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轧辊失效形式及原因分析

轧机在轧制生产过程中,轧辊处于复杂的应力状态。热轧机轧辊的工作环境更为恶劣:轧辊与轧件接触加热、轧辊水冷引起的周期性热应力,轧制负荷引起的接触应力、剪切应力以及残余应力等。如轧辊的选材、设计、制作工艺等不合理,或轧制时卡钢等造成局部发热引起热冲击等,都易使轧辊失效。 
  轧辊失效主要有剥落、断裂、裂纹等形式。任何一种失效形式都会直接导致轧辊使用寿命缩短。因此有必要结合轧辊的失效形式,探究其产生的原因,找出延长轧辊使用寿命的有效途径。 

1 、 轧辊剥落
     轧辊剥落为首要的损坏形式,现场调查亦表明,剥落是轧辊损坏,甚至早期报废的主要原因。轧制中局部过载和升温,使带钢焊合在轧辊表面,产生于次表层的裂纹沿径向扩展进入硬化层并多方向分枝扩展,该裂纹在逆向轧制条件下即造成剥落。 

1.1 支撑辊辊面剥落

支撑辊剥落大多位于轧辊两端,沿圆周方向扩展,在宽度上呈块状或大块片状剥落,剥落坑表面较平整。支撑辊和工作辊接触可看作两平行圆柱体的接触,在纯滚动情况下,接触处的接触应力为三向压应力。在离接触表面深度为 0.786b 处 ( b 为接触面宽度之半 ) 剪切应力最大,随着表层摩擦力的增大而移向表层。

 疲劳裂纹并不是发生在剪应力最大处,而是更接近于表面,即在 Z 为 0.5b 的交变剪应力层处。该处剪应力平行于轧辊表面,据剪应力互等定理,与表面垂直的方向同样存在大小相等的剪应力。此力随轧辊的转动而发生大小和方向的改变,是造成接触疲劳的根源。周期交变的剪切应力是轧辊损坏最常见的致因。在交变剪切应力作用下,反复变形使材料局部弱化,达到疲劳极限时,出现裂纹。另外,轧辊制造工艺造成的材质不均匀和微型缺陷的存在,亦有助于裂纹的产生。若表面冷硬层厚度不均,芯部强度过低,过渡区组织性能变化太大,在接触应力的作用下,疲劳裂纹就可能在硬化过渡层起源并沿表面向平行方向扩展,而形成表层压碎剥落。

支撑辊剥落只是位于辊身边部两端,而非沿辊身全长,这是由支撑辊的磨损型式决定的。由于服役周期较长,支撑辊中间磨损量大、两端磨损量小而呈 U 型,使得辊身两端产生了局部的接触压力尖峰、两端交变剪应力的增大,加快了疲劳破坏。辊身中部的交变剪应力点,在轧辊磨损的推动作用下,逐渐往辊身内部移动至少 0.5mm ,不易形成疲劳裂纹;而轧辊边部磨损较少,最大交变剪应力点基本不动。在其反复作用下,局部材料弱化,出现裂纹。

轧制过程中,辊面下由接触疲劳引起的裂纹源,由于尖端存在应力集中现象,从而自尖端以与辊面垂直方向向辊面扩展,或与辊面成小角度以致呈平行的方向扩展。两者相互作用,随着裂纹扩展,最终造成剥落。支撑辊剥落主要出现在上游机架,为小块剥落,在轧辊表面产生麻坑或椭球状凹坑,分布于与轧件接触的辊身范围内。有时,在卡钢等情况下,则出现沿辊身中部轴向长达数百毫米的大块剥落。 

1.2 工作辊辊面剥落 

工作辊剥落同样存在裂纹产生和发展的过程,生产中出现的工作辊剥落,多数为辊面裂纹所致。

工作辊与支撑辊接触,同样产生接触压应力及相应的交变剪应力。由于工作辊只服役几个小时即下机进行磨削,故不易产生交变剪应力疲劳裂纹。轧制中,支撑辊与工作辊接触宽度不到 20mm ,工作辊表面周期性的加热和冷却导致了变化的温度场,从而产生显著的周期应力。辊面表层受热疲劳应力的作用,当热应力超过材料的疲劳极限时,轧辊表面便产生细小的网状热裂纹,即通称的龟裂。

 轧制中发生卡钢等事故,造成轧辊局部温度升高而产生热应力和组织应力。轧件的冷头、冷尾及冷边引起的显著温差,同样产生热应力。当轧辊应力值超过材料强度极限时产生热冲击裂纹。

 在轧制过程中,带钢出现甩尾、叠轧时,轧件划伤轧辊,亦可形成新的裂纹源。另外,更换下来的轧辊,尤其上游机架轧辊,多数辊面上存在裂纹,应在轧辊磨削时全部消除。如轧辊磨削量不够,裂纹残留下来,在下一次使用时这些裂纹将成为疲劳核心。轧辊表面的龟裂等表层裂纹,在工作应力、残余应力和冷却引起的氧化等作用下,裂纹尖端的应力急剧增加并超过材料的允许应力而朝轧辊内部扩展。当裂纹发展成与辊面成一定的角度甚至向与辊面平行的方向扩展,则最终造成剥落。

轧辊剥落问题 , 大多数剥落与六类轧机操作和轧辊使用不当有关:如轧制量过高、换辊周期过长、轧辊修磨量不足、冲击载荷、轧辊工作面压力分布不均、轧制时停机造成轧辊内部温度分布不均、热冲击等。

前四种情况常与轧辊亚表层赫兹应力有关,应力作用产生的裂纹向内或向外扩展产生剪切破坏,导致剥落。后两种情况 , 易造成内部裂纹按螺旋方式扩展成表面裂纹,导致大块剥落。改善轧辊抗剥落性的措施有:提高轧辊的显微组织及硬度均匀性;保证适当的淬透性;提高轧辊的剪切强度和塑性,降低轧辊残余应力。

 对中厚板轧机,在辊身边部时常会遇有掉肩(烂肩)剥落现象发生,避免轧辊边部剥落措施是支撑辊带倒角。带倒角支撑辊是将支撑辊辊身两端 250mm 宽倒一棱角约 -1mm 。倒角 ( 曲线 ) 量采用仿真计算,其依据是轧制最大板宽时不至发生过大的反凸度,从而避免轧辊边部产生应力集中和剥落。

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