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冷轧支撑辊和工作辊剥落机理及有效预防措施
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冷轧支撑辊和工作辊剥落机理及有效预防措施
姚 强1， 悦中福2
[1．天津里碑冷轧板材有限公司企业发展规化部，天津300200；2．加拿大佳林(上海)公司，上海200122]
摘要：介绍了冷轧支撑辊及工作辊早期失效的主要原因。论证了轧辊自动超声波检测系统的主要功能以及在预防轧辊早期失效所作出的贡献。
关键词：冷轧支撑辊；冷轧工作辊；剥落；裂纹；超声波探伤仪
中图分类号：TG115．28 文献标识码：A 文章编号：1001—0777(2008)05—0045—07
轧辊是轧钢生产的重要工具，价格非常昂贵，尤其是冷轧板带用的锻钢支撑辊及工作辊。近年来，为提高产量及减少换辊周期，价格更贵、硬度更高及淬硬层更深的高合金辊被广泛使用。因此，减少轧辊的早期失效及降低生产成本显得日益重要。在冷轧板带生产过程中，轧辊处于复杂的应力状态。轧制负荷引起的支撑辊与工作辊间的接触应力、带钢跑带粘铁造成的机械及热冲击容易使轧辊损坏。轧辊损坏的形式主要为剥落，因此，探究轧辊剥落机理以便早期发现裂纹和预防剥落是延长轧辊使用寿命的有效途径。
1 由次表面开始的剥落机理
1．1断口分析
这种类型剥落多发生在支撑辊。其断口有3种典型形式：第1种剥落较浅[图1(a)]，断口中麻坑密集呈疏松状是典型的接触疲劳剥落，箭头所示麻坑底部尖状凹坑为初始裂纹形成处，剥落由次表面裂纹发展形成；第2种剥落[图1(b)]面积大深度较深，小箭头所指光滑的细长窄带为疲劳发展落径，从其发展方向看是由密集麻坑处(大箭头所示)进一步发展而来；第3种剥落[图1(c)]为最严重的支撑辊端部掉肩剥落，是第2种形式剥落的进一步发展。
1．2次表面裂纹的产生及剥落形成
上述断口分析说明因接触疲劳使次表面裂纹形成并扩展成剥落。接触疲劳极限与材料硬度有关，支撑辊辊身硬度比工作辊低HSD 20～30，接触疲劳多发生在支撑辊。支撑辊在相同循环次数条件下承受较高应力部分的材料疲劳寿命短，裂纹产生早。
如图2所示，正常轧制时支撑辊与工作辊处于纯滚动状态，在接触压应力P作用下影响疲劳破坏的剪应力有两个：一个是与XY轴成45°角的主切应力τ45；另一个是正交切应力τyx。前者最大值τ45max油。=0．304 Pmax位于对称位置(y=0)下，离轧辊表面0．39b处，后者最大值τyx(max)=0．256 Pmax，其位置离Y轴有一段距离(y= ±3／21/2 b)，距轧辊表面0．25 b处，在接触应力下疲劳裂纹深度介于0．25 b～0．39 b之间[1]。在理想轧制状态下支撑辊与工作辊接触区内单位长度受力均匀，以笔者使用的轧辊为例，按公式(2)、(3)计算出接触应力作用下产生弹性变形后接触宽度b为8 mm，进而得出理想轧制状态下次表面裂纹深度2～3 mm。
N = P／L (2)
式中，n为支撑辊单位长度受力；P为轧制力1000T；L为辊身长度1400 mm。
B = l．52×[n×d1×d2×E/(d1 d2)]1/2 (3)
式中，b为轧制时支撑辊与工作辊弹性变形区接触面宽度；d1为支撑辊辊径1380 mm；d2为工作辊辊径500 mm；E为合金钢支撑辊和工作辊弹性摸量215600 MPa。
实际轧制过程中，支撑辊与工作辊间的单位接触应力分布不均[2]。图3列出常见的4种支撑辊与工作辊单位接触应力分布不均的情况。由图可见，辊身接触应力大的区域次表面形成裂纹的几率大。接触应力大的区域弹性变形程度大，接触区内接触宽度b高于前面计算得出的平均值，因此这些区域次表面裂纹产生深度大于2～3 mm，在实际探伤中发现有的深度甚至超过5 mm。图4所示支撑辊表面的凹坑是出现轧制事故时支撑辊与工作辊间的接触应力局部突然增大造成面积较大的塑性变形区，这些凹坑的边部应力集中程度高，同时塑性变形对材料寿命造成较强的削弱作用，因此次表面裂纹多在此种情况下形成。
2 由表面开始的剥落机理
2．1 断口分析
图5是两个典型的源自表面开始的剥落断口，小箭头示裂纹扩展路径上有明显的由表面沿圆周方向向轧辊内部发展的C型扩展纹，图5(a)大箭头示表面裂纹是剥落的起点。此类型剥落在工作辊及支撑辊都有发生，但剥落形成机理有差别。
2．2 工作辊表面裂纹产生及剥落的形成
冷轧工作辊硬度在HSD 85～98间，其工作层基体组织为回火马氏体，制造工作辊时回火温度为120～180℃，它对热冲击非常敏感。在生产过程中，带钢与工作辊间打滑、带钢跑偏和异物硌伤工作辊等事故经常发生。冷轧工作辊强度高，其受到冲击后，在大多数情况不会造成工作辊辊面机械破坏，机械能多转化为热能使轧辊受冲击表面温度升高，其温度超过工作辊在生产过程中的回火温度时形成易腐蚀的回火马氏体或珠光体，受到严重冲击时轧辊表面温度超过材料的奥氏体化温度，经乳化液冷却后重新获得马氏体组织[3]。因受冲击部位与周围正常部位金相组织有较大的差异，其间产生的有害残余应力超过或在轧制过程中与轧制应力及弯曲应力相叠加超过材料本体强度时表面裂纹产生[4]，裂纹周围伴有软点产生，硬度下降HSD 10～15。图6为一受热冲击的工作辊辊面，箭头所指为热损伤表面。图7为该处用磁粉探伤显像外观细小紧密的网状裂纹，此种裂纹称为热裂纹，肉眼无法看到。
2．3 支撑辊表面裂纹产生及剥落的形成
正常轧制时，支撑辊与工作辊在纯滚动状态下最大剪应力发生于次表面。发生轧制事故时需紧急停车，支撑辊与工作辊间接触面发生滑动，因此最大剪应力区位置由次表面发展到表面[1]，此时支撑辊与工作辊间的接触应力在局部突然增大，当它超过支撑辊辊身强度时便形成表面裂纹。同时，裂纹周围伴有较明显的塑性变形痕迹，其硬度较辊身未受冲击的部位高HSD 5，说明此处是机械冲击造成的裂纹及硬化区。
图9是一根经历过轧制事故的支撑辊上的表面裂纹(用磁粉显像)，箭头所示为其周围的塑性变形痕迹。与工作辊剥落过程一样，这些裂纹在轧制过程中从开始扩展到剥落也分4个阶段，虽支撑辊辊身硬度较工作辊低HSD 25～30、韧性好且裂纹扩展速度慢，但其使用周期约为25～35天，因此裂纹有充分的时间扩展为剥落。
3 预防轧辊剥落的有效措施
用超声波、涡流和磁粉等多种无损探伤手段可发现轧辊裂纹，裂纹消除后可预防剥落发生。
3．1 手持超声波探伤仪使用效果
2003年，笔者开始使用手持超声波探伤仪对轧辊进行探伤。虽发现了一些带轧辊中心裂纹，在一定程度上降低了辊耗，但也发现了一些问题。
(1)当轧制事故频出时，粘钢工作辊数量增多，待粘钢工作辊磨好后，因轧钢作业线急用工作辊，有的工作辊未经探伤就上机使用，导致有些辊带裂纹发生剥落。
(2)因支撑辊换辊周期长，可对每根辊进行探伤，表面裂纹用表面波即可发现。常用2～2．5MHz表面波探头，波长1．5 mm左右，最深可探到2倍波长即3 mm深的次表面裂纹。但支撑辊与工作辊单位接触应力分布不均，辊身接触应力高的地方最大剪应力区深度大于3 mm，使用表面波探不到裂纹。用双晶直探头可探到较深的次表面裂纹，支撑辊面积大，做不到使用双晶直头对辊身进行100％扫描，因此漏检率较高，由次表面裂纹扩展成的剥落时有发生。
2003年初至2005年底仍有轧辊剥落现象。此期间共消耗898 mm工作层，辊身缺陷未去除发展成剥落损失占到32％。此期间共消耗3176 mm工作层，工作辊裂纹及剥落损失工作层数占25%。上述数据表明，人工探伤漏检率高造成的轧辊损失较大。为减少轧辊早期失效，笔者在磨床上安装自动探伤设备，以便对每根下机轧辊进行100％扫描，及时有效地发现表面及次表面裂纹。
3．2自动探伤设备选用情况
近10年来，国内大型钢铁企业的磨辊问在磨床上都安装了自动涡流探伤设备，对轧辊进行探伤。实践表明，自动涡流探伤仪在冷轧车间对减少轧辊剥落、降低辊耗发挥积极的作用。涡流探伤时，在轧辊的表面因电磁感应产生涡流即通常说的集肤效应现象，它适合检测轧辊表面裂纹及软点而不适合检测次表面裂纹嘲，因此它能满足对工作辊及支撑辊的表面探伤要求，但不能满足对支撑辊次表面的探伤要求。要装自动探伤设备的磨床要磨削工作辊及支撑辊要求选择的自动探伤设备必须可检测到轧辊表面及次表面裂纹，据此要求考察了使用单位，最终选定美国Rollmate轧辊缺陷超声波自动检测系统(下简称Rollmate系统)。
在：Rollmate系统中，探头系统由3组可发射爬波(表面波)、横波和纵波的探头组成，可探出不同方向的裂纹。其中，爬波探头可发现深度为0．2～2mm的裂纹，横波探头可发现深度为2～60 mm的裂纹，纵波探头可发现横波探头不能发现的与轧辊轴线成一定夹角深度为2～60 mm的裂纹。它能满足对工作辊及支撑辊的表面探伤及次表面探伤要求。
Rollmate系统分为探头组件[图10(a)]和主机箱[图10(b)]两大部分。将其安装在磨床上，主机箱上的触摸屏提供探伤信息，磨工在触摸屏上点击操作。整个检测过程可以在湿辊上进行即磨削液或水可作为耦合剂，检测时旋转轧辊，传感器沿着轧辊长度方向移动检测轧辊。可作到边磨削边探伤。探头由电机精确控制其与轧辊接触和抬离，图10(a)中箭头所示为探伤时探头与辊面接触处。该系统能够可靠地检测到位于轧辊表面圆周方向和轴向大于1 mm的裂纹。图11中画圈的区域为裂纹信号。该系统还可提供裂纹信息，将触摸屏上白色滑条点到有裂纹的画圈的区域时可显示裂纹相对零点的轴向距离及圆周方向的角度、裂纹深度及裂纹A扫描的回波信号(箭头所示)，这样使用者可了解轧辊损坏程度，便于用手持式超声波探伤仪找到裂纹。另外，每次探伤的信息可按辊号储存起来以便将来进行分析和跟踪。
根据使用轧辊缺陷产生位置，在两个探伤通道中设定了探伤工艺参数，一个是按检测深度为2～20 mm的次表面区域设定，另一个是按检测2 mm以上深度的表面区域设定。2006年1月，开始用Rollmate系统对每根下机的工作辊及支撑辊进行1．0％扫描探伤。
图12(a)为局部C扫描图像，画圈部分为Rollmate系统发现的支撑辊次表面缺陷，图12(b)为在Rollmate系统提供的周向和轴向坐标位置上，用手持超声波探伤仪双晶直探头于辊面上发现裂纹的回波。图12(c)为打磨5 mm深后用着色探伤显像的该次表面裂纹，图中呈C型的裂纹表明它已开始扩展，若不及时发现便很快形成剥落。
图13(a)为Rollmate系统发现的工作辊表面裂纹C扫描图像，图13(b)为用手持超声波探伤仪表面波探头在坐标指示位置发现该裂纹的回波，图13(c)画圈处为磁粉显像的该裂纹图像，经磨削1 mm后裂纹完全去除。
使用Rollmate系统不能探出深度小于0．1mm的微裂纹及软点，因此工作辊上机后形成剥落的可能性较大。涡流探伤可解决这个问题，但增加设备占用了磨床操作台的有限空间，给操作及维护磨床造成麻烦。为解决这个问题，对数根因粘钢产生热裂纹的工作辊进行磨削，经Rollmate系统探伤无缺陷显示后在原裂纹区用表面波检测并打硬度，对有裂纹或软点未磨干净的辊继续磨削，每磨0．1 mm做一次表面波及硬度检测，经多次比对确认，再磨0．4～0．6 mm后裂纹及软点完全消除。因此，规定使用Rollmate系统探伤发现有裂纹的工作辊磨削到经该系统探伤无裂纹显示后再磨0．6 mm，才可上机使用(表1)。
2006年1月以来，支撑辊共消耗327 mm工作层，工作层损失损失占11％。Rollmate系统发现这些带次表面裂纹的支撑辊在上机使用前探伤均合格，裂纹是使用中造成的。损失的工作层是探伤仪发现次表面裂纹后进行打磨因打磨坑面积较大上机后产生振动，为使打磨坑面积减小才车去一部分工作层。
从2006年1月至今Rollmate系统共探出30多根有裂纹的工作辊，未发生因工作辊带裂纹上机造成剥落现象收到明显的降低辊耗效果。
4 结论
(1)因接触疲劳产生的次表面裂纹发生在支撑辊辊面，其深度大多超过3 mm。在轧制事故中，支撑辊与工作辊均受到冲击：支撑辊受冲击时辊面上可直接生成机械冲击裂纹，工作辊受冲击时辊面上机械能多转化为热能，烧伤辊面，产生热裂纹和软点。如若不消除这些缺陷，上机使用后，其会发展成剥落。
(2)使用多种无损探伤手段可发现这些缺陷。手持超声波探伤效率低，不可能实现根辊下机后对辊面进行100％扫描探伤，漏检率高；自动涡流探伤仪不能发现次表面裂纹；笔者使用的自动超声波检测系统不能发现软点及深度小于0．1 mm的表面裂纹。因此，各种探伤方式均有不足之处。根据磨床所磨削轧辊主要缺陷产生部位，选择合适的无损探伤手段并采取相应措施克服其不足是防止轧辊带缺陷上机使用的有效方法。
(3)使用自动超声波检测系统对工作辊和支撑辊进行探伤，并针对其缺点采取相应措施，发挥下述积极作用：①降低轧辊消耗，提高轧辊使用寿命，减少备辊数量；②提高轧辊运行的安全性，减少因轧辊突发事故换辊造成的停机时间，提高了班常产量；③因磨有裂纹轧辊的次数减少，磨床磨削效率增加。
参考文献：
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