大型支撑辊断裂原因分析及改进

张长宏

（莱芜钢铁集团银山型钢有限公司，山东 济南271104）

1 前言

某宽厚板生产线采用四辊双机架布置，轧机最大轧制力90000 kN，最大弯辊力4000 kN，支撑辊辊身硬度HS 40～50，最大直径2200 mm，材质为锻钢。该生产线年设计生产能力150×104 t，主要产品包括低合金高强度钢、工程机械用钢、管线钢等。正常生产过程中，轧件突然出现大的镰刀弯，在原因排查过程中发现，精轧下支撑辊传动侧断裂。断裂具体位置在辊身与辊颈过渡的大圆角处。轧辊断裂后，通过IBA查询工艺数据，事故发生时的轧制力为61000 kN，扭矩2300 kN·m，均在正常范围之内。同时，轧制温度、压下量等工艺参数正常。从成分、组织及强度校核等方面对断裂原因进行了分析。

2 断裂原因分析

2.1 断裂轧辊的成分

由于各生产线的工艺状况不同，轧辊的技术要求通常在订货的技术协议中明确，对成分不做具体要求。本支撑辊为生产线建设期间的随机轧辊，无法通过原始产品合格证确定材质及详实的成分，仅知道为锻钢材质。利用断裂的碎片对其成分进行分析，具体成分见表1。

表1 断裂支撑辊成分（质量分数）%

通过分析，确定轧辊材质为Cr2型锻钢。虽然各厂家在成分设计时有所差异，但是Si的含量只有0.06%，与通常设计相比明显较低。Si在钢的冶炼过程中通常做脱氧剂使用，作为合金元素时，其质量分数一般不低于0.4%，以固溶体形态存在于铁素体或奥氏体中提高铁素体强度［1］。根据国内大型锻造轧辊标准显示，Si应该在0.4%～0.6%；但有文献指出，对于有特殊要求的锻件采用低Si设计，采用真空脱氧技术能够有效提高构件的使用寿命［2］。对于低硅钢种的冶炼，采用Al脱氧剂生产具有钢液高纯净度的优势［3-5］。

2.2 组织分析

利用碎片对断裂处的组织进行分析，金相组织如图1所示。

图1 金相组织

可以看出，断辊的近表面组织主要是回火马氏体、质点状碳化物以及很少量的颗粒状碳化物。芯部组织主要是片状珠光体、部分细粒状珠光体及少量的颗粒状碳化物，组织情况正常。同时，对辊颈进行了探伤检测，未发现皮下气泡及裂纹。

2.3 硬度检查

轧辊硬度是重要指标，对其强度、抗疲劳性均有较大的影响。对断辊传动侧、操作侧辊颈硬度进行了检测，从辊颈端面起每隔200 mm左右打一点，硬度结果具备明显的对称趋势，从辊端到过渡圆角逐步降低，测量结果如图2所示。辊颈根部硬度很低，仅为HS 31～33，通常设计在HS 40～45，可能与辊面淬火时对辊颈的保护不当造成交界处的温度过高有一定的关系，现在的差温淬火可以有效地解决这个问题，避免交界处圆弧的硬度降低。

图2 辊颈硬度测量情况

2.4 辊颈强度校核

2.4.1 抗拉强度校核

设计轧机时，通常是按工艺给定的轧制负荷和轧辊参数对轧辊进行强度校核。由于对影响轧辊强度的各种因素（如残余应力、冲击载荷等）很难准确计算，为此对轧辊的弯曲和扭转一般不进行疲劳校核，而将这些因素的影响纳入轧辊的安全系数中。由于四辊轧机一般由工作辊传动，因此对于支撑辊只计算辊身中部和辊颈断面的弯曲应力。四辊轧机支撑辊计算简图见图3。由于本次断裂发生在辊颈断面处，因此，只校核1-1、2-2断面的强度。

图3 四辊轧机支撑辊计算简图

对支撑辊辊颈断面的弯曲应力进行校核计算，在辊颈1-1断面和2-2断面上弯曲应力σ1-1、σ2-2分别为95.16、96.68 MPa，均满足强度条件。同时，当圆角为一段简单的圆弧时，应力集中系数k与h/d（辊肩高度/辊颈直径）及r/d（圆弧半径/辊颈直径）有关。根据轧辊的具体尺寸，确定圆角应力集中系数k为2.13。轧辊材料Cr2的抗拉强度σb为1280 MPa，屈服强度σs1150 MPa［6-8］，由此可得安全系数n为6.22。

2.4.2 疲劳强度校核［9］

由经验公式可知Cr2型锻钢的疲劳强度σ-1为559 MPa，同时查表得出轧辊尺寸系数ε为0.58，表面系数β为1，计算得疲劳安全系数nσ为1.57。通常，抗拉强度校核安全系数在6以上，疲劳安全系数在1.2以上。因此通过以上的理论校核，轧辊的抗拉强度、疲劳强度满足要求。

2.4.3 有限元校核

建模及边界条件的确定。在有限元模型中建立支撑辊的1/4模型，并设置坐标系，如图4所示。

图4 支撑辊有限元模型

设置材料弹性模量为211680 MPa，泊松比为0.3，采用纯弹性模型。由于模型为1/4模型，故在模型的Z和Y方向对称面上施加对称约束。由于支撑辊承受简支约束，因此使轴承装配面与简直支点耦合，并约束支点X和Y方向位移。考虑轴承约束面大小对计算模型的影响，选择如表2所示的3种不同的轴承约束面方案。

表2 3种轴承约束面方案

仿真结果及分析。根据建模及边界定义，利用软件对支撑辊进行仿真分析，其应力状况见图5。

图5 支撑辊应力云图

为了比较3种方案圆角处应力变化，首先定义辊身与辊颈处的两个过渡圆角Ra、Rb，具体位置如图6所示。

图6 轧辊圆角位置示意图

从3种方案圆角处应力情况可以看出，随着约束面面积减小两个圆角处的应力值趋于稳定。由于轴向力无支反力，Z方向的支反力很小，X方向为轧制力的1/4，满足简支约束条件。故两处圆角的应力分别为306、196 MPa。

最后将最大圆角应力代入强度校核公式，可得到安全系数：抗拉强度安全系数n为4.18，疲劳安全系数为0.9。故依据有限元结果得到的弯曲强度安全系数、疲劳安全系数分别小于常规设计的6、1.2，存在较大的使用风险。

3 结论

3.1 辊颈根部强度过低或过渡圆弧较小可能是导致其断裂的主要原因。此处轧钢过程中应力集中最大，在交变应力作用下，该处表面首先产生疲劳裂纹并逐渐向心部扩展。当裂纹过深，该处机体强度抵御不了轧制压力时，产生瞬时断裂。

3.2 轧辊在热处理阶段受热处理装备条件的影响，辊颈、辊身交接处温度高，降低了材料的强度。

3.3 传统的轧辊强度校核已不能满足现场的需要，轧辊设计阶段应进行有限元的校核，验证轧辊的薄弱环节，并进行合理的设计，提高轧辊的安全使用水平。

4 改进措施

对轧辊材质进行改进，采用高强度锻钢。目前多数大型支撑辊已采用Cr3及以上材质，满足了宽厚板板品种的开发及稳定顺行的需求；对辊颈的硬度提高，由原来的HS 35～40提高到HS 45～50；合理设计轧辊的变径倒角值，减少轧辊的应力集中，降低裂纹源产生的风险；加强轧辊管理，定期对轧辊的辊颈、辊身交界处进行探伤检查，发现裂纹及时进行处理，避免出现断辊等严重事故。