冷軋軋輥失效原因分析及改進措施

供稿|羅興壯，羅慶革，楊劍洪，潘禮雙，錢學海 /

內容導讀

柳鋼中金950 mm六輥六機架不銹鋼窄帶冷連軋軋輥的主要失效形式為爆輥(剝落)、斷裂、裂紋等。本文對軋輥失效原因進行分析，結果表明軋輥內部質量缺陷、軋制工藝不合理、軋輥使用管理不當?shù)仁菍е萝堓伿У闹饕?。通過加強軋輥使用過程無損探傷檢測、優(yōu)化軋制工藝及加強原料質量監(jiān)控、規(guī)范軋輥使用管理等措施的實施，不銹鋼窄帶冷連軋月斷帶率由1.59%降低至0.53%，軋輥失效支數(shù)由19支/月降到穩(wěn)定控制在2～5支/月，有效提高了連軋機組生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。

軋輥作為軋鋼生產(chǎn)中的一種大型工具，性能與質量直接決定著軋機產(chǎn)量和產(chǎn)品質量。因此，軋輥的使用與管理在冷連軋生產(chǎn)中至關重要[1]。柳鋼中金950 mm六輥六機架冷連軋機組是國內第四條不銹鋼窄帶冷連軋生產(chǎn)線，是目前國內裝備水平較高的不銹鋼窄帶冷軋機組之一。自2018年7月投產(chǎn)以來，在使用過程中軋輥頻繁出現(xiàn)爆輥(剝落)、斷輥、裂紋等事故。因此分析軋輥失效原因，采取相應的具體措施，提高軋輥使用和管理水平，降低軋輥事故率，對穩(wěn)定生產(chǎn)和降低生產(chǎn)成本具有重要的意義。

冷軋輥失效主要形式

柳鋼中金950 mm六輥六機架不銹鋼窄帶冷連軋機軋輥直徑較小，軋輥主要技術參數(shù)見表1。自投產(chǎn)以來，因軋輥材質、使用管理、軋制工藝等因素導致軋輥報廢事故頻發(fā)，其中工作輥因爆輥(剝落)、斷輥、裂紋失效分別為54支、16支、8支，主要為F1～F4工作輥；5支中間輥因爆輥而報廢；支撐輥因裂紋、斷輥而報廢各7支。由此可見冷軋軋輥失效的主要形式為爆輥(剝落)、斷輥、裂紋，典型失效宏觀形貌如圖1所示。

軋輥失效原因分析

軋輥材質及外形設計

對剝落事故軋輥進行取樣分析，軋輥剝落疲勞源、疲勞斷裂區(qū)、瞬時斷裂區(qū)宏觀形貌及金相制樣位置如圖2所示。試樣機加工后經(jīng)體積分數(shù)為4%的硝酸酒精溶液腐蝕，觀察試樣夾雜物及用掃描電子顯微鏡能譜儀分析，試樣內部及裂紋附近發(fā)現(xiàn)顆粒狀Al2O3夾雜物及TiN析出物，夾雜物最大尺寸74.5 μm，TiN析出物最大尺寸18.3 μm。試樣夾雜物、析出物及內部裂紋微觀形貌如圖3所示。從圖3可以看出，軋輥內部裂紋處存在Al2O3夾雜物，可能是由于軋輥制造廠家在軋輥輥坯熔煉時沒有采用電渣重熔工藝導致的。軋輥在上機使用過程中不斷受到交變拉壓應力時，夾雜物與軋輥的基體組織分離導致金屬組織不連續(xù)，從而產(chǎn)生內部裂紋[1]。隨著裂紋的延伸擴展，最終導致爆輥(剝落)，甚至斷輥。另外，軋輥外形設計和加工存在不當之處，在截面尺寸發(fā)生變化的部位過渡圓角設計不合理，導致應力集中，進而發(fā)生斷輥事故[2]。實際生產(chǎn)過程中，支撐輥出現(xiàn)了因過渡圓角設計不合理而在承受較大軋制壓力時產(chǎn)生斷裂。

表1 950 mm六輥六機架冷軋軋輥技術參數(shù)

圖1 冷軋輥失效宏觀形貌：(a) 爆輥(剝落)；(b) 斷輥；(c) 裂紋

圖2 軋輥剝落斷口形貌及取樣位置：(a) 斷口形貌；(b) 取樣位置

軋制工藝及原料質量

冷軋輥在軋制時受到強大的軋制壓力、彎矩、剪切應力等內外作用力導致軋輥出現(xiàn)裂紋及工作表面剝落，而且軋件的焊縫、夾雜、邊裂等易導致瞬間高溫，造成軋輥加速磨損、疲勞破壞等[3]。因此軋制工藝及原料質量等對軋輥使用壽命影響顯著。

(1) 不銹鋼冷加工硬化程度較高，隨著變形量的增加，軋件強度迅速升高，軋制力升高，總壓下量67.5%時，軋件抗拉強度高達2000 MPa。當軋輥局部應力疊加超出軋輥材料強度極限時，將引起軋輥塑性變形，進而形成裂紋，隨著交變拉壓應力的作用，裂紋擴展導致軋輥剝落或斷輥。

(2) 軋制張力控制波動大或打滑導致斷帶，使輥面接觸斷帶，受到局部過載熱沖擊、溫升、滑動摩擦的共同作用，使輥面產(chǎn)生不同程度的燒傷，導致軋輥輥面剝落。

圖3 試樣內部裂紋微觀形貌：(a) 夾雜物形貌；(b) 夾雜物能譜分析；(c) TiN析出物；(d) 內部裂紋

(3) 原料寬度方向楔形嚴重或硬度不均勻，導致連軋過程中軋機操作側與傳動側軋制力差或局部過載熱沖擊，使軋制力較大側的壓力超出軋輥材料強度極限，產(chǎn)生應力集中，將軋輥邊部壓碎剝落，或硬度較高位置因過載熱沖擊使軋輥輥面剝落。

(4) 原料夾雜、邊裂及焊縫質量差，導致連軋過程中發(fā)生斷帶，熱沖擊使軋輥輥面粘鋼、裂紋或剝落。

軋輥使用管理

冷軋軋輥使用及維護中，必須重點抓好換輥周期、磨削量、缺陷輥維護、應力恢復、評價機制等幾個方面的工作[4]。投產(chǎn)初期，軋輥使用管理粗放，導致軋輥事故率較高，主要原因有：(1)入廠新軋輥、生產(chǎn)事故輥等磨削后未經(jīng)探傷上機使用；(2)軋輥換輥周期不科學，使用周期過長，軋輥在周期應力作用下，因疲勞機制產(chǎn)生的加工硬化層加深，加重材料的脆性，從而增加了裂紋和剝落的可能性；(3)沒有專業(yè)軋輥拆裝設備，軋輥拆裝完全靠手工完成，導致軋輥、軸承座、密封圈等磨損，造成軋輥裝配質量、精度較差，甚至出現(xiàn)軋輥軸承燒壞卡死，使軋輥扭斷；(4)軋輥備件緊缺，造成下機軋輥未經(jīng)足夠時間進行應力釋放就安排上磨床磨削，并且輥面溫度較高時磨削會發(fā)生燒傷及惡化軋輥輥面應力狀態(tài)，不利于恢復正常應力，嚴重時導致在磨床上磨削時即發(fā)生裂紋或剝落；(5)員工培訓不足，導致事故輥磨削、記錄、檢測及責任不明確，需制定缺陷輥處理規(guī)范和檢驗標準，避免缺陷輥上機使用。

改進措施及效果

加大軋輥探傷檢查力度

由于軋輥直徑較小，傳統(tǒng)大型軋輥企業(yè)生產(chǎn)積極性不高，目前在用軋輥均為國內較小軋輥制造廠生產(chǎn)，軋輥質量波動較大。不銹鋼窄帶冷連軋機投產(chǎn)初期因軋輥質量問題導致的剝落、斷輥、裂紋事故較多。為避免質量不合格軋輥上機使用，要求對每支新輥以及事故輥上機前進行探傷檢查，正常計劃換輥的軋輥隨機抽查。運用現(xiàn)有超聲波探傷和磁粉探傷相結合的檢測方法[5]，利用超聲波良好的穿透性和指向性，可以對軋輥內部缺陷進行定位、定量和定性，同時磁粉探傷輔助檢測軋輥表面質量，有條件時增加磨床渦流探傷，發(fā)現(xiàn)表面、內部等存在缺陷的軋輥，拒絕上機使用，并制定軋輥無損檢測管理制度。

加強原料質量監(jiān)控

現(xiàn)階段不銹鋼窄帶上游原料質量波動大，原料邊裂、夾雜、脫皮等質量問題導致冷連軋斷帶頻發(fā)，造成軋輥燒輥、粘鋼、裂紋、剝落現(xiàn)象，因此必須加強原料質量監(jiān)控。對存在斷帶風險的帶鋼必須按相應措施處置；優(yōu)化軋制工藝，合理分配F1-F6各機架壓下量，且總壓下率控制在50%～70%之間；將工作輥硬度由90～93HSD降低至86～90HSD；調控軋機操作側與傳動側軋制力差及機架間張力波動范圍，以防板形控制出現(xiàn)單邊浪，防止帶鋼斷帶，造成軋輥粘鋼、裂紋，甚至剝落。

規(guī)范軋輥使用管理制度

制定規(guī)范的軋輥管理制度：(1)合理的換輥周期既能充分發(fā)揮軋輥的使用性能又能保證軋制質量；(2)為保證下機軋輥殘余應力釋放，恢復正常應力，需保證一定軋輥備件數(shù)量。正常下機軋輥不能馬上安排磨削，要求工作輥、中間輥、支承輥分別下機12、24、48 h后才能磨削；(3)增加軋輥拆裝平臺，提高軋輥拆裝質量和精度；(4)建立軋輥評價機制。對軋輥進行編號，快速識別，并做好軋輥檔案管理，跟蹤每支軋輥的使用情況。

改進效果

通過加強軋輥使用過程無損探傷檢測、優(yōu)化軋制工藝及加強原料質量監(jiān)控、規(guī)范軋輥使用管理，950 mm冷連軋月斷帶率由最高1.59%降低至0.53%，月軋輥失效支數(shù)由最高19支下降到穩(wěn)定控制在2～5支，有效提高連軋機組生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。

【霧鎖鋼城】陳躍先 攝

結束語

剝落、斷輥、裂紋作為軋輥失效的主要形式，可以在軋輥使用過程中加強無損探傷檢測、優(yōu)化軋制工藝及原料質量監(jiān)控、規(guī)范軋輥使用管理，避免存在質量問題的軋輥非預期使用，減少生產(chǎn)事故，降低軋輥失效數(shù)量，穩(wěn)定生產(chǎn)，降低成產(chǎn)成本。