大型支撐輥斷裂原因分析及改進

張長宏

（萊蕪鋼鐵集團銀山型鋼有限公司，山東 濟南271104）

1 前言

某寬厚板生產線采用四輥雙機架布置，軋機最大軋制力90000 kN，最大彎輥力4000 kN，支撐輥輥身硬度HS 40～50，最大直徑2200 mm，材質為鍛鋼。該生產線年設計生產能力150×104 t，主要產品包括低合金高強度鋼、工程機械用鋼、管線鋼等。正常生產過程中，軋件突然出現大的鐮刀彎，在原因排查過程中發現，精軋下支撐輥傳動側斷裂。斷裂具體位置在輥身與輥頸過渡的大圓角處。軋輥斷裂后，通過IBA查詢工藝數據，事故發生時的軋制力為61000 kN，扭矩2300 kN·m，均在正常范圍之內。同時，軋制溫度、壓下量等工藝參數正常。從成分、組織及強度校核等方面對斷裂原因進行了分析。

2 斷裂原因分析

2.1 斷裂軋輥的成分

由于各生產線的工藝狀況不同，軋輥的技術要求通常在訂貨的技術協議中明確，對成分不做具體要求。本支撐輥為生產線建設期間的隨機軋輥，無法通過原始產品合格證確定材質及詳實的成分，僅知道為鍛鋼材質。利用斷裂的碎片對其成分進行分析，具體成分見表1。

表1 斷裂支撐輥成分（質量分數）%

通過分析，確定軋輥材質為Cr2型鍛鋼。雖然各廠家在成分設計時有所差異，但是Si的含量只有0.06%，與通常設計相比明顯較低。Si在鋼的冶煉過程中通常做脫氧劑使用，作為合金元素時，其質量分數一般不低于0.4%，以固溶體形態存在于鐵素體或奧氏體中提高鐵素體強度［1］。根據國內大型鍛造軋輥標準顯示，Si應該在0.4%～0.6%；但有文獻指出，對于有特殊要求的鍛件采用低Si設計，采用真空脫氧技術能夠有效提高構件的使用壽命［2］。對于低硅鋼種的冶煉，采用Al脫氧劑生產具有鋼液高純凈度的優勢［3-5］。

2.2 組織分析

利用碎片對斷裂處的組織進行分析，金相組織如圖1所示。

圖1 金相組織

可以看出，斷輥的近表面組織主要是回火馬氏體、質點狀碳化物以及很少量的顆粒狀碳化物。芯部組織主要是片狀珠光體、部分細粒狀珠光體及少量的顆粒狀碳化物，組織情況正常。同時，對輥頸進行了探傷檢測，未發現皮下氣泡及裂紋。

2.3 硬度檢查

軋輥硬度是重要指標，對其強度、抗疲勞性均有較大的影響。對斷輥傳動側、操作側輥頸硬度進行了檢測，從輥頸端面起每隔200 mm左右打一點，硬度結果具備明顯的對稱趨勢，從輥端到過渡圓角逐步降低，測量結果如圖2所示。輥頸根部硬度很低，僅為HS 31～33，通常設計在HS 40～45，可能與輥面淬火時對輥頸的保護不當造成交界處的溫度過高有一定的關系，現在的差溫淬火可以有效地解決這個問題，避免交界處圓弧的硬度降低。

圖2 輥頸硬度測量情況

2.4 輥頸強度校核

2.4.1 抗拉強度校核

設計軋機時，通常是按工藝給定的軋制負荷和軋輥參數對軋輥進行強度校核。由于對影響軋輥強度的各種因素（如殘余應力、沖擊載荷等）很難準確計算，為此對軋輥的彎曲和扭轉一般不進行疲勞校核，而將這些因素的影響納入軋輥的安全系數中。由于四輥軋機一般由工作輥傳動，因此對于支撐輥只計算輥身中部和輥頸斷面的彎曲應力。四輥軋機支撐輥計算簡圖見圖3。由于本次斷裂發生在輥頸斷面處，因此，只校核1-1、2-2斷面的強度。

圖3 四輥軋機支撐輥計算簡圖

對支撐輥輥頸斷面的彎曲應力進行校核計算，在輥頸1-1斷面和2-2斷面上彎曲應力σ1-1、σ2-2分別為95.16、96.68 MPa，均滿足強度條件。同時，當圓角為一段簡單的圓弧時，應力集中系數k與h/d（輥肩高度/輥頸直徑）及r/d（圓弧半徑/輥頸直徑）有關。根據軋輥的具體尺寸，確定圓角應力集中系數k為2.13。軋輥材料Cr2的抗拉強度σb為1280 MPa，屈服強度σs1150 MPa［6-8］，由此可得安全系數n為6.22。

2.4.2 疲勞強度校核［9］

由經驗公式可知Cr2型鍛鋼的疲勞強度σ-1為559 MPa，同時查表得出軋輥尺寸系數ε為0.58，表面系數β為1，計算得疲勞安全系數nσ為1.57。通常，抗拉強度校核安全系數在6以上，疲勞安全系數在1.2以上。因此通過以上的理論校核，軋輥的抗拉強度、疲勞強度滿足要求。

2.4.3 有限元校核

建模及邊界條件的確定。在有限元模型中建立支撐輥的1/4模型，并設置坐標系，如圖4所示。

圖4 支撐輥有限元模型

設置材料彈性模量為211680 MPa，泊松比為0.3，采用純彈性模型。由于模型為1/4模型，故在模型的Z和Y方向對稱面上施加對稱約束。由于支撐輥承受簡支約束，因此使軸承裝配面與簡直支點耦合，并約束支點X和Y方向位移。考慮軸承約束面大小對計算模型的影響，選擇如表2所示的3種不同的軸承約束面方案。

表2 3種軸承約束面方案

仿真結果及分析。根據建模及邊界定義，利用軟件對支撐輥進行仿真分析，其應力狀況見圖5。

圖5 支撐輥應力云圖

為了比較3種方案圓角處應力變化，首先定義輥身與輥頸處的兩個過渡圓角Ra、Rb，具體位置如圖6所示。

圖6 軋輥圓角位置示意圖

從3種方案圓角處應力情況可以看出，隨著約束面面積減小兩個圓角處的應力值趨于穩定。由于軸向力無支反力，Z方向的支反力很小，X方向為軋制力的1/4，滿足簡支約束條件。故兩處圓角的應力分別為306、196 MPa。

最后將最大圓角應力代入強度校核公式，可得到安全系數：抗拉強度安全系數n為4.18，疲勞安全系數為0.9。故依據有限元結果得到的彎曲強度安全系數、疲勞安全系數分別小于常規設計的6、1.2，存在較大的使用風險。

3 結論

3.1 輥頸根部強度過低或過渡圓弧較小可能是導致其斷裂的主要原因。此處軋鋼過程中應力集中最大，在交變應力作用下，該處表面首先產生疲勞裂紋并逐漸向心部擴展。當裂紋過深，該處機體強度抵御不了軋制壓力時，產生瞬時斷裂。

3.2 軋輥在熱處理階段受熱處理裝備條件的影響，輥頸、輥身交接處溫度高，降低了材料的強度。

3.3 傳統的軋輥強度校核已不能滿足現場的需要，軋輥設計階段應進行有限元的校核，驗證軋輥的薄弱環節，并進行合理的設計，提高軋輥的安全使用水平。

4 改進措施

對軋輥材質進行改進，采用高強度鍛鋼。目前多數大型支撐輥已采用Cr3及以上材質，滿足了寬厚板板品種的開發及穩定順行的需求；對輥頸的硬度提高，由原來的HS 35～40提高到HS 45～50；合理設計軋輥的變徑倒角值，減少軋輥的應力集中，降低裂紋源產生的風險；加強軋輥管理，定期對軋輥的輥頸、輥身交界處進行探傷檢查，發現裂紋及時進行處理，避免出現斷輥等嚴重事故。