國內某鋼廠支承輥R 圓弧根部裂紋檢測時輥端位置確定

趙 亮，劉永鋒

（1.軋輥復合材料國家重點實驗室，河北 邢臺 054025；2.中鋼集團邢臺機械軋輥有限公司，河北 邢臺 054025）

國內某鋼廠熱軋軋線支承輥的輥頸斷裂事故接連不斷，平均每月達到了6 起左右的斷輥事故。2012年10 月，中鋼集團邢臺機械軋輥有限公司（以下簡稱中鋼邢機）為某鋼廠提供產品及服務，結合現場的鋼材軋制情況以及支撐輥的使用規程，通過對支撐輥材質和制造工藝的雙項優化，雖然實現了輥頸強度的最大化，但是在運行過程中發現斷輥事故仍然不斷發生。為了減少支撐輥斷輥事故的發生，加強支撐輥輥頸部位的超聲波檢測，通過檢測情況和分析判斷，指導現場支撐輥的使用。

1 某鋼廠熱軋軋線的基本情況

某鋼廠熱軋產線2009 年建成投產，主要以軋制鎳合金及不銹鋼材料，年生產能力80 萬t 左右。某條軋線配備蓄熱煤氣連續推鋼式加熱爐，鋼坯在爐內加熱溫度為1 150 ℃～1 250 ℃。熱軋軋機為半連軋軋機，分為1 架粗軋和8 架精軋：1RM+8FM。粗軋機組由立輥軋機（CL）和二輥平輥可逆軋機（CP）組成，鋼坯經過5-7 個道次軋制后，粗軋機組將鋼坯由170 mm 左右軋到厚度為20～30 mm 的中間坯，進入后續除鱗和精軋機組。根據所軋制帶鋼厚度的不同，為保證精軋質量，進入精軋機的中間坯溫度應在1 050～1 120 ℃之間，在輥道上加保溫罩，經過鼓式飛剪切頭后，進入精軋機組開始軋制。精軋機組由1架立輥（JL）和8 架四輥平輥軋機（JP1-JP8）組成，最高軋制線速度為15 m/s，通過張力調節系統使帶鋼在微張力、恒張力狀態下軋制。帶鋼最終軋制溫度在950 ℃以上，帶鋼頭部從精軋末架出來，經輸出輥道送往卷取區。某條軋線軋機（立輥+2 輥可逆粗軋+立輥+8 機架4 根精軋）的布置見圖1。

圖1 軋機布置圖

2 支撐輥輥頸斷裂的原因

支撐輥作為軋機各機架軋制中增加工作輥的剛度，防止工作輥在軋制過程中因變形影響板材質量的重要工件，其直接或間接的承載了軋制力的負荷，要求支撐輥的強度和軋制力匹配度很高。早期國內建設的熱軋板帶軋機，在軋制過程中軋制力較小，支撐輥的選擇方面對強度的要求也就不用太高。隨著鋼鐵軋制技術的進步，鋼材品種強度的逐漸提高，軋制過程中對軋制力的要求也越來越高，對支撐輥在使用過程中的要求、檢測和維護的要求同樣越來越高。

支撐輥在軋制過程中，一方面需要承受很多的彎曲應力和摩擦力；另一方面輥身表面需要長期承受沖擊、摩擦、異物等軋制多種現象。常見的幾種支撐輥失效形式：輥面壓痕、粘鋼、掉肩、輥身掉肉、輥頸斷裂等。

對應某鋼廠熱軋現場經常發生輥頸斷裂的實際情況，通過長期跟蹤檢測分析得出的主要原因為施加的軋制應力超過輥頸的材料強度而產生的。軋制過程中，帶鋼上的壓下量來自于施加到輥頸上的軋制力。因此，軋輥上的每個點都在張應力和壓應力之間循環。位于離中心線最大距離的輥頸表面各點承受了最高的張應力和壓應力。沿著輥頸上的直徑變化，這種應力可集中在輥頸表面不同的位置。這通常位于旋轉彎曲應力較高的輥頸區域，如果施加在這位置上的軋制壓力大于應力集中點材質的抗拉強度，就會形成圓周向表面裂紋。然后這些裂紋通過疲勞方式在橫截面徑向彌散，直到周圍材料的強度降到輥頸斷裂發生的程度，斷輥發生。為進一步避免或減少支撐輥輥頸斷裂的情況發生，中鋼邢機從支撐輥生產工藝設計、材料強度提升、制造工藝優化、R圓弧位置改進等多種方式進行研究和試驗。

3 支撐輥輥頸斷裂位置判斷

中鋼邢機結合某鋼廠熱軋現場的鋼材軋制情況以及支撐輥的使用規程，通過對支撐輥材質和制造工藝的雙項優化，材質由原來的Cr5 鑄鋼改為Cr5鍛鋼，R 圓弧尺寸由原來的R80 擴大到R120，再到后期的R150。但是，在運行過程中發現斷輥事故仍然不斷發生，且斷裂位置基本位于R 圓弧與輥頸過渡處，為了更進一步的減少斷輥事故發生，采取了軸向穿透檢測，通過長期進行的軸穿檢測，掌握了R圓弧處裂紋擴展動態，了解了異常波與正常波的區別。

長期以來，軸穿檢測時探頭在輥頸端面所處的位置都是依靠經驗掌控，一般以1/3 圓周處作為檢測點，聲速按照5 700～5 900 m/s 進行控制，未采取過任何理論核算與驗證，這樣以來，可能忽略了不同備檢材質的參數設定。結合某鋼廠熱軋現場支撐輥情況，針對超聲波軸穿時束狀散射情況進行了簡單分析，查詢了相關超聲波檢測書籍資料，學習了《超聲波探傷教材》，得知圓形探頭檢測時其散射角度與探頭直徑、頻率以及材質的傳播速度有關，公式如下：

式中：θ0為半擴散角，即半徑方向的擴散角度；λ 為波長；RS則為探頭半徑，因為λ=v/f，即波長等于傳播速度與頻率之比，作為某鋼廠熱軋現場使用的探頭頻率為2 MHz，直徑為Φ24 mm，聲速為5 900 m/s，那么λ=v/f=5 900×103/（2×106）=2.95 mm，從而得到sinθ0=（1.22×2.95/24）≈0.15，查到所對應的角度為8.6°，因此擴散角θ0為8.6°（見圖2）。

圖2 探頭位置示意圖（mm）

如果按照8.6°的半擴散角反推探頭所處的位置，位置L=（275+365+590）tanθ0-（570-458）/2=130 mm，因此探頭所處的位置應某距輥端外沿的130 mm處，而按常規的1/3 圓周計算則為458/3=153 mm，因此存在著少量的偏差。

4 某鋼廠熱軋軋線支撐輥使用指導

結合以上檢測位置的推理計算，以及長期對現場支撐輥的超聲波檢測判斷。整體Cr5 鍛鋼支撐輥穿透性良好，選取2 MHz 頻率的直探頭，會在R 圓弧位置變徑處產生反射波，而一旦有裂紋產生，將會在正常反射波前方再產生一束波，即稱雙波（見圖3），根據雙波高低來判斷裂紋的擴展情況，并進行顏色預警劃分，前波低于后波，稱為黃色預警（見圖4），一般使用于F3-8 機架，前波高于后波，稱為紅色預警，一般使用于F5-8 機架。

圖3 黃色預警軋輥波形圖

圖4 紅色預警軋輥波形圖

5 結論

經過計算論證，基本確定了某鋼廠熱軋支撐輥R 圓弧根部斷裂位置，掌握了軸穿檢測探頭應某所處的位置。通過對現場周轉支撐輥的檢測，基本驗證了以上結論，并確定了定期檢測的支撐輥專項措施，以保障軋輥的正常使用，減少使用風險。