離心復合軋輥的應用及軋輥失效分析

陳竹立

（天津鋼管集團股份有限公司，天津 300301）

為滿足市場對高質量無縫鋼管的需要，天津鋼管集團股份有限公司（簡稱天津鋼管）從國外引進了現代化的PQF連軋管機組，該類機組具有較高的生產率、較經濟的生產成本、較高的產品質量等特點。軋輥作為現代連軋管生產中的主要軋制工具，在生產中起著舉足輕重的作用。目前，市場上對高端無縫鋼管的需求在逐步增加，高鋼級新品種不斷涌現，產品的軋制條件變得越來越苛刻，因此對軋輥的質量也提出了更為嚴格的要求。

軋輥在軋管生產中的消耗量一直高于其他工具，軋輥的質量影響著軋管生產線的作業率、產能以及產品質量，在企業的生產成本及經濟效益等方面也占有較大比重；因此對軋輥在耐磨性、抗熱裂、抗疲勞、抗事故等方面的綜合技術指標提出了更高的要求。實踐證明離心復合軋輥能很好地滿足這些要求。

1 離心復合軋輥的優點及應用

與重力澆鑄方法制造的軋輥相比，離心復合軋輥的優點有：①在離心力場下凝固，合金組織更致密，工作層的密度與相同條件下重力澆鑄的相比可提高2%以上，使用壽命可提高25%～100%；②軋輥工作層組織均勻，硬度變化很小，從外向內硬度降低不超過5 HS，保證了軋制質量的穩定性；③工作層厚度均勻，無論徑向或是軸向的厚度均勻性，離心鑄造法都優于其他方法，有利于提高軋輥的使用壽命；④軋輥的輥身硬度高，力學性能好，合金軋輥工作層的硬度可達70～80 HS，沖擊韌性可達4～7 J/cm2；⑤在相同化學成分下，離心鑄造方法生產的軋輥，其化學成分的均勻程度比其他鑄造方法的好，如圖1所示；⑥離心鑄造較之靜態鑄造有更均勻的金相組織［1］。

圖1 常規方法與離心鑄造方法制造軋輥的化學成分均勻度比較

天津鋼管PQF連軋管機組采用的是輥軸分離結構。輥環為離心鑄造球墨鑄鐵，輥軸采用合金結構鋼鍛件，保證了軋輥具有較高的工作強度；軋輥使用壽命到期下線后更換輥環，而輥軸可重復利用，有效降低了軋輥消耗［2］。軋輥的輥環采用復合結構，工作層采用貝氏體基體，硬度高、耐磨性好；芯部采用珠光體基體，抗拉強度高，抗沖擊性能好，可提高軋輥的使用壽命，保證了生產質量［3-4］。

2 軋輥失效分析

在熱軋鋼管生產中，由于各種復雜因素的影響，軋輥難免會發生較大的磨損、剝落，甚至發生斷裂事故，引起軋輥失效。

2.1 輥面凹坑

凹坑在軋輥使用中較為常見，輥面凹坑如圖2所示。軋輥在使用過程中，鋼管表面未清除的氧化鐵皮被帶入軋機，反復輾壓后在輥身表面形成小的凹坑［5］。為了降低軋輥消耗，生產中常對軋輥進行多次車削修復。隨著車削次數的增加，軋輥耐磨性較高的外層金屬逐漸減少，輥身表面的耐磨性降低，尤其在軋制量較大的時候，軋輥產生疲勞，表面氧化膜會逐漸剝落，產生密集的凹坑。此外，在對軋輥進行車削修復時，由于車削量不夠，導致輥面的微裂紋未被清除干凈，經多道次軋制，裂紋向四周擴展，到一定程度后，輥身產生剝落［6］。

2.2 軋輥斷裂

軋輥斷裂是軋輥損壞的一種嚴重形式，而且事故處理時間長，嚴重影響生產。隨著軋制產量的不斷增加，軋輥的斷裂現象時有發生，不但造成了經濟損失，還會因軋輥斷裂造成停產，降低了產量，增加了熱軋廢品，同時增加了能源消耗，因而增加了生產成本。

2.2.1 產生原因

軋輥斷裂的原因有兩種：一種是內在因素，由軋輥本身的缺陷造成，如夾雜等；另一種是外在因素，由軋制工藝條件和使用原因造成。

（1）殘余應力及熱沖擊導致的斷裂。軋制開始時軋輥與高溫鋼管接觸，軋制過程中軋輥表面溫度高而芯部溫度低，在芯部產生合成拉應力［7］，當超過極限時芯部產生裂紋，甚至造成軋輥斷裂。

（2）疲勞裂紋擴展導致的斷裂。軋輥上的裂紋受彎曲應力的作用，會沿著一條較深的裂紋擴展［8］，繼續軋制裂紋會迅速擴展，達到極限后導致軋輥斷裂。

圖2 輥面凹坑

（3）使用方面的原因。如軋材強度過高，或由于低溫鋼、“黑頭”鋼等易造成事故；有時為了減少軋制道次而盲目加大壓下量，供水系統故障停水軋制后過快給冷卻水，軋輥壓靠力過大，扭矩大于軋制力矩啟動軋機等均可能扭斷軋輥軸頭［9］。

2.2.2 斷裂部位

軋輥斷裂的部位主要在輥身或輥頸處。輥身斷裂的原因有以下幾個方面。

（1）軋輥質量影響。工作輥與高溫鋼管直接接觸，并承受各種載荷，因此要有良好的耐熱性。如果軋輥輥身硬度隨軋輥溫度升高而降低的幅度較大時，說明軋輥的耐熱性較差，將嚴重影響軋輥的整體性能。

（2）軋制力影響。在工作時，軋輥承受各種載荷：液壓裝置在兩端的軋制壓力；軋件變形時的反作用力；承受冷熱作用下的交變載荷；軋件咬入時的沖擊載荷，機械轉動產生的扭矩力及軋輥與軋件、軋輥之間的摩擦力；軋輥受沖擊時彈跳所產生的力；軋輥局部過載或承受不均勻載荷［10］；較低的鋼坯溫度引起的變形抗力；由于調整不當致使軋制中心線發生較大偏移而引起軋制力分布不均，或壓下量分配不合理，有的機架負荷過大；由于軋件頭部缺陷而導致纏輥現象；有異物帶入軋輥產生的力等。

（3）溫度影響。在實際生產中軋制低溫鋼較常見，對軋輥的損壞也最大。由于毛管頭部溫度偏低以及冷卻水的作用，管頭在咬入時對軋輥的沖擊很大，如果毛管溫度偏低，塑性下降，變形抗力增加，可能會導致軋輥斷裂。造成低溫軋制的情況有5種：①違反加熱規程，加熱時大火急燒，使鋼坯受熱不均，燒透性差，導致表面和內部溫差大，或在縱向上因為爐道產生的“水印”，鋼溫較低；②加熱爐裝鋼坯時冷熱坯混裝，熱坯達到軋制溫度即開軋，而混雜在其中的幾支冷坯還未達到工藝所要求的軋制溫度，導致低溫軋制；③由于爐門的保溫能力較差，致使靠近爐門的鋼坯溫度較低，開軋時軋輥及軋制設備比正常軋制時的溫度偏低而使軋輥的載荷增大；④在軋制過程中由于軋制線上出現的各種故障影響了正常軋制，此時的加熱爐處于保溫狀態，恢復生產時升溫時間不夠就開始軋制；⑤軋機能力比加熱爐能力大，有時生產節奏過快，加熱爐滿足不了生產要求而軋制低溫鋼。

軋輥在輥身與輥軸接合處的斷裂占軋輥斷裂總量的70%，除制造缺陷外，一般屬于疲勞斷裂。軋輥輥身與輥頸的交接處所受的彎曲應力最大，也是應力集中的區域，對裂紋和缺口非常敏感［11］。

3 預防軋輥失效的方法

為了提高軋機的生產率，天津鋼管進行了大量的嘗試來改善設備性能和軋制工藝，特別是對軋輥的斷裂進行了深入的分析研究，制定了有效的預防措施。

3.1 輥面凹坑的預防

（1）軋輥上線前應加強檢查。檢查軋輥表面是否有缺陷，有些裂紋并不明顯，僅靠肉眼觀察是不夠的，可用探傷方法來檢驗。修磨后的軋輥也應進行表面探傷，以檢驗修磨是否合格。

（2）合理控制軋制節奏，降低軋制事故（如抱棒、堆鋼等）的發生。連續生產時，軋輥的表面溫度會逐漸升高，使得軋輥與鋼管之間的摩擦因數減小，連續生產能夠使鋼管溫度處于穩定的狀態，避免了“鐵耳子”等現象的出現，減少了粘鋼幾率［12］。

（3）增加除鱗設備的沖洗能力。起初氧化鐵皮與軋輥表面結合得并不牢固，但在經過多次軋制后就不易去除；因此，增加冷卻水的壓力及流量，就能及時去除粘附在軋輥表面的雜物，避免粘鋼［12］。

（4）為了防止輥身產生凹坑，還應注意控制換輥周期。換輥周期長也會導致輥面因接觸疲勞產生凹陷［13］；軋輥表面出現凹坑時，需要對凹坑區域進行修磨，必要時可進行補焊或更換軋輥。

3.2 軋輥斷裂的預防

（1）為了避免殘余應力及熱沖擊載荷所引起的斷裂，軋輥使用時應預熱，并保持良好的冷卻條件，嚴禁停水軋制，降低內外層溫度梯度；普通軋輥使用前應有半年左右的時效期，以降低軋輥內應力，使用后的熱軋輥應及時緩冷避免再生熱應力。

（2）要保證軋輥有一定的可車削量，并采取必要的檢測手段。

（3）應向軋輥制造方提出預防夾雜、非正常組織、殘余奧氏體量過高、偏析等方面的量化要求。

（4）預防因使用原因產生的斷裂。在制定相應的操作規程時應充分考慮各種誘因，明確到位，同時操作人員應嚴格遵守工藝紀律和標準化操作。

（5）選擇合理的工藝參數，避免軋輥局部或個別軋機載荷過大。

（6）適當增大輥身與輥頸結合處的強度，以防止軋輥大面積剝落甚至斷裂［8］。

（7）確定合理的冷卻水系統，根據軋制要求選擇合適的噴嘴形狀和噴水部位，并保證冷卻水的壓力、流速、水量、水溫、水質以及冷卻水管的暢通，為軋輥創造一個良好的工作環境。

4 結 語

軋輥的失效形式種類多樣，往往是多種因素共同作用產生的。從設計、生產制造到軋輥的使用等各個環節對軋輥狀態進行仔細的分析，從中找出主要因素，采取相應的措施就能有效防止軋輥失效，進而提高軋輥的使用壽命，保證鋼管表面質量，提高產品成材率和生產效率。

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