对热轧机轧辊断裂原因的分析

对热轧机轧辊断裂原因的分析

【摘要】本文对产生热轧机轧辊断裂的原因、部位进行了分析，提出了减少或预防轧辊断裂的措施，供同行参考。

【关键词】轧辊断裂；原因；措施

0 前言

热轧机生产线，具有精度高、检测系统完善等特点。但热轧机组轧机较多，因此轧辊消耗较大，同时为了提高轧机的生产率，已进行了大量的尝试来改善设备性能和轧制工艺，特别对热轧机轧辊的断裂做了许多有益的研究，但是轧制条件变得愈加苛刻，并且随着产量的不断增加，轧辊断裂现象还时有发生，不但造成经济上的直接损失，还由于断辊停产，减少了产量，增加了热轧废品，增加了能源消耗，因而增加了总成本。因此研究轧辊断裂的原因，并采取有效的预防措施，对降低成本，提高经济效益有非常重要的意义。

1 产生轧辊断裂的理论原因

轧辊断裂是轧辊损坏的一种严重形式，而且处理时间长，影响生产。轧辊断裂的原因有两种：一种内在原因，由于轧辊本身的内在缺陷造成，如夹杂等造成断裂；另一种是外在原因，由于轧制工艺条件和使用造成。残余应力及热冲击断裂,轧制开始，轧辊与高温轧件接触，在轧制过程，轧辊表面温度高，而芯部温度低，在芯部产生合成拉应力，当超过极限时，芯部产生裂纹和断辊；疲劳裂纹扩展为断裂，轧辊上的裂纹受弯曲应力的作用，会沿着一条较深的裂纹扩展，继续轧制裂纹会迅速扩展，达到极限，会发生断辊。使用原因，轧制钢类强度过高，或低温钢、黑头钢等易造成事故，轧制盲目加大压下量以减少道次，闭水轧制后，过快给冷却水，或冷轧薄板时，轧辊压靠力过大，扭矩大于轧制力矩，启动轧机可能扭断轴头。

2 轧辊断裂的具体部位及原因分析

2.1在轧辊辊身处断裂。从断裂现象看断裂部位绝大多数在辊环处，断裂截面为不规则的斜面或垂直截面。断辊原因有以下几个方面：轧辊质量，工作辊与高温板坯直接接触，并承受各种载荷，因此要有良好的耐热性，如果轧辊辊身硬度随轧辊温度升高而降低的幅度较大时，说明轧辊的耐热性较差，将严重影响轧辊的整体性能；从轧制条件看要求轧辊还应具有良好的耐磨性和适当的硬度和强度。轧辊周期承载引起的表面层机械疲劳，轧辊表面经受轧件的周期加热及冷却水的周期冷却而出现的热疲劳，都将引起轧辊的磨损并出现热裂纹。辊身硬度与辊身的抗热裂纹性成反比，辊身硬度越高，耐磨性越好，但其耐抗热裂纹性能越脆弱。一般来说轧辊的耐磨性及辊面硬度与辊身沿直径方向的硬度差有关，因此希望沿轧辊直径方向的硬度差越小越好，并且硬度适中。轧制条件，轧辊承受各种载荷：液压装置加在两端的轧制压力；轧件变形时的反作用力；承受冷热作用下的交变载荷；轧件咬入轧机时的冲击载荷、机械转动产生的扭拒力及轧辊与轧件、轧辊之间的摩擦力；轧辊受冲击时弹跳所产生的力；轧辊局部过载或受不均匀载荷；较低的钢温；由于调整不当轧制中心线较大偏移而引起轧制力分布不均，或压下量分配不合理，有的机架负荷过大；由于轧件头部缺陷而导致缠辊；有异物带入轧辊。在实际轧制过程中低温钢的轧制较常见，对轧辊的损坏也最大。由于轧件头部钢温偏低加上冷却水的作用，轧件头部在咬入轧辊时对轧辊的冲击相当大，如果轧件整体温度偏低，轧件塑性下降，变形抗力增加，将可能导致断辊。

低温轧制的现象有五种：第一种是加热炉违反加热规程，大火急火加热，钢坯受热不均匀，烧透性差，致使表面和内部温差大，或在纵向上由于炉道产生的水印，钢温较低。第二种轧机能力比加热炉能力大，有时生产节奏过快，加热炉满足不了生产要求而轧制低温钢。第三种是在轧制过程中由于轧线上出现的各种故障影响了正常轧制，此时的加热炉处于保温状态，恢复生产时升温时间不足而开始轧制。第四种由于炉门的保温能力较差致使靠近炉门的钢坯温度较低，开轧时轧辊及轧线设备比正常轧制时的温度偏低因而轧辊的承载很大。第五种是加热炉装钢坯时冷热坯混装，热坯达到轧制温度开轧，而夹杂在其中的几支凉坯还没达到工艺所要求的温度，导致低温轧制。

2.2.轧辊在辊身与辊径处的断裂。这种断裂方式占轧辊断裂的百分之七十左右，这种断裂除含有上述原因外，一般属于疲劳断裂，轧辊辊身与辊径的交接处所受的弯曲应力最大，也是应力集中的区域，对裂纹和缺口非常敏感。这些裂纹和缺口包括轧制过程中轧辊磨损产生的热裂纹及车痕、铸造和冶金缺陷。轧制过程中产生的热裂纹及其车削后残留的裂纹是导致断裂的主要因素。轧制过程中在变形区内轧辊跟轧件接触，由于单位轧制压力和钢温都很高，且辊面受到交变的弯曲应力和扭转应力的作用，在轧辊的工作层内产生了交变热应力，并且这种应力在冷热条件下交替变化。轧辊的屈服点随着轧辊温度的升高而迅速降低，当辊面的合成应力超过了降低后的屈服点时，辊面局部发生微塑性变形，经过一定时间后，辊面就会出现微裂纹。周期性的循环又促使轧辊内的裂纹持续发展。裂纹不断延伸的一个主要原因是冷却水渗透到裂纹内，并受热变成蒸汽体积增大，对裂纹继续破坏加大。同时，在变形区内轧件与的轧辊接触摩擦力方向改变及各种外力的作用，所有这些因素多次反复变化，导致裂纹不断扩展，轧辊的承载能力逐渐下降，直至无法承载负荷而突然断裂。裂纹产生以后，重新上机使用前，为了减少轧辊消耗，在车削时裂纹一般清除不彻底，但使用时的换辊周期同轧辊完好时周期一样，致使残余的裂纹继续扩展。为了延长轧辊使用寿命，采用堆焊方式修补，由于补焊不良或多次补焊造成表面应力集中，产生内应力和裂纹。

3 减少或预防轧辊断裂的措施

避免残余应力及热冲击断裂，轧辊使用时应预热轧辊，并保持良好的冷却条件，严禁闭水轧制，降低内外层温度梯度；普通轧辊使用前应用半年左右时效期，以降低轧辊内应力，使用后的热轧辊应及时缓冷避免再生热应力。预防疲劳裂纹扩展为断裂问题，最重要的是保证轧辊有一定的重车量，并采取必要的检测手段，并对轧辊滚压强化进行表面处理，提高轧辊疲劳强度。进一步作内部组织探伤，发现问题立即停止使用，并和制造单位磋商解决。预防夹杂、非正常组织、残余奥氏体量过高、偏析等产生的断裂，应采用高质量的轧辊，并对采用的轧辊提出夹杂、非正常组织、残余奥氏体、偏析等方面的量化具体要求。预防因使用原因产生的断裂，应制定操作规程时应充分考虑各种诱因，制定明确到位，同时操作人员应严格遵守标准化操作。在生产中正确执行加热和轧制操作规程，严格遵守工艺纪律。轧制过程中根据轧机实际运行的情况选择合理的工艺参数，避免轧辊局部或个别轧机载荷过大。根据轧制钢种、规格和设备的工艺参数选择合适的制造厂家，保证轧辊质量。确保轧辊有合适的硬度、耐磨性、耐热裂纹性，并根据实际使用情况适当增大辊身与辊径结合处的强度，以防止轧辊大面积剥落甚至断裂。确定合理的冷却水系统，根据轧制要求选择合适的喷嘴形状和喷水部位，并保证冷却水的压力、流速、水量、水温、水质以及冷却水管的畅通，为轧辊创造一个良好的工作环境。