軋輥斷裂原因分析與控制

左振皋

（山東格美鎢鉬材料股份有限公司，山東威海 264211）

0 引言

山東格美鎢鉬材料股份有限公司在有色金屬的軋制過程中，非正常斷輥事故屢有發(fā)生。2009年3月至2010年6月，軋機(jī)（550二輥軋機(jī)）工作輥非正常斷輥7起，直接經(jīng)濟(jì)損失近百萬元，這對于一個年產(chǎn)值幾千萬元的民營企業(yè)來說，是一個重大經(jīng)濟(jì)損失，應(yīng)當(dāng)引起設(shè)備管理部門、工藝制定部門和操作使用人員的廣泛關(guān)注與思考。

為杜絕再次發(fā)生類似事故，首先必須對此設(shè)備運行原理、事故產(chǎn)生材料因素、環(huán)境因素、人為因素以及制度（人、機(jī)、料、法、環(huán)）等方面進(jìn)行一個客觀的分析與評判，進(jìn)而提出相應(yīng)的解決方法。

1 事故分析

1.1 事故過程及資料

事故對象：550軋機(jī)（二輥軋機(jī)）2009年3月—2010年6月，7次工作輥斷輥事故。事故現(xiàn)場參數(shù)等見表1。

1.2 根據(jù)斷茬茬口分析

該斷輥為高鎳鉻無界冷硬鑄鐵（HNiCr-2），其化學(xué)成分及性能見表2、表3。

輥身材料為HSD68，輥頸為HSD41，工作層厚50 mm。

芯部強(qiáng)度>350 MPa（唐山中強(qiáng)/聯(lián)強(qiáng)軋輥廠提供），芯部金相為典型珠光體球墨鑄鐵。

茬口沿軸向45°角頃斜，斷茬馬蹄型截面，輥身50 mm基本為細(xì)密白口組織，向芯部組織逐漸變化為灰口+球墨化組織。

根據(jù)輥身及斷輥實物茬口、材料力學(xué)、裂紋分析學(xué)，判斷軋輥折斷（第一次斷輥含少量扭力，其余彎曲折斷）。

表1 事故現(xiàn)場情況記錄

表2 HNiCr-2的化學(xué)成分

表3 HNiCr-2的物理性能

1.3 根據(jù)動力性能分析

該550二輥熱軋機(jī)，由額定功率284 kW電機(jī)驅(qū)動主傳動機(jī)構(gòu)，由2臺3 kW8極電機(jī)驅(qū)動壓下機(jī)構(gòu)；在軋制過程中，開坯道次或前面幾道次超負(fù)荷有悶車現(xiàn)象（主電機(jī)堵轉(zhuǎn)電流達(dá)800 A），未出現(xiàn)斷輥；第6次斷輥時實測電流僅280 A。

實際上，扭矩大造成的悶車停機(jī)，系統(tǒng)軟保護(hù)，不會損壞機(jī)械零件，但是由于壓力大造成的斷輥停機(jī)，直接、間接損失均較大。所以，通過計算核算出實際限制條件來指導(dǎo)生產(chǎn)，很有必要。

下面根據(jù)材料力學(xué)分析計算軋輥受力情況。

2 軋輥受力

2.1 550軋機(jī)難熔金屬軋機(jī)基本參數(shù)

軋輥規(guī)格：輥身直徑DM=450 mm，輥身重車直徑Dm=410 mm，輥身長度l=550 mm，軸承臺肩距L=660 mm，輥徑直徑d=260 mm，臺肩直徑dIII=275 mm，延長交輥面直徑dII=310 mm，輥徑軸承中心距925 mm。

壓下絲杠中心距925 mm，設(shè)計最大軋制力4 MN（合金鋼輥）/2 MN（鑄鐵軋輥），設(shè)計軋制扭矩為77 kN·m

2.2 計算平均單位壓力pm（圖3、表4）

式中pm平均單位壓力，MPa

hm軋件平均厚度，為（h0+h1）/2，mm

h0軋件軋前厚度，mm

h1軋件軋后厚度，mm

圖1 斷輥

圖2 斷輥時材料折疊

2.3 校核計算總軋制力

P=Spm/1000，而 S=lb。其中，S為輥—料接觸面積，mm2；b 為軋件平均寬度，mm。

550熱軋機(jī)軋制板材各次斷輥軋制工藝校核計算見表4。需要說明的是：①扭矩大于 80 kN·m悶車，軋制力大于4 MN時斷輥；②軋件實際所需總軋制力P4000 kN；③兩工作輥總扭矩的經(jīng)驗式80 kN·m；④軋制速度為（48～53）m/min；⑤第 1 次和第3次的軟件工藝中，鎢（W）的單位面積材料的軋制應(yīng)力計算見文獻(xiàn)［1］；⑥1Cr18Ni9Ti的單位面積材料的軋制應(yīng)力計算見文獻(xiàn)［4］。

2.4 對4 MPa極限壓力作用下軋輥的強(qiáng)度較核計算

因此，應(yīng)力最危險斷面在輥頸的郁—郁截面，印證了每次斷輥都自此截面開始的現(xiàn)象。

2.5 軋輥的撓度計算

由相關(guān)軋輥撓度計算公式和文獻(xiàn)［2］可知，當(dāng)極限壓力P=4 MN極限壓力時，最大撓度在軋輥中點I—I斷面與支點間撓度差值（用重磨后輥徑）（圖4）。

軋輥中點超許用撓度12.77%，從計算撓度超許用撓度百分比上看，還是在斷面最大，故此斷面是危險斷面。技改需重點考慮此處。

圖3 軋制輥—料幾何關(guān)系

圖4 550（二輥）熱軋輥撓度計算示意

3 事故分析小結(jié)（表5）

4 結(jié)論與控制方法

上述事故及彎扭力的計算分析，對設(shè)備的結(jié)論如下：該冷硬鑄鐵熱軋輥，材料斷裂強(qiáng)度及剛度極限軋制力在4 MN（此為相對數(shù)值，絕對軋制力應(yīng)低于此數(shù)值），超過此數(shù)值屬不安全軋制。為此，就人、機(jī)、料、法、環(huán)5個方面提出以下改進(jìn)及控制的方法。

4.1 人的因素

加強(qiáng)員工培新教育，強(qiáng)化員工基礎(chǔ)知識與專業(yè)知識，不斷提高個人操作應(yīng)變能力。

（2）操作設(shè)備集中精力，特別是壓下量的控制一定要認(rèn)真對待，以防損壞設(shè)備。

（3）控制車間空氣流動與出爐料的熱交換速度。

（4）材料大小不同，出爐后滯空時間不同，要充分考慮材料的溫度減低。

（5）料的長度決定了會否超出軋機(jī)寬限范圍，喂料時一定要注意。

4.2 設(shè)備方面

（1）對經(jīng)濟(jì)性的無限冷硬鑄鐵軋輥輥徑圓角改進(jìn)、軸承改造等方法，提高抗力3%7%。

（2）繼續(xù)尋求該性價比更高的熱軋輥，以滿足高軋制力的需求（使用西重所H13-國內(nèi)牌號4Cr5MoSiV1高合金熱模具鋼，產(chǎn)生輥面爆裂報廢，不經(jīng)濟(jì)）。

（3）針對550軋機(jī)使用的無限冷硬鑄鐵輥，繪制鎢鉬加工<溫度—寬度—加工率>曲線圖（圖5），讓員工參考執(zhí)行。

表4 550熱軋機(jī)軋制板材各次斷輥軋制工藝校核計算

表5 原因分析與應(yīng)對措施

圖5 550軋機(jī)安全工作曲線

4.3 被軋材料的方面

（1）針對鎢（W）鉬（Mo）加工，編制常用規(guī)格及工藝的計算表格，校核工藝可行性。

（2）每有鎢（W）鉬（Mo）加工新規(guī)格、新工藝必須進(jìn)行軋制力核算。

（3）每次研制的新材料，必須核實其相應(yīng)溫度—應(yīng)力數(shù)據(jù)后，再根據(jù)料寬制定軋制工藝。

4.4 工作制度方面

（1）建立健全員工培訓(xùn)制度、工作紀(jì)律制度。

（2）嚴(yán)肅崗位制度，優(yōu)勝劣汰；明確目標(biāo)責(zé)任，實行績效考核，獎懲及時兌現(xiàn)。

（3）加強(qiáng)控制與監(jiān)督措施，各層級領(lǐng)導(dǎo)不定期、不定時巡查中夜班工作情況，及時檢討并扶正員工思想與工作。

4.5 環(huán)境因素

（1）加強(qiáng)夜間照明設(shè)備，給員工精神上提神所用。

（2）改變車間大門正對550熱軋機(jī)—加熱爐之間，阻斷此冷空氣對流使其不能快速形成冷—熱空氣對流環(huán)，減少熱料出爐降溫速度。

（3）預(yù)熱導(dǎo)衛(wèi)板，預(yù)熱軋輥（條件允許，恒溫最好）。