王 磊 張彩霞 崔二寶 辛艷輝 何立東 尹玉京

(北京首鋼股份有限公司，河北064400)

我公司熱軋作業(yè)部2160 mm生產(chǎn)線自2006年投產(chǎn)以來先后使用過多家軋輥制造商生產(chǎn)的Cr3～Cr5等不同材質(zhì)以及鍛、鑄鋼等不同制造工藝的支承輥，以及堆焊工藝修復(fù)的支承輥。隨著軋制品種結(jié)構(gòu)的變化、軋機(jī)剛度的提升以及成本的管控均對軋輥管理提出了更高的要求，支承輥使用面臨新的問題：

(1)隨著產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的改變，精軋工作輥均使用高速鋼材質(zhì)替代原有的高鉻鋼材質(zhì)，粗軋工作輥也由高鉻鋼材質(zhì)升級為半高速鋼和高速鋼材質(zhì)。工作輥的材質(zhì)變化對支承輥的材質(zhì)提出了更高的要求。

(2)支承輥的制造方式主要有鍛造和鑄造兩種，從采購成本分析，鑄造支承輥的采購成本低于鍛造支承輥的采購成本。兩種方式制造的支承輥在使用中沒有明顯差異，但是鍛造支承輥可采用鑲套、堆焊工藝進(jìn)行修復(fù)，具有修復(fù)價值，且修復(fù)周期要低于新輥制造周期，價格也低于新輥采購價。鍛造和鑄造支承輥的選擇也是長期降低成本面臨的問題。

(3)支承輥在機(jī)磨損嚴(yán)重時會直接影響軋機(jī)剛度，造成軋制穩(wěn)定性和板形控制能力下降。需合理控制支承輥的輥期，并建立合適的支承輥磨削制度。

(4)根據(jù)支承輥不同使用狀況制定不同的使用策略。

1 支承輥使用概述

1.1 支承輥材質(zhì)的改進(jìn)

2160 mm生產(chǎn)線投產(chǎn)時使用含鉻量在3%左右的支承輥，隨著高速鋼、半高速鋼工作輥的使用以及產(chǎn)量、品種結(jié)構(gòu)的改變，Cr3材質(zhì)的支承輥已不能滿足現(xiàn)場需求。要求支承輥具有較高耐磨性和抗軋制接觸疲勞的性能。因此，含Cr量在4%～5%左右的支承輥應(yīng)市場需求而出現(xiàn)，Cr5比Cr3支承輥抗事故性以及輥型保持能力有很大的提高。Cr3、Cr5鍛鋼支承輥成分對比見表1，硬度對比見表2，力學(xué)性能對比見表3。

表1 Cr3和Cr5鍛鋼支承輥成分對比(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 Cr3和Cr5鍛鋼支承輥硬度對比

表3 Cr3和Cr5鍛鋼支承輥力學(xué)性能對比

1.2 支承輥輥期的優(yōu)化

隨著投產(chǎn)時使用的支承輥陸續(xù)報廢以及高速鋼工作輥的應(yīng)用，2011年開始使用新支承輥。這批支承輥中除原先的Cr3鍛鋼材質(zhì)外又增加了Cr5鍛鋼支承輥。隨著支承輥材質(zhì)的調(diào)整，支承輥的使用策略也會發(fā)生相應(yīng)的變化，為找出最優(yōu)方案，從軋輥的硬度和磨損數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，見表4。

表4 Cr3和Cr5鍛鋼支承輥使用數(shù)據(jù)對比

從軋輥的使用情況來看，軋制(20～25)萬t，Cr5鍛鋼軋輥平均磨損0.33～0.36 mm，Cr3鍛鋼軋輥平均磨損0.5～0.6 mm。

根據(jù)不同機(jī)架特點(diǎn)以及大量的數(shù)據(jù)分析后，重新優(yōu)化了Cr5支承輥更換周期，見表5。

表5 Cr3和Cr5鍛鋼支承輥輥期對比(萬t)

軋輥輥期優(yōu)化后，并未出現(xiàn)過由于軋輥疲勞磨損造成的軋輥事故，也未出現(xiàn)支承輥曲線過度磨損造成的軋制問題。輥期優(yōu)化有效地提高了支承輥的使用周期。

1.3 支承輥磨削制度優(yōu)化

軋輥的磨后輥型、表面質(zhì)量以及探傷是軋輥完成磨削的重要指標(biāo)，而支承輥除以上指標(biāo)外，軋輥的磨后表面硬度(軋輥的磨后硬度不高于軋輥的原始硬度3～5HSD)也是衡量支承輥磨削是否合格的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。

支承輥更換除正常輥期更換外還會遇到非正常輥期下機(jī)的情況。而此前的磨削制度沒有考慮到支承輥在機(jī)的實際軋制噸位，采用定量磨削方式及支承輥下機(jī)磨削2～2.5 mm，會造成成本浪費(fèi)。為此分別進(jìn)行了支承輥過鋼量小于20萬t和在機(jī)52.36萬t的實驗。并進(jìn)行相應(yīng)的磨削實驗。

根據(jù)最終實驗結(jié)果分析，可根據(jù)支承輥實際軋制噸位對磨削量進(jìn)行階梯性控制。小于20萬t磨削量不超過0.5 mm，(20～35)萬t磨削量不超過1 mm，(35～40)萬t不超過1.5 mm，大于40萬t磨削量不超過2.5 mm，達(dá)到磨削量后測量輥型曲線、圓度、探傷及硬度檢測。磨后硬度不高于前次磨后硬度則判定合格，反之則增加0.5 mm磨削量復(fù)測硬度。

1.4 堆焊支承輥應(yīng)用

堆焊修復(fù)支承輥技術(shù)是目前支承輥修復(fù)工藝方法之一，對報廢支承輥本體通過超聲檢測合格后進(jìn)行二次利用，合理調(diào)配焊絲合金元素，利用堆焊技術(shù)修復(fù)支承輥使用層，從而達(dá)到降低支承輥采購成本，延長使用壽命，降低軋輥消耗。

由于支承輥體積較大，重量在50 t左右，國內(nèi)能夠生產(chǎn)大型支承輥的軋輥廠家較少，國產(chǎn)支承輥價格約為140萬元，有效使用直徑僅為160 mm，剩余的1440 mm的軋輥芯部只能當(dāng)作廢鋼進(jìn)行處理，使支承輥的使用價值大大降低。而軋輥堆焊修復(fù)技術(shù)僅為新輥采購費(fèi)用的60%。

由于堆焊軋輥的加工工藝不同，對軋輥的使用性能進(jìn)行跟蹤，包括軋輥的下機(jī)表面，軋輥的在機(jī)磨損，輥型保持能力及軋輥硬度進(jìn)行跟蹤。

堆焊軋輥表面焊縫連接處相對較弱，而且在修復(fù)過程中由于焊渣吹掃不凈或者保溫罩內(nèi)的異物掉落會造成軋輥的夾雜缺陷，以上兩種缺陷都是在軋輥上機(jī)使用后才能出現(xiàn)，所以需對軋輥的下機(jī)表面進(jìn)行跟蹤觀察。

2 支承輥常見缺陷及預(yù)防措施

支承輥與工作輥在接觸過程中，由于周期性應(yīng)力的作用，使支承輥表面發(fā)生塑性變形，導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生，從而造成剝落。這種情況，我們一般叫做疲勞磨損，疲勞磨損是支承輥的主要磨損形式，支承輥失效大部分都是由于疲勞剝落引起的。

2.1 支承輥表面失效的原因

造成支承輥表面失效的原因有以下幾種：

(1)工作輥與支承輥之間存在異物壓入導(dǎo)致支承輥失效。

(2)支承輥淬硬深度不足，使支承輥使用至一定直徑后硬度下降，造成支承輥過度磨損。支承輥下線凹坑見圖1。

圖1 支承輥下線凹坑

(3)軋輥磨削參數(shù)設(shè)置不合理，軋輥轉(zhuǎn)速與托板速度不匹配導(dǎo)致軋輥表面有凸起部位。在軋制過程中軋輥受力不均勻，突起部位產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中，導(dǎo)致局部疲勞并產(chǎn)生裂紋。在磨削支承輥倒角時，使用手動過度干預(yù)，致使倒角去應(yīng)力作用失效導(dǎo)致支承輥剝落。

(4)支承輥輥型與工作輥輥型不匹配，或去應(yīng)力曲線設(shè)計不合理導(dǎo)致支承輥應(yīng)力集中，造成軋輥失效。

2.2 軋輥失效控制措施

(1)支承輥在機(jī)周期較長，基本屬于離線監(jiān)控。如生產(chǎn)線出現(xiàn)廢鋼、堆鋼、纏輥等事故時必須對支承輥進(jìn)行檢查，根據(jù)具體情況制定更換或臨時處理方案。軋輥下機(jī)后也要對軋輥輥身和倒角剩余長度進(jìn)行檢查以便制定磨削方案和輥期。

對于支承輥在使用過程中出現(xiàn)的單條表面裂紋，可先使用超聲檢測對裂紋進(jìn)行評估，確定擴(kuò)展情況及深度。以減少磨削量、控制輥耗為目的，可進(jìn)行局部“挖坑”處理。

2016年，我公司對軋輥磨削后進(jìn)行渦流檢測時發(fā)現(xiàn)距軋輥傳動側(cè)750 mm處存在表面缺陷，見圖2。根據(jù)渦流檢測指示，找到軋輥相應(yīng)缺陷位置，該處表面裂紋長度3 cm，深度約為5 mm，方向為軋輥周向位置，無明顯擴(kuò)展。如果按照裂紋擴(kuò)展深度進(jìn)行磨削，則至少需要直徑10 mm的磨削量才能將表面裂紋去除。根據(jù)超聲檢測對裂紋的評估情況可對此區(qū)域進(jìn)行局部處理。局部修復(fù)后“挖坑”面積約為10 cm×10 cm，使用著色及表面波對修復(fù)位置進(jìn)行檢測，確保裂紋完全去除，還要確保“挖坑”邊緣平滑過渡，見圖3。局部修復(fù)后軋輥可上機(jī)使用，下機(jī)后還需對軋輥“挖坑”區(qū)域進(jìn)行相應(yīng)的探傷跟蹤，定期對過渡區(qū)域進(jìn)行修磨，保證平滑過渡直至“挖坑”區(qū)域磨平為止。根據(jù)支承輥的采購價格，本次采用局部修復(fù)節(jié)約了5.71萬元左右。

圖2 支承輥表面裂紋

圖3 裂紋局部修復(fù)形貌

(2)建立支承輥硬度檢測制度。硬度曲線見圖4。支承輥每次磨削后測量輥面硬度變化，直至其輥面硬度恢復(fù)原值或高于原值3～5HSD。

圖4 支承輥硬度曲線

硬度跟蹤不僅能夠了解支承輥疲勞層是否去除，還能對支承輥的淬硬深度進(jìn)行監(jiān)控。隨著支承輥使用直徑的減小，支承輥的硬度會下降。支承輥不同位置的使用數(shù)據(jù)見表6。目前國內(nèi)對Cr5鍛鋼支承輥能夠控制在3HSD以內(nèi)，如果硬度明顯下降則有可能是支承輥淬硬層的深度不足。

表6 支承輥不同位置的使用數(shù)據(jù)

支承輥在機(jī)使用18.8萬t時達(dá)到磨損1.768 mm，輥型曲線完全破壞，軋制力出現(xiàn)約70 t的周期性波動。軋輥磨損曲線見圖5。對軋輥使用的安全性及軋制穩(wěn)定性造成較大的影響。

圖5 軋輥磨損曲線

(3)支承輥的輥型設(shè)計。支承輥的輥型設(shè)計是指支承輥輥身原始外形設(shè)計，一方面為了保證鋼板板形。另外一方面為了保證支承輥在使用過程中，輥身所受到的接觸應(yīng)力在合理范圍內(nèi)，從而保證支承輥使用的穩(wěn)定性。

為解決CVC支承輥與邊部倒角過渡不良導(dǎo)致邊部應(yīng)力集中，采用VCR+CVC復(fù)合曲線設(shè)計，另外為了提高支承輥倒角磨削質(zhì)量，減少支承輥在磨削過程中的設(shè)備啟停次數(shù)，將去應(yīng)力曲線直接設(shè)計在曲線里。實現(xiàn)了支承輥輥型倒角一體化磨削，見圖6。

圖6 支承輥輥型設(shè)計

3 結(jié)束語

通過對北京首鋼2160 mm 生產(chǎn)線支承輥選材、輥期控制、磨削量制度優(yōu)化以及堆焊修復(fù)鍛鋼支承輥的實際應(yīng)用等措施，有效地提高了支承輥的使用壽命，降低了支承輥的使用成本。

(1)通過支撐材質(zhì)優(yōu)化，保證支承輥磨損的均勻性，提高了支承輥的壽命，輥期由(20～25)萬t提高到(20～40)萬t，縮短了因換支承輥造成的檢修時間約16 h/月。

(2)通過對支承輥磨削制度的優(yōu)化，有效地降低了支承輥消耗，節(jié)約成本約3.6萬元/月。

(3)堆焊修復(fù)支承輥技術(shù)有效地降低了支承輥的采購成本。我公司先后使用3支堆焊修復(fù)支承輥，經(jīng)使用堆焊支承輥的軋制量與Cr5鍛鋼新輥接近，價格僅為新支承輥的60%。

(4)支承輥的局部缺陷修復(fù)方式可以有效減少支承輥的磨削量。但是需要做好處理前的缺陷評估工作，需要避開支承輥的應(yīng)力集中區(qū)，我公司先后對兩支支承輥進(jìn)行局部“挖坑”處理，節(jié)約支承輥磨削成本約10萬元。