支撐輥R圓弧裂紋缺陷研究

黃建波

（湖南華菱漣源鋼鐵有限公司2250熱軋板廠，湖南婁底417009）

0 引言

支撐輥是軋鋼廠最重要的工藝裝備，一支經(jīng)濟(jì)價值可達(dá)上百萬元，一旦發(fā)生軋輥事故，則經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重，并且會影響熱軋廠正常生產(chǎn)，因此支撐輥的安全使用是熱軋廠一個需要研究的課題。除去一般的支撐輥輥面剝落、掉肩等問題，還有一個R圓弧開裂問題在熱軋廠經(jīng)常發(fā)生，一旦發(fā)生R圓弧開裂，支撐輥必須停用。

1 課題來源

在軋制過程中支撐輥輥身承受工作輥的軋制力，軸承部位承受壓下系統(tǒng)的軋制力，這兩個力方向相反（圖1），因此輥身與軸承安裝部位一般設(shè)計有R圓弧進(jìn)行過渡，以防止應(yīng)力集中造成支撐輥沿輥身側(cè)面斷裂，但實際使用過程中R圓弧處存在批量開裂的現(xiàn)象。

圖1 軋鋼過程中支撐輥受力情況

2 原因分析

在實際使用過程中，支撐輥使用周期長達(dá)5～10年，使用條件為高溫潮濕的環(huán)境，支撐輥輥身端部極易發(fā)生銹蝕，為了防止R圓弧部位發(fā)生銹蝕，支撐輥側(cè)面一般采用一道橡膠密封，該密封與輥身側(cè)面緊密接觸，防止水蒸氣進(jìn)入R圓弧區(qū)及油膜軸承內(nèi)。但由于支撐輥在軋制過程中會產(chǎn)生一定彎曲，橡膠密封區(qū)與支撐輥端部發(fā)生輕微摩擦，在支撐輥輥身側(cè)面會產(chǎn)生一圈凹槽，凹槽產(chǎn)生后水封的貼合度降低，同時銹蝕會使得密封面粗糙不平，密封效果逐漸變差；下支撐輥該問題更加突出，因為工作輥冷卻水會淋在下支撐輥的端部。水汽進(jìn)入R圓弧部位后使得該部位發(fā)生銹蝕，在交變應(yīng)力作用下極易導(dǎo)致R圓弧處發(fā)生裂紋（圖2）。該問題常常批量發(fā)生，導(dǎo)致支撐輥周轉(zhuǎn)緊張。

圖2 支撐輥磨損及裂紋情況

導(dǎo)致該問題的原因有四個：

一是軋制過程中，支撐輥存在彎曲，轉(zhuǎn)動過程中水封與輥身側(cè)面長期摩擦導(dǎo)致磨損出凹槽。

二是輥身側(cè)面銹蝕嚴(yán)重，導(dǎo)致凹槽處不平整，影響橡膠密封的密封效果。

三是長期軋制高強(qiáng)薄規(guī)格、極窄規(guī)格，軋制力甚至達(dá)到4 000 t以上，軋輥彎曲大，R圓弧應(yīng)力集中過大。

四是水質(zhì)不達(dá)標(biāo)，熱軋廠漏油現(xiàn)象時有發(fā)生，導(dǎo)致水中Cl-、電導(dǎo)率急速攀升。氯離子是天然水中普遍存在的腐蝕陰離子，它有極高的極性，能促進(jìn)腐蝕反應(yīng)；又有很強(qiáng)的穿透性，容易穿透金屬表面的保護(hù)膜，造成縫隙腐蝕和孔蝕，特別是易造成奧氏體不銹鋼腐蝕開裂，危害很大，能使金屬在短期內(nèi)銹蝕。在軋鋼生產(chǎn)線，主要體現(xiàn)在對設(shè)備、管道及鋼板的腐蝕上，極度影響設(shè)備的使用壽命。這也加速了支撐輥R圓弧裂紋處的電化學(xué)腐蝕。

3 解決措施

根據(jù)失效的原因，曾經(jīng)嘗試增大R圓弧半徑，以進(jìn)一步緩解應(yīng)力集中，但是這樣做會縮短錐形段長度，使油封效果變差，油膜軸承更有可能進(jìn)水，因此排除了這種改進(jìn)方式。

經(jīng)查閱相關(guān)資料，部分鋼廠采用支撐輥肩部雙臺階圓弧過渡的方式解決該問題，一般一段圓弧半徑為30 mm，二段圓弧半徑為60 mm，這樣既降低了整體的支撐輥邊部應(yīng)力梯度，降低了支撐輥掉肩的風(fēng)險，又增強(qiáng)了角部的圓弧過渡，降低了應(yīng)力集中的風(fēng)險（圖3）。但此種方式也有一個問題，如果設(shè)計時是單圓弧，后想改為雙圓弧，勢必會縮短輥面長度166 mm，而這會改變輥面縮短后支撐輥的受力狀態(tài)，以2 250 mm長度支撐輥為例，單位長度承受的軋制力升高約8%，因此選擇這種方式必須在軋線設(shè)計時考慮。

圖3 雙臺階圓弧支撐輥

針對支撐輥側(cè)面生銹的問題，曾經(jīng)考慮在支撐輥端部刷一層油漆，但是并未取得良好的效果，時間一長，油漆里層仍生銹，油漆層翹起。

為了從根本上解決支撐輥側(cè)面生銹的問題，我們嘗試修改支撐輥圖紙，要求支撐輥供貨商在機(jī)加工時在支撐輥輥身側(cè)面開槽，用于安裝一陶瓷襯板，陶瓷環(huán)安裝前在槽內(nèi)涂膠，以起到密封和增強(qiáng)結(jié)合力的作用，再用螺栓固定（圖4）。選用陶瓷襯板的目的一是為了得到一個光滑的界面，從而減小與橡膠密封之間的摩擦磨損；二是陶瓷襯板作為一個可更換件方便更換；三是徹底解決了鋼鐵材料易生銹的問題。從實際使用的效果來看，這種措施基本解決了支撐輥R圓弧處進(jìn)水的問題。

圖4 輥身側(cè)面增加陶瓷環(huán)襯板

改善水質(zhì)。以前軋鋼廠補(bǔ)水采用其他工序用過的大污水，后為了解決鋼材表面生銹問題采用河水補(bǔ)水，軋鋼廠成為新水使用的第一用戶，水質(zhì)指標(biāo)得到明顯改善（圖5）。

圖5 水質(zhì)指標(biāo)變化趨勢

完成以上優(yōu)化后，支撐輥開裂情況明顯好轉(zhuǎn)（圖6）。

圖6 歷年來裂紋輥支數(shù)

4 結(jié)論

（1）熱軋廠曾經(jīng)因為支撐輥端部進(jìn)水發(fā)生大批量支撐輥R圓弧處開裂的問題，造成大量支撐輥異常報廢，成本損失嚴(yán)重，影響正常生產(chǎn)。

（2）本文經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查，分析了造成R圓弧開裂的主要原因：一是水封與輥身側(cè)面摩擦導(dǎo)致磨損出凹槽；二是輥身側(cè)面銹蝕嚴(yán)重；三是R圓弧應(yīng)力集中過大；四是水質(zhì)不達(dá)標(biāo)，加速了支撐輥R圓弧裂紋處的Cl-電化學(xué)腐蝕。

（3）通過對可能的措施進(jìn)行分析，最終選擇可行性較高的在支撐輥輥身側(cè)面開槽，并增加陶瓷環(huán)的方式解決了支撐輥R圓弧開裂的問題，并取得了明顯的效果，為熱軋廠的軋輥安全使用提供了有效的技術(shù)保障，為今后熱軋線設(shè)計提出了合理的建議。