韩华军 卢 锐
(邯郸钢铁集团有限责任公司)2009 CHINAJOY
摘 要 本文就板带工作辊出现的断裂问题，进行了断裂状态描述，分析了产生断裂的原因，对各种原因产生断裂的机理、作用进行了阐述，并提出了避免产生轧辊断裂的措施。 Anal ysis on Causes ofW or k Roll
Rupture on Stri p M ill
H an H ua j u n and Lu Ru i
(H andan Iron and S tee l G roup Corporati on L td)
Ab stract The arti c le descr i bes t he w ork ro ll rupture cond iti ons on stri p m il,l analyzes t he causes o f rupture ,d is cusses t he rupture m echanis m of var i ous causes ,and pu ts f o r w ard t he
preventi ve measures avo i d i ng m ill ro ll rupture .
K ey words M ill ro l,l Rupt ure ,R es i dua l stress ,Struct u re i m per fecti on我转学了
0 前言
轧辊断裂是轧辊损坏最为严重的一种形式，不但会造成轧辊与轧材损失，还可能影响到设备和人身的安全，事故处理时间长，影响轧机的作业率。 板带工作辊的断裂可发生在辊身、辊颈、传动端轴头处。轧辊断裂原因通常有两类：一类属于轧辊材质或制造质量，即轧辊本身内在缺陷造成，如制造后残余应力过大、铸造缺陷或热处理不当造成非正常组织、内部夹杂物等；另一类属于轧制工艺条件和使用情况，即外部原因造成，如轧辊表面热裂严重、超载和冷却条件不好等引起的应力增大。在许多情况下，轧辊的断裂是由多种因素综合造成的。 1 主要断裂方式及产生原因1.1 残余应力及热冲击断裂
轧制开始时，轧辊与高温轧件相接触，随着轧制过程的进行，温度逐步上升，在此过程中，轧辊
表面温度高，而芯部仍处于低温状态，温度沿径向
分布，如图1所示。
图1 轧辊温度沿径向分布图
温度沿径向呈抛物线型分布，表面温度上升，体积膨胀，这种膨胀受低温芯部的阻碍而产生应力。产生的热应力可分解为三部分：轴向应力( z )、切向应力( t )及径向应力( r )。三方向的热应力可根据弹性理论算出，除径向应力在半径方向是拉应力外，轴向应力和切向应力在表面处于受压状态，而芯部处于受拉状态。轧制过程中的热应力与残余应力叠加在一起，在中心部位产生较大的合成拉应力，当合成应力超过材料的抗
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第14卷第3期2008年6月
宽厚板
W I DE AND HEAVY PLATE
V o.l 14.N o .3
June 2008
拉强度时，轧辊芯部就会产生裂纹甚至会发生断辊，如果再有缩孔、疏松和夹杂缺陷，则会加剧断辊的发生。
有些硬度高的轧辊，常常会爆裂成许多碎片，这是因为这些轧辊残余应力很高。轧辊表层下高的残余应力峰位太靠近表面，由于热应力和机械应力作用，或者表面裂纹及损坏扩展至拉应力区，这种灾难性的损坏就会发生。促使这种损坏发生的其他因素是：轧辊工作过程中轧辊组织中大量残余奥氏体分解，伴随着体积膨胀而使内应力增加；钢辊内高的氢含量及它的有害影响(脆性发裂)；次表层缺陷，尤其当它存在于高的拉应力区时。
曾测定直径650mm 的热带连轧机高N i C r 轧辊精轧后段残余应力，如图2所示。由图2可知，轧辊芯部沿轴向的残余应力可达到12kg /mm 2
，而其极限抗拉强度 b =19~27kg /mm 2
。因此，若由于热应力产生的纵向应力>7~10kg /mm 2
时，轧辊就会出现从芯部开始的断裂，这种形式
的断裂也称为热冲击断裂。
图2 高N i Cr 轧辊残余应力分布图
为了避免这种热冲击断裂，轧辊生产时，应尽量减少内部缺陷，如缩孔、疏松、夹杂等，提高芯部材料的强度；增加轧辊芯部材料的塑性，增加受力状态下的塑性变形，降低热应力；内部组织石墨化良好，外层高合金材料在可能情况下尽量减薄，热传导性能好，减少内外温差；合理制定热处理工艺，将外层压应力控制在一定范围内，以减少芯部拉应力。图3为内应力过大致使轧辊开裂的实物
照片。
图3 轧辊开裂实物照片
轧辊开始轧制时，要有一个烫辊过程，轧制几块易轧品种并控制好轧制节奏，必要时在装辊前对轧辊进行预热；保证良好的冷却条件，严禁闭水轧制，尽量降低内外层温度梯度；普通铁辊，使用前，要有半年到一年的自然时效期，以降低轧辊内的残余应力；热轧薄板的轧辊，轧辊预热时推荐使用可控感应加热设备(加热均匀、升温速度可控)，预热温度为380~420 ，预热时间为夏季6~7h ，冬季10~12h，对轧辊预热不能操之过急，必须有足够的保温时间，防止因温差大造成内应力过大导致断辊。实际上断辊往往是因为预热时间不够，形成恶性循环。同时，换下的轧辊应马上放置到缓冷坑内进行缓冷，以避免或减弱再生热应力的产生。
1.2 疲劳裂纹扩展断裂
在轧制过程中，轧辊上的裂纹受弯曲应力的作用，若其中一条裂纹变得很深，重车时不能消除，继续轧制时在交变热应力和周期性弯曲应力的作用下，裂纹迅速扩展；同时由于轧制过程中的氧化铁皮嵌入和冷却水的腐蚀，加速裂纹的扩展，当裂纹疲劳扩展到一定深度后，造成轧辊有效直径变小，发生断辊。
图4是叠轧薄板轧辊环状裂纹扩展造成轧辊断裂的照片。从图4可看出，辊身表层内的大块碳化物在交变热应力作用下脆裂引起的热裂纹，在轧制过程中疲劳扩展成环形裂纹，环形裂纹导致轧辊辊身折断。在观察普通冷硬叠轧薄板轧辊断辊的断层特征时发现，辊身中部外层的裂纹分
40 宽厚板第14卷
布大多是垂直轴向的，这是由于辊身中部温度高，弯矩最大，且在轧制过程中，频繁的弯曲疲劳作用的结果。随着轧制的进行，这种类型的裂纹逐渐沿圆周方向扩展联结成环状裂纹，使辊身有效承
载截面减少。
图4 轧辊环状裂纹扩展造成轧辊断裂
预防裂纹扩展造成断辊，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，如着探伤、磁粉探伤、涡流探伤等方法，同时可以采用对轧辊滚压强化进行表面处理，以提高轧辊的疲劳强度。
1.3 铸造缺陷造成的轧辊断裂
加热器端差轧辊内部可能存在缩孔、疏松、夹渣、气孔、白点等缺陷。这些缺陷一方面造成材料的强度降低，另一方面又会缩小有效承载截面，而且往往会成为裂纹源，在周期应力作用下逐渐扩展，最后造成轧辊断裂。图5为缺陷源扩展造成轧辊断辊的实物照片。从图5中看出，断面处有夹杂物，并且有疲劳裂纹，导致轧辊强度降低，疲劳裂纹扩展又造成有效承载截面的减小，两者综合起来，造成轧
辊的断裂。
图5 缺陷源造成轧辊断辊
1.4 非正常组织造成的轧辊断裂
1.4.1 铸铁轧辊孕育量不足、成分分配不合理或浇铸温度太低，冷型涂料的导热性能太强，及涂料厚度太薄等原因造成轧辊白口层过深或整个断面穿晶，会严重降低轧辊强度造成断辊。
中国 东盟自由贸易区1.4.2 球铁轧辊球化不良或球化衰退，当基体中的石墨以片状存在时，严重破坏了金属基体的连续性，从而减少了金属基体的有效截面积，轧辊受力后造成局部应力集中。由于片状石墨这种破坏作用造成的局部应力峰，其值可达到主应力的10~20倍，片状石墨端部的曲率半径愈小、愈长，这个值就愈大，在这种情况下，轧辊基体的强度只能有效利用30%~50%。通常球墨铸铁强度在300MPa 以上，而高强度灰铸铁不超过270M Pa ，普通灰铁200M Pa 以下。
球化衰退在中小型轧辊上表现不太明显，但在大型球墨铸铁轧辊中却相当突出。当铁水的静置时间较长时，轧辊的上辊颈部位的石墨已不能球化，会出现大的开花石墨或枝晶石墨(如图6所示)，使基体强度损失极大，严重降低铸铁轧辊的强度。因此，对于球墨铸铁轧辊，铁水中球化一定要充分，并在球化处理后适当缩短镇静时间，对减少球墨衰退是有利的。
图6 非球化石墨组织
1.4.3 残余奥氏体量太高
在高N i C r 、高N i 、针状球铁、锻钢轧辊中，若马氏体或残余奥氏体量太高，造成在轧制过程中奥氏体向马氏体转变，使轧辊内应力增大，也会造成轧辊断裂。
某轧钢厂使用的 880mm 高铬铁轧辊，发生
41 第3期
韩华军等：板带轧机工作辊断裂原因分析
过一次断辊事故，辊身一断两截。在生产这支辊时，因炉子原因热处理进行不正常，索氏体量明显不足，马氏体量(残余奥氏体)太大，以致轧辊在使用过程中，组织转变应力增大，致使轧辊断裂。其金相组织如图7
所示。
图7 残余澳氏体量过大金相图
1.4.4 轧辊组织不均匀(偏析)
对于锻钢轧辊来说，成分偏析(宏观偏析和微观偏析)是不可忽视的因素，偏析使整个铸件组织不均匀，而在热处理淬火时，沿截面冷却速度的差异，又使组织不均匀性加剧，上贝氏体易于解理，会出现脆性断裂；铁素体则因疲劳强度低，容易在此产生疲劳核心；而碳化物或石墨呈严重偏聚时，也会严重削弱轧辊的强度，成为疲劳源。当应力足够大时，就会引起轧辊的断裂。1.5 辊颈质量造成的轧辊断裂
辊颈材料不合格，辊颈材料屈服强度低，抗疲劳能力差，造成辊颈在大轧制力或交变弯曲应力的作用下，产生疲劳裂纹。对于铸造轧辊，由于钢水在冷凝期间补缩不足，在辊颈处形成缩孔，降低了轧辊辊颈的强度，轧钢时承受不了过大的扭转力矩负荷，容易断辊颈、掰梅花头和键槽。为了减少此类缺陷，采取了调整化学成分，增大材料强度，适当提高浇铸温度，增加浮渣能力，顺序凝固等措施。
1.6 使用原因造成的轧辊断裂1.6.1 操作失误造成的轧辊断裂
主要有：轧钢生产过程中，轧制低温钢、黑头
钢或不按照操作规程操作，盲目加大压下量，减少轧制道次，造成轧制压力过大，致使轧辊断裂；闭水轧制后，过快给冷却水，造成轧辊热应力过高的断裂；轧辊安装不正确，工作时轧辊受力不均，造成局部过载断辊；在冷轧薄板时，轧辊压靠力过大，此时扭矩大于轧制力矩，启动轧机时可能扭断轴头等。
1.6.2 设计不当造成的轧辊断裂
辊颈根部设计圆角半径过小造成应力集中和轧辊选材不当，致使轧辊断裂。1.6.3 设备原因造成轧辊断裂
轧机传动部分的部件磨损，引起辊颈和轴头产生附加弯曲应力，造成辊颈或传动端断裂；轴承烧箱，使辊颈温度过高，出现辊颈断裂；高速轧机中，轧件高速咬入冲击，使传动系统发生扭转振
动，可使应力负荷增加数倍，扭转振动产生应力也会使轧辊疲劳断裂，这一现象随着轧机向高速度、大功率、多电枢电机传动而日趋严重，应在轧辊强度上加以考虑。2 结论
硅酸盐通报板带钢厂对轧辊选择、使用应足够重视，使用的好坏直接关系到生产线的作业率和钢板质量，必须从制造和使用两方面入手，提高轧辊内在质量以杜绝发生非正常报废，同时保证按计划换辊，合理使用以延长轧辊的使用寿命、降低辊耗；轧辊制造厂和使用厂应加强交流，不断总结经验，以满足中厚板的生产需要。
参考文献
1 文铁铮，郭玉珍编著.冶金轧辊技术特性概论.
2 李连诗等.轧制工艺学.
3 梁谨.高N i C r 无冷硬铸铁轧辊实轧情况小结.
4 一重科协及齐齐哈尔铸锻焊研究所编译.世界轧辊生产及应用指南.
5 大型铸锻件行业协会.大型铸锻件金相图谱.
中大网络电视
韩华军，男,2001年毕业于河北理工大学金属压力加工
专业，助理工程师。
收稿日期:2008-04-15
42 宽厚板第14卷
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