冷轧工作辊失效分析及其控制

冷轧工作辊失效分析及其控制

沈伟芳陈光明

【摘要】就武钢冷轧厂九机架冷轧机的工作辊常见失效形式、原因及相应的控制措施进行了分析，探讨。

【关键词】冷轧工作辊失效分析

ANALYSIS OF THE ROLL FAILURE AND ITS PREVENTING MEASUREMENT

Shen Weifang Chen Guangming

（Cold String Mill of Wuhan Iron & Steel Corp．）

Abstract The normal failure appearances of the cold rolling working rolls of 9 stands cold rolling mill in Wuhan Iron & Steel Corp．was analyzed，the failing causes and some preventing measures were discussed．

Key Words Cold Rolling，Working Roll，Failing Analysis

1 前言

工作辊是冷轧机的关键部件之一，随着冷轧技术的不断发展，轧机对工作辊性能要求越来越高。尤其冷轧辊是在金属对轧辊压力很高的条件下工作，加上因焊缝、夹杂、边裂等原板质量问题造成的断带、粘辊、裂缝等轧制事故频繁，使得冷轧工作辊的工作状况极为恶劣。

近几年来，为改善冷轧辊表面的磨损和变形，对工作辊提出了更苛刻的性能要求，诸如辊面硬度、硬度均匀性、淬硬层深度、金相组织、残余应力等，同时辊芯部和颈部必须具有足够的韧性。事实上，上述的部分性能条件是既矛盾又关联的，最常见的情况是淬硬层较深时，控制不慎，一般组织就较粗大；硬度较高的工作辊具有较好的耐磨性但轧辊韧性变差。因此，在增加耐磨性，追求较深的有效淬硬层和较高的硬度，从而延长工作辊使用寿命的过程中，因轧辊辊身表层出现的粘辊、剥落和开裂就成为一种最常见而严重的问题。其中，轧制事故的发生和残余应力的叠加转移萌生的破坏是其主要原因。

2冷轧辊失效的宏观分析

2．1冷轧辊表层疲劳剥落

表层疲劳剥落是冷轧辊主要的损坏形式，从剥落的形貌特征来看，可大致分为深层大面积带状疲劳剥落(见图1、图2)和近表层小块掉肉(见图3)。有时剥落层深度可达30mm以上，一下子使得冷轧辊的有效工作层报废，近表层掉肉剥落层深度则在几毫米至十几毫米不等。

图1深层大面积带状剥落

图2带状剥落形貌

图3近表层小块掉肉2．1．1疲劳剥落的原因

国内外对轧辊剥落的研究认为，剥落的发生和发展大致可分为四个阶段：

(1)辊身表层的外表面出现数量不一的显微裂纹，产生因素主要为：

①轧辊受热冲击、过热后产生的网状微裂纹；

②换辊周期过长引起辊身表面的冷作硬化；

③辊身表面硬度过高；

④重磨时修磨量太小，不足以消除疲劳微裂纹层。

(2)轧辊继续使用过程中，显微裂纹扩展，一条或若干裂纹从表面领先向纵深发展到过渡组织带，(有时从断口可见连续的短距重复线，表明这种开裂属于疲劳破坏)从而形成疲劳断裂中心；

(3)在过渡组织中二次疲劳断裂中心沿与辊身圆弧几近平行的层次继续发展成为断裂带，有的甚至于绕辊几周；

(4)残余破裂和剥落，对于大面积带状剥落的轧辊可以在各种因素的影响下一次性破裂和剥落，造成若干剥落块或尚未脱开的剥离块；小块掉肉的轧辊可以直接从第(2)阶段导致残余破裂和剥落。

2．1．2本厂使用情况

我们曾经对本厂辊号为660＃、672＃、680＃、682＃、831＃的五支发生剥落现象的五机架工作辊进行事故原因分析，对带状和小块剥落后的剥落块表面用磁粉检查和双酸侵蚀显示后，发现均有许多裂纹或微裂纹，部分裂纹长度可达1～2mm。对这些带裂纹的剥落块切开进行金相观察，发现有一条裂纹优先向内发展到过渡带(即马氏体、贝氏体向屈氏体的过渡区)，然后形成疲劳破坏中心，并且沿辊身圆弧相近的方向发展成带，有的绕辊几周，最后一次性残余破裂剥落。因此，冷轧工作辊绝大多数的表层剥落都不是自然产生的，而是在一定时间内逐渐发展形成的。通常是以辊身表面显微裂纹为起点，在轧制的持续负荷作用下，发展成为疲劳断裂，这就是残余破裂和剥落的真正原因。

2．1．3相应的预防改进措施

上述的微裂纹或裂纹，应当采取措施经常注意检查，譬如在线式涡流探伤或超声波检测，一经发觉，立即修磨或者送双频淬火热处理。在修磨时应该认真按照有关规定来消除裂纹，防止裂纹的扩展。此外，如果辊身硬度过高，也容易产生裂纹。在对不同硬度的两种五机架修复辊进行使用性能考核时发现，当辊身硬度从原来的HSD93～96降低到现在的HSD91～94后，影响轧辊使用寿命最严重的大面积带状剥落大大减少，这表明辊身硬度的降低有助于提高轧辊韧性，从而避免或减少微裂纹或裂纹的发生与扩展。

2．2粘辊与裂纹

2．2．1失效形式

粘辊裂纹和掏沟是导致冷轧辊失效次数最多的原因之一(见图4)。按照其形貌大致可以分为因断带粘辊而出现掏沟和辊身表面裂纹而导致掏沟两种。一旦掏沟深度大于轧辊有效淬硬层，则冷轧辊就失效了。通常轧机一出现断带情况，就会使得轧辊轻重不同地粘钢。同时，轧辊也经受了一次热冲击，这种热冲击常常导致辊身局部温度高达1000℃以上。据不完全统计，因为酸洗、焊缝等因素而导致轧机断带，常使得冷轧辊辊面的热冲击次数达到高峰。因此，避免断带是减少冷轧辊热冲击的有效措施。

图4粘辊形貌

2．2．2检测分析与相应措施

北京科技大学金相室曾用断带粘辊后的剥落块进行试验与研究，发现将粘辊的轧材去除以后，轧辊表面是一层厚度约0.03～0.06mm的白亮层，经过各种检测手段分析得出，此白亮层系二次淬火马氏体组织，在白亮层的下面是不同程度的热影响区。这是由于热冲击所造成的局部温升是从表向里逐渐降低的，导致某一定深度范围内，轧辊温升超过了临界点，马氏体组织回火得到回火屈氏体组织，其厚度约为0.1mm，再往里去则是轧辊的原始组织。因此，修磨轧辊时必须消除轧辊表层的二次淬火马氏体和回火屈氏体组织，按照规定再磨0.5mm后才能送轧机使用。否则，未磨尽的二次淬火马氏体和回火屈氏体组织与辊身的正常金相组织不一致而产生拉应力，导致裂纹的产生，并且发展成为大面积剥落。至于发生裂纹后导致掏沟，大多是修磨时未将裂纹磨尽，使用过程当中发展成为肉眼可见大裂纹。另外，也可能是由于轧辊表面非金属夹杂物导致使用过程裂纹的发生与扩展。

2．3环状裂纹与断辊

环状裂纹大多发生在辊身边部约15～50mm位置(见图5)。据1994年～1996年对15支

发生环裂轧辊的统计，有12支在轧制时发生过压下偏斜事故，对其中572＃修复辊在失效后进行检测，发现辊身长度由原来的1700mm增加到1709mm，显然是由于压下偏斜，轧辊一端受力过大导致局部长度变大。有些冷轧辊(如我们新投用的轧辊636＃)在压力偏斜后，造成辊面端部发生环状剥落；有时甚至在辊面端部和辊颈交界处发生断裂(如新辊623＃发生断裂，见图6所示)。因此，应该尽量减少轧机压下偏斜事故，避免环状裂纹或断辊的发生。

图5环状裂纹及环状剥落

图6断辊形貌

2．4轴承粘结(抱辊)与断辊

2．4．1失效形式

辊颈与轴承粘结是冷轧辊的另一种失效形式，有些新辊仅使用几次就因为轴承粘结(抱辊)而不能够继续使用。目前，还没有较好的办法来取下抱辊的轴承。我们曾试对辊颈与轴承粘结的轧辊采用氧枪切割轴承而试图保全轴承和轧辊的方法，结果是轴套虽然被切割下来，轴承仍然无法保全，而且辊颈在氧枪切割轴套时被过烧，出现网状龟裂纹或局部被烧熔成许多凹坑，导致了轧辊与轴承同时报废，损失十分巨大。

2．4．2原因分析

研究表明，轴承粘结的原因与下列三方面有关：一是轧机生产过程中，偶然的轴向力导致轧辊在轧钢时向一侧蹿动，如不及时换辊就会使得这一侧轴承温度过高而抱颈；二是轴承的清洗质量欠佳，在拆卸轴承清洗后，重新装辊时将喷砂砂粒或脏物带入辊颈与轴套之间，经长时间粘磨而粘结抱辊；三是轴承的密封圈质量不好，未能有效地将外界脏物封住，使之进入轴套与辊颈之间导致抱辊事故。因此，为了保证不发生抱辊事故，应该经常检查轧机是否产生偏斜或轴向力，轴承密封性能是否良好，确保清洗质量。

2．5龟裂

龟裂纹发生的频率不高，其常见形态有两种：一种呈带状，宽度约为60～80mm；另一种呈团状分布(如图7、图8所示)。其中呈带状径向分布的龟裂纹可能与磨床修磨量有关，当一次修磨量过大时，极易形成过烧带，产生同砂轮厚度相当的龟裂纹，此类过烧微裂纹在双酸侵蚀下能显示出来。呈团状分布的表面龟裂纹，大多是在严重粘辊热冲击后产生的热裂纹，在消除粘辊缺陷后，若不及时进行认真的检查和磨削来消除显微裂纹，那么这种缺陷将残留在辊面，在使用过程当中就会逐步扩展形成团状表面龟裂纹。

图7带状龟裂纹

图8团状龟裂纹

2．6辊颈开裂的原因及预防措施

轧辊在使用过程中发生辊颈开裂现象较少，倘若发生则导致整个轧辊报废，造成较大的经济损失。对发生辊颈开裂的轧辊，在其开裂部位取样分析(主要对辊颈强化部位裂纹处进行了由表及里的硬度测定和侧面金相观察以及断口电镜扫描分析)表明：导致辊颈开裂的裂纹，大部分在辊颈强化热处理过程中就已经开始萌生，并在轧机使用过程中得到扩展导致辊颈开裂。我们认为，在强化淬火冷却过程中，由于激冷造成表层及内层的收缩不均匀，使得表层出现较大的拉应力，这个拉应力在车刀槽的根部产生极大的应力集中(辊颈的表面光洁度约为△5，据查其应力集中系数可达5以上)，甚至可能超过此时材料的断裂强度，从而萌生出显微裂纹。进一步的研究表明，车刀槽的机械切口对于辊颈的开裂起了决定性的作用。因此为防止辊颈开裂，提出如下建议：

(1)在辊颈强化处理之前，对于强化部位进行精车或粗磨，以提高光洁度，减少应力集中；

(2)在保证硬度的前提下，尽量降低淬火温度，以减少残余应力；

(3)在辊颈强化之前，对于轧辊采取整体预热，以降低淬火应力。

已经发生辊颈开裂的轧辊，则可以采取辊颈焊补工艺对辊颈开裂部位进行焊补。

3结束语

(1)本厂轧辊异常失效的主要形式是粘辊、裂纹和剥落；所以研究相应的方法和工艺来减少产生此类失效的轧制事故，尤其是断带、压下偏斜等，从而延长冷轧辊的使用寿命，是极其必要的。

(2)根据冷轧辊的失效形式制订相应的控制措施以及合适的淬火工艺，使处理后的轧辊的质量水平完全达到轧机的使用要求。

作者单位：武汉钢铁股份有限公司冷轧薄板厂，430083

参考文献

［1］一机部机电所轧辊课题组．金属薄板冷轧工作辊的表层疲劳剥落．金属热处理．1982，(4～5)

［2］北京科技大学学报．冶金部课题组．关于冷轧工作辊表面剥落的失效分析．1978，(9)

冷轧机轧辊的配辊

机架配辊要求：

一、使用新轧辊磁消期应保证2——3个月，在上机使用

二、从轧机换下来的轧辊必须停放8小时，在上磨床修磨，修磨后的轧辊四小时后在上机，这主要是消除轧辊残余应力。

轧辊配备：

轧辊配备的数量是要考虑正常生产轮换轧辊的数量，安全储备轧辊的数量和每年消耗的轧辊数量。

安全储备轧辊的数量大约为轮换辊数的30%左右，订货周期长者，更适当增加一些，每年消耗的轧辊数量由上一年的实际消耗系数确定。

HC轧机配辊：

工作辊中间辊支撑辊

数量（个）8——10 6——8 6

平整机配辊：

工作辊支撑辊

数量（个）12 6

轧辊管理：

为了降低轧辊消耗，满足冷连轧机，单机架和双机架平整机生产的需要，必须抓好轧辊管理工作。这可以随时掌握轧辊的消耗情况，提出降低轧辊消耗的措施，掌握轧辊可够用的时间，确定轧辊订货时间和数量，以满足冷轧带钢生产的需要，同时可掌握制造厂生产轧辊的质量情况，给制造厂提供改进轧辊质量的依据。为此，要抓好以下主要工作：

原始记录，主要有：

①轧制吨数，米数和时间记录。

②轧辊磨削记录。

③轧辊磨削登记黑板。

④轧辊双频淬火工艺卡片。

轧辊的使用和维护应注意哪些问题

(1)全面的进厂质量验收。

轧辊是高技术、高附加值产品，必须依据机械行业标准、企业标准和订货技术要求进行严密、科学的质量复检。包括检测轧辊尺寸及形位公差；检测辊身、辊颈的硬度分布及其不均匀性。整个辊身HS值偏差不大于±(1～2)HS；同一母线偏差不大于±1HS。用顽磁力测定仪测定工作层深度；用磁粉法探测表层与近表层缺陷，用超声波法探测轧辊内部缺陷；目检外部缺陷。不少铝轧制厂不具备检测手段，轧辊验收是薄弱环节。

(2)控制贮运条件。

运时避免碰撞。贮运温度应大于O℃，严禁室外存放。存放时不得发生较大的的温度变化,并要有防锈措施.我国北方,若必须在冬季室外运输轧辊时,需用数层毛毡将轧辊包紧，运输时间不大于lh。

(3)自然时效。

自出厂日起，工作辊需存放6个月，支撑辊存放一年后方可使用，以降低残余应力。

(4)定期重磨。

即使轧辊辊面无影响使用的缺陷，也应进行保护性换辊。工作辊一般工作50～100h，支撑辊工作2000～3000h便重磨一次，除去疲劳裂纹，防止其扩展成深裂纹。重磨时可用双液法或探伤法检测裂纹深度。磨削量应大于裂纹深度。

(5)正确使用轧辊。

严格按照有关规定使用轧辊。新换轧辊应先预热辊面至70～80℃并保温1～2h；冷轧工作辊则应预热至30～50℃，保温O．5h后方可正常使用。轧辊应有足够的冷却与润滑。乳液量：热轧应大于10L／(min·cm)，冷轧应大于5L／(，min。cm)；冷轧轧制油量大于20L／(min·cm)。乳液温度：热轧为40～60~C，中温轧制为30～40℃，冷轧为20～40℃；轧制油温度为30～50℃。轧制时防止误操作，尤其是事故性操作。

(6)定期回火或自然时效。

工作辊一般工作2000h，支撑辊工作约4000h，即将其重磨后进行低温回火或自然时效，松弛残余应力，延长使用寿命。

(7)轧辊的修复。

辊面硬度过高时，可回火使之降低；反之可重新淬火使之升高。一根轧辊可进行1～2次这种重淬处理。但重淬也可能导致淬火裂纹甚至开裂，需慎重。对辊身裂纹，