支撑辊R圆弧裂纹缺陷研究

黄建波

（湖南华菱涟源钢铁有限公司2250热轧板厂，湖南娄底417009）

0 引言

支撑辊是轧钢厂最重要的工艺装备，一支经济价值可达上百万元，一旦发生轧辊事故，则经济损失严重，并且会影响热轧厂正常生产，因此支撑辊的安全使用是热轧厂一个需要研究的课题。除去一般的支撑辊辊面剥落、掉肩等问题，还有一个R圆弧开裂问题在热轧厂经常发生，一旦发生R圆弧开裂，支撑辊必须停用。

1 课题来源

在轧制过程中支撑辊辊身承受工作辊的轧制力，轴承部位承受压下系统的轧制力，这两个力方向相反（图1），因此辊身与轴承安装部位一般设计有R圆弧进行过渡，以防止应力集中造成支撑辊沿辊身侧面断裂，但实际使用过程中R圆弧处存在批量开裂的现象。

图1 轧钢过程中支撑辊受力情况

2 原因分析

在实际使用过程中，支撑辊使用周期长达5～10年，使用条件为高温潮湿的环境，支撑辊辊身端部极易发生锈蚀，为了防止R圆弧部位发生锈蚀，支撑辊侧面一般采用一道橡胶密封，该密封与辊身侧面紧密接触，防止水蒸气进入R圆弧区及油膜轴承内。但由于支撑辊在轧制过程中会产生一定弯曲，橡胶密封区与支撑辊端部发生轻微摩擦，在支撑辊辊身侧面会产生一圈凹槽，凹槽产生后水封的贴合度降低，同时锈蚀会使得密封面粗糙不平，密封效果逐渐变差；下支撑辊该问题更加突出，因为工作辊冷却水会淋在下支撑辊的端部。水汽进入R圆弧部位后使得该部位发生锈蚀，在交变应力作用下极易导致R圆弧处发生裂纹（图2）。该问题常常批量发生，导致支撑辊周转紧张。

图2 支撑辊磨损及裂纹情况

导致该问题的原因有四个：

一是轧制过程中，支撑辊存在弯曲，转动过程中水封与辊身侧面长期摩擦导致磨损出凹槽。

二是辊身侧面锈蚀严重，导致凹槽处不平整，影响橡胶密封的密封效果。

三是长期轧制高强薄规格、极窄规格，轧制力甚至达到4 000 t以上，轧辊弯曲大，R圆弧应力集中过大。

四是水质不达标，热轧厂漏油现象时有发生，导致水中Cl-、电导率急速攀升。氯离子是天然水中普遍存在的腐蚀阴离子，它有极高的极性，能促进腐蚀反应；又有很强的穿透性，容易穿透金属表面的保护膜，造成缝隙腐蚀和孔蚀，特别是易造成奥氏体不锈钢腐蚀开裂，危害很大，能使金属在短期内锈蚀。在轧钢生产线，主要体现在对设备、管道及钢板的腐蚀上，极度影响设备的使用寿命。这也加速了支撑辊R圆弧裂纹处的电化学腐蚀。

3 解决措施

根据失效的原因，曾经尝试增大R圆弧半径，以进一步缓解应力集中，但是这样做会缩短锥形段长度，使油封效果变差，油膜轴承更有可能进水，因此排除了这种改进方式。

经查阅相关资料，部分钢厂采用支撑辊肩部双台阶圆弧过渡的方式解决该问题，一般一段圆弧半径为30 mm，二段圆弧半径为60 mm，这样既降低了整体的支撑辊边部应力梯度，降低了支撑辊掉肩的风险，又增强了角部的圆弧过渡，降低了应力集中的风险（图3）。但此种方式也有一个问题，如果设计时是单圆弧，后想改为双圆弧，势必会缩短辊面长度166 mm，而这会改变辊面缩短后支撑辊的受力状态，以2 250 mm长度支撑辊为例，单位长度承受的轧制力升高约8%，因此选择这种方式必须在轧线设计时考虑。

图3 双台阶圆弧支撑辊

针对支撑辊侧面生锈的问题，曾经考虑在支撑辊端部刷一层油漆，但是并未取得良好的效果，时间一长，油漆里层仍生锈，油漆层翘起。

为了从根本上解决支撑辊侧面生锈的问题，我们尝试修改支撑辊图纸，要求支撑辊供货商在机加工时在支撑辊辊身侧面开槽，用于安装一陶瓷衬板，陶瓷环安装前在槽内涂胶，以起到密封和增强结合力的作用，再用螺栓固定（图4）。选用陶瓷衬板的目的一是为了得到一个光滑的界面，从而减小与橡胶密封之间的摩擦磨损；二是陶瓷衬板作为一个可更换件方便更换；三是彻底解决了钢铁材料易生锈的问题。从实际使用的效果来看，这种措施基本解决了支撑辊R圆弧处进水的问题。

图4 辊身侧面增加陶瓷环衬板

改善水质。以前轧钢厂补水采用其他工序用过的大污水，后为了解决钢材表面生锈问题采用河水补水，轧钢厂成为新水使用的第一用户，水质指标得到明显改善（图5）。

图5 水质指标变化趋势

完成以上优化后，支撑辊开裂情况明显好转（图6）。

图6 历年来裂纹辊支数

4 结论

（1）热轧厂曾经因为支撑辊端部进水发生大批量支撑辊R圆弧处开裂的问题，造成大量支撑辊异常报废，成本损失严重，影响正常生产。

（2）本文经过现场调查，分析了造成R圆弧开裂的主要原因：一是水封与辊身侧面摩擦导致磨损出凹槽；二是辊身侧面锈蚀严重；三是R圆弧应力集中过大；四是水质不达标，加速了支撑辊R圆弧裂纹处的Cl-电化学腐蚀。

（3）通过对可能的措施进行分析，最终选择可行性较高的在支撑辊辊身侧面开槽，并增加陶瓷环的方式解决了支撑辊R圆弧开裂的问题，并取得了明显的效果，为热轧厂的轧辊安全使用提供了有效的技术保障，为今后热轧线设计提出了合理的建议。