离心复合轧辊的应用及轧辊失效分析

陈竹立

（天津钢管集团股份有限公司，天津 300301）

为满足市场对高质量无缝钢管的需要，天津钢管集团股份有限公司（简称天津钢管）从国外引进了现代化的PQF连轧管机组，该类机组具有较高的生产率、较经济的生产成本、较高的产品质量等特点。轧辊作为现代连轧管生产中的主要轧制工具，在生产中起着举足轻重的作用。目前，市场上对高端无缝钢管的需求在逐步增加，高钢级新品种不断涌现，产品的轧制条件变得越来越苛刻，因此对轧辊的质量也提出了更为严格的要求。

轧辊在轧管生产中的消耗量一直高于其他工具，轧辊的质量影响着轧管生产线的作业率、产能以及产品质量，在企业的生产成本及经济效益等方面也占有较大比重；因此对轧辊在耐磨性、抗热裂、抗疲劳、抗事故等方面的综合技术指标提出了更高的要求。实践证明离心复合轧辊能很好地满足这些要求。

1 离心复合轧辊的优点及应用

与重力浇铸方法制造的轧辊相比，离心复合轧辊的优点有：①在离心力场下凝固，合金组织更致密，工作层的密度与相同条件下重力浇铸的相比可提高2%以上，使用寿命可提高25%～100%；②轧辊工作层组织均匀，硬度变化很小，从外向内硬度降低不超过5 HS，保证了轧制质量的稳定性；③工作层厚度均匀，无论径向或是轴向的厚度均匀性，离心铸造法都优于其他方法，有利于提高轧辊的使用寿命；④轧辊的辊身硬度高，力学性能好，合金轧辊工作层的硬度可达70～80 HS，冲击韧性可达4～7 J/cm2；⑤在相同化学成分下，离心铸造方法生产的轧辊，其化学成分的均匀程度比其他铸造方法的好，如图1所示；⑥离心铸造较之静态铸造有更均匀的金相组织［1］。

图1 常规方法与离心铸造方法制造轧辊的化学成分均匀度比较

天津钢管PQF连轧管机组采用的是辊轴分离结构。辊环为离心铸造球墨铸铁，辊轴采用合金结构钢锻件，保证了轧辊具有较高的工作强度；轧辊使用寿命到期下线后更换辊环，而辊轴可重复利用，有效降低了轧辊消耗［2］。轧辊的辊环采用复合结构，工作层采用贝氏体基体，硬度高、耐磨性好；芯部采用珠光体基体，抗拉强度高，抗冲击性能好，可提高轧辊的使用寿命，保证了生产质量［3-4］。

2 轧辊失效分析

在热轧钢管生产中，由于各种复杂因素的影响，轧辊难免会发生较大的磨损、剥落，甚至发生断裂事故，引起轧辊失效。

2.1 辊面凹坑

凹坑在轧辊使用中较为常见，辊面凹坑如图2所示。轧辊在使用过程中，钢管表面未清除的氧化铁皮被带入轧机，反复辗压后在辊身表面形成小的凹坑［5］。为了降低轧辊消耗，生产中常对轧辊进行多次车削修复。随着车削次数的增加，轧辊耐磨性较高的外层金属逐渐减少，辊身表面的耐磨性降低，尤其在轧制量较大的时候，轧辊产生疲劳，表面氧化膜会逐渐剥落，产生密集的凹坑。此外，在对轧辊进行车削修复时，由于车削量不够，导致辊面的微裂纹未被清除干净，经多道次轧制，裂纹向四周扩展，到一定程度后，辊身产生剥落［6］。

2.2 轧辊断裂

轧辊断裂是轧辊损坏的一种严重形式，而且事故处理时间长，严重影响生产。随着轧制产量的不断增加，轧辊的断裂现象时有发生，不但造成了经济损失，还会因轧辊断裂造成停产，降低了产量，增加了热轧废品，同时增加了能源消耗，因而增加了生产成本。

2.2.1 产生原因

轧辊断裂的原因有两种：一种是内在因素，由轧辊本身的缺陷造成，如夹杂等；另一种是外在因素，由轧制工艺条件和使用原因造成。

（1）残余应力及热冲击导致的断裂。轧制开始时轧辊与高温钢管接触，轧制过程中轧辊表面温度高而芯部温度低，在芯部产生合成拉应力［7］，当超过极限时芯部产生裂纹，甚至造成轧辊断裂。

（2）疲劳裂纹扩展导致的断裂。轧辊上的裂纹受弯曲应力的作用，会沿着一条较深的裂纹扩展［8］，继续轧制裂纹会迅速扩展，达到极限后导致轧辊断裂。

图2 辊面凹坑

（3）使用方面的原因。如轧材强度过高，或由于低温钢、“黑头”钢等易造成事故；有时为了减少轧制道次而盲目加大压下量，供水系统故障停水轧制后过快给冷却水，轧辊压靠力过大，扭矩大于轧制力矩启动轧机等均可能扭断轧辊轴头［9］。

2.2.2 断裂部位

轧辊断裂的部位主要在辊身或辊颈处。辊身断裂的原因有以下几个方面。

（1）轧辊质量影响。工作辊与高温钢管直接接触，并承受各种载荷，因此要有良好的耐热性。如果轧辊辊身硬度随轧辊温度升高而降低的幅度较大时，说明轧辊的耐热性较差，将严重影响轧辊的整体性能。

（2）轧制力影响。在工作时，轧辊承受各种载荷：液压装置在两端的轧制压力；轧件变形时的反作用力；承受冷热作用下的交变载荷；轧件咬入时的冲击载荷，机械转动产生的扭矩力及轧辊与轧件、轧辊之间的摩擦力；轧辊受冲击时弹跳所产生的力；轧辊局部过载或承受不均匀载荷［10］；较低的钢坯温度引起的变形抗力；由于调整不当致使轧制中心线发生较大偏移而引起轧制力分布不均，或压下量分配不合理，有的机架负荷过大；由于轧件头部缺陷而导致缠辊现象；有异物带入轧辊产生的力等。

（3）温度影响。在实际生产中轧制低温钢较常见，对轧辊的损坏也最大。由于毛管头部温度偏低以及冷却水的作用，管头在咬入时对轧辊的冲击很大，如果毛管温度偏低，塑性下降，变形抗力增加，可能会导致轧辊断裂。造成低温轧制的情况有5种：①违反加热规程，加热时大火急烧，使钢坯受热不均，烧透性差，导致表面和内部温差大，或在纵向上因为炉道产生的“水印”，钢温较低；②加热炉装钢坯时冷热坯混装，热坯达到轧制温度即开轧，而混杂在其中的几支冷坯还未达到工艺所要求的轧制温度，导致低温轧制；③由于炉门的保温能力较差，致使靠近炉门的钢坯温度较低，开轧时轧辊及轧制设备比正常轧制时的温度偏低而使轧辊的载荷增大；④在轧制过程中由于轧制线上出现的各种故障影响了正常轧制，此时的加热炉处于保温状态，恢复生产时升温时间不够就开始轧制；⑤轧机能力比加热炉能力大，有时生产节奏过快，加热炉满足不了生产要求而轧制低温钢。

轧辊在辊身与辊轴接合处的断裂占轧辊断裂总量的70%，除制造缺陷外，一般属于疲劳断裂。轧辊辊身与辊颈的交接处所受的弯曲应力最大，也是应力集中的区域，对裂纹和缺口非常敏感［11］。

3 预防轧辊失效的方法

为了提高轧机的生产率，天津钢管进行了大量的尝试来改善设备性能和轧制工艺，特别是对轧辊的断裂进行了深入的分析研究，制定了有效的预防措施。

3.1 辊面凹坑的预防

（1）轧辊上线前应加强检查。检查轧辊表面是否有缺陷，有些裂纹并不明显，仅靠肉眼观察是不够的，可用探伤方法来检验。修磨后的轧辊也应进行表面探伤，以检验修磨是否合格。

（2）合理控制轧制节奏，降低轧制事故（如抱棒、堆钢等）的发生。连续生产时，轧辊的表面温度会逐渐升高，使得轧辊与钢管之间的摩擦因数减小，连续生产能够使钢管温度处于稳定的状态，避免了“铁耳子”等现象的出现，减少了粘钢几率［12］。

（3）增加除鳞设备的冲洗能力。起初氧化铁皮与轧辊表面结合得并不牢固，但在经过多次轧制后就不易去除；因此，增加冷却水的压力及流量，就能及时去除粘附在轧辊表面的杂物，避免粘钢［12］。

（4）为了防止辊身产生凹坑，还应注意控制换辊周期。换辊周期长也会导致辊面因接触疲劳产生凹陷［13］；轧辊表面出现凹坑时，需要对凹坑区域进行修磨，必要时可进行补焊或更换轧辊。

3.2 轧辊断裂的预防

（1）为了避免残余应力及热冲击载荷所引起的断裂，轧辊使用时应预热，并保持良好的冷却条件，严禁停水轧制，降低内外层温度梯度；普通轧辊使用前应有半年左右的时效期，以降低轧辊内应力，使用后的热轧辊应及时缓冷避免再生热应力。

（2）要保证轧辊有一定的可车削量，并采取必要的检测手段。

（3）应向轧辊制造方提出预防夹杂、非正常组织、残余奥氏体量过高、偏析等方面的量化要求。

（4）预防因使用原因产生的断裂。在制定相应的操作规程时应充分考虑各种诱因，明确到位，同时操作人员应严格遵守工艺纪律和标准化操作。

（5）选择合理的工艺参数，避免轧辊局部或个别轧机载荷过大。

（6）适当增大辊身与辊颈结合处的强度，以防止轧辊大面积剥落甚至断裂［8］。

（7）确定合理的冷却水系统，根据轧制要求选择合适的喷嘴形状和喷水部位，并保证冷却水的压力、流速、水量、水温、水质以及冷却水管的畅通，为轧辊创造一个良好的工作环境。

4 结 语

轧辊的失效形式种类多样，往往是多种因素共同作用产生的。从设计、生产制造到轧辊的使用等各个环节对轧辊状态进行仔细的分析，从中找出主要因素，采取相应的措施就能有效防止轧辊失效，进而提高轧辊的使用寿命，保证钢管表面质量，提高产品成材率和生产效率。

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