UCM 轧机中间辊接触疲劳硬化层深度研究

陈 伟 ， 王 辉 ， 徐 锟

（宝钢轧辊科技有限责任公司，江苏 常州 213019）

0 引言

UCM（Universal Crown Mill）轧机借助于中间辊轴向横移技术，可实现对高强度、高精度板材轧制过程中的板形控制。中间辊横移可使工作辊的弯辊和压扁都有所减缓，同时可消除工作辊在带材边部位置的有害接触，形成高刚度辊缝，提高轧机的板形控制稳定性[1-3]。根据UCM 轧机的特点，目前其中间辊主要采用5%Cr 锻钢材质制造，该材质具有良好的耐磨性和抗事故性，轧辊换辊周期也随之延长至4000～5000 t；但中间辊的轴向移动，在工作辊与中间辊、中间辊与支承辊之间也易出现接触应力尖峰，增加了中间辊的不均匀磨损，若使用维护不当，轻则在其表面会形成麻点、凹坑等缺陷，重则随辊系间接触载荷循环作用下的疲劳累积会不断增加，在轧辊局部表面下会萌生裂纹并进一步扩展至表面，导致轧辊在线剥落，造成轧机停机，同时增加辊耗[4-6]；因此，对该类轧机中间辊在使用过程中表面疲劳硬化层的研究显得尤为重要。

目前，国内外关于轧辊接触疲劳硬化层研究主要集中在硬化层金相组织结构演变和接触应力有限元模拟计算等，对轧辊接触疲劳硬化作用深度及硬化程度表征等研究有所欠缺。本研究基于对现场的跟踪，重点探讨UCM 六辊轧机中间辊正常使用条件下疲劳硬化层的深度问题，并提出对该类轧辊磨削运维的建议。

1 研究方法

以国内某条UCM 六辊连轧机为载体进行接触疲劳硬化程度研究，辊系示意图如图1 所示，中间辊示意图如图2 所示。中间辊轧制换辊周期为4000 t，轧制周期正常修磨量为直径方向0.6 mm，轧制工况如表1 所示。该辊系轧辊技术要求如表2所示。首先，对中间辊表面接触形貌进行观察，分析其在轧制过程中窜辊量及带钢宽度等因素对轧辊表面产生的影响[7-8]；其次，对轧辊上机前后的辊面硬度情况进行跟踪检测。采用Foresight-HL300 轧辊型里氏硬度计，按GB/T 13313—2008轧辊肖氏、里氏硬度试验方法，每间隔一定距离测试轧辊表面硬度并记录数据，绘制辊身表面硬度分布曲线。另外，采用Hertz 提出的两轴线平行圆柱体接触疲劳理论计算中间辊疲劳硬化层深度[7-8]。

图1 UCM 六辊轧机辊工作辊与中间辊间接触受力示意图Fig.1 Schematic diagram of contact force between working roller and intermediate roller of UCM

图2 中间辊示意图Fig.2 Schematic diagram of intermediate roller

表1 轧制工况信息Table 1 Information of rolling conditions

表2 轧辊技术要求Table 2 Technical requirements of roller

2 试验结果

2.1 轧辊下机形貌检测

图3a、图3b 为中间辊操作侧辊身边部形貌，从图3a 可知，轧辊边部有100 mm 未接触区，辊面保持原有磨削后形貌。从100 mm 开始沿轧辊轴向辊身中部过渡区域有多条轧制印痕，如图3b中Ⅰ区所示。在传动侧辊身边部一侧，边部有30 mm 未接触区；在100 mm 附近存在多条明显挤压痕迹，如图3c 中Ⅲ区所示；在100～150 mm区间的Ⅱ区，与操作侧边部Ⅰ区相似，存在多条轧制印痕。

图3 轧辊下机边部形貌Fig.3 Morphology of the edge of the roller

2.2 硬度检测

对正常轧制周期下机后的中间辊辊身表面硬度进行检测，图4 为正常轧制下机后的表面硬度、磨削后辊面硬度及新辊时表面硬度的对比曲线。从图4 可知，该中间辊新辊辊身硬度为HSD 82～84，两边部软带宽度约50 mm，硬度为HSD 80～81，满足技术要求。轧辊正常轧制下机后，辊身中部硬度值为HSD 85～86，整体提升HSD 1～2，辊身操作侧边部硬度值与新辊时相比变化不明显，而辊身传动侧距端面100～120 mm 位置出现了硬度峰值，硬度达到了HSD 88～100，提升了HSD 5～6。该辊经正常修磨直径方向0.6 mm 后，整个辊面硬度又恢复至新辊硬度的HSD 83～84。

图4 轧辊表面硬度曲线Fig.4 The curve of roller surface hardness

3 分析讨论

3.1 轧辊下机硬度与辊面形貌关系

中间辊在轧制4000 t 后，下机辊面硬度分布呈一定凸度分布，中部硬度提高HSD 1～2，说明在轧制过程中轧制力与辊间循环接触应力主要集中在中间辊中部，在一定周期内该部分辊身表面形成加工硬化，因此使辊身中部硬度得到一定程度的提升。在轧制过程中，采用中间辊横移技术对带钢板形进行控制，中间辊操作侧沿轴向窜出，传动侧沿轴向窜入。中间辊在操作侧沿轴向窜出，与工作辊和支承辊之间无接触，因此该部位硬度无明显变化；而在传动侧中间辊沿轴向窜入，辊身端部Ⅲ区受工作辊与支承辊双重挤压，同时，该区域与带钢边部位置相重合，受带钢边部厚度差的影响形成应力叠加，接触疲劳硬化现象显著提升，因此，在传动侧辊身边部100 mm 附近形成硬度峰值。另外，从图3 可以看出，在辊身操作侧Ⅰ区和传动侧Ⅱ区出现多条平行印痕，这主要与轧制带钢宽度变化，以及中间辊轴向窜动对板形控制机制有关，随轧制周期内带钢宽度变化，以及中间辊轴向窜动，在轧制中心线对应中间辊辊身表面两侧形成窜辊印，该区域硬度变化与辊身中部硬度变化趋势相同。

如图2 所示，在中间辊辊身两侧边部均设计有R4000 mm×100 mm 的端部倒角结构，辊身边部100 mm 径向落差为1.25 mm，可有效降低轧制过程中中间辊轴向窜动而形成有害接触区疲劳硬化的程度，同时，这一宽度设计也将接触应力的峰值从辊身端部转移至辊身距端部约100 mm 左右位置，可以有效避开轧辊端部软带区强度不足而产生边裂、剥落等失效问题。根据轧制过程中辊系间接触受力状态，设计合理的辊形凸度、倒角结构，可以保证沿整个中间辊与工作辊、支承辊接触区域有一个均匀的接触方式，改善中间辊轴向窜辊带来的接触程度。

3.2 疲劳硬化层深度计算

轧辊接触疲劳是工作辊与中间辊、中间辊与支承辊表面反复接触-脱开的过程中产生的，随着时间的不断延长接触疲劳应力值会逐步增加，从而诱发麻点、凹坑、剥落等轧辊失效现象发生。为评价此类接触疲劳的影响，本节根据Hertz 提出的两轴线平行圆柱体接触疲劳理论计算中间辊承受接触应力情况下的疲劳硬化层深度。

图5 给出了轴线平行的2 个圆柱体相对挤压接触时的变形情况及接触应力各分量的分布情况[9-10]。其中，接触面垂直方向上的接触压应力为σz，最大值σmax出现在接触面中间部位，接触面半宽为b。轧辊之间接触可视为线性接触，此时接触应力与P 的平方根成正比。辊系中轧辊材质相近，可视为各项同性材料；在接触区域中处于弹性变形状态且仅发生弹性变形，同时忽略垂直接触面方向上的摩擦力[11]。在轧辊工作于图5 所示的接触应力下，接触点下的次表层同时受到交变循环切应力和τzy脉动循环切应力τ45°的共同作用，其最大值出现在轧辊接触表面以下的距离分别为0.500b 和0.786b。τzy和τ45°的作用使得裂纹萌生于接触表面下一定深度处，最后发生呈倒锥形麻点状的局部剥落[12-14]。

图5 Hertz 接触应力理论Fig.5 Hertz contact stress theory

工作辊直径为545 mm，中间辊直径为640 mm，轴向线接触长度为2000 mm，轧制力为2000 t，带入式（1）、式（2），计算中间辊与工作辊之间交变循环切应力τ45°对应轧辊表面下疲劳硬化深度。

其中：b 为接触面半宽，mm；pmax为作用在轧辊表面压力；p′为线接触压力，kg/mm；d1为工作辊直径，mm；d2为中间辊直径，mm；E1、E2为轧辊弹性模量。

通过计算得出b1=0.292 mm。按剪切应力的最大值发生于接触表面以下z=0.786b 处，计算得出接触疲劳裂纹萌生于轧辊表面以下z1=0.229 mm位置。同理，将支承辊直径1525 mm 代入式（1），计算中间辊与支承辊之间交变循环切应力τ45°对应轧辊表面下疲劳硬化深度，得出b2=0.360 mm，z2=0.283 mm。将工作辊与支承辊对中间辊辊间交变循环切应力进行叠加，中间辊在轧制周期内，最大剪切应力发生在表层以下0.3 mm 左右（半径方向）。

3.3 接触疲劳硬化层深度与轧辊修磨量设计

中间辊在换辊周期较长的轧制工况下，经过长期接触疲劳累积，会在表面局部区域产生深度不同的麻点、豆状凹坑或小块剥落，属于典型的接触疲劳失效表现。根据赫兹接触应力理论，在轧制过程中，工作辊与中间辊，中间辊与支承辊之间存在一个局部弹性压扁区，最大剪切应力位于轧辊表面之下的一定深度位置，当赫兹应力超过轧辊屈服极限或疲劳强度时，在表面以下应力最高处会萌生微裂纹，同时在轧制过程中，中间辊承受高硬度工作辊周期接触及轧制力叠加作用，辊面表层部分出现加工硬化，相应的表面硬度随之提高，从而导致表层此部分塑性和韧性变差，脆性增加，随后次表层微裂纹在轧制过程中不断向表面扩展，逐步形成凹坑、麻点和剥落等失效形貌。

通过Hertz 接触疲劳理论对中间辊的滚动接触疲劳硬化深度进行计算分析得出：最大剪切应力叠加作用深度在轧辊表面以下0.3 mm 左右（半径方向）位置；因此，当轧辊正常下机时直径方向修磨量为0.6 mm 时，既可以保证疲劳硬化层有效去除，使轧辊表面硬度恢复至新辊硬度值，同时也可以充分转移最大剪切应力作用区，从而有效规避了轧辊上机使用的风险，延长了轧辊使用寿命。

4 结论

1）UCM 轧机中间辊在正常轧制周期内，辊身表面会产生疲劳硬化，使辊身中部硬度比新辊使用时提升HSD 1～2，对应操作侧部分硬度与新辊一致，疲劳硬化程度较轻，对应传动侧部分受轴向窜辊及轧制力的影响，在距辊身端部100 mm 左右位置硬度提升HSD 5～6，疲劳硬化程度较重。

2）通过Hertz 接触疲劳理论计算得出UCM 轧机中间辊在正常轧制周期内最大剪切应力出现在辊身表面以下0.3 mm 左右（半径方向），当设计中间辊修磨量设计为直径方向0.6 mm 时，可有效去除疲劳硬化层，大大降低中间辊失效的风险，延长轧辊的使用寿命。