热连轧支撑辊剥落的原因分析
马叶红,郭继友
(宝钢集团上海梅山热轧板厂, 江苏 南京 210039)
摘 要:本文对梅山1422热连轧支撑辊剥落掉块和辊身边部“掉肩”进行了深入的分析,结果表明加工硬化、磨损不均匀、接触疲劳、辊身边部倒角设计不合理及工作层内缺陷是造成轧辊剥落的主要原因。并结合生产实际提出合理的使用维护方法与预防措施。
关键词:支撑辊;剥落;热连轧
中图分类号: TG335. 11 文献标识码:A
1 前言
在钢板的轧制过程中,虽然支撑辊没有直接与轧件接触,但却承受着绝大部分弯曲力矩,并对轧线 的正常运行起着重要的作用。一方面,支撑辊的更换时间长,特别是有事故发生时,对轧线的影响就更大。另一方面,支撑辊的成本高,支撑辊发生剥落事故,就会使支撑辊的有效使用率降低[ 1 ] 。梅山热轧厂前后共使用过两种支撑辊:铸钢支撑辊和锻钢支撑辊,这两种不同材质的支撑辊在使用过程中都出现过不同程度的剥落,不但影响轧线的正常运行,造成巨大的经济损失,而且增加了板材生产的成本。
2 支撑辊的剥落形式
支撑辊在使用过程中主要有辊身剥落和辊身边部剥落即“掉肩”两种失效形式,这两种
失效形式常常造成支撑辊有效使用直径的巨大损失。如图1所示,这支轧辊当时作为F2机架的下支撑辊,出现在辊身中部呈“猫舌状”,且剥落周边的裂纹沿辊面不断延伸至辊端,沿径向延伸至整个工作层,整个缺陷的范围覆盖了2 /3周向的辊面,引起剥落的裂纹扩展到结合层,从而破坏结和层。这种情况在生产中属于严重缺陷,即轧辊不能再继续使用,最终只能报废,严重减少了轧辊的有效使用层,增加了成本。
图1 辊身中部剥落示意图
另一种失效形式是轧辊辊身边部出现剥落的情况,见图2。这种剥落相比图1所示的剥落要小得多,但这种剥落事故的发生率也较高,经常出现在轧辊端部(一般都是在工作侧) ,图2
中的
图2 轧辊端部剥落示意图
轧辊当时作为F6的上支撑辊。
3 支撑辊失效形式的研究与分析
3. 1 基本参数
本厂所使用支撑辊的材质为75Cr2Mn2NiMo,
其化学成分、机械性能和基本尺寸见表1～3。
表1 化学成分(% )
元素C0. 6～1. 0 Si0. 3～0. 8 Mn1. 0～2. 5 P≤0. 03 S≤0. 03 Cr1. 0～2. 5 Ni 0. 8～2 Mo0. 2～1. 0
表2 机械性能
项目抗拉强度≥800 (MPa)屈服强度≥600(MPa)延伸率≥1. 5 (%)
杨氏模量210 000(MPa)
表3 基本尺寸
轧辊参数 最大辊径(mm) 最小辊径(mm) 辊身长度(mm) 重量( kg) 轧辊全长
(mm)
粗轧 BUR 1 385 1 260 1 429 26 492 4 486
精轧 F 1 - 3 1 380 1 260 1429 24 306 3925
BUR F 4 - 6 1 380 1 260 1 429 23 315 3 925
3. 2 加工硬化对支撑辊剥落的影响
支撑辊始终与高硬度的工作辊或中间辊保持滚动接触,辊面承受周期性接触压应力。周期性的滚动接触应力常会在支撑辊表面产生加工硬化层,当硬化程度增加的应力值与轧制应力叠加后超过材料的屈服极限时,就会出现微裂纹,继而扩展产生剥落[ 2 ] 。随支撑辊要求硬度的同,导致剥落的硬度升高临界值也不一样, 一般认为, 对于硬度超过HSD65的支撑辊,加工硬化硬度增加值超过HSD3就有剥落的危险。
3. 3 磨损对支撑辊剥落的影响
支撑辊表面磨损不均匀,加工硬化层呈条带状分布, 不同条带之间存在硬度差, 应力状态也不同[ 3 ] 。轧制过程如有过载,如工作辊剥落、缠辊、卡钢、滑动等轧制事故,氧化铁皮嵌入,酸浸腐蚀辊面等,引起支撑辊局部剪切应力增大而屈服,使加工硬化层底部产生表面皮下微裂纹,微裂纹自内向外发展到辊面,造成剥落掉块。
在剥落发生以前,这种微裂纹在轧辊使用中很难被发现,也看不到裂纹的扩展情况。如果这些皮下微裂纹在轧辊下机修磨时未被发现和修磨,再次使用时裂纹会急速扩展,抵达辊面造成剥落。
3. 4 冶金缺陷对支撑辊剥落的影响
支撑辊辊身工作层材料中存在非金属夹杂物等冶金缺陷,特别是脆性的带有棱角的氧化物、硅酸盐类夹杂物,尖角部位存在应力集中,一定周期循环后产生微裂纹,微裂纹沿夹杂物和应力方向扩展最终引起表层剥落。
3. 5 辊身边部倒角设计对支撑辊掉肩的影响
轧钢过程中,由于支撑辊和工作辊磨损不均衡,工作辊的正负弯辊力作用,形成支撑辊或工作辊辊身中部凹陷两端凸起的辊型,使辊身端部接触应力迅速增大。当超过材料的屈服极限时,产生塑性变形,多次交变的变形产生微裂纹,裂纹扩展就会造成掉肩。为避免或延缓这种失效发生,支撑辊辊身端部常做出一段硬度较低的软带,并设计成有一定轴向长度的锥面或圆弧过渡。不同的倒角设计对应力集中的影响见图3[ 4 ] 。不同类型倒角,倒角部位产生的应力集中系数差距很大。在锥度小于0. 50、弧度超过500 mm的情况下,应力集中系数可以忽略不计。推荐使用的两种倒角见图4和图5。
图3 不同的倒角设计应力集中图
图4 推荐使用倒角图
图5 推荐使用倒角图
4 防止支撑辊失效的工艺
4. 1 加工硬化的监控
支撑辊下机后,对辊面进行硬度检测,记录硬度值,确认硬度增高值和硬度不均匀度;如硬度较上机前增高超过HSD3,应适当减少轧制周期,经过实践调整确定最佳换辊周期。磨削完毕后,再次检测辊面硬度,以确认加工硬化层是否修磨干净,要求达到前次上机时的硬度,并记录硬度检测值。
4. 2 疲劳裂纹
采用磁粉、渗透或超声波探伤检查,进行辊面表层及表层以下微裂纹的无损检测,确认疲劳裂纹和皮下裂纹清除干净,并适当增加修磨量去除疲劳层。由于支撑辊在机使用的周期长,因此在修磨时,一定要把疲劳层彻底去除,在实际生产中,通过不断地努力和摸索,最终将下机
后的疲劳层磨削由原来的2. 0 mm增大到2. 5 mm,支撑辊的剥落明显减少。
4. 3 辊身两端倒角
辊身两端修磨合适的倒角或大圆弧复合倒角,可有效降低辊身端部接触应力,避免掉肩的发生,并且做到新上机和每次修磨时都严格修磨,有效地防止了支撑辊掉肩。
5 结语
支撑辊长期与工作辊滚动接触,长期的滚动接触使辊面产生接触疲劳裂纹,微裂纹扩展最终造成辊身剥落。要求支撑辊具有较高的疲劳屈服强度、良好的应力状态和抗裂纹扩展能力;优良的耐磨性,延缓和减轻凹陷辊形的形成;辊颈具有良好的屈服强度、韧性和抗断裂性。
