轧辊轴向窜动分析及预防措施

李 峰 叶秀成

(1.二重(德阳)重型装备有限公司，四川618000；2.上海宝山钢铁股份有限公司厚板部，上海200941)

当前，冶金板带产品对板形、性能提出了更高要求，正常情况下，不允许工作辊出现非工艺性窜动，或必须将窜动控制在一定范围内。但受轧制板坯的横向厚差和横向温差的影响、轧制设备的制造误差和装配精度误差影响及轧制过程中相关零部件的磨损和变形等因素的综合作用，存在轴向力，不可避免地产生轧辊轴向窜动。尽管现代化的板带轧机在换辊侧设置轧辊锁紧装置，在传动侧，加大了主传动电机承受轴向负荷的能力，当轴向力过大，造成轧辊轴向窜动时，破坏了轧制过程的稳定状态，甚至导致设备损坏，严重时会造成事故，从轧辊轴向窜动的危害、轴向力产生的原因等方面进行分析，提出了控制轧辊非正常轴向移动的措施。

1 轧辊非工艺性轴向窜动的危害

1.1 轧辊轴向窜动对轧机稳定性的影响

四辊板带轧机的稳定性一般是通过工作辊中心线相对支承辊中心线的偏移距保证的。由于偏移距的存在，轧制时工作辊与支承辊间压力的水平分力分别将轧辊压向两侧，使工作辊和支承辊处于稳定状态[1]。引起非工艺轴向窜动的轧辊空间交叉累积到一定程度，轴向分力就会克服工作辊与支承辊之间的摩擦力，破坏辊系平衡关系，导致轧制状态极不稳定，引起轧辊无规律跳动，机架剧烈震动。

1.2 轧辊轴向窜动对板坯质量的影响

超出合理范围的轧辊轴向窜动破坏了轧机的受力平衡，使板坯在辊缝间变形极不稳定。一方面，由于轧辊轴向窜动方向不可人为控制，导致板坯在出辊缝后极易出现镰刀弯，导致切损增加，降低收得率。另一方面，轧辊轴向窜动严重，轧出的板坯同板横向厚度差异较大，导致产生大量的边浪、双边浪、塌边等缺陷，严重影响产品质量。

1.3 轧辊轴向窜动对主传动装置的影响

轧辊轴向窜动引起主传动接轴甩动严重，导致接轴平衡剖分式滚动轴承无规律磨损，严重时出现烧瓦；另外对主传动电机的影响。当主电机转子偏离平衡位置时，电机磁场产生恢复力，使转子窜动趋势缓解，同时电机端部的推力轴瓦进行转子轴向定位时起保护主电机的作用。当轧辊轴向窜动较大时，过大的轴向力直接作用于推力轴瓦，导致轴瓦受损，破坏了主电机。

1.4 轧辊轴向窜动对轧辊的影响

轧辊的轴向窜动不仅增加了轧辊轴承的轴向负荷，同时增加了工作辊与板坯之间、工作辊与支承辊之间的作用力，使辊面严重磨损。

1.5 轧辊轴向窜动对辅助设备的影响

轧辊的轴向窜动不仅破坏了轧机的稳定性，还加剧了设备的损坏，主要包括工作辊压紧弯辊缸、主平衡缸、轧辊锁紧装置、导卫装置、油膜轴承等。

2 轧辊非工艺性轴向窜动的定性分析

轧机设备的制造和装配偏差客观存在，轧制板坯的横向厚度差和横向温度差不可避免，轧制生产过程中零部件的磨损和变形，以及不合理的设备操作使用，这些因素的共同作用导致轧钢生产过程中轧机并不能完全处于理想状态，轧辊轴向窜动是客观存在的[2]。因为轧制过程中产生了轴向力，而产生轴向力的原因主要是因为工作辊与工作辊、工作辊与支承辊轴线之间出现水平、垂直交叉。

2.1 轧辊的水平交叉

轧辊间的水平交叉(包含工作辊与工作辊、工作辊与支承辊的水平交叉)是造成轧辊轴向窜动的主要原因之一。根据德国学者Singer A R E 1962年的实验数据：10′⟨θ(交叉角)⟨1°，轴向力与轧制力成正比；θ⟩1°，轴向力基本不变化[3]，可以看出：在一定范围内，随着轧辊水平交叉角的增大，轧辊间轴向力呈线性增长，轧辊非工艺性窜动量也越大。

2.2 轧辊的水平交叉原因

(1)滑板间隙配置不合理，磨损不对称分布导致轧辊水平交叉。

板带轧机的滑板间隙包括支承辊装配滑板与牌坊滑板之间以及工作辊装配滑板与工作辊平衡(弯辊)块之间的间隙。从轧机刚度和轧制稳定性考虑，相对应滑板之间的间隙越小越好[4]；但从对轧制冲击能量的分解和吸收角度、从工作辊更换便利性角度、从冶金设备相对运动角度考虑，配对滑板之间必须留有合适间隙。滑板之间有效间隙的选择和配置至关重要，有效间隙配置过大，加上滑板磨损(摩擦磨损、腐蚀磨损和碰撞磨损)等因素作用，滑板对轧辊的约束作用减弱，造成轧辊在坯料的冲击下，前后窜动，影响轧制稳定性。

四辊轧机上滑板的磨损极不均匀，磨损量呈不对称、不均匀分布。根据现场数据显示，操作侧滑板磨损大于传动侧滑板，下滑板的磨损超过上滑板，同侧入口、出口滑板磨损状态也不相同，同块滑板表面磨损也不相同[4]。

正是由于滑板的有效间隙配置不合理、磨损量大且磨损不均匀，造成轧辊水平交叉进而产生轴向力，驱使轧辊产生轴向窜动。

(2)主传动作用于工作辊的附加水平力导致轧辊水平交叉。

受客观环境限制，四辊轧机主传动系统传动轴存在倾角，决定了主传动电机的扭矩不可能完全施加到工作辊上，多余的扭矩产生对工作辊的附加弯矩；同时因传动轴倾角的存在，造成工作辊扁头与传动轴滑块之间在轧制生产过程中出现相对滑动，两者之间产生摩擦力，工作辊不可避免地承受摩擦弯矩。

传动轴倾角导致的工作辊附加弯矩和摩擦弯矩经空间合成，其在水平方向的投影作用在工作辊上，驱动工作辊摆动，最终在工作辊上产生附加水平力(此附加水平力的大小与接轴倾角大小有关)，导致辊系稳定性降低。当轧机滑板间隙较大且磨损不均匀分布时，导致了轧辊间水平交叉。

(3)轧制板坯的不对称咬入导致工作辊水平交叉。

轧制板坯在进入辊缝，建立咬入条件时，势必对工作辊产生巨大的轧制冲击。尤其当轧制板坯头部横向形状不均匀，板坯头部进入辊缝时出现一侧先于另一侧，喂料的冲击力全部作用于先入一侧的工作辊，工作辊受力严重不对称，发生偏转，受到强烈的轴向力作用。

2.3 轧辊的垂直交叉

轧辊之间出现垂直交叉时，工作辊换辊侧和传动侧开口度不一致，两侧轧制力出现较大波动，造成板坯对工作辊两侧的垂直分力出现差异，产生轴向力，造成轧辊轴向窜动。

2.4 轧辊的垂直交叉原因

(1)轧件不对中导致轧辊垂直交叉。

轧钢生产时，板坯必须严格对中轧制，也就是说轧机中心线、板坯中心线和推床的中心线完全重合。轧件没有对中轧制中心线，即偏心轧制，导致轧机两侧的机架弹跳、辊系弹跳、轧制力等均不相等，产生垂直交叉，产生轴向力，造成轧辊轴向窜动。

(2)板坯横向厚差导致轧辊垂直交叉。

轧制板坯在宽度方向存在厚度偏差，导致轧制过程轧机两侧轧制力不等，压下量不同，轧机弹跳出现差异，形成轧辊垂直交叉，产生轴向力。

(3)板坯横向温度差导致轧辊垂直交叉。

轧制板坯加热不均，尤其是头尾在宽度方向温度差异较大，导致整个机座两侧轧制力不同，两侧弹跳出现差异，形成轧辊垂直交叉，产生轴向力。

(4)轧机两侧刚度不同导致轧辊垂直交叉。

轧机两侧牌坊、压下系统(包含球面垫、压下螺丝、螺母、调整垫片等)、轧辊装配(工作辊、支承辊等)设备，由于所选用材质不同、两侧设备加工制造精度误差以及长期使用的磨损不同，轧机两侧刚度差异较大，轧机两侧刚性磁滞发生较大变化，导致两侧弹跳不一致，轧辊产生垂直交叉，产生轴向力。

(5)两侧压下误差导致轧辊垂直交叉。

生产过程中由于安装有误(比如轧辊未调平)、操作失误(比如换辊后标定不当)和自动化故障(如个别磁尺失效、丢失信号)等原因，轧机两侧辊缝不同或压下不同步，导致轧辊垂直交叉，产生轴向力，这种状态下轧制，轧件出现镰刀弯，严重时出现楔形，造成不可恢复的轧制缺陷。

(6)轧辊重磨误差导致轧辊垂直交叉。

轧辊使用过程中的不规则磨损(与轧辊辊面淬硬层深度不均匀、淬硬层硬度不均匀、冷却不均和非对中轧制等原因)以及在磨辊间的重磨误差(轧辊车床、磨床精度误差或磨辊操作误差)，沿轧辊辊身方向可能形成锥度，造成“锥形辊”，另外生产过程中，由于冷热不均或者工作辊两侧磨损不同，导致轧辊在垂直面上交叉。

(7)轧辊自位磨损导致轧辊垂直交叉。

支承辊和阶梯垫的接触多采用凸面或平面接触来实现轧辊自位功能。这种情况下，由于换辊侧和传动侧接触面的受力条件、润滑条件、磨损情况、材料差异、性能差异、环境差异的客观存在，导致自位功能面出现压痕和磨损，随着工作时间的延长，两侧工况出现差异，形成辊系倾斜，轧辊在垂直面上形成交叉。

3 轧辊非工艺性轴向窜动的量化分析

轧辊之间非工艺性轴向窜动的根本原因在于工作辊之间或者工作辊与支承辊之间产生了轴向力，而轴向力的产生是由于轧制力的存在。实际轧制过程中，轧制力是通过轧制板坯与轧辊之间的摩擦力传递给轧辊，故而，轧制力和轧制轴向力是相依相存的关系。1970年，前苏联学者对板带轧机轧制轴向力进行了较系统的实验研究，得出的结论为：对于普通板带轧机，工作辊和支承辊交叉产生的轴向力约为轧制力的3%～6%。1978年，美国在分析轧机轴承过早烧损时指出：轴向力的大小取决于轧制力和交叉角，轧辊交叉状态时，轴向力约为轧制力的5%。1980年，我国的刘冠军对普通四辊轧机轴向力问题进行了实验研究，认为轴向力约为轧制力的1%～4%[2]。

3.1 工作辊与支承辊水平交叉产生的轴向力

四辊轧机一般而言，工作辊为主动辊，支承辊为被动辊。当工作辊和支承辊出现水平交叉角时，工作辊对支承辊的摩擦力分解为两个摩擦力分量Fr和Fa，Fr作为工作辊带动支承辊转动的主动力，Fa就是工作辊施加于支承辊的轴向力，两者的关系为：Fa=Frtanθg，θg为工作辊与支承辊轴线的水平夹角。根据支承辊的力矩平衡方程，可知，支承辊轴线方向的轴向力为：

式中，Fa为轴向力(kN)；fg为工作辊与支承辊之间的摩擦系数；Ka为轴向力系数，Ka=0.38；P为轧制力(kN)；K为系数；L1为工作辊与支承辊接触区长度(mm)；θg为工作辊与支承辊轴线的水平夹角(rad)；M为工作辊与支承辊接触区半宽处的极限预位移(mm)，M=δB(L/2)；γ为轧辊形貌系数[5]。

3.2 工作辊与轧件水平交叉产生的轴向力

工作辊和轧件出现水平交叉角时，轧件与工作辊之间的摩擦力沿轧件宽度方向产生轴向分力，该分力驱使工作辊与轧件在工作辊轴线方向产生相对滑动或具有相对滑动的趋势。此时，轧件施加给工作辊的轴向力为：

Fbg=KzP

Kz=[1-exp(-3θz0.9/ε1.1)]fz

fz=(1.05-0.0005t)a

式中，Fbg为工作辊所受轴向力(kN)；Kz为轴向力系数；P为轧制力(kN)；θz为工作辊轴线与轧件的水平夹角(rad)；ε为压下率；fz为工作辊与轧件之间的摩擦系数。a为系数，工作辊材料为铸铁时a=0.8，工作辊为锻钢时a=1.0。

支承辊因工作辊轴向受力而附加的轴向力为：

Fbz=λFbg

式中，Fbz为支承辊所受的轴向力(kN)；λ为支承辊因工作辊轴向受力而附加的轴向力传递系数，λ=0.95。

3.3 磨辊误差导致工作辊垂直交叉产生的轴向力

轧辊在加工修磨过程中的误差，使轧辊呈锥形，使用时使两工作辊在垂直面内产生交叉角导致的轴向力为：

F2=Psin[arctan[Δd/2Lg]

式中，Δd为工作辊两侧的直径差(mm)；Lg为辊身长度(mm)；P为轧制力(kN)。

3.4 轧材横向厚差导致工作辊垂直交叉产生的轴向力

轧件在宽度方向上的厚度差，造成两工作辊形成垂直交叉，产生轴向力：

F3=Psin[arctan(ΔH/B)]

式中，ΔH为轧材沿宽度方向上的厚度差(mm)；B为轧材宽度(mm)；P为轧制力(kN)。

3.5 操作不当导致工作辊垂直交叉产生的轴向力

生产过程中的误操作或机械、电气故障等原因造成两侧压下不同步或两侧压下不等导致工作辊形成垂直交叉，产生轴向力，轴向力为：

F4=Psin[arctan(Δh/L)]

式中，Δh为轧机两侧的压偏量(mm)；L为轧机中心距(mm)；P为轧制力(kN)。

4 防止轧辊非工艺性轴向窜动的措施

根据以上定性和定性分析可知，轧辊之间出现非工艺性轴向窜动，主要是因为轧制条件的变化引起非正常轴向力，基于以上分析，结合实际生产情况，提出以下技术改进措施和解决方案。

4.1 维护轧辊稳定

(1)合理提高轧机部件(轧机牌坊、轧辊装配、压下部件等)两侧的均匀性，有效提高轧机刚性磁滞。

(2)提高牌坊加工精度，保证安装精度。严格按照检验规范精确测量安装后两片牌坊中心线的重合度、水平度等关键尺寸。

(3)在充分保障轧机稳定运行并能保证正常换辊的前提下，合理提高滑板有效间隙的设计精度[4]。

(4)定期测量轧机滑板间隙尺寸，并制定合理的补偿方案。

(5)根据设备使用情况，在轧机出口侧设置下支承辊压紧缸，保证轧制过程中轧辊的合理偏移距，保证轧制稳定。

(6)建立磨辊间轧辊轴承座与滑板档案，从使用源头采取措施。

4.2 确保对中轧制

(1)采用同步轴机构(机械同步)或液压同步模式，保证轧机推床两侧推头同步动作；强化现场点检维护制度，定期标定轧机前后推床的开口度，检查推头平行度、垂直度、对中公差，有效保证对中精度。

(2)采用机械同步或者电气同步模式，将轧机两侧辊缝控制在设计范围内；严格控制螺丝、螺母配合间隙，加强现场点检，防止出现压下回松现象；换辊后应严格执行轧辊调零标、刚性测试制度，确保轧辊受力均匀。

(3)严格监控轧机两侧的工作辊压紧(弯辊)力，杜绝两侧压紧力不均现象。

(4)轧件加热均匀，控制轧件头尾及横向两侧温差较小。

4.2 严格控制各项技术规范

(1)轧件规格及断面尺寸公差应严格执行技术规范要求，各项指标控制在标准范围内。

(2)精心控制轧制过程中的轧件头尾板形，避免出现单燕尾或不对称燕尾；应坚持低速咬入、高速轧制、减速抛出的原则，以减小轧制冲击[4]。

(3)轧辊辊身冷却水设置合理，应结合产品和轧辊材质区别化配置水量，保证所需辊形和冷却要求。

4.3 轧辊锁紧应可靠有效

(1)工作辊装配应严格结合设计数据，并依据轴承安装技术规范，杜绝过松和过紧安装。

(2)轧辊轴向锁紧装置应可靠有效，定期点检维护，定期更换变形的锁紧板，控制耐磨板与工作辊之间的间隙。

4.4 工艺保证

(1)从工艺角度控制轧件咬入、抛钢速度，降低轧制冲击。

(2)采用计算机进行跟踪主机在轧制过程中各力能参数的变化，从而掌握主电机在轧制过程中的动态速降、动态恢复时间，采用相应的调速手段保持轧制稳定，有效降低冲击，从而减小轧制冲击。