冷轧轧机支承辊辊面剥落原因与应对策略

（西南铝业集团有限责任公司冷轧厂，重庆 400000）

1 背景

西南铝业集团高精板带事业部冷轧板带生产线，有两台1850mm进口冷轧高速轧机，轧制过程中支承辊除了要承受巨大的轧制力，还要承受由于高速轧制下的转矩，AGC辊缝调节，弯辊调节，厚差波动，断带挤料，辊型变化等因素均会造成支承辊辊面局部应力集中、与工作辊不同支承辊不具备频繁更换的条件，更换周期可长达一至两个月，易造成辊面疲劳和裂纹导致脱落，严重的情况下无法修复最终造成报废。报废除了增加成本，同时也会对生产经营造成重大影响甚至导致停产[1]。

冷轧厂一号1850mm轧机是国内最早引进的（四辊）不可逆轧机，德国DEMAG技术，1992年投产，近年来为提高轧机效率，我厂大胆尝试了大压下量轧制，减少轧制道次提高生产效率，以期达到降本增效的目的，大压下量轧制增加了轧制力，轧制力达到1000KN以上，这给轧机辊系提出了严峻挑战，备用的3对支承辊，其中一对由于辊面脱落面积较大已报废，如图1。如再报废支承辊辊将对生产经营造成重大隐患。因此，探索支承辊辊身脱落的起因，并及时有效的针对性预防，对降低轧机由于辊身脱落造成的重大断带火灾隐患和企业顺利生产经营都有着十分重要的现实意义。

图1 一号轧机支承辊辊面剥落及疲劳麻坑

2 四辊轧机支承辊辊面脱落的原因

2.1 冷轧轧机辊系主要受力状态

四辊铝带轧机高速轧制过程中，在轧制力的作用下，轧辊和支承辊在圆柱接触弧线上会发生挤压变形，工作辊与支承辊主要承受由轧制力引发的法向的接触应力б，如图2所示。

图2 四辊轧机工作辊与支承辊主要接触应力

根据赫兹方程，最大接触应力бHmax=[ZE(F/bρE)]1/2

F：法向力（轧制力）；

ZE：材料弹性系数；

b：工作辊与支承辊实际接触长度；

ρE：综合曲率半径，ρE=ρ1ρ2/(ρ1±ρ2)

除了法向接触应力之外，在传动扭矩作用下也会在支承辊辊身形成沿径向的剪切应力[2]。

2.2 裂纹

轧机轧制过程中带材厚差波动，辊系倾斜和弯辊实时调节，工作辊，支承辊在磨床磨削时辊型也不一致，导致支承辊与工作辊在接触弧线上的接触应力б沿辊身方向不可能均匀分布，且局部接触应力会随着轧制状态突然陡增或骤减，当接触点的接触应力б达到或超过支承辊所能承受的应力极限时，就会在接触点形成一定范围的塑性变形，这种塑性变形不可逆，从而造成表面局部裂纹的发生。轧辊是循环轧制，辊身所承受的应力是循环往复的，造成了裂纹的不断延伸，最终剥落[3]。剥落的残屑极有可能再次压入辊系接触面，加剧局部应力陡增，厚差突然波动，倾斜调整，严重的厚差波动甚至造成断带，最终挤料造成更严重后果。

支承辊本身也可能存在制造缺陷，辊身内部有隐性裂纹，轧制中发生应力急剧变化时内部隐性裂纹会快速发展成显性裂纹最终导致脱落，这种制造缺陷将会对轧机正常轧制构成重大的断带失火风险，需要重点防范。

2.3 疲劳

疲劳是十分常见的辊身破坏形式，支承辊的疲劳又不可避免。支承辊的正常使用周期长达一个多月，与工作辊的接触点循环往复，循环应力的原因，辊身区域极易造成接触疲劳，使用寿命大大缩短，支承辊还未到期更换就已经形成了疲劳裂纹，支承辊继续工作，疲劳裂纹会继续扩展，最后形成小麻坑（一般小的芝麻粒大小，大的有黄豆粒大小），这种坑状脱落一般比较明显，肉眼可以直观并且有十分明显的手感。由于形成的小麻坑是凹坑，在循环应力作用下，每次接触弧经过麻坑时，在麻坑周围会加剧应力集中，这种应力集中亦会加剧疲劳裂纹向辊径向和圆周向扩展，直至造成大面积辊面脱落，这种疲劳脱落在支承辊上十分普遍。

2.4 我厂四辊1850mm轧机支承辊剥落的主要原因

冷轧厂一号1850mm轧机支承辊设计使用材质为Cr3锻钢，辊身主要尺寸ø1270～1230×1850mm，辊型为凸辊（凸度为+0.1mm），工作辊也是凸辊（凸度为0.05mm）。支承辊辊身剥落位置大部分处在辊身中部向两侧逐渐减少，主要集中在辊身中部，宽度约600mm～900mm较为集中，该位置正好对应支承辊与工作辊辊型凸度中部最高点，见图3。

图3 冷轧厂轧机支承辊与工作辊接触弧线示意图

我厂支承辊辊身剥落区域主要集中在辊身中部，主要为密集的麻点坑居多，多为圆形大小Φ2mm～10mm，2mm～5mm深，发生辊面脱落的位置也相对集中在中部一米范围内，很显然，我厂支承辊脱落的最主要原因是由于辊身疲劳所致。

原因分析有三个：第一，为实现硬合金轧制，我厂支承辊辊型选用正凸度，工作辊辊型也选用是正凸度，辊身中部一米范围内均是应力较集中的区域，轧制过程中，循环应力往复作用，工作辊弯辊实时调节，支承辊长周期使用，循环应力往复频次达到了支承辊的疲劳极限，形成裂纹，裂纹在循环应力作用下不断扩展而最终脱落。第二，我厂1850mm轧机是全油高速轧机，最高轧制速度1000（米/分钟），因为来料裂边，厚差波动等因素极易导致轧机断带，断带瞬间的应力聚变造成辊身表层裂纹，这种裂纹不做探伤肉眼是不可能发现的，最终导致支承辊下机后上磨床正常磨削，磨削量较小不足以磨除因断带产生的隐性疲劳裂纹，下一周期上机使用时就可能发生剥落。我厂2017年报废了一根支承辊，报废原因即是由于断带导致的大面积辊身脱落。第三，我厂支承辊使用年限已有25年，直径偏小，硬度偏低，疲劳极限已大大降低，在减少中间道次，增加压下量的工艺需求下，发生疲劳麻坑的频率变得越来越容易。2019年报废了第二根支承辊，报废原因即是由于辊径偏小，硬度低，上机不足4天即出现带材表面印痕，此印痕即是支承辊表面形成的疲劳麻坑印到工作辊上形成，无法正常使用而报废。

3 应对策略

支承辊的疲劳极限主要与工况有关，与的应力状态以及自身硬度有关联，即硬度越高，疲劳极限越长，越不容易造成疲劳破坏，应力越集中，疲劳极限越短，越容易造成疲劳破坏。针对我厂轧机工况与轧制工艺特点，提出以下几点主要应对策略：

（1）合理的轧制道次分配，减少轧制道次的同时兼顾轧制力，优化工艺路线，杜绝某一中间道次轧制力超高的轧制工艺路线出现，保证带材性能的前提下优化各道次厚度分配，使各轧制道次轧制力均衡。

（2）保证工艺需求的情况下降低辊系凸度，减小最大接触应力。目前支承辊凸度已由0.12mm降低至0.08mm，工作辊凸度0.05降低至+0.03mm。

（3）我厂轧机支承辊设计硬度75HS～80HS，已使用25年，目前在线支承辊最小辊径1240mm，辊面硬度67HS～70HS，硬度偏低，因此建议按设计要求考虑采购新支承辊。

（4）适当调整缩短支承辊更换周期至1个月，缩短换辊周期，能够有效减少循环应力频次，避免轧制过程中达到疲劳极限。

（5）轧制薄料可能出现负辊缝，应力在轧辊边部集中，应定期对工作辊，支承辊边部倒角进行修缮。

（6）定期半年对支承辊进行一次超声探伤，及时发现内部损伤，避免重大生产安全事故。

4 结语

通过对我厂支承辊剥落的现场跟踪与分析，经过不断的摸索，我厂通过优化轧制工艺路线，摸索合理的轧制道次分配，降低辊系凸度，缩短支承辊使用周期、修缮辊系边部倒角，严格执行支承辊定期探伤等正对性措施，支承辊剥落现象得到了有效的控制，为工厂的可持续生产提供了意见和建议。