，應力峰值遞增。在另一方面，軋輥輥端的材料組織本身存在著差異，抗事故性能較弱。在多種因素的共同作用下，使軋輥使用性能惡化。軋輥輥端次表面在周期性的應力峰值作用下，內部顯微組織缺陷增多，經過長時間積累，內部組織發生塑性變形，形成微裂紋源。由于微觀缺陷存在于軋輥次表面，難以發現和消除。一旦產生后，在軋輥后期的使用中，裂紋將在軋制力和轉動扭矩力的共同作用下，沿輥徑方向逐步擴展，最終導致軋輥輥端的小塊掉肉或大塊剝落，造成了軋輥邊部缺陷的產生。

圖1 支承輥與工作輥輥間受力分布圖Figure 1 The stress distribution between the supporting roller and the work roll

圖2 軋輥內應力受力分布圖Figure 2 The roller internal bearing stress distribution

3 控制缺陷的措施

3.1 軋輥制造方面的措施

支承輥邊部材料組織的不均勻性是制造中客觀存在的現象，通過合理控制差溫爐溫度場或加工余量，在輥端尖角處采用圓弧過渡等方式，可以改善軋輥的使用性能。

另外，通過改善軋輥的材質可以有效提高工作輥的耐磨性能，使軋輥輥面的磨損大幅度降低，使軋輥輥型保持良好的狀態，也使輥面接觸應力得到改善。在熱連軋機組精軋前段，通過采用高速鋼軋輥替代原有的高鉻鐵軋輥，可較大程度提高軋輥的耐磨性能，使工作輥的換輥周期延長4～6倍。

在軋輥輥型設計方面，不僅要能夠生產出理想的鋼材產品，同時還要能夠有效釋放軋輥間的接觸應力，采用良好的輥型可有效改善軋輥磨損狀況。為了保持良好的軋輥輥型，需要投入特殊的輥型加工設備以及大量的輥型維護成本，對于工業化生產有一定的難度。

3.2 對應力峰值的控制措施

軋鋼過程中，輥間邊界接觸應力的峰值是造成軋輥邊部缺陷的主要原因。峰值越高，對軋輥內部組織的破壞性越大。有效降低軋輥間接觸應力峰值是解決支承輥邊部缺陷問題的主要措施。通過在支承輥端部附近加工出倒角可有效降低軋輥接觸應力的峰值。

應力峰值倒角與常規的工藝倒角的加工目的不同。常規的工藝倒角將軋輥端部的尖角加工成弧型過渡，避免輥身端部尖角的應力集中造成損傷；應力峰值倒角是專門為減少軋輥邊緣的應力峰值而設計。在使用現場，軋輥使用者經常將兩者混淆，或將工藝倒角視為應力峰值倒角，影響到對軋輥邊部缺陷的預防。

(1)應力峰值倒角的設計

對于無特殊輥型要求的軋輥，可以采用倒角的方式降低應力峰值。在倒角設計中，通常分為弧型倒角和斜面倒角。弧型倒角有較多的優點，但在倒角的加工及后期倒角維護方面需要有設備的投入；斜面倒角的加工和維護比較簡單，適合于現場采用。

在倒角設計中，由于軋輥應力峰值受到軋機軋制力的大小、軋材的寬度和厚度等方面因素的影響，因此，要參照軋輥在使用中的彎曲變形程度、軋機軋制力、板寬、板厚等方面因素進行綜合考慮。軋輥在使用中的彎曲影響著軋輥間的接觸，以及接觸邊緣的應力峰值。設計出不同寬度和深度的倒角對應力峰值的控制將產生出不同的效果。

常規斜面倒角設計參考值通常為：斜面寬度為軋輥輥身長度的8%～10%，高度為0.5 mm。在輥身與倒角交界處，修磨成圓弧過渡。

在一般情況下，斜面倒角的寬度(或圓弧倒角的半徑)增加，邊部應力峰值將會降低，但在軋輥輥身中部承受的應力值將增加。當倒角寬度加寬到輥身寬度與軋材寬度相當時，其對應力峰值產生的效用將會減弱。由于倒角的高度與軋機軋制力(或壓下變形量)、軋材的厚度有關，對于較厚的軋材，壓下量較大的軋機，在倒角高度設計中，應適量增加，反之減少。此外，在倒角高度設計中，還應考慮倒角修復周期的因素。在倒角邊緣與輥身表面交界處，應進行修磨，加工成圓弧過渡，否則界面間的夾角將形成新的應力集中點。

(2)應力峰值倒角的保持

軋輥在使用一段時間后，要進行修磨，以消除軋輥輥面的疲勞層和輥面微觀缺陷。隨著軋輥輥面的周期性修磨，倒角的寬度和高度將發生改變。因此，倒角加工后，還需在后期的使用中加以保持。

應力峰值倒角的形態保持是一項需要長期堅持的工作，只有在軋輥整個使用壽命期內保持良好的倒角形態，才能真正達到防止軋輥邊部缺陷產生的目的。

3.3 軋輥缺陷的檢測

軋輥的缺陷檢測是防止軋輥缺陷的擴展，確保軋輥無缺陷上機使用的重要手段。缺陷檢測的意義與軋輥應力峰值倒角加工不同。倒角的目的在于降低應力峰值的產生，消除裂紋缺陷產生的條件，屬于事前控制；對軋輥的缺陷檢測是在軋輥表面、次表面或芯部已經產生了表面或內部缺陷后，了解缺陷的形態與狀況，屬于事后檢測。通過檢測，對軋輥缺陷有了初步的了解，再通過必要的加工方式消除缺陷，或防止缺陷軋輥的進一步擴展，確保軋鋼生產的安全。因此，軋輥的缺陷檢測也是確保軋輥使用安全的重要環節。在對支承輥及前機架工作輥實施的軋輥缺陷檢測中，要將對軋輥邊部表面和次表面的缺陷檢測作為檢測工作的重點。

4 結語

軋輥邊部缺陷是支承輥使用過程中的常見缺陷，邊部應力峰值控制、工作輥材質改善、加強軋輥缺陷檢測等控制技術是防止事故產生的重要手段。要保證軋輥在整個壽命期內的安全使用，還需在軋輥的使用過程中加強對倒角形態的全程跟蹤，保證對軋輥缺陷的全過程檢測，才能使事故預防獲得實際的效果。

對于軋輥使用者，應將對支承輥及部分開坯熱軋工作輥的應力峰值控制及倒角的設計、加工與維護工作作為日常工作的一部分，使其規范化、標準化，并貫穿軋輥的整個使用過程。

對于軋輥制造者，憑借對軋輥邊部缺陷的深入研究和豐富的經驗，有義務對使用者傳授軋輥缺陷的預防知識和軋輥維護經驗，使支承輥獲得最好的利用。