特大型宽厚板轧机支承辊的使用与维护

杨志洪

(中国第一重型机械股份公司铸锻钢事业部，黑龙江 161042)

宽厚板轧机生产的钢板尺寸厚度为(10～400)mm，宽度为(2.5～5)m，目前使用的大部分为四辊可逆式轧机结构。支承辊是轧机上承载工作辊碾压钢坯的重要部件，在轧制过程中，支承辊虽然不与轧制钢坯直接接触，但要承受巨大的轧制力作用。另外，由于工作辊的反复启动、旋转、制动，也使支承辊承受周期性变化的应力，还承受巨大的冲击力。在轧制钢板时，变形温度范围一般在1 150～1 800℃，辊面一边承受高温，一边承受急冷，工作条件极其恶劣。

在宽厚板轧机大量投入生产使用的过程中，由于轧辊使用和维护技术落后，专业技术人员缺乏，致使特大型支承辊在使用和维护上出现了较多问题，严重影响了支承辊的使用寿命和设备的生产效率。

本文以某钢铁公司5 000 mm 轧机支承辊为例，根据支承辊的使用特点，针对使用过程中发现的问题，探讨了特大型支承辊的使用和维护方法，解决了质量问题，从而提高了特大型支承辊的使用寿命。

1 支承辊的基本情况

1.1 支承辊的基本参数

支承辊总长为11 014 mm，辊身长度5 000 mm，直径2 000 mm，重量216 t，辊身硬度48～56HS，辊身抗拉强度≥1 150 MPa，屈服强度≥800 MPa，辊颈抗拉强度≥880 MPa，屈服强度≥500 MPa。

1.2 支承辊的工作条件

轧机形式为四辊可逆式，轧制力为(50～100)MN，弯辊力≤4 000 kN，轧制速度(0±3.01～7.30)m/s，轧制钢坯宽度(900～4 800)mm。

1.3 支承辊的受力特点

在宽厚板轧制过程中，四辊轧机支承辊的辊肩部位承受的应力很大，如图1 所示。由于应力疲劳造成辊面加工硬化，沿辊面母线呈马鞍形状分布，边部硬化情况比中间严重，这就导致了在支承辊辊肩部位出现裂纹。对支承辊边部倒角形状采取合理的设计能解决支承辊的肩部应力疲劳问题，延长使用寿命。

2 支承辊使用中的问题

支承辊在用于宽厚板轧机生产过程中，普遍存在辊肩产生裂纹、掉肉的现象，这主要是由于宽厚板轧机轧制时轧辊的受力情况导致的。轧制宽厚板时，钢坯的边部、工作辊和支承辊边部之间的接触区域是应力集中的地方。随着轧辊的每一次转动，如果最大的残余剪切应力正好位于轧辊的表皮下，一旦超过材料的疲劳强度，裂纹就会在这个位置形成，持续的往复碾压循环，会将裂纹向表面弥散，最终就会发生“破碎”剥落。

图1 工作辊与支承辊的受力示意图Figure 1 Schematic sketch of work roll and backup roll under stress

2.1 质量问题的现场情况

该公司5 000 mm 宽厚板轧机随机带的一件卡号为0706092 的支承辊共上线使用4 次。2008年6 月28 日第一次上线在新线使用，用于精轧机下支承辊。2008 年12 月8 日放在老线精轧机使用。在新线共使用3 次，于2009 年6 月4 日下线。下线后发现靠传动侧(400～500)mm 位置出现大面积剥落现象，轴向长约100 mm，周向长120 mm，边缘裂纹深度(6～20)mm，下线时支承辊直径为1 992.25 mm。随后对支承辊进行了磨削，并对剥落区域进行了局部打磨，打磨深度10 mm，但未将剥落底部的裂纹清净。继续上线使用一次，下线后剥落面积增大，轴向长约120 mm，周向长200 mm，裂纹深度为(6～47)mm。此次下线后剥落部位锈蚀比较严重，现场进行了剥落面打磨，肉眼观察裂纹的性质为疲劳裂纹。支承辊辊面剥落形貌如图2 所示。

2.2 质量问题的调查结果

(1)从支承辊剥落面的形貌看，裂纹起源是发生在辊面，未发现肉眼可见的夹杂或裂纹源扩展的形貌存在;

(2)从用户使用情况看，在支承辊下线后每次的磨削量双面均不足1 mm，上机时间至少1 个月;

(3)对第一次剥落位置附近的硬度进行检测，该区域硬度已高于支承辊辊面初始硬度6 HS;

图2 支承辊辊面剥落形貌Figure 2 Peeling appearance surface of backup roll

(4)从支承辊使用后的辊形看，边部倒角采用的是单弧面倒角形式且尺寸很小，接近于无倒角。

2.3 质量问题的原因分析

根据支承辊上述剥落的现象判断，此部位发生剥落的主要原因是对支承辊每次的磨削量不足。上机使用4 次的磨损和磨床磨削合计只有7.75 mm，每次的磨削量双面均不足1 mm，疲劳层根本没有磨净，诱发了疲劳裂纹。疲劳裂纹在频繁的交变冲击载荷作用下诱发裂纹扩展最终造成剥落发生，而非支承辊本身的冶金缺陷引起。

根据有限元计算法对不同倒角形式进行模拟，结果如图3 所示。轧辊磨损后，边部受力会急剧升高，在无倒角时表现最为突出，而在采用双圆弧倒角的情况下，轧辊边部受力上升几乎为零。可以得出，合适的边部倒角可以减少边部的载荷量。

图3 不同倒角形状对支承辊边部受力的影响Figure 3 Effects of various chamfer shapes on backup roll edge under stress

3 支承辊的维护与修复

3.1 支承辊的磨削制度

支承辊磨削方案的制定要考虑磨削量和辊面硬度两个因素。因为金属材料出现剥落的前期现象主要表现在等效应力增加部位硬度的升高，因此对支承辊辊面硬度的检查是预防剥落的最有效措施。具体方法如下:

(1)在支承辊的正常使用周期内下线检查，当次的磨削量通常应不小于(1.5～2)mm。如果在此磨削量范围内，涡流探伤仍检测出缺陷波，则还需加大磨削量，直至缺陷波消失为止;

(2)支承辊下线正常磨削的辊面硬度应不高于辊面原始硬度2HS，如果高于此硬度，则需加大磨削量，直至硬度在原始硬度范围之内;

(3)支承辊正常上机使用4～5 次，在下线后应做一次深度磨削，磨削量一般为前几次的1.5～2 倍，约(2.5～3)mm。

3.2 支承辊倒角参数的修正

根据有限元计算法模拟的结果，修正倒角处的具体结构参数如图4 所示。

3.3 支承辊剥落处的修复使用

根据支承辊现场剥落面打磨后疲劳裂纹分布的情况制定了打磨方案，并上线进行了使用。

(1)将剥落面可见的三处裂纹(上下两处多而深，中间少而浅)，分别用打磨砂轮打磨干净，再采取着色等表面探伤手段进行检测，检查裂纹是否打磨干净，直至检测无裂纹为止;

图4 支承辊边部倒角参数修正前后示意图Figure 4 Schematic sketch of chamfer parameters of backup roll edge before and after correction

(2)剥落面的裂纹随着深度的增加，裂纹的面积会逐渐缩小，因此，打磨面积尽可能不扩大;

(3)裂纹打磨干净后，将打磨区域的边缘和凹坑底部打磨圆滑，边缘圆角不小于R15 mm，凹坑底部圆角不小于R5 mm。

4 改进效果

针对5 000 mm 宽厚板轧机支承辊在生产中出现的问题，采取了严格控制磨削量和辊面硬度，设计合理的边部倒角形状等措施后，现有支承辊在轧制下机后检查未再发现边部倒角位置裂纹缺陷，硬度升高值明显回落，实现了安全生产。同时对已出现问题的支承辊进行打磨修复后，继续投入使用，效果良好，提高了支承辊的使用寿命。