热轧带钢精轧辊的正确使用及其失效原因分析

热轧带钢精轧辊的正确使用及其失效原因分析刘绍昌１，郝耀华２，刘建民２，安跃良２，焦玉胜３（１．鞍钢重型机械有限责任公司轧辊厂。辽宁鞍山１１４０２１；２．安阳钢铁股份有限公司．河南安阳４５５００４；３．南煤集团机械制造公司，山西阳泉０４５０００）摘要：介绍了热轧带钢轧辊常规使用与维护技术要求，分析轧辊在使用过程中出现的剥落、断裂、裂纹等失效形式的特征及产生原因，并给出了合理的纠正与预防措施，以减小轧辊失效带来的损失。关键词：精轧辊；失效形式；热轧带钢中图分类号：ＴＧ２５０．６・文献标识码：Ａ文章编号：１００３—８３４５（２００９）０３—００５７－０６ＣｏｒｒｅｃｔＵｓａｇｅｏｆＲｏｌｌｅｒｓｆｏｒＨｏｔＶｔｎｔｓｈｔｎｇＲｏｌｌｉｎｇｏｆＳｔｒｉｐＳｔｅｅｌａｎｄＲｅａｓｏｎＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＲｏＨｅｒＦａｉｌｕｒｅＬＩＵＳｈａｏ—ｃｈａｎｇＩ，ＨＡＯＹａｏ－ｈｕａ２，ＬＩＵＪｉａｎ－ｍｉｎ２，ＡＮＹｕｅ－ｌｉａｎｇ：，ＪＩＡＯＹｕ－ｓｈｅｎ９３１１４０２１，Ｃｈｉｎａ；２．ＡｎｙａｎｇＩｒｏｎ（１．ＲｏｌｌｅｒＰｌａｎｔ，ＨｅａｖｙＭａｃｈｉｎｅｒｙＣｏ．Ｌｔｄ．，ＡｎｓｈａｎＩｒｏｎａｎｄＳｔｅｅｌＣｏ．Ｌｔｄ．，ＡｎｓｈａｎＳｔｅｅｌａｎｄＣｏ．Ｌｔｄ．，Ａｎｙａｎｇ４５５００４，Ｃｈｉｎａ；３．ＭａｃｈｉｎｅｒｙＣｏ．ｈｄ．，ＮａｍｅｉＣｏａｌＧｒｏｕｐＣｏ．Ｌｔｄ．，Ｙａｎｇｑｉａｎｗｅｒｅ０４５０００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｅｃｈｎｉｃａｌｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｆｏｒｎｏｒｍａｌｕｓａｇｅａｎｄｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅｏｆｔｈｅｒｏｌｌｅｒｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅｆａｉｌｕｒｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｌ七ａｓｏｎｓｏｆｐｉｌｌｉｎｇｏｆｆ，ｆｒａｃｔｕｒｅａｎｄｃｒａｃｋｉｎｇｗｈｉｃｈｏｃｃｕｒｒｉｎｇｉｎｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆｒｏｌｌｅｒｓａｎｄｔｈｅｉｒｏｒｄｅｒｔｏｗａ￥ａｎａｌｙｚｅｄａｎｄ，ｉｎｗｅｒｅｒｅｄｕｃｅｔｈｅｅｃｏｎｏｍｉｃｌｏｓｓｃａｕｓｅｄｂｙｒｏｌｌｅｒｆａｉｌｕｒｅ，ｓｏｍｅｐｒｏｐｅｒｃｏｒｒｅｃｔｉｎｇａｎｄｐｒｅｖｅｎｔｉｎｇｍｅａｓｕｒｅｓｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｆｉｎｉｓｈｉｎｇｒｏｌｌｅｒ；，ｆａｉｌｕｒｅｍｏｄｅ；ｈｏｔｒｏｌｌｉｎｇｓｔｒｉｐｓｔｅｅｌ收稿日期：２００９－０４—１４修定日期：２００９－０５－－０４轧辊生产者虽不断提高轧辊的综合性能，但轧钢操作者若不能正确使用与维护轧辊，也可导作者简介：刘绍昌（１９６２一），男，汉族，辽宁鞍山人，毕业于锦州工学院ｆ辽宁工业大学１铸造工艺及其设备专业．高级工程师，一直致轧辊使用寿命下降或丧失其使用功能。轧辊制造、使用与维护是一个系统科学。从事轧辊生产技术、工艺制定及新材料应用研究方面的工作。３．３其它措施设出气冒口；保证炉料、芯撑等干净，干燥；保证金属液流顺畅不受阻挡、平稳地充填铸型；控制浇注温度在１３８０．Ｉ４２０浇注位置开设适当，确保铁液顺畅、平稳地流入型腔，避免产生涡流而卷入气体。浇注速度合适，保证气体有足够的时间排出。不允许通过原材料携带水分、油脂、铁锈、铝锈等含氢材料进入熔炉，以尽量减少气体元素溶人金属液中。使用的芯撑也要避免锈蚀，并保证其干燥。砂型及砂芯上刷涂醇基涂料，可减少形成氮析出气孔的倾向性。ｏＣ；等，是解决气孔缺陷的有效措施。对于Ｚ３０４０Ｘ１６主轴箱体，采用上述工艺措施后，生产多件，气孔缺陷明显减少。其它主轴箱体也采用此种工艺，大平面处均很少有气孑Ｌ产生。参考文献【ｌ】陈国桢，肖柯则．铸件缺陷和对策【Ｍ】．北京：机械工业出版社，１９９６．４结束语铸件产生气孔主要是型芯砂的发气量大，砂芯排气不畅，铁液温度降低时，气体溶解度降低，产生的气体不能顺利排出所致。因此，浇注时不能断流，避免卷入气体；浇注时必须引流，以保证气体顺利排出；做好砂芯、砂型的通气道；合理开【２Ｊ陈琦。彭兆弟．铸造技术问题对策【Ｍ】．北京：机械工业出版社，２００１．３．【３】中国机械工程学会铸造分会．铸造手册第１卷‘铸铁【Ｍ】．北京：机械工业出版社，２００２．１．囊ｅ曹ｔ（编辑：袁亚娟，Ｅ—ｍａｉｌ：ｘｄｚｔ—ｙｙｊ＠１２６．ｃｏｍ）现代铸铁２００９／３５７万方数据１轧辊使用与维护技术要求轧辊在轧制服役过程中与高温轧制材料接触，既要承受轧制压力、扭曲力作用，还要承受机械冲击、机械磨损与热作用。各种因素综合作用一旦处理不当，极容易引发轧辊疲劳，导致轧辊失效发生ｆⅧ。１．１轧辊使用的技术要求新辊使用初期的综合性能最佳，轧材质量最稳定。轧辊配对使用时，严格遵循上、下辊直径偏差在０．０５～０．１５ｍｍ，在这种状态下，能够减轻带材对轧辊的瞬时冲击力过大，保护辊面不受伤害。轧制冷却水要均匀、连续、足量对轧辊进行有效冷却，常规热轧带钢轧机冷却水量应维持在４００～６００ｍ％【ｌＪ。轧辊在轧制服役过程中，轧辊表面温度控制在５５℃以下最佳。异常情况下，高铬铸铁轧辊辊面温度最高不得超过６０℃，镍铬无限冷硬铸铁轧辊辊面温度不得超过６５℃。辊温过高，辊面易出现热疲劳或改变辊形曲线。每次轧辊上机前必须将轧辊表面各种缺陷（主要是龟裂纹）去除掉。即使无龟裂纹，也要将辊面疲劳层去除。轧辊上机一次使用与修复（包括磨损、疲劳层去除与辊形修复）的磨削总量一般为０．３５一Ｏ．６０ｍｍ为宜。正确合理使用轧辊，建议轧辊每次上机轧制轧材总量在ｌ８００—２４００ｔ为宜（按轧制长度标定，每轧制４０。６０ｋｍ换辊一次）。过量轧制，将造成轧辊过度磨损和微裂纹加深，增大二次磨削量，轧辊消耗增高的同时，也会导致板材质量（粗糙度、平整度、尺寸精度、厚度偏差）的严重下降。１．２轧制故障处理及轧辊维护当轧制过程中冷却水系统发生故障或出现轧制事故时，为避免形成较深的龟裂纹，应尽快关闭冷却水流；轧辊下机后要进行全方位质量检查，将龟裂纹等表面缺陷彻底磨削掉。轧辊严禁激冷、激热。下机轧辊应首先存放在缓冷坑（或冷却装置）慢慢冷却，待轧辊彻底冷却至常温后再进行磨削，否则磨削出的轧辊曲线不真实。轧辊上机前预热温度２５—４０℃，预热时间２．４ｈ。定期对轧辊进行探伤，检查轧辊表面、内部Ｉ现代铸铁２００９／３万方数据组织与结合层的质量。保证轧辊能够正常周转使用，建议按“一配七”备辊，提高轧辊抗事故风险性。建立完整的轧辊使用记录，全面标记轧辊辊号，使用机架部位，上下机磨损、磨削数据，轧材品种，轧材量，轧制公里数，轧辊质量状况等相关信息，并定期对轧辊使用数据结果进行统计分析。２轧辊失效形式分析轧辊失效形式主要有剥落、断裂、裂纹等。２．１轧辊剥落失效轧辊剥落失效，有工作层剥落、压力裂纹和带状疲劳剥落、辊肩脱落等几种形式。２．１．１轧辊工作层剥落（１）特征：以工作层组织材料剥落为特征，始于工作层或工作层与芯部界面以下的芯部材料，并从辊身表面劈开。在剥落的深处可以看到不同深度疲劳线，扩展方向是从芯部向辊身表面传播（如图１、图２所示）。（２）原因：图１是因工作层深度不够而引起的，图２可能是轧辊在口环承受高轧制负荷导致芯层材料压力过高，超过了材料疲劳极限，引起芯部材料逐渐弱化造成的，或是轧辊外层材料与芯部材料冶金结合不好造成的。５８（３）措施：常规轧辊单面工作层厚度要大于轧辊单面使用报废厚度５。１０ｍｍ。轧辊上机使用前，用超声波对轧辊工作层厚度进行探伤检查确认，可有效防止类似问题发生。对发生过轧制事故的轧辊，应进行１００％裂纹探伤检测。轧辊在采购时应向轧辊制造者提供有关轧制负荷的相关信息及轧辊使用过程中曾出现过的各种问题，这样轧辊制造者会根据情况提供满足要求的轧辊。２．１．２压力裂纹和带状疲劳剥落（１）特征：在接近辊身的表面，初期有一条或多条裂纹在辊身局部过载处形成，这种裂纹总是与轧辊轴向平行，但以非径向方向扩展。随着轧制过程的继续，疲劳、像猫舌样的断裂带会逐渐向与轧辊旋转方向相反、平行于辊身表面、在轧辊工作层内环形方向发展并逐渐加深、加宽，最后覆盖辊身的表面层剥落（见图３、图４所示）。（２）原因：这种剥落是由于辊身局部过大的轧制负荷超过轧辊外层材料的抗剪切强度，而引发的早期裂纹，在持续的轧制过程中疲劳会继续引发裂纹的发展，进而导致辊身出现局部大面积掉肉，图５为裂纹发展演示【４１。（３）措施：每次轧辊下机后要进行常规裂纹探测检查（超声波、涡流、着色渗透法），可以识别万方数据１００％裂纹探测检查，并在下一次轧制前对轧辊（１）特征：辊肩脱落是指工作辊表层或次表圆弧处，见图６所示。（２）原因：辊肩脱落是因为辊肩压力过大，工现代铸铁２００９／３５９到危险的、初始裂纹存在，并在下次轧制周期前将其完全去掉，会避免轧辊剥落等重大事故的发生。在发生轧制事故后，建议立即换辊，进行进行适当研磨修复。另外还要适当控制轧制长度、及时清除坯料残留物、校正轧辊弯度及防止弯斜受力不均等措施，最大限度防止轧辊局部过载。２．１．３辊肩脱落层裂纹引起的脱落，发生在距辊肩大约１００。３００ｍｍ处。这种裂纹形成一直向辊肩非工作面发展，严重时引发的脱落可发展到辊身、辊颈过渡作辊强制正弯曲引发的。支撑辊的辊身端部倒角设计不当、板形不好、边厚（狗骨型）或错误的起动工艺、不适当的装配等，都会造成轧辊局部过载，从而造成局部剪切应力超过自身材料抗剪切强度导致裂纹产生。另外，轧辊长时间磨损过大，造成辊身端部局部过载，也会引发裂纹的产生。随着轧制的持续，裂纹进一步延展，扩展至辊身非工作面，造成剥落。（３）措施：确保支撑辊辊身完好，适宜的辊端倒角设计，避免在工作辊辊端部位应力过于集中；确保弯辊得到很好的控制；注意工作辊与支承辊之间的配合和轮廓的设计。２．２轧辊裂纹失效轧辊裂纹失效，有带状裂纹、梯形裂纹、局部裂纹等几种形式。２．２．１轧辊带状裂纹（１）特征：轧辊带状裂纹体现在与钢带宽度基本相对应，工作辊与热轧钢带接触间的弧面上。这种裂纹出现通常是不规则形状，类似网状裂纹，网眼略大一些，如图７所示。（２）原因：轧制突发停止后，高温带材与工作辊要有相当长的一段接触时间。该接触区域的轧辊表面温度会快速升高，无法散失的热量会渗透ＮＳＬ辊内部。热应力作用一旦超过轧辊材料的屈服强度，轧辊表面又在冷却水作用下迅速激冷，会导致热轧带材与工作辊接触区域上轧辊表面开始产生裂纹。该裂纹深度一般为３．５ｍｍ可磨削去除，但裂纹深度的严重程度主要取决于接触时间和迅速冷却程度。（３）措施：防止轧制停留与钢坯粘着事故发生。一旦发生应立即打开辊缝、断开冷却水、移走带钢，让轧辊有充分的时间在不接触水的前提下自然冷却，均衡轧辊表面温度。对已出现事故的６０Ｉ现代铸铁２００９／３万方数据轧辊，要采取磨削方式将轧辊烧（烫）伤层去除后再上机使用，严禁轧辊微裂纹研磨不彻底上机使用。关于裂纹是否去除的彻底，可采用着色探伤法进行检验判定。２．２．２梯形裂纹（１）特征：在辊身的一个环状带内，出现了多条纵向的裂纹，其裂纹特点沿辊面母线方向平行发展扩散，如图８所示。（２）原因：此类裂纹起源于轧辊冷却水不足，例如冷却喷嘴被堵等。由于强大的热量渗透到辊身，热应力作用超过轧辊材料的屈服强度造成的。（３）措施：确保水冷系统工作正常。每一次轧制操作前要系统检查轧辊冷却水量和水压，确保系统正常供水；轧机换辊之前要检查轧机各个冷却喷嘴是否有堵塞现象发生，一旦发生堵塞要及时检修处理。２．２．３局部裂纹（１）特征：在辊身局部区域内出现裂纹，有时还伴有局部压痕甚至局部剥落现象发生，如图９所示。（２）原因：此类裂纹是机械应力和热应力共同作用于轧辊表面局部部位。热裂和压裂的结合使这种损坏非常危险，因为这可能会引发带状疲劳甚至立即剥落。诸如冲击碰痕、带钢粘结、带钢边或尾部起皱（重叠折皱、堆钢、甩钢）等都可能是引起这种损坏的直接原因。（３）措施：改善轧制条件，避免这种轧制事故发生。轧辊一旦出现局部损伤，应立即换下轧辊进行仔细检查，适当采取研磨手段对轧辊损伤部位进行修复。２．３轧辊断裂失效轧辊断裂失效，有冲击震动、弯曲、扭矩、磨损和烧轴承引起的辊颈断裂，辊身断裂及爆裂等几种形式。２。３。１冲击、震动引起的辊颈断裂（１）特征：辊颈受到外力冲击、震动作用，从与辊身连接最小截面开始毗邻辊身的边缘切断，如图１０所示。（２）原因：轧辊在受到外力冲击震动条件下，负荷峰值会超过芯部材料的最大弯曲极限，引起的断裂，其部位通常是在应力最高截面区域。（３）措施：严禁成对吊运轧辊，或轧辊失重一头触地；轧辊换辊时要正确使用搬运把手，轻吊轻卸；轧制时要避免震动所产生的冲击负荷过高或过度超载；辊缝调试，要确保整体轧辊受力均匀。２．３．２弯曲引起的辊颈断裂（１）特征：断裂线始于外侧，并斜向发展到整个截面。通常多在倒角部位先期出现疲劳裂纹，失稳扩散发生断裂，如图１１所示。（２）原因：此类故障起源于弯曲负荷过大，超过了轧辊材料最高弯曲强度或辊颈最大疲劳强度。（３）措施：避免轧制负荷过高，选择正确的轧辊芯层材料。过渡圆弧部位采取抛光处理，减少刀痕所引起的切口效应；避免过渡圆弧发生锈蚀；定期对辊颈部位进行微裂纹探伤检测，可有万方数据（Ｉ）特征：此类断裂倾斜于辊轴，呈锥形“麻（２）原因：主要是因为传动端的扭矩力超过了辊颈材料的扭曲强度而产生的。（３）措施：保证轧制平稳运行，在高负荷区域内不能有轧辊加工刀痕，倒角过度要平滑；设置（１）特征：在安装轴承处辊颈发生刮痕，或是（２）原因：轧辊密封不当，使得水、氧化铁皮刮痕的根本原因。有的还可引起辊颈与轴承问冷现代铸铁２００９／３６１效控制微裂纹的扩散与发展。２．３．３扭矩引起的辊颈断裂花”断口，为扭曲剪切断裂，如图１２所示。轧机剪切安全销，避免过大扭矩事故发生；确保驱动轴装配要准确；轧辊扁头加工要对称，尺寸公差要控制在标准要求范围内。２．３．４磨损和烧轴承引起的辊颈断裂轴向刮痕或是环形刮痕，也可以是凹痕和存有氧化铁皮碎片或其它研磨材料。该部位旋转刮痕及热裂纹非常明显，在严重情况下可能会导致辊颈热断裂，见图１３。和其它异物进人轴承内圈和辊颈间的缝隙里，坚硬的碎片滞留在辊颈表面随其滚动摩擦，是造成焊及粘结、摩擦负荷增大促使辊轴发热，发生爆裂及轴承滞塞。（３）措施：确保轧辊与轴承充分润滑，间隙配合要合理，密封挡圈要严实；注意轧辊密封系统的维护与检查，防止冷却水及杂质进入轴承与辊颈间隙内。２．３．５轧辊爆裂（１）特征：辊身断裂成多节，连接辊轴部位辊身断口最为明显，呈“弹头”状。爆裂残骸中多数为工作层与芯层混合材料，如图１４所示。（２）原因：此类型轧辊爆裂，多发生在高铬铸铁材质轧辊上。新辊使用时可能是由于轧辊制造内应力过大，或芯部组织脆性过大引起的。若轧辊已使用多次再发生该问题，是由于轧辊冷却水系统造成的。（３）措施：轧辊出厂前要进行必要的消除内应力处理。轧辊每次轧制前要系统检查轧机冷却水量和水压，确保系统正常供水；检查轧机各个冷却喷嘴是否有堵塞现象发生，一旦发生堵塞要及时检修处理。ｌ现代铸铁２００９／３万方数据２．３．６辊身断裂（１）特征：辊身沿半径方向断裂。这种断裂垂直于辊轴，往往位于辊身的中心部位，通常被称作热断裂，如图１５所示。（２）原因：这种热断裂，与辊身表面和轴线间的最大温度差有关。这种温度差是因轧机冷却条件不足甚至失效，或者开始轧制时生产节奏过快导致轧辊表面温度过高。轧辊内、外层温差产生的热应力与原有轧辊残余应力叠加共同作用，拉应力超过芯部材料的极限强度，引发突然断裂。（３）措施：良好的轧辊冷却是预防轧辊热断裂的最好办法，轧辊使用末期表面温度应控制在６５℃以下；轧辊选用高强度芯部材料；轧辊要避免存在高残余应力和铸造内部组织缺陷；轧辊磨削与装配，要在室温下进行；轧辊在轧制服役之前要进行预热，在开始轧制阶段尽量控制轧制节奏与减少压下量，降低轧制通量。３结束语轧辊失效是由多种因素相互影响和相互作的轧辊剥落、裂纹与断辊问题，针对具体的轧辊参考文献北科学技术出版社．１９９５：２８５—２８８．（５）：５０．版社，１９９３。７３—７４．囊责（编辑：杨杨，Ｅ—ｍａｉｌ：ｘ妇ｙｙ＠ｆａｗｆｃ．ｃｏｒｎ）用引起，其损坏（失效）形式也多种多样。就典型失效损坏形式采取相应纠正与预防措施，轧辊失【ｌ】文铁铮，郭玉珍，编著．冶金轧辊技术特性概论【Ｍ】．石家庄：河【２Ｊ黄波．热轧宽带钢轧机板形控制技术及应用ｍ．轧钢，１９９９，效可以得到有效控制。【３侧莱萌．热轧带钢生产中的板形控制们．轧钢，２００２，（５）：５３—５４．【４１慝蹙光虹，编著．现代轧辊材料金相图谱【ＭＪ．北京：机械工业出６２