萬能軋機軋輥磨損規律分析

曹明輝，柴達明

（中冶華天南京工程技術有限公司 江蘇南京 210019 ；河北鑫達集團500H型鋼廠 河北唐山 063000）

0 引言

軋輥的磨損對產品質量及軋輥本身的使用壽命具有重要影響。不同類型軋機軋輥的磨損規律不同，型鋼采用帶孔型軋制，輥間變形更為復雜。針對目前型鋼軋機軋輥孔型內部的磨損問題，結合磨損機理，探索其磨損規律。

1 磨損機理

在型鋼軋制車間，現場技術人員一般根據軋輥的單槽過鋼量（單個軋槽軋制的坯料噸數）判斷是否更換軋槽或軋輥下線修磨。期間，由于軋件與軋輥相互接觸摩擦，且二者之間存在前滑、后滑等相對滑動現象，致使軋輥產生磨損。按照磨損機理，磨損通常可分為粘著磨損、磨粒磨損、腐蝕磨損、疲勞磨損、沖蝕磨損、微動磨損和沖擊磨損[1]。影響磨損的因素十分復雜，包括工況條件（載荷、速度、運動方式等）、環境因素（濕度、溫度和周圍氣氛等）、介質因素、潤滑條件，軋輥材料的成分、金相組織以及軋輥表面的物理、化學、機械性能等。其中任何因素稍有變化都可能使磨損機理發生改變[2]。

軋輥的磨損往往是幾種機理共同作用的結果[3]。在某一工況條件下，一種機理起主要作用，同時還會引起其他機理的作用。當工況條件改變時，起主要作用的機理可能發生變化，導致其他與之伴隨產生的機理也發生變化。實際工況中，一方為高溫軋件，另一方為強制水冷的軋輥。兩者相互接觸過程中，由于高溫軋件和冷卻水形成的氧化性氣氛，使金屬鍵的結合力相對較弱，很容易使材料從軋件轉移到軋輥上，形成松脫磨粒。隨軋制時間的延長，軋輥的磨損加劇，表面粗糙度增長很快，這是腐蝕磨損的先決條件。長時間承受周期性機械載荷和大幅度溫度波動作用，接觸疲勞磨損在所難免[4-6]。軋件與軋輥之間的磨損形式以粘著磨損和腐蝕磨損為主。型鋼軋輥磨損量通常用軋制一定重量的坯料后，徑向尺寸的最大變化量表示，即最大磨損量。最大磨損量計算一般使用Archard磨損模型[6]，見公式（1）。

式中V——磨損體積，mm3

Ks——磨損系數

P——軋制力，N

S——相對滑動距離，mm

H——軋輥洛氏硬度，HRC

由公式（1）可以看出，軋輥的磨損量與接觸載荷成正比，與硬度成反比。

2 磨損規律

圖1為某型鋼車間軋制槽鋼軋機配輥圖。圖中不同規格的槽鋼軋輥孔型內部的磨損情況表明，軋輥孔型磨損呈現很大的不均勻性。圖1a中減小的方向表示測點沿側壁逐漸深入孔型內部,明顯可見磨損呈增大趨勢；圖1b中軋輥直徑增大的方向表示測點沿孔型底部不斷移向中央位置,其磨損逐漸減小,但變化的幅度不像側壁那么大。總體來說,磨損峰值點位于孔型拐角處。由于軋件規格、孔型尺寸和軋制數量不同,每支軋輥的磨損量不盡相同。圖1c軋輥的磨損量明顯比圖1a大,從軋輥磨損前后外形曲線可看出軋輥磨損量的總變化趨勢：孔型內部磨損的極大值出現在孔型拐角處；底部的磨損值普遍大于側壁處,而且底部外圓的磨損均勻程度也好于側表面。

圖1 軋輥孔型及磨損

3 孔型表面磨損不均勻原因分析

3.1 金屬滑動

軋制異型斷面軋件時，軋件的各個部位不同時與軋輥接觸。在出口處，軋件各部位也并非都有正前滑。上輥軋槽底部拐角處（圖2中A點）軋輥直徑最小，圓周速度最小,因此前滑最大。隨著軋輥直徑增大（A→B，A→C），圓周速度加快，前滑值減小。在輥徑一定的條件下，軋輥輥面線速度與軋件速度相等,前滑為零。當上輥直徑繼續增大時，軋輥的圓周速度超過軋件的出輥速度，軋件出輥時出現后滑。不同的前滑速度導致孔型周邊產生不同的摩擦力，使孔型形成不均勻磨損[7]。最大磨損發生在摩擦力最大的部位，因而孔型底部拐角處的絕對磨損量最大，且孔型底部的磨損量遠大于側壁。

3.2 輥面硬度不均勻

新軋輥制造過程中都要進行熱處理，以保證輥面形成深（50～60）mm的工作層。不但表面硬度較高，而且硬度均勻性較好，即沿整個輥面的硬度差很小。由于型鋼軋機用軋輥表面都帶有幾十厘米深的孔型，軋輥使用后會導致孔型尺寸不滿足生產要求，需要新車削軋輥車，隨著車削次數的增加，軋輥冷硬層減少，只有一部分孔型處于耐磨強度高的冷硬層中，而孔型的基本部分卻切入過渡層中。孔型逐漸更深地切入過渡層,導致軋輥表面硬度分布更不均勻，同時軋輥與1000℃高溫軋件接觸，會使軋輥表層組織發生變化。因此軋輥表面出現較大的硬度差,加劇孔型內部磨損的不均勻性[7]。

圖2 上輥孔型圖

3.3 軋件溫度不均勻軋制過程中，不同溫度區域所需要的軋制力不同。軋件溫度與軋件的變形抗力存在負指數關系[8]。見公式（2）。

式中K——軋件變形抗力，N

T——軋件溫度，℃

M，m——取決于金屬本身特性的常數

變形抗力的差異導致不同的軋制負荷,因而軋件與軋輥接觸面之間的摩擦力自然不同，由此造成輥面磨損程度不同。

H形鋼與槽鋼的表面溫度分布存在相似規律,即翼緣端部與翼緣根部、整個翼緣部與腹板部的溫度存在差異,通常約為幾十攝氏度。溫度差異導致變形抗力的差異,從而對軋件變形產生影響。由于軋件腹板部溫度比翼緣部高得多,因此前者的變形抗力小于后者。同樣,軋件翼緣端部的變形抗力大于根部。因此從溫度分布的影響來說,軋輥孔型磨損呈現從腹板到翼緣對應位置逐漸增大的趨勢。

3.4 金屬變形不均勻

軋件在孔型內發生三維塑性變形,因而其變形過程不應像板帶一樣采用單一的壓下率。首先,軋件翼緣與腹板的壓下率不同。考慮到軋件的整體限制,即延伸大的部位受延伸小的部位的牽制,作用于前者的是縱向壓應力,后者則是縱向拉應力。附加拉應力的存在改變了金屬原來的流向,使軋件內部變形復雜化[9]。其次,即便在軋件整個腹板或翼緣方向上,壓下率也有差別,而且壓下率的微小差別會引起軋制力的很大波動，這是導致軋輥孔型各部位磨損量不同的一個重要因素。

4 結論

型鋼軋機軋輥磨損的獨特性：孔型底部磨損值大于側壁，而且軋輥磨損出現明顯的不均勻性。由于型鋼軋制的特殊性，軋輥孔型內三維變形導致軋件不同部位的滑動速度存在差異，軋件出現不均勻變形。軋輥材料及生產工藝的差異使輥面硬度分布不均勻；冷卻條件的差異又使軋件表面溫度分布不均勻,這些因素的綜合作用導致型鋼軋機軋輥磨損不均勻。因此，型鋼軋機用軋輥的表面強化工藝可以結合輥面的磨損特征制訂。