SCR銅桿生產(chǎn)線摩根軋機斷輥機理分析及關(guān)鍵技術(shù)研究

張偉旗

(江西銅業(yè)集團銅材有限公司，江西 貴溪 335424)

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SCR銅桿生產(chǎn)線摩根軋機斷輥機理分析及關(guān)鍵技術(shù)研究

張偉旗

(江西銅業(yè)集團銅材有限公司，江西 貴溪 335424)

針對SCR銅桿生產(chǎn)線摩根軋機斷輥機理及關(guān)鍵技術(shù)進行分析和研究，成功解決了軋輥斷裂這一制約生產(chǎn)的技術(shù)問題。通過數(shù)值模擬、技術(shù)創(chuàng)新及優(yōu)化設(shè)計，軋機作業(yè)率高、銅桿品質(zhì)好、輥耗小、成本能耗水平高，推廣應(yīng)用價值良好。

SCR銅桿生產(chǎn)線；摩根軋機；數(shù)值模擬；斷輥

軋輥是SCR銅桿連鑄連軋生產(chǎn)線的關(guān)鍵部件和易損件，其正常運行、維修和調(diào)整，對生產(chǎn)和產(chǎn)品品質(zhì)至關(guān)重要。我公司分別于2003、2006年從美國SOUTHWIRE公司引進SCR3000/4500 2條連鑄連軋生產(chǎn)線。盡管其技術(shù)裝備水平目前已居世界領(lǐng)先地位，工藝成熟，但因外方對SCR生產(chǎn)線核心技術(shù)長期實施壟斷和技術(shù)封鎖[1]，建廠初期軋輥使用壽命短，會產(chǎn)生斷輥現(xiàn)象，因而成為生產(chǎn)技術(shù)的“瓶頸”。這也是國內(nèi)外銅加工企業(yè)和軋輥制造業(yè)普遍面臨的重大課題和進行攻關(guān)的重點和難點。

軋制過程中，軋輥表面裂紋、表面材料破裂和剝落及疲勞破壞等是導(dǎo)致軋輥使用壽命短和斷輥的主要原因，若考慮到由輥耗引起的停機、減產(chǎn)及維修成本增加等因素，輥耗所占生產(chǎn)成本比重則更高，且直接關(guān)系到生產(chǎn)線的運行效率、產(chǎn)能和產(chǎn)品品質(zhì)。通過對軋輥溫度場和應(yīng)力場進行耦合計算，剖析軋輥疲勞裂紋產(chǎn)生、斷裂條件等原因，獲得理想的軋制參數(shù)，可提高生產(chǎn)效率、銅桿品質(zhì)，改善軋輥作業(yè)條件，提高軋機作業(yè)效率，延長軋輥壽命，降低輥耗，大幅降低占用流動資金和成本能耗。

1 試樣制備和實驗方法

SCR3000/4500摩根軋機軋輥采用H13材質(zhì)。根據(jù)軋輥技術(shù)要求標準，先通過檢查軋輥斷裂部位、斷口形貌及顏色等進行宏觀分析；再采用線切割方式分別從軋輥外表面至芯部提取若干試樣進行分析。其中，3個試樣采用WDW3100型微控電子萬能試驗機進行高溫拉伸性能測試；3個試樣采用德國斯派克SPCTROLAB-M10直讀光譜儀進行化學成分分析；5個試樣利用德國LEICA DM2500M型金相顯微鏡進行室溫力學性能及金相分析。對斷輥部位的工作層、工作層與芯部過渡處、凹陷處及臺階分布的條紋處分別敲取斷裂試樣，經(jīng)粗細磨、拋光、侵蝕后，利用XL30掃描電鏡觀察其拋光態(tài)和侵蝕組織；利用美國G&R HT-1000A 手持袖珍式里氏硬度計在靠近斷口處及輥面進行硬度測試；利用JUT800便攜式數(shù)字超聲波探傷儀對軋輥斷裂處及周圍進行無損檢測。

2 實驗結(jié)果與系統(tǒng)分析

針對斷輥影響因素的研究，可運用彈性理論、斷裂力學等分析理論，針對其力學理論、金相組織、斷口形貌、化學成分等進行系統(tǒng)的分析。根據(jù)超聲波無損檢測結(jié)果和宏觀斷口形貌分析，軋輥斷裂以輥頸處最為嚴重，裂紋源源自斷口上的凸起部分，由于扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的作用，使萌生的裂紋沿扭轉(zhuǎn)方向逐步向外擴展，且呈螺紋狀放射條紋。由掃描電鏡和金相檢測結(jié)果得知，斷輥輥身內(nèi)部特別是裂紋源附近組織疏松明顯，存在顯微孔洞缺陷，孔洞表面特征呈縮孔狀，表明軋輥制造過程中的冶金質(zhì)量較差，疏松部位有應(yīng)力集中，易產(chǎn)生裂紋形核、擴展而斷輥。目前國內(nèi)外學者對軋輥應(yīng)力場、溫度場相關(guān)研究的較多，而專門針對軋輥斷裂及使用壽命問題的研究則極少。

SCR摩根軋機設(shè)計制造采用OEM形式。一般設(shè)有10～12個機架，按軋輥尺寸可分為8、12、l6吋三種規(guī)格，采用平立輥交互式布置，以橢圓孔形系統(tǒng)軋制銅桿。軋機部件中，以軋輥工況最為惡劣，其所承受負荷大，長期受到循環(huán)反復(fù)的交變熱應(yīng)力和機械應(yīng)力等綜合作用，包括制造加工過程中的殘余應(yīng)力、溫度分布不均或交替變化的溫度應(yīng)力。軋制過程中，軋輥承受高溫軋制銅桿的熱輻射和乳液強制冷卻，還進一步受到各種周期應(yīng)力的作用，如接觸應(yīng)力、彎曲應(yīng)力、軋制力、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力、剪切應(yīng)力及熱應(yīng)力等，且以上應(yīng)力沿輥身分布是不均勻的、不斷變化的，導(dǎo)致軋輥處于復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)。生產(chǎn)初期，因軋輥事故機理極為復(fù)雜，且受到各類隨機參量的干擾，事故診斷與監(jiān)測、使用維修一直困難極大，意外斷輥、軸承燒損等事故時有發(fā)生。

3 數(shù)值模擬及機理分析

3.1 數(shù)值模擬

銅桿熱軋過程相當復(fù)雜，使得與軋制工藝密切相關(guān)的多數(shù)潛在參數(shù)無法測量。隨著對熱軋銅桿的要求越來越嚴格，為獲取理想的軋制參數(shù)，為研究軋輥失效和使用壽命提供充分的依據(jù)和參考，可建立熱軋銅桿-軋件有限元模型，以實現(xiàn)熱軋銅桿過程的有限元動態(tài)模擬。宜采用三維模型對無裂紋工作輥溫度場和應(yīng)力場進行耦合計算，分析溫度場、應(yīng)力場及熱應(yīng)力的變化規(guī)律，以找到最易產(chǎn)生裂紋的位置。

在無裂紋工作輥有限元模型基礎(chǔ)上，布置表面裂紋，重新劃分網(wǎng)格，建立不同的局部坐標系，分析軋制過程中有表面裂紋工作輥應(yīng)力強度因子K和J積分的變化規(guī)律；利用累積損傷理論、疲勞理論及之前模擬計算得到的應(yīng)力強度因子增幅ΔK，可分別得出有裂紋工作輥和無裂紋工作輥的壽命；利用之前模擬計算得到的J積分變化規(guī)律及遠場J積分的恒定性，可確定裂紋擴展的臨界載荷、臨界溫度及臨界開裂角度；從而最終找出斷輥的影響主因[2]。

3.2 機理分析

斷輥事故形式多樣，形態(tài)迥異，破壞也最致命。其可分為疲勞裂紋斷輥和一次性的突然斷輥。其斷裂部位主要在輥頸處、軋輥孔型處、輥身與輥頸交界處等。導(dǎo)致斷輥的應(yīng)力通常有四種,制造過程的殘余應(yīng)力、軋制過程中組織應(yīng)力或機械應(yīng)力、軋輥內(nèi)外溫差形成的熱應(yīng)力。以上幾種狀況皆會引起斷輥，但斷輥一般都是由幾種狀況綜合作用而引起的。通過實驗及多年來的數(shù)理統(tǒng)計分析，影響斷輥的主因如下。

3.2.1 鑄造缺陷

軋輥鑄造缺陷是影響軋輥輥頸斷裂的主因。一般斷輥源自軋輥內(nèi)部且是由其自身缺陷裂紋引起的。若輥頸截面內(nèi)在冶金質(zhì)量較差，存在先天嚴重偏析，較多大面積粗條狀、網(wǎng)狀碳化物、殘余奧氏體、心部疏松孔洞區(qū)等，在組織疏松部位熱循環(huán)應(yīng)力易產(chǎn)生應(yīng)力集中、裂紋形核、擴展斷裂。由于軋輥材料較脆，受其內(nèi)應(yīng)力和碰撞時震動應(yīng)力的交互作用影響，易以其鑄造缺陷和脆性相為核心萌生出裂紋，進而擴展產(chǎn)生斷裂。軋輥存在如球化率低、滲碳體量過高等芯部組織不正常的狀況時，軋輥的機械性能驟降，其較薄弱處在熱應(yīng)力作用下易先被拉裂，隨著裂紋的迅速擴展而導(dǎo)致斷輥。

3.2.2 制造加工缺陷

軋輥制造加工過程中出現(xiàn)的加工缺陷和質(zhì)量波動，通常是造成軋輥早期斷裂的主因。如鍛造工藝不當，使輥面和輥頸之間硬度差過大；設(shè)計加工時，過渡圓角不足或未精密加工，產(chǎn)生應(yīng)力集中；加工粗糙，殘留有刀痕；表面加工殘余應(yīng)力過大，疲勞強度降低，軋輥初始上機使用階段應(yīng)力集中易形成裂紋源，然后沿切應(yīng)力方向擴展，產(chǎn)生斷裂；磨削時局部過熱，造成磨削開裂；輥頸直徑過小，致使強度不足；未進行時效處理，產(chǎn)生斷輥等。

3.2.3 熱處理淬火或回火不充分

H13軋輥淬火不當，易產(chǎn)生斷輥；熱處理回火不充分時，其外層組織中含有大量馬氏體和殘余奧氏體，軋輥鑄態(tài)應(yīng)力高是斷輥的內(nèi)因。對組織應(yīng)力影響最大的殘余奧氏體在乳液冷卻、軋制溫度及壓力的交變作用下，會發(fā)生奧氏體向馬氏體或貝氏體的轉(zhuǎn)變，因奧氏體比容小，馬氏體比容大，組織轉(zhuǎn)變過程中，隨著體積膨脹，易使軋輥工作層產(chǎn)生更大的壓應(yīng)力，芯部產(chǎn)生更大的拉應(yīng)力，超過材料強度時則產(chǎn)生斷輥。

3.2.4 熱應(yīng)力的影響

斷輥與冷熱不均產(chǎn)生的熱應(yīng)力有關(guān)。軋輥上機初始階段，因與軋材緊密接觸，使軋輥表面溫度驟升，而軋輥芯部溫度上升較慢，導(dǎo)致軋輥面和軋輥芯部之間的溫差處于最大值，由溫差引起的軋輥熱應(yīng)力也最大。若軋輥的殘余應(yīng)力與熱應(yīng)力相疊加，超過軋輥芯部的強度極限時，會產(chǎn)生斷輥事故。而軋輥需長期承受循環(huán)、反復(fù)交變的熱應(yīng)力和機械應(yīng)力的共同作用，在軋輥芯部或結(jié)合層的結(jié)合部位會出現(xiàn)開裂，應(yīng)力集中嚴重時，即軋制壓力超過許用應(yīng)力，或微裂紋進一步擴展為大裂紋時，即發(fā)生斷輥事故。

3.2.5 乳液狀況不良和磨損不勻

軋制過程中，乳液狀況特別是乳液的濃度和溫度對軋制過程及軋件品質(zhì)影響極大。軋機乳液供應(yīng)不足或缺乳液時，因受到軋輥冷卻不均勻和磨損不均勻的交變作用影響，易產(chǎn)生熱疲勞，致使輥面熱裂；熱應(yīng)力過大時，易導(dǎo)致軋輥表層剝落，甚至斷輥；軋輥的局部缺陷會逐漸擴大，進而產(chǎn)生疲勞斷裂；而不正確的使用，也會促使疲勞裂紋擴展，進而導(dǎo)致過早斷輥。其斷裂部位不一定在軋制道次的孔型內(nèi)，也許在相鄰孔型內(nèi)。軋輥斷裂口為疲勞斷口，呈深褐色。

乳液濃度過低時，潤滑效果差，磨損阻力大，軋輥易磨損或粘銅皮；過濃時，潤滑液粘度增加，對沖洗和冷卻不利，氧化皮不易沉淀。乳液溫度過低或流量過大，銅桿易變硬，銅桿帶液經(jīng)過卷取夾送輥時，會打滑造成精軋出口擠線，且溫度過低時乳液粘度增加，對潤滑不利；乳液溫度過高時，冷卻效果差，桿表易變色，油膜強度降低，潤滑性能變差；軋輥局部溫升過高時，會使軋輥局部晶粒粗大，強度降低，繼續(xù)使用易斷輥；若給乳液后急冷，材質(zhì)經(jīng)淬火后晶粒變細，會產(chǎn)生拉應(yīng)力，超過軋輥材料強度極限時，會造成斷輥，其斷裂部位在軋輥應(yīng)力集中處，因缺乳液斷輥的斷口呈深蘭色。

3.2.6 軋輥壓下量過大

軋輥壓下量大，軋制出的銅桿性能好，其內(nèi)部組織致密、晶粒小、無氣泡，軋輥需承受較大的熱應(yīng)力和機械應(yīng)力，軋制過程中，特別是以軋槽部位的應(yīng)力集中最為嚴重，常產(chǎn)生斷輥。軋輥壓下量調(diào)整不均或工藝安排不當時，如某一道次壓下量過大，易造成簡單的機械性過載，致使該道次軋制的變形抗力劇增，軸瓦與軸頸之間會產(chǎn)生劇烈的摩擦，輥頸處的熱應(yīng)力極高，使輥頸變細，難以承受軋制壓力等，若軋制壓力超過許用應(yīng)力，易在輥頸處產(chǎn)生應(yīng)力集中，引起軋輥斷裂；而軋制力過大時，易引起材料失穩(wěn)，軋輥在孔型的工作輥徑上折斷，其斷口為剪應(yīng)力斷口，呈灰白色。

3.2.7 誤操作

軋制銅桿過程中，一旦操作不當，如間隙調(diào)整不到位，會導(dǎo)致該道次變形量過大；或使軋件喂錯孔型，進入較小規(guī)格孔型時，軋件進入輥環(huán)或纏輥，造成扭轉(zhuǎn)力矩大于軋輥本身強度，軋輥在輥身與輥徑接觸處被扭斷，其斷裂口為扭應(yīng)力斷口，呈灰白色。

3.2.8 工作輥主軸軸承燒結(jié)

工作輥主軸軸承燒結(jié)時，使軋輥無法旋轉(zhuǎn)，扭矩突然劇增，軋輥傳動軸部位或相對薄弱處易受到劃傷及機械損傷，使軋輥在突然受到巨大外力作用下產(chǎn)生斷裂。

3.2.9 軋輥事故裂紋

軋制過程中，若出現(xiàn)打滑、粘銅、卡銅或斷乳液軋制等異常狀況時，該事故裂紋在輥身表面母線上或局部區(qū)域內(nèi)的深度及開口度較大且深；特別是斷乳液軋制時，對軋輥危害更大，輕則引起輥身裂紋，表面組織產(chǎn)生變化，重則造成軋輥斷裂。

4 關(guān)鍵技術(shù)與創(chuàng)新優(yōu)化

4.1 乳液最佳狀況控制技術(shù)

軋機乳液即由可溶性油組成的混合液體，能去除銅桿表面的殘留氧化物，起到潤滑、冷卻、抗氧化和清洗軋輥和銅桿的作用。通過長期實踐摸索，將原乳化液改為RD-37型全合成乳液，且摸索出一套乳液濃度、溫度及流量控制技術(shù)，獲得粗精軋乳液指標最佳配比，無須再添加乳化劑，且充分預(yù)熱溶液。其優(yōu)點是可提高過線成功率，明顯改善銅桿品質(zhì)，操作方便，使用周期長，軋輥壽命長，清潔機器效果好，使銅桿表面光滑，成本能耗低。

4.2 銅材優(yōu)異綜合性能控制技術(shù)

熱軋過程中，通過對銅桿軋制、加熱和冷卻的合理控制，可使范性形變與固態(tài)相變過程相結(jié)合，以獲得良好的晶粒組織。軋制過程中，采用在線監(jiān)測入軋鑄錠溫度系統(tǒng)，確保軋件溫度符合工藝要求，杜絕低溫銅桿或黑銅桿；保證合理的軋輥標定數(shù)值，降低設(shè)備原因?qū)е碌能堉屏ζ睿坏┌l(fā)生擠桿、卡銅、工作輥軸承抱死等意外事故時，必須立即停機排查；根據(jù)軋制條件變化，合理分配延伸系數(shù)，減少軋輥不均勻磨損的程度；合理設(shè)計孔型和分配壓下量，有效降低軋制壓力；專心操作，防止坯料喂錯孔、軋錯道次、調(diào)錯軋輥間隙，避免軋制壓力劇增，導(dǎo)致產(chǎn)生疲勞斷輥；嚴格標準化作業(yè)，控制好軋制速度，保證銅桿溫度均勻，防止銅桿下軋或翹頭而導(dǎo)致卡銅；為減少輥耗，必須規(guī)范誤操作、卡銅及倒料等故障處理方法，制訂和完善摩根軋機工作輥使用制度，制訂合理的換輥周期及磨削工藝，可大幅減少斷輥事故發(fā)生幾率。

4.3 軋輥冷卻噴嘴的優(yōu)化設(shè)計技術(shù)

減小熱應(yīng)力最有效的辦法是在銅桿軋制過程中對軋輥進行良好的冷卻?？赏ㄟ^優(yōu)化設(shè)計乳液噴嘴的安裝位置、噴射角度、噴射壓力及流量，確保軋機乳液系統(tǒng)的暢通，保證軋輥在線軋制過程中，乳液系統(tǒng)壓力設(shè)定合理、過濾網(wǎng)及冷卻噴嘴無堵塞、乳液量充足等，將軋輥溫度控制于正常范圍內(nèi)，減少軋輥的溫度梯度，降低軋輥熱應(yīng)力，保證其正常使用，降低其受熱程度，緩解其熱疲勞，減少或杜絕因乳液問題而導(dǎo)致斷輥。

4.4 軋輥壓下量控制技術(shù)

適當降低軋制力和扭矩，改善軋制應(yīng)力狀態(tài)，延長軋輥使用壽命，可有效避免在線斷輥等惡性事故發(fā)生；避免較大機械應(yīng)力的方法主要是避免過冷銅，應(yīng)精心操作，防止銅料喂錯孔或間隙調(diào)整失誤，杜絕軋制低溫銅和黑頭銅，避免軋制壓力的增加而使軋輥處于疲勞狀態(tài)，甚至產(chǎn)生斷輥。

4.5 提高軋輥冶金加工質(zhì)量

必須最大限度降低H13鋼中氧、硫、磷的含量，大幅提高鋼的純度；對鋼液進行復(fù)合脫氧與變質(zhì)處理，改善夾雜物的形態(tài)和性質(zhì)，進一步提高軋輥材料的綜合性能；鍛造時，必須有足夠的鍛比，提高工件的組織致密度和均勻性，保證鍛件內(nèi)部不出現(xiàn)疏松、裂紋和縮孔等缺陷；淬火回火后，應(yīng)保證輥身表面硬度的均勻性和適宜的淬透性；提高軋輥的加工精度、塑韌性和剪切強度，降低軋輥的內(nèi)部缺陷及殘余應(yīng)力，提升軋輥軋制過程中的抗事故能力，減少或杜絕由于軋輥鍛造、機加工環(huán)節(jié)導(dǎo)致的裂紋源。

4.6 軋輥熱處理和時效處理技術(shù)

通過適當?shù)臒崽幚砑夹g(shù)，將輥身工作層殘余奧氏體含量控制在<5%，可降低軋輥的組織應(yīng)力，消除制造加工過程中的大部分殘余應(yīng)力，剩余殘余應(yīng)力會隨著軋輥存放時間的延長而逐漸消除。因而，新軋輥存放一段時間再使用，可顯著降低斷輥風險。

4.7 上下機軋輥質(zhì)量控制技術(shù)

軋輥上機前，存放環(huán)境以15～30℃的室溫最適宜，其溫差梯度小，可保證加工后的輥形，降低斷輥的風險性；軋輥安裝前，須無凹坑、麻點、沙眼、裂紋等表面缺陷；重車或重磨磨損輥面，是提高軋輥磨削質(zhì)量、消除軋輥裂紋、預(yù)防軋輥剝落和斷裂及提高產(chǎn)品品質(zhì)的有效措施；及時檢測和記錄下機軋輥輥面的裂紋情況，加大磨削量，可完全消除壓應(yīng)力裂紋；為有效磨凈裂紋，必要時需配合進行磁粉探傷和超聲波探傷。生產(chǎn)間隙，將軋輥表面的裂紋磨削掉，并消除其內(nèi)應(yīng)力[3]；采用堆焊法修復(fù)減徑軋輥時，應(yīng)做好跟蹤檢查，確保堆焊質(zhì)量；通過無損探傷等檢測手段，及時發(fā)現(xiàn)軋輥內(nèi)部缺陷，防止上機軋輥產(chǎn)生大的斷輥事故。

4.8 軋輥質(zhì)量跟蹤監(jiān)測技術(shù)

加大新輥入廠檢測和周轉(zhuǎn)輥跟蹤超聲波檢測力度，及時檢測出軋輥內(nèi)部缺陷，做好其缺陷位置和深度記錄，擬定相應(yīng)解決措施及方案；同時建立和完善軋輥探傷技術(shù)檔案，在線軋輥使用至中、末期時，須縮短超聲波檢測周期，便于及時發(fā)現(xiàn)問題，防患于未然，杜絕繼續(xù)使用問題軋輥，可有效防止軋制過程中軋輥剝落或斷輥事故。

5 結(jié) 語

(1)軋輥內(nèi)部顯微疏松冶金缺陷易產(chǎn)生應(yīng)力集中、裂紋形核、擴展直至整體斷裂；

(2)制造殘余應(yīng)力、機械應(yīng)力、組織應(yīng)力和熱應(yīng)力是導(dǎo)致軋輥斷裂的主因[4]；

(3)雖然軋輥主應(yīng)力的分布使裂紋源于軋輥表面，但斷輥屬于多源疲勞斷裂，軋輥材質(zhì)特別是芯部的低韌性是脆性斷裂主因；

(4)良好的熱處理、軋制條件及冷卻是降低軋輥事故發(fā)生率的重要工藝保障；

(5)制訂合理的換輥周期及磨削工藝，可大幅減少斷輥事故的發(fā)生幾率。

[1] 張偉旗.SCR鑄輪技術(shù)裝備創(chuàng)新與機械故障的控制[J].特種鑄造及有色合金，2012，32(3)：274～276.

[2] 梁松.高速鋼軋輥斷裂失效的有限元分析[D].內(nèi)蒙古科技大學.2010(5).

[3] 趙楠.穆海玲.裴新華.高鎳鉻球芯熱軋輥的斷裂失效分析[J].物理測試.2005，23(4)：50～53.

[4] 張海臣.高軍芳.黃麗穎.高鉻鑄鋼軋輥斷輥原因分析及防止方法[J].熱加工工藝.2010，39(15)：183～184.

Study of Mechanism and Key Technology for Roll Breakage of Morgan Rolling Mill in SCR Copper Rod Production Line

ZHANG Weiqi

(JCC Copper Products Co., Ltd., Guixi 335424, China)

In order to resolve roll breakage issue, the paper studied the mechanism and key technology for roll breakage of Morgan rolling mill using numerical simulation, technical innovation and optimization design; the paper pointed out that the mill now has the advantages of higher operational and energy efficiency, less roll consumption, and better quality for copper rod, as well as provides reference for similar cases.

SCR copper rod production line; Morgan rolling mill; numerical simulation; roll breakage

2014-11-10

張偉旗(1965-)，男，高級工程師，主要從事有色冶金機電設(shè)備管理工作。

TG335.6

B

1671-6795(2015)03-0027-04