提高冷轧辊的使用效率的技术措施

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摘 要：本文介绍了冷轧薄板厂使轧辊的主要失效形式，分析了轧辊的断裂和裂纹产生原因，提出了具体改进措施。

关键词：轧辊 失效 硬度

1 前 言

随着市场的发展，客户对冷轧薄板的质量要求不断提高，生产厂家必须适应市场的需求，生产更高质量的产品以满足用户的需要。在轧机所有备件中，轧辊是非常重要的备件。轧辊在工作中要承受高的轧制力、冲击载荷、疲劳和磨损等，因此冷轧辊的消耗非常大。统计资料表明，在冷轧生产过程中冷轧辊的消耗在生产成本中所占的比例达25%左右。冷轧薄板厂要想取得更好的经济效益， 一方面要生产适销对路的高附加值产品，另一方面要降低生产成本。因此，提高轧辊的使用效率是取得良好经济效益的重要手段之一，也是本文阐述的主要内容。

2 轧辊磨削设备及轧制产品

2.1 磨削设备

鄂钢采用MK8463/5000-H数控轧辊磨床用于加工冷轧板带生产线中的工作辊、支承辊修磨加工。机床可磨削圆柱形、具有中凸（凹）要求的任意曲线的辊面以及圆锥形的辊面等。可磨削正弦及抛物面曲线辊面、辊面端部倒角。机床总体布局如图1：

在托架支承磨削轧辊时，为了保证磨削精度，轧辊的托架支承面（即基准圆，或支承颈）的圆度、纵截面直径一致性和同心度必须小于或等于轧辊的磨削精度要求，并且表面粗糙度须好于Ra0.8μm。

上述精度在一定的条件下（温度梯度变化量2C?/m·h；低频震动10HZ时≤3μm），选用双方确认的轧辊，可不做精度考核。

2.2 探伤设备

对轧辊表面质量的自动检测，可以采用涡流（ET）、磁粉及超声（UT）技术。涡流探伤以其特有的优点，已被广泛运用于生产实践，可检测轧辊表层由于制造工艺造成的或由于使用中承受复杂的应力与应变而生成的各种裂纹及材质结构变化。

2.3轧辊材质及技术要求

轧辊按制造材料主要划分为铸钢系列轧辊、铸铁系列轧辊和锻造系列轧辊三大类别。其中碳含量小于2.2%的锻造铁基材料称为铸钢系列；碳含量大于2.2%的锻造铁基材料称为铸铁系列；锻造铁基材料称为锻造系列。冷轧工作辊的材质主要钢号有9Cr、9Cr2、9Cr2W、9Cr2Mo等、支撑辊材质主要有9Cr2Mo、9CrV、60CrMnMo等。

3 加 工

3.1毛化

为了改善冷轧薄板的板型、深冲性、延伸率和涂镀性能，在冷轧薄板生产工艺中，要求对冷轧工作辊的辊面进行毛化处理，然后轧制出满足用户特殊（加工）工艺要求的冷轧毛化钢板。目前用以满足轧辊毛化处理的技术有：喷丸毛化（SB）技术、电火花毛化（EDT）技术、激光毛化技术等。这些技术按粗糙度形貌类型来分，可分为无规则分布和可设定式分布的两种类型。喷丸毛化（SB）和电火花毛化（EDT）属于无规则分布的粗糙度形貌类型，激光毛化则属于可设定式分布的粗糙度形貌类型。鄂钢配有与产品质量相应的毛化设备（EDT）。

3.2磨削

磨削的目的有两个：一是去除轧辊在轧制过程中的疲劳层（加工硬化层）；另一个是去除轧辊表面缺陷，如凹坑、拉毛印等。磨削量太大会缩短轧辊的使用时间，而太小则会因轧辊表面质量欠佳而影响板材表面质量，因此，每次磨削量应等于轧辊表面缺陷深度和疲劳层厚度二者中的较大者。正常生产情况下，工作辊每次磨削量为0.15～0.2mm。

3.3探伤

对轧辊表面质量的自动检测，可以采用涡流（ET），磁粉及超声波（UT）探伤技术，在不同的情况下可以使用不同的方法进行检测。

3.4去除残余应力

由于残余应力是轧辊生产中不可避免的现象，冷轧轧辊在使用之前，应在一定的油温（105～110℃）中浸泡一段时间（6～8h），以消除轧辊表面的应力，从而达到表面性能稳定的目的。

4 使 用

4.1轧辊失效分析

轧机在轧制生产过程中，轧辊处于复杂的应力状态。冷轧机轧辊的工作环境更为恶劣：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。

4.2 轧辊剥落

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） 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。支撑辊和中间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显微缺陷的存在，也会诱导裂纹的产生。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。

（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。

工作辊与中间辊接触，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，中间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，即通称为龟裂。

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向轧辊内部扩展。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：如轧制量过多、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。

（3）中间辊辊面剥落

在中间辊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中间辊带倒角。带倒角中间辊是将中间辊辊身两端 100mm 宽倒一棱角约 -0.5mm 。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。

4.3轧辊断裂

（1） 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： （ τ D /2 + K ） K ≥4 G γ 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 。

（2） 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，仅轧辊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。

（3）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。

（4） 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，渗碳体数量过多等）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。

（5） 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。

（6）烧轴承。轧辊在使用时，往往因轧辊轴承与辊轴配合间隙过小，不好、辊轴与轴承热膨胀变形不同步、轴承制造质量差等原因，均可导致轴承与轧辊轴发生干磨擦，严重时导致轧辊断裂。有效控制烧轴承事件发生，严格控制轴承质量与效果，有效监控轧辊轴承箱温度，遇有异常问题发生即刻停止轧辊使用，更换轴承箱、强制轴承，可解决此问题。

（7） 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；开轧前轧辊预热时间较短、卸辊后堆放在风口等都有可能导致轧辊断裂。

4.4 轧辊裂纹

（1）热应力

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形成。此种裂纹是热循环应力、拉应力及塑性应变等多种因素造成的，塑性应变使裂纹出现，拉应力使其扩展。

（2）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。

轧辊的损坏由多种因素相互影响和相互作用引起，其损坏形式也多样。但只要了解轧辊损坏原因，针对具体情况具体分析。

5 乳化液控制

5.1使用与维护

（1）乳化型轧制液由精制矿物油与表面活性剂、抗磨剂、油性剂、抗氧剂和防锈防腐剂等添加剂调合而成。使用时按照1～5 %的添加量加入工业脱盐水中配制成乳化液，在钢板轧制过程中起到冷却、和清洗作用。当钢板加工硬化程度很大时，对的条件要求更为苛刻，若没有良好的条件就会出现划伤。在和轧制油生产厂家确定热划伤原因后，共同调整轧制油配方。调整的方向主要为提高轧制油的皂化值、提高辊缝区油膜厚度和油膜的承压能力。其次优化系统工艺参数，提高能力，改善清洁度。浓度是的最重要因素，在一定范围内提高浓度，加强可改善带钢表面清洁度。乳化液浓度在2.0% 时，轧制3.0～0.8mm产品，表面反射率不足50%；浓度提高至2.8 ～3.0%，其他条件不变，反射率可提高至50 ～60%。

（2）温度是工艺中重要的影响因素，乳化液温度必须严格控制在工艺要求范围内，温度过高或过低都不利于及清洁度。温度过低细菌容易繁殖，造成乳化液腐败，同时，较低的温度不利于轧制油中添加剂等成分发挥作用而影响。温度过高则分子热运动加剧，乳化液颗粒度会逐渐变大，稳定性下降，老化过程加快。辊面温度同样起着重要作用，现场发现，刚换辊后轧制的带钢普遍较黑，而在轧制300～400t以后，辊面温度及状态均较为理想，带钢表面也亮起来。对油的有关理论普遍认为变形区温度有一最佳范围有利于轧制油性能的发挥，冷辊刚上机时温度过低，影响，故清洁度较低。因此，轧辊上机开轧前，必须要有足够的热辊时间和预热温度。

（3）颗粒度的影响。颗粒度是油滴在水相中成正态分布，其分布概率最大的粒径称为颗粒度。有良好的颗粒度分布是良好的基础。颗粒度过大，则乳化液不稳定，油易析出；颗粒度过小，则乳化液过稳定，油膜不易形成，造成不足。pH值、杂油、剪切作用等因素均可影响颗粒度分布，进而影响和清洁度。还有一点在生产中一刻也不容忽视，即新配制的乳化液颗粒度较大，往往需要1～3个班的连续运行才能够获得理想的颗粒度分布，在这之前轧出的带钢一般清洁度都不能让人满意。在大量加油后，乳化液的颗粒度同样会有所增大，轧出的带钢表面残油量大，板面较黑。为此我厂规定加油加水必须遵循少量多次的原则，乳化液浓度勤检查，及时补油补水。

6 轧辊的保养与维护

6.1保养和维护

为了防止因缺陷而造成轧辊报废，减少非正常辊耗，应采取以下预防措施：

（1）冷轧辊不能在有表面裂纹的状态下使用。 当轧辊轧制一定数量的带钢后，表面有可能出现 轻微的裂纹，如不及时发现和修磨，就会导致轧辊 的表面剥落，影响产品质量。这就要求轧机操作者要及时检查，按规定进行换辊。

（2）采用合理的轧制工艺。要合理选择轧制 力、张力和压下量，尽量避免轧机事故，如带钢打滑和断带等。轧机操作者应将带钢过度变形的地方先进行矫正，在过焊缝时，轧机要低速运转，防止焊缝不平对轧辊表面的冲击。

（3）保证轧机的冷却和系统正常工作。 轧机在扎制过程中会产生大量的热量，而且轧辊和带钢之间也有很大的摩擦力，如果没有足够的冷却和能力，轧辊表面和带钢的温度就会迅速升高，这样就很容易产生热划伤和粘连。因此要保证冷却液的压力、浓度和流量。

（4）预热冷轧辊，消除应力。新冷轧辊 投入使用前和每次磨削后使用时，一般在110～105℃的机油中将轧辊预热4～6h，可以消除大部分的表面应力。轧辊上机后，轧制速度要缓慢增加以对轧辊预热。

（5）冬季对刚换下来的轧辊要保温，均匀冷却，防止温差过大引起应力变化。

（6）正确磨削。每次磨削要保证轧辊表面的加工硬化层完全去除，同时要保证所需要的光洁度，刚换下的轧辊要在应力消除后再进行加工。

（7）要确保所有的轧辊有适度的工作量，新旧轧辊要交替使用。尽量给轧辊较长的时效时间，以保证轧辊有足够的时间使应力自然消除。

（8）加强对轧辊的探伤检测。目前所用的探伤手段有涡流、磁粉和超声波探伤，前两种主要检测表面缺陷，超声波探伤可以发现内部的缺陷。根据实际情况，采取不同的探伤方法或几种探伤方法相结合进行检测，确保轧辊的质量。

7 应用效果

7.1过钢量

冷轧薄板厂自2007年10月投产以来，经过多方面不断改进，轧辊的过钢量明显提高（见表1），极大地降低了生产成本。

表1

轧辊类别 工作辊（吨/对辊） 中间辊（吨/对辊） 支撑辊（吨/对辊）

换辊频率 300～500 2000～3000 15000～18000

7.2失效情况

冷轧薄板厂轧辊失效主要有剥落、断裂、裂纹、压痕、粘辊等形式。轧辊锥度和抽动量对端部剥落有重要影响，有待进一步摸索改进。

7.3 带钢质量

经过调换乳化液、改善轧辊的使用与维护、设定合理的工艺参数、加强职工培训以提高操作者的技术水平等手段来提高带钢的质量。现在带钢表面已无乳化班、划线、大边浪等重大质量缺陷。一些细小的质量缺陷有待进一步采取措施加以消除。

8 结 语

冷轧辊的消耗分正常和异常两种情况，轧辊的管理工作主要是合理配置轧辊，降低异常损耗， 因此，轧辊的管理工作要具有系统性、准确性和前瞻性。加强日常管理，对事故辊要重点跟踪检测。同时，要结合原材料和设备状况合理选择轧制工艺参数，尽量减少轧机事故，以减少轧辊损伤、降低异常辊耗。

参考文献：

[1] 康永林. 轧制工艺学. 冶金工业出版社， 2004.

[2] 查利 R·布鲁克斯. 工程材料的失效分析. 机械工业出版社， 2003.