冷軋軋機支承輥輥面剝落原因與應(yīng)對策略

（西南鋁業(yè)集團有限責任公司冷軋廠，重慶 400000）

1 背景

西南鋁業(yè)集團高精板帶事業(yè)部冷軋板帶生產(chǎn)線，有兩臺1850mm進口冷軋高速軋機，軋制過程中支承輥除了要承受巨大的軋制力，還要承受由于高速軋制下的轉(zhuǎn)矩，AGC輥縫調(diào)節(jié)，彎輥調(diào)節(jié)，厚差波動，斷帶擠料，輥型變化等因素均會造成支承輥輥面局部應(yīng)力集中、與工作輥不同支承輥不具備頻繁更換的條件，更換周期可長達一至兩個月，易造成輥面疲勞和裂紋導(dǎo)致脫落，嚴重的情況下無法修復(fù)最終造成報廢。報廢除了增加成本，同時也會對生產(chǎn)經(jīng)營造成重大影響甚至導(dǎo)致停產(chǎn)[1]。

冷軋廠一號1850mm軋機是國內(nèi)最早引進的（四輥）不可逆軋機，德國DEMAG技術(shù)，1992年投產(chǎn)，近年來為提高軋機效率，我廠大膽嘗試了大壓下量軋制，減少軋制道次提高生產(chǎn)效率，以期達到降本增效的目的，大壓下量軋制增加了軋制力，軋制力達到1000KN以上，這給軋機輥系提出了嚴峻挑戰(zhàn)，備用的3對支承輥，其中一對由于輥面脫落面積較大已報廢，如圖1。如再報廢支承輥輥將對生產(chǎn)經(jīng)營造成重大隱患。因此，探索支承輥輥身脫落的起因，并及時有效的針對性預(yù)防，對降低軋機由于輥身脫落造成的重大斷帶火災(zāi)隱患和企業(yè)順利生產(chǎn)經(jīng)營都有著十分重要的現(xiàn)實意義。

圖1 一號軋機支承輥輥面剝落及疲勞麻坑

2 四輥軋機支承輥輥面脫落的原因

2.1 冷軋軋機輥系主要受力狀態(tài)

四輥鋁帶軋機高速軋制過程中，在軋制力的作用下，軋輥和支承輥在圓柱接觸弧線上會發(fā)生擠壓變形，工作輥與支承輥主要承受由軋制力引發(fā)的法向的接觸應(yīng)力б，如圖2所示。

圖2 四輥軋機工作輥與支承輥主要接觸應(yīng)力

根據(jù)赫茲方程，最大接觸應(yīng)力бHmax=[ZE(F/bρE)]1/2

F：法向力（軋制力）；

ZE：材料彈性系數(shù)；

b：工作輥與支承輥實際接觸長度；

ρE：綜合曲率半徑，ρE=ρ1ρ2/(ρ1±ρ2)

除了法向接觸應(yīng)力之外，在傳動扭矩作用下也會在支承輥輥身形成沿徑向的剪切應(yīng)力[2]。

2.2 裂紋

軋機軋制過程中帶材厚差波動，輥系傾斜和彎輥實時調(diào)節(jié)，工作輥，支承輥在磨床磨削時輥型也不一致，導(dǎo)致支承輥與工作輥在接觸弧線上的接觸應(yīng)力б沿輥身方向不可能均勻分布，且局部接觸應(yīng)力會隨著軋制狀態(tài)突然陡增或驟減，當接觸點的接觸應(yīng)力б達到或超過支承輥所能承受的應(yīng)力極限時，就會在接觸點形成一定范圍的塑性變形，這種塑性變形不可逆，從而造成表面局部裂紋的發(fā)生。軋輥是循環(huán)軋制，輥身所承受的應(yīng)力是循環(huán)往復(fù)的，造成了裂紋的不斷延伸，最終剝落[3]。剝落的殘屑極有可能再次壓入輥系接觸面，加劇局部應(yīng)力陡增，厚差突然波動，傾斜調(diào)整，嚴重的厚差波動甚至造成斷帶，最終擠料造成更嚴重后果。

支承輥本身也可能存在制造缺陷，輥身內(nèi)部有隱性裂紋，軋制中發(fā)生應(yīng)力急劇變化時內(nèi)部隱性裂紋會快速發(fā)展成顯性裂紋最終導(dǎo)致脫落，這種制造缺陷將會對軋機正常軋制構(gòu)成重大的斷帶失火風險，需要重點防范。

2.3 疲勞

疲勞是十分常見的輥身破壞形式，支承輥的疲勞又不可避免。支承輥的正常使用周期長達一個多月，與工作輥的接觸點循環(huán)往復(fù)，循環(huán)應(yīng)力的原因，輥身區(qū)域極易造成接觸疲勞，使用壽命大大縮短，支承輥還未到期更換就已經(jīng)形成了疲勞裂紋，支承輥繼續(xù)工作，疲勞裂紋會繼續(xù)擴展，最后形成小麻坑（一般小的芝麻粒大小，大的有黃豆粒大小），這種坑狀脫落一般比較明顯，肉眼可以直觀并且有十分明顯的手感。由于形成的小麻坑是凹坑，在循環(huán)應(yīng)力作用下，每次接觸弧經(jīng)過麻坑時，在麻坑周圍會加劇應(yīng)力集中，這種應(yīng)力集中亦會加劇疲勞裂紋向輥徑向和圓周向擴展，直至造成大面積輥面脫落，這種疲勞脫落在支承輥上十分普遍。

2.4 我廠四輥1850mm軋機支承輥剝落的主要原因

冷軋廠一號1850mm軋機支承輥設(shè)計使用材質(zhì)為Cr3鍛鋼，輥身主要尺寸?1270～1230×1850mm，輥型為凸輥（凸度為+0.1mm），工作輥也是凸輥（凸度為0.05mm）。支承輥輥身剝落位置大部分處在輥身中部向兩側(cè)逐漸減少，主要集中在輥身中部，寬度約600mm～900mm較為集中，該位置正好對應(yīng)支承輥與工作輥輥型凸度中部最高點，見圖3。

圖3 冷軋廠軋機支承輥與工作輥接觸弧線示意圖

我廠支承輥輥身剝落區(qū)域主要集中在輥身中部，主要為密集的麻點坑居多，多為圓形大小Φ2mm～10mm，2mm～5mm深，發(fā)生輥面脫落的位置也相對集中在中部一米范圍內(nèi)，很顯然，我廠支承輥脫落的最主要原因是由于輥身疲勞所致。

原因分析有三個：第一，為實現(xiàn)硬合金軋制，我廠支承輥輥型選用正凸度，工作輥輥型也選用是正凸度，輥身中部一米范圍內(nèi)均是應(yīng)力較集中的區(qū)域，軋制過程中，循環(huán)應(yīng)力往復(fù)作用，工作輥彎輥實時調(diào)節(jié)，支承輥長周期使用，循環(huán)應(yīng)力往復(fù)頻次達到了支承輥的疲勞極限，形成裂紋，裂紋在循環(huán)應(yīng)力作用下不斷擴展而最終脫落。第二，我廠1850mm軋機是全油高速軋機，最高軋制速度1000（米/分鐘），因為來料裂邊，厚差波動等因素極易導(dǎo)致軋機斷帶，斷帶瞬間的應(yīng)力聚變造成輥身表層裂紋，這種裂紋不做探傷肉眼是不可能發(fā)現(xiàn)的，最終導(dǎo)致支承輥下機后上磨床正常磨削，磨削量較小不足以磨除因斷帶產(chǎn)生的隱性疲勞裂紋，下一周期上機使用時就可能發(fā)生剝落。我廠2017年報廢了一根支承輥，報廢原因即是由于斷帶導(dǎo)致的大面積輥身脫落。第三，我廠支承輥使用年限已有25年，直徑偏小，硬度偏低，疲勞極限已大大降低，在減少中間道次，增加壓下量的工藝需求下，發(fā)生疲勞麻坑的頻率變得越來越容易。2019年報廢了第二根支承輥，報廢原因即是由于輥徑偏小，硬度低，上機不足4天即出現(xiàn)帶材表面印痕，此印痕即是支承輥表面形成的疲勞麻坑印到工作輥上形成，無法正常使用而報廢。

3 應(yīng)對策略

支承輥的疲勞極限主要與工況有關(guān)，與的應(yīng)力狀態(tài)以及自身硬度有關(guān)聯(lián)，即硬度越高，疲勞極限越長，越不容易造成疲勞破壞，應(yīng)力越集中，疲勞極限越短，越容易造成疲勞破壞。針對我廠軋機工況與軋制工藝特點，提出以下幾點主要應(yīng)對策略：

（1）合理的軋制道次分配，減少軋制道次的同時兼顧軋制力，優(yōu)化工藝路線，杜絕某一中間道次軋制力超高的軋制工藝路線出現(xiàn)，保證帶材性能的前提下優(yōu)化各道次厚度分配，使各軋制道次軋制力均衡。

（2）保證工藝需求的情況下降低輥系凸度，減小最大接觸應(yīng)力。目前支承輥凸度已由0.12mm降低至0.08mm，工作輥凸度0.05降低至+0.03mm。

（3）我廠軋機支承輥設(shè)計硬度75HS～80HS，已使用25年，目前在線支承輥最小輥徑1240mm，輥面硬度67HS～70HS，硬度偏低，因此建議按設(shè)計要求考慮采購新支承輥。

（4）適當調(diào)整縮短支承輥更換周期至1個月，縮短換輥周期，能夠有效減少循環(huán)應(yīng)力頻次，避免軋制過程中達到疲勞極限。

（5）軋制薄料可能出現(xiàn)負輥縫，應(yīng)力在軋輥邊部集中，應(yīng)定期對工作輥，支承輥邊部倒角進行修繕。

（6）定期半年對支承輥進行一次超聲探傷，及時發(fā)現(xiàn)內(nèi)部損傷，避免重大生產(chǎn)安全事故。

4 結(jié)語

通過對我廠支承輥剝落的現(xiàn)場跟蹤與分析，經(jīng)過不斷的摸索，我廠通過優(yōu)化軋制工藝路線，摸索合理的軋制道次分配，降低輥系凸度，縮短支承輥使用周期、修繕輥系邊部倒角，嚴格執(zhí)行支承輥定期探傷等正對性措施，支承輥剝落現(xiàn)象得到了有效的控制，為工廠的可持續(xù)生產(chǎn)提供了意見和建議。