十一輥熱矯直機矯直輥輥面掉塊成因及改進

劉開海

（福建省三鋼（集團）責任有限公司中板廠，福建 三明 365000）

三鋼中板廠軋線上設一臺十一輥熱矯直機，用于矯直鋼板在軋制及控冷工序中出現的波浪和瓢曲。隨著軋制節奏的加快及鋼種的升級，2020年三鋼熱矯直機主體結構已由機械壓下改造為全液壓壓下，矯直力由23000KN提升至30000KN。全液壓壓下矯直機具有精度高、鋼性強等特點，在矯直時，其輥系上矯直輥的矯直作用力更大，出現了以往少有的輥面掉塊缺陷。2020年上輥系矯直輥共發生7次輥面掉塊缺陷，直接影響到板面質量。本文對熱矯直機的矯直輥的使用工況及性能進行探索，分析矯直輥掉塊的成因及其對策。

1 熱矯直機輥系結構特點

三鋼3000mm熱矯直機輥系主要部件參數。

矯直輥數：十一根（包括上矯直輥5根；下矯直輥6根，含2根邊輥）。

矯直速度：0～±1.8m/s。

矯直輥規格：φ285×3000mm。

矯直輥輥距：300mm（邊輥輥距375mm）。

矯直輥材質：堆焊件，母材：X40CrMoV5-1。

矯直輥輥面硬度：55±2HRC。

支撐輥輥徑：Φ285mm。

支撐輥排數：矯直輥下5排，邊輥下3排。

支撐輥數量：上排5×5=25下排4×5+2×3=26。

支撐輥材質：堆焊件，母材：55NiCrMoV7。

支撐輥輥面硬度：48±2HRC。

十一輥熱矯直機輥系分為上輥系及下輥系兩部分，含11件矯直輥、51件支撐輥。每根矯直輥由數根支撐輥支承，矯直輥下5排，邊輥下3排。在矯直過程中所產生的矯直力，通過矯直輥傳遞到支撐輥軸承座上。支撐輥軸承座通過螺栓將其緊緊貼合在輥座上，最終將矯直力傳遞到機架本體上。為了矯直輥在矯直過程中的穩定性，支撐輥偏移矯直輥軸線一個距離，偏移量為35mm 。如圖1所示。

圖1 輥系結構簡圖

上輥系共有矯直輥有5根，從入口開始標識為2#、4#、6#、8#、10#矯直輥。下輥系有矯直輥有6根，從入口開始標識為1#、3#、5#、7#、9#、11#矯直輥，1#、11#矯直輥也稱為邊輥。

2 熱矯直輥掉塊成因分析

矯直輥處于冷熱交替工作環境，熱脹冷縮頻繁。熱矯直機對鋼板進行熱狀態矯直時，鋼板的溫度在600℃~850℃。矯直時矯直輥輥面溫度達300℃~400℃，矯直后矯直輥受內外冷卻水的作用，輥面溫度降至100℃~200℃。2020年，三鋼中板廠熱矯直機矯直輥共發生7次矯直輥掉塊缺陷，位置分別為4#、6#矯直輥各三次，8#矯直輥一次，掉塊位置距矯直輥中心線800~1300范圍內，掉塊尺寸為50mm（寬度）×7mm（深度），缺陷部位呈兩側薄中間厚的片狀剝落，直接影響鋼板表面質量，致停機更換輥系。

圖2 矯直輥掉塊缺陷

造成矯直輥掉塊缺陷因素是多方面的，下述將對矯直輥矯直力、矯直輥制造工藝、鋼板矯直工藝等主要方面進行分析，查找原因并制定措施。

2.1 矯直輥矯直力分析

矯直過程中，輥系各矯直輥都受到大小不等的反矯直力。根據矯直原理[1，2]，各矯直輥受力，見圖3。

圖3 各矯直輥上矯直力

簡化計算公式得：

式中：Ms為塑性彎曲力矩，N*m；Mw為彈性彎曲力矩，N*m；σs為鋼板屈服強度，MPa；b為鋼板寬度，mm；h為鋼板厚度，mm；t為輥距，mm。

從以上公式計算可得F1：F2：F3：F4：F5：F6：F7：F8：F9：F10：F11=1.5：4.5：6.0：5.8：5.3：3.0：4.8：4.3：4.0：3.0：1.0，即輥系在矯直鋼板時，3#矯直輥受到的矯直力最大。3#矯直輥位于下輥系未發生掉塊缺陷，因此我廠現階段矯直鋼板產生的矯直力并非為造成矯直輥掉塊缺陷的主要原因。

2.2 矯直輥制造工藝分析

由于矯直輥是在高溫潮濕的環境下進行工作，現國內矯直輥都是采用焊接復合制造，工作面由合金元素約20%含量的高合金不銹鋼焊絲堆焊而成。矯直輥輥身結構由三部分組成：母材、過渡層（厚為6mm）、合金層（厚為6mm~8mm）。

矯直輥掉塊尺寸為50mm（寬度）×7mm（深度），與矯直輥輥面扁形焊絲單道次堆焊寬度50mm一致，深度7mm與硬質合金層厚度（6mm~8mm）一致，因此掉塊缺陷實際為單道次焊道的合金層與過渡層剝離脫落。掉塊長度方向表面硬度為62HRC~64HRC，掉塊寬度方向表面硬度為53~54HRC，相差約10HRC。按照金屬材料的一般規律：硬度與延伸率成反比，即硬度越大延伸率越小，過小的延伸率使之輥面的材質韌性降低，當輥面在作業過程中受到來自外界的點狀擠壓，而無法延伸（退讓）時，容易產生微狀裂紋，附合現場現象。其次矯直輥在制造中因輥坯鍛打、熱處理工藝的偏差等材質處理的過程中內部出現微裂紋，而沒有得到及時的發覺和處理，輥子裝機作業中，受到外界冷熱交替的頻繁影響，使初期的微裂紋不斷擴大、外延，以上反映于舊矯直輥在堆焊修復前進行車削堆焊層后，通過磁粉探傷時發現堆焊層上有眾多小裂紋，符合實際現象。

2.3 輥系裝配分析

每根矯直輥上有5根支撐輥交錯分布，如圖4所示。

圖4 矯直輥與支撐輥位置簡圖

每根矯直輥上有5根支撐輥交錯分布，矯直輥輥面掉塊位置都是位于與支撐輥輥肩接觸位置。輥系使用過程中，會有以下現象：首先，矯直輥在矯直鋼板時，特別是矯直控冷板時因板頭、板尾、板兩側邊溫度底及同板差，在同一矯直輥縫時其局部矯直力會瞬間變大，造成矯直輥與支撐輥磨損不一。其次，矯直輥輥面作業率不一樣，輥面中間位置因不受鋼板寬度影響，作業率高，而兩側輥面使用率較低，因此同一根矯直輥與其支撐輥磨損不一樣。最后，輥系使用一定周期后，矯直輥兩軸承座兩側端會磨損產生間隙，從而使矯直輥中心線不平行，使支撐輥輥身成圓錐體，輥肩成棱邊，從而產生軸向力而發生竄動，對矯直輥輥面造成應力集中，因此靠近鋼板兩邊部的矯直輥輥面更易發生掉塊現象，測量現場使用后的同一根矯直輥上支撐輥輥徑尺寸差值達1mm。同一根矯直輥不同位置輥徑尺寸差值達0.7mm正好反應以上工況，附合現場掉塊成因，造成了矯直力瞬間越過了輥面材質的承受能力輥面，使輥子內部裂紋變大，甚至合金堆焊層與過渡層發生蠕動、剝離。

2.4 矯直機矯直工藝分析

矯直輥掉塊缺陷發生在4#和6#矯直輥上的次數，占了總掉塊次數比例的86%。4#和6#矯直輥與其他矯直輥的區別在于兩者位于兩電機傳動的交接處。矯直機入口5根矯直輥由一臺電機帶動，出口6根矯直輥由另一臺電機帶動，兩臺電機通過電氣同步。但在實際矯直鋼板過程中，特別是矯直控冷板尾部由于矯直輥間距的限定及鋼溫不足，尾部長度方向200mm無法實現彈塑性反彎矯直，因此翹尾部分在正反矯時易對矯直輥產生打滑，特別是兩電機的交接處4#和6#矯直輥，在鋼板頭尾在交接位置時，其進出瞬間由于負荷不平衡及電機速差值都會造成兩電機相互拉扯，加劇了矯直輥與鋼板打滑幅度，從而造成已產生裂紋的合金層產生蠕動、擴大從而剝落。

3 改進措施

三鋼熱矯直機矯直輥內部堆焊層小裂紋主要是產生于矯直輥堆焊修復過程中，而在現場使用過程中因輥系磨損及鋼板翹頭及翹尾造成了合金層焊道次裂紋的擴大及剝落。要消除矯直輥面掉塊現象，要從矯直機矯直輥堆焊工藝、輥系裝配工藝及矯直工藝上進行改進。

3.1 優化矯直輥輥面堆焊工藝

合理控制矯直輥的硬化層，一方面要避免矯直輥車削后硬化層的強度不足、硬化層太薄和內部基體的結合力小而造成的硬化層剝落。另一方面又不能太厚，太厚會使表面熱處理工藝困難，且淬硬層厚度太大，就很很難達到表面的高硬度，同時成本也增加。為此三鋼中板廠決定將矯直輥輥面淬硬合金層厚度定為10mm~12mm，整體抗拉強度強且有效使用厚度為6mm，使其滿足矯直600℃~850℃鋼板的長期運行，同時具備耐高溫、高耐磨、高強度、高硬度、耐腐蝕(水氣)、防蠕變、防粘結(氧化皮)、高疲勞強度(防網狀裂紋和剝落)、可焊工藝性好等綜合技術性能。其次將原扁平式焊條改成圓形焊條，減少單道次焊接寬度由50mm減至15mm，提高焊縫質密性，保障焊接性能。

強化對輥子母材的檢驗。對輥子堆焊前進行反復多次的超聲波、磁粉、著色探傷，將輥子母材上的裂紋缺陷予以消除，確保母材焊接前無裂紋。

3.2 優化支撐輥輥結構及其與矯直輥輥面硬度分配

對支撐輥輥子兩端進行R8的倒圓角，減少支撐輥輥肩對矯直輥輥面造成的應力集中，同時在其使用周期內，定期對支撐輥軸承座及矯直輥軸承座進行加墊調整，確保矯直輥與各支撐輥輥面間隙在0.05~0.10范圍內，確保矯直輥軸承座間間隙小于0.5mm，減少矯直輥與支撐輥之間的軸向力。

在保證矯直機矯直輥輥面硬度又不影響其延伸率，將輥面硬度調至53±2HRC，同時調整矯直輥與支撐輥的硬度差，將兩者硬度差控制在6HRC~8HRC，減少支撐輥在矯直過程中對矯直輥的磨損。

3.3 優化矯直工藝

在現有的鋼板軋制工藝的前提下，對矯直工藝進行優化、調整。首先，減少首道次矯直壓下量以實現對鋼板的粗矯，實現減少鋼板頭尾對矯直輥輥面的撞擊。其次，矯直過程分為咬鋼、矯直、拋鋼，通過降低矯直時的咬鋼速度及拋鋼速度，減少鋼板翹頭與翹尾進出矯直機時對上輥系各矯直輥輥面的撞擊。最后，平衡兩電機負荷與轉速，即要滿足鋼板頭尾在進出輥系時，兩臺主電機負荷相近又要減少兩電機速差，進而減少上輥系兩交接處4#、6#矯直輥因速差的沖擊，減少硬度層裂紋進一步擴大及剝落的機率。

4 實施效果

去年三鋼中板廠通過以上措施對矯直機矯直輥進行系統性優化，2021年以來未發生矯直輥掉塊缺陷，取得了顯著成效，有效保障了矯直鋼板的表面質量，提高了矯直機輥系的穩定性。將矯直輥單次裝機使用壽命由1個月提升至3個月，每年可直接節約因矯直輥掉塊造成的鋼板矯廢及輥系修復費用共80萬元。

5 結語

隨著矯直鋼種的不斷升級，全液壓壓下矯直機上的輥系面臨更大的挑戰。矯直輥掉塊缺陷產生的原因是多方面的，但主要原因還是國產矯直輥制造技術的不足，其與進口矯直輥制造工藝還有很大的差距。國產矯直輥材質及制造工藝還需結合現場實踐進一步研究、改進，以提高國產矯直輥的使用壽命及市場競爭力。