轧辊失效方式及其原因分析

轧辊失效方式及其原因分析

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(掉肉)

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。

2 、轧辊断裂

轧辊在工作过程中还常常发生突然断辊事故，其断裂部位主要为工作辊的辊身、辊颈处、辊脖与辊颈交界处。因轧制钢种、品种与生产工艺条件差异，各断裂部位所占比例不同。断辊可以是一次性的瞬断，也可以是由于疲劳裂纹发展而致。

根据柯垂尔脆断条件： ( τＤ/2 + Ｋ) Ｋ≥4 Ｇγ时，才发生脆断。

其中τ——应力；

Ｄ——晶粒直径；

Ｋ——系数；

Ｇ——材料的弹性模量；

γ——有效表面能。

也就是说，当τ和Ｄ较大时，易发生脆性断裂，脆性断裂的断面总体平齐。对高铬复合铸铁轧辊，如果轧辊热处理回火不充分 , 外层组织中会含有大量马氏体、残余奥氏体 , 导致轧辊铸态应力较高，亦即τ值增大；τ与Ｄ

的增大 , 是轧辊断裂的内因。轧制机械应力、热应力的叠加是造成辊断裂的外因。

锻造工艺不当也会导致轧辊脆性断裂。如终锻温度过低，易形成位于轧辊心部附近其形貌具有“ 人” 字形特征的裂纹。若加上在终锻时控制不当，很容易造成穿晶型裂纹。在锻造变形时，热加工压力过小，变形不合理造成心部未锻透，仅钢材表面产生塑性变形而内部产生拉应力，当此拉应力超过该区的金属强度时，即可引起内部横裂。

脆性断裂总是以轧辊内部存在的裂纹作为裂纹源。如果轧辊内部存在大量裂纹，在服役过程中，裂纹尖端产生应力集中而快速扩展连接，形成一个较大的裂纹，这种裂纹在交变应力作用下，由内向外逐渐扩大，当裂纹大到一定程度时就发生疲劳断裂。

轧辊组织缺陷也会导致轧辊断裂，轧辊芯部组织不正常（球化率低，渗碳体数量过高等）导致机械性能显著下降。这种轧辊使用时，由于芯部组织不正常，在热应力的作用下，较薄弱处先被拉裂，然后裂纹迅速扩展，也会导致轧辊断裂。

轧辊铸造缺陷是轧辊辊颈断裂的另一个原因。如果辊颈截面存在铸造缺陷组织：较多大面积粗条状、网状渗碳体，心部疏松孔洞区等，都会使材料内应力增大，力学性能下降。因此在辊身发生碰撞时，在外加震动应力与内应力的交互作用下，以脆性相和一些缺陷为核心，萌生出裂纹。由于材料较脆，裂纹便立即扩展产生瞬间断裂。

除上述原因外，造成轧辊断裂的因素还有很多：简单的机械性过载；设计和加工不当，对于截面尺寸发生变化的部位，未设计足够的圆角或精密加工，致使应力集中；辊面和辊颈硬度相差过大；辊颈的直径过小，强度不够等都有可能导致轧辊断裂。

3 、轧辊裂纹

轧辊裂纹是由于多次温度循环产生的热应力所造成的逐渐破裂，是发生于轧辊表面薄层的一种微表面层现象。轧制时，轧辊受冷热交替变化剧烈，从而在轧辊表面产生严重应变，逐渐导致热疲劳裂纹的产生。此种裂纹是热循环应力、拉应力及塑性应变等多种因素形成的，塑性应变使裂纹出现，拉应力使其扩展。

4 、缠辊

热轧生产中，由于钢料加热温度不均，阴阳面温差大，卫板安装不稳，造成缠辊。经常出现在轧制矿用支撑钢、矿用工字钢及轻轨的过程中。有些缠辊经轧辊车削车间处理后可以使用，但修复量大，会严重减少轧辊的轧出量。缠辊严重时报废，还可能影响到另外一 ( 两 ) 支轧辊，造成整套轧辊的报废。因此，在孔型设计时，应着重考虑压力的配置，使钢料从孔型中平直出口；牢固安装卫板；保证钢料加热温度均匀，以防止缠辊现象发生。

5 、粘辊

在冷轧过程中，如果出现钢带漂移、堆钢、波浪折叠，且由于高压出现瞬间高温时，极易形成钢带与轧辊粘接，致使轧辊出现小面积损伤。通过修磨，轧辊表面裂纹消除后可以继续使用，但其使用寿命明显降低，并在以后的使用中易出现剥落事故。