冷轧支承辊剥落原因分析及对策

【摘 要】本文对我厂支承辊剥落原因进行了分析，得出支承辊剥落是由于接触高点应力集中导致次表层产生疲劳裂纹，疲劳裂纹向表层扩展最终产生剥落。

0 前言

在冷轧带钢生产过程中，虽然支承辊没有与带钢直接接触，但带钢对冷轧工作辊的巨大轧制力，大部分都传递到支承辊上，并且支承辊要承受很大的弯曲应力，更换周期也长，疲劳硬化、应力集中、轧制事故等都容易导致其辊面剥落、辊肩脱落等事故的发生。支承辊制造成本高，采购周期长，发生剥落事故不仅会增加生产成本，而且极大影响轧机的正常生产 。因此，研究支承辊剥落原因，及时发现裂纹、预防剥落有着重要的意义。济钢冷轧是国内引进的第一套双机架（四辊）可逆轧机，采用德国 sms 的 cvc 技术，投产两年后轧机支承辊正常生产情况下辊身频繁出现剥落事故。

1 剥落原因分析

1．1 支承辊剥落的主要形式

支承辊剥落主要有两种方式：一种是表面裂纹引起的剥落；一种是次表层裂纹引起的剥落。1.1.1 支承辊应力状态分析在轧制过程中，轧机工作辊与支承辊在接触点会产生局部压扁，此时支承辊主要承受三个应力，如图 1 所示：由轧制力引发的接触压应力p、与 XY 轴成 45°角的主切应力 τ45 （赫兹应力）、正交切应力 τyx 。

计算公式如下：

pmax=0.83{[PE1E2 （d1+d2 ）]/[（E1+E2 ）d1 d2 ]}1/2；

b=1.52{[Pd1 d2 （E1+E2 ）]/[（d1+d2 ）E1E2 ]}1/2；

τ45 max =0.304 pmax ，位于轧辊表面 0.39b 处；

τyx max=0.256 pmax ，位于轧辊表面 0.25 b 处；

其中：P 为单位长度轧制力；

d1 、d2 为工作辊与支承辊的辊径；

E1 、E2 为工作辊与支承辊的弹性模量；

1.1.2 表面裂纹引发的支承辊剥落

由于辊型、磨损等多种因素的影响，支承辊表面压应力（p）沿辊身方向分布并不均匀，尤其是发生断带、异物压入等事故时支承辊局部应力增大现象更加明显，当局部压应力超过支承辊强度时就会形成表面 裂 纹（这 种 情 况 下，表面裂纹周围一般伴随着明显的塑性变形痕迹）。表面裂纹产生后，在轧制循环应力作用表面裂纹先向辊身内部垂直扩展，到达临界尺寸后沿径向、周向扩展，最终导致辊面剥落的发生。这种剥落发生后一般都有明显的疲劳扩展轨迹（C 型“海滩痕”）

1.1.3 次表层裂纹引发的支承辊剥落

在轧制过程中，支承辊承受的最大剪应力（τ45 ）位于次表层。在一定条件下也能引发裂纹，主要通过一下两种方式：

1）瞬时裂纹：当发生断带、打滑、异物压入等事故时，表面正压应力增加的同时最大剪应力急剧升高，当最大剪应力超过轧辊强度时就会在轧辊次表层形成裂纹甚至瞬时剥落。这种瞬时裂纹在支承辊上发生的较少。

2）接触疲劳：由于支承辊使用周期长，在循环应力作用下，应力较高的地方疲劳寿命短，形成疲劳裂纹。这种情况在支承辊上发生较普遍，位置通常是在辊身的凸出部位、支承辊与工作辊边部接触点等应力容易集中的地方。次表层疲劳裂纹形成后，有两张扩展形式：一是，裂纹向表面弥散，形成麻坑状小片剥落，坑底即为裂纹源。这种坑状剥落一般较浅，有时在辊身零散分布，也有的彼此相连成麻坑群，无明显疲劳轨迹；二是，裂纹形成后，向径向、周向扩展，直到周围材料的强度降到大块剥落发生的程度为止，甚至造成整支轧辊报废。这种剥落一般都有明显的疲劳扩展轨迹， 但是裂纹源有时随剥落块一起掉落，不易发现。

1.2 我厂支承辊剥落原因分析

我厂支承辊材质为 3Cr 锻钢，辊身尺寸为 Φ1250～1150×1750mm，辊型为平辊，工作辊采用 cvc 辊型。支承辊辊身剥落位置大部分处在操作侧（上支承辊）或传动侧（下支承辊）距边部约 600～800mm 处，该位置正好对应工作辊 cvc 辊型中部最高点，见图 2，另有小部分剥落位置分布无明显规律。

剥落面麻坑密集，大小一般在 Φ20～100mm 以内，深约 5～8mm，见 图 3。根据剥落形貌及剥落面位置可判定我厂支承辊剥落属于接触疲劳剥落，分析原因有两个：一是，由于支承辊辊身与工作辊辊身高点应力集中区，在轧制过程中，当应力循环次数超过支承辊疲劳寿命时，即在次表层形成疲劳裂纹， 疲劳裂纹产生后向表面弥散最终引发剥落；二是，轧机发生断带缠辊事故，支承辊表面产生塑性变形甚至在次表层产生裂纹，下机后磨削量偏低，表面硬化层或次表层裂纹磨除不干净，支承辊继续使用过程中发展为疲劳剥落。

2 解决措施

支承辊疲劳寿命主要与辊身的硬度及所受应力状态有关。辊身硬度越高，疲劳寿命越长；所受应力越大，疲劳寿命越短。

1）我厂采购的工作辊硬度一般为 93～95HS，支承辊 64～65HS，支承辊发生剥落时已使用 30～50mm， 测量此时支承辊硬度， 约 61～62HS。支承辊与工作辊的最佳硬度差一般控制在 20～30HS 之间，我厂支承辊硬度明显偏低，而且支承辊硬度随着直径减小下降过快，因此我们再次采购支承辊时将支承辊硬度提高到 68～72HS。

2）缩短换辊周期，将支承辊换辊周期适当缩短，减少支承辊承受循环应力次数，避免支承辊的使用超出疲劳极限。

3）根据支承辊下机后的表面状况，适当增加事故支承辊磨削量。

4）对支承辊进行表面波探伤的同时，采用双晶探头进行次表层探伤，尽早发现裂纹，避免支承辊带伤工作，导致剥落。

5）对已剥落或有皮下裂纹的支承辊，结合磁粉或着色探伤用手工进行碟形修磨处理，以减少磨削量，具体修磨处理方法见图 4。

3 结语

通过分析，我厂支承辊剥落的主要原因就是辊身应力集中点次表层疲劳剥落，针对该原因采取了提高轧辊硬度、缩短使用周期、强化支承辊超声波探伤、优化支承辊修磨工艺等措施，支承辊剥落现象得到了有效的控制。

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