基于延长轧辊使用寿命的轧钢工艺措施探究

刘海熙，赵忠云

（广西柳州钢铁集团有限公司热轧板带厂，广西柳州 545002）

0 引言

作为轧钢机械的重要设备构件，轧辊在轧制进程中与钢坯运转接触，实施定量附加压力作用，使钢坯产生形变，以完成对应的轧钢制备需求。轧辊在生产中应具备高标准的抗损耗和耐疲劳特性，特别是在轧钢构件市场需求量日益提高的今天，大量的轧钢制备作业使得轧辊磨损消耗量提高，相应生产投资费用也随之增加。轧辊的作业通常在强氧化性、高压高温、冷热急变等环境下，不同机座辊筒经过外部热应力、机械应力、冲击力、摩擦力等的综合作用，易导致轧辊的龟裂、磨损、剥落等现象，以影响轧辊的工作时长。同时，由于轧辊设备构件的费用较高，其损耗量是轧钢生产成本的重要经济影响因素。因此，在冶金生产中应通过有效的技术手段，改良轧钢生产工艺，提升制备效率，延长轧辊使用周期，降低轧辊换件率。

1 延长轧辊使用寿命的实践意义

轧辊在轧钢过程中主要通过对金属溶液的周期接触，使之快速凝固，并完成不间断的塑性形状改变，该过程中轧辊磨损程度较大，而且其损耗换件率费用占轧钢成本较大[1]。因此应建立健全轧辊工艺管控体系，掌握轧钢生产线各轧辊的使用情况和运转轨迹，保证合理成对配置和生产运行，科学提升轧辊的运行效率，形成合理的磨削量方案，以有效降低轧辊的使用疲劳度，在满足正常轧钢生产量的基础上，延长轧辊使用周期，压缩轧辊非正常换辊数量，提升轧钢生产线产能和经济效益。可见，生产线中轧辊的管控制度体系是否完备及管控是否合理，是轧钢生产线成本控制及轧辊使用周期长短的重要影响条件。针对轧辊构件的管理应安排专人负责，形成完备的管控体系，建立一套完整的轧辊出入库检验、投产配对、缺陷维修保养、非正常下线等信息库记录，以科学管控轧辊应用状况和轨迹，实现降低轧辊的损耗，延长轧辊的使用周期，提升轧钢生产线的单位成本产能，因此具有重要的生产实践意义。轧辊轧钢流水线如图1 所示。

图1 轧辊轧钢流水线

2 轧辊使用寿命影响因素分析

性能优良的轧辊一方面可实现轧钢生产的有序进行，另一方面可提升带坯制备品质。轧辊的结构可分成辊套和辊芯两部分[2]。辊套是与溶液体直接接触的构件，辊芯插入冷却液传导至辊套进行冷却作用，并转移辊套的热量。轧辊通常在恶劣环境下工作，随着轧辊使用时间的延长，轧钢生产品质会降低。

2.1 辊套影响因素

轧钢生产中，轧辊内温度应视为等同于冷却液体的温度，轧辊外表温度经过旋转并同溶液定时周期性接触，通过外界和冷却液的传导实现温度减低，此时轧辊内会产生内部热应力，并在外表产生余下应力[3]。轧钢生产时，辊套热形变的往复循环可加速表面的机械疲劳形成细小裂纹，同时受轧钢操作外力作用及溶液的长期侵蚀会加剧裂纹的增加，并使辊套难以继续使用。同时，人员操作经验及轧钢机械的作业环境也是影响轧辊是否可达到预计经济时长的重要因素。较大的裂纹会使辊套车削磨损程度加深，甚至会引起冷却液的渗入，导致轧辊无法使用。通常轧辊外部的划伤也是形成应力汇聚及裂纹扩大的影响因素，在形成轻微或点状裂纹情况下既需要对辊套实施车磨处理或更换处理（图2）。

图2 轧辊辊套

2.2 辊芯影响因素

（1）水槽破损。由于水槽结构设计因素，引起在辊芯水槽操作过程中的差异性应力汇聚，会引起水槽破损。另一方面，在轧钢时轧辊会受到的复杂综合应力，如不能正确热操作辊芯，会导致材料调质硬度提升，引起辊芯水槽的破损。破损断裂处会引起水路栓堵，影响轧辊使用寿命及钢材的加工精度。

（2）水槽形成栓堵。在轧钢生产时，由于水槽的设计缺陷、冷却液用水水质难以达标以及池内路由内有杂物等原因，导致辊芯水槽形成栓堵，会引起辊套外表形变的加剧，进而影响轧辊使用寿命及钢材的加工精度。轧辊辊芯如图3 所示。

图3 轧辊辊芯

3 轧钢生产中轧辊的典型问题及成因分析

3.1 典型问题

3.1.1 轧槽表面产生麻点缺陷

轧槽表面麻点是比较普遍的质量缺陷，主要表现为表面不平整、粗糙，多为连续状，也存在少量零星局部状[4]。轧槽内的麻点缺陷正常是允许存在的，但麻点深度不可大于轧槽允许的厚度偏差值。引起麻点的主要因素有：轧件外表受挤压作用，使得氧化铁材料剥离；制产品孔洞破损或形成破损的氧化铁物质；钢坯加热过程中外表的强烈氧化；轧辊表面侵蚀作用等。

3.1.2 辊环损坏

辊环轧辊轧制生产时会受到轧制应力、热应力、装配应力等复杂应力的联合作用，由于生产中辊环内径切向拉应力提升，使用单一的材料难以达到延长轧辊使用时长的目的。随着辊环单位应力提升，同时受到不同种类应力叠加，会引起辊环损坏，严重者会引起崩裂。

3.1.3 轧辊产生裂纹

在进行金属轧制生产时，因为夹钢、甩尾、碰撞等影响，在轧辊内外会存在软点或裂纹缺陷。由于轧辊存在的软点、裂纹会引起生产流程的影响及减少轧辊应用时长，长期作用裂纹会持续连接扩大，引起轧辊的剥落，缩短轧辊的使用寿命。

3.1.4 轧槽中间位置非均匀性掉块

轧槽中间位置通常包括铜元素，所以极易引起非均匀性掉块缺陷[5]。特别是在对轧槽中间位置加热过的程中，大量铜成分会在轧槽中间内壁表面持续游走，如果加热温度达到铜的熔点，即会大大降低其热塑效果，形成表层的裂纹出现。随着铜成分的不断游走，裂纹的程度会加深，进而形成非均匀性掉块现象。以窄带钢轧制过程为例，因为控制监管不达标，各个轧槽生产量由操作人员自行调控，因此会造成轧槽的磨损度不统一，在维修保养轧辊过程中，存在裂缝未完全磨削处理情况，导致存在细小裂纹，一旦进行后续生产操作小裂纹就会连接形成大裂纹，进而导致轧槽掉块。

3.2 成因分析

引起轧辊问题的成因很多，如冷却处理能力差、操作使用不规范、轧辊自身性能及质量问题、轧钢生产工艺技术缺陷等。欠缺合理的冷却处理会导致辊子面形成大温度差，提升辊子剥落的热应力，过高的温度会降低辊子的刚性和抗磨效果，进而导致裂纹、剥落、爆槽等缺陷。轧钢生产时，如未科学考量钢材性能及轧钢生产工艺技术，应用的轧辊材料不合理，或由于操作使用不规范形成堆钢、卷辊现象，会导致掉肉、爆槽、断裂等缺陷。钢材产品轧制时，因为冶金材料常伴有硅酸盐、二氧化硅等脆性杂质，此类杂质经加热后会影响轧辊的正常使用时长，其中杂物含量越大、粒径越大，对轧辊的危害也越强，特别是外形锋利的杂物尤其具备强危害效果。

4 轧钢工艺改进措施

4.1 优化改良轧辊冷却系统

为提升冷却液的使用效率和冷却性能，延长轧辊使用周期，可通过优化改良轧辊冷却系统的方式。钢材轧制时将产生大量热，为降低轧辊换件率和加工生产后温度的降低，应进行必要的冷却处理。用于轧辊冷却作用的主要为一次冷却水箱和二次冷却水箱，水箱中一次冷却液通过狭缝轴向射入到轧制位置，实现铜管的冷却及润滑作用，二次冷却液主要实现轧管温度的迅速降低，防止气流流进封套内，避免氧化铜管。冷却系统的喷水环主要实现轧辊的冷却功能。轧辊在高速传动运转频率下工作，应科学控制冷却液的压力和流量。应保证冷却系统中冷却液供应充足且连续，如果轧辊过热，应立即更新，避免因工作疲劳而形成裂纹。钢材轧制时，应通过合理控温实现轧辊温度保持在合理区间，应控制水泵压力低于0.8 MPa，轧辊冷却液流速大于3500 L/h。将常规方状含孔结构改进为无孔圆筒喷头，增加两列椭圆水缝在切分楔位置，控制水缝喷洒切分楔区域宽为5～8 mm。控制切分楔位置水量为常规位置的3 倍以上，以保证切分楔的冷却效果，增加切分楔位置的轧槽使用时长。

4.2 合理配置孔型

针对常见的冷却液冷却功效不达标情况，将热轧窄带钢在常规孔型前提下，对孔型实施强迫宽展技术，并将原有高温道次换为较低温度道次，并将强迫宽展的槽底改为直线形，为防止由于轧件面不平导致轧钢产品不符合标准，同时将强迫宽展的孔斜率设置为17.7°，将特定轧槽规格进行对应改良，确保不发生拉尾缺陷。

4.3 科学配比冷却液参数，改进供水体系

合理控制冷却液水温，温度过高会促使轧辊形成断裂，温度过低会阻碍工艺结晶效果，影响钢制品的制备效果，一旦实际温度与设计温度偏差过大，会加速轧辊的疲劳度。轧钢轧制过程中，冷却液的温度应控制在40～60 ℃。通过改良轧辊冷却液管路，以浊中方式取代原有的浊低方式，选取变频电机输出，控制水压为0.8 MPa，并可实现自动调整。

4.4 轧辊材料性能优化

以标准的Q215 热轧窄带钢为例，其中部辊环宽及原始轧槽中间距均达到行业标准。但基于辊环断裂缺陷的视角考量，辊环的宽度依旧不符合实际要求，易因疲劳生产形成裂纹，以至形成辊环裂纹。因此，基于辊长度的考虑，应增加辊缝宽度设计，同时增加中部辊环宽度设计。

4.5 规范操作工艺

实施轧钢工艺工程中，因操作不规范导致轧辊受损的情况比较常见，应注意轧辊同导向器的碰撞接触，科学管控轧辊的冷却开关，避免新换的轧辊缺少冷却液。实施有效的点检制度，避免发生卷辊情况，一经发现应马上停机，待卷辊料冷却至室温方可处理。在实施轧制料料形控制时，应严禁出现单架次料形过大情况。加工时，应削切处理轧料端黑头，防止加工出现过黑钢。

4.6 应用自动厚度控制技术

轧钢生产时，因生产线入口张力、厚度、形变抗力、摩擦因数等参数的差异，轧钢机械的制备能力也有所不同，相应形变曲线可对特定材料厚度出口形成影响[6]。基于此，在轧钢工艺中引入自动厚度控制技术，其原理是通过算法模型对轧钢材料厚度、轧制机械性能、外因干扰等实施自动化控制，进而实现自动化的轧机辊缝宽度、轧制速度、轧制压力参数给定，利用高精密性的液压下压辅助系统实现快速响应操作，控制厚度偏差在合理范围。由于板坯厚度对轧机制备质量有一定影响，液压自动厚度控制技术会对轧机加工精度构成影响，因此有利于轧辊使用周期的延长。

4.7 科学控制轧辊修复率

为确保各个生产线轧槽产能输出的稳定运行，应严控防止出现多余裂纹，如控制不及时，轧制生产数量和质量将会受到影响。基于此，实施轧钢加工流程时，应严格依据轧制流程规范作业，如Q215 型热轧窄带钢成品轧辊的车削加工应达到600 mm 标准等。如果保养维修中不能实现轧槽裂纹的完全消除，应及时停止使用轧辊进行加工作业，并及时进行更换处理。

5 结束语

通过对轧钢工艺实施改良，提升轧辊装配、使用等技术管理手段，实现轧辊刚性、抗冲击性及防热裂性的有效提升，降低轧辊损耗，增加轧辊的使用寿命。本文基于生产实际，围绕延长轧辊使用寿命的轧钢工艺措施进行讨论，论述延长轧辊使用寿命的实践意义，讨论轧辊使用寿命影响因素，分析轧辊生产应用的典型问题及问题成因，并提出合理的轧钢工艺改进措施，以达到降低轧辊生产损耗、延长轧辊使用寿命、提升轧钢加工效率的目的。