冷床軋輥的損傷分析與壽命評估

摘 要：旨在研究冷床軋輥的損傷與壽命評估，以及提出優化設計和維護建議。通過分析冷床軋輥的損傷類型和致損原因，采用材料力學性能測試和軋輥應力分析等方法，從表面損傷和內部損傷兩個方面進行詳細分析。研究結果表明，軋輥的磨損、劃傷、龜裂等表面損傷和斷裂、裂紋、軟化等內部損傷是常見問題?；诖?，提出了優化軋輥材料選擇、表面處理、軋輥結構設計和定期維護等建議，以延長軋輥使用壽命并提高生產效率。

關鍵詞：冷床軋輥；損傷與壽命評估；優化設計；維護建議

DAMAGE ANALYSIS AND LIFE EVALUATION OF

COLD BED ROLLS

Xue Fei

（ZhangXuankeji， Hesteel Group Co.， Ltd.? ? Zhangjiakou? ? 075000， China）

Abstract：Aiming to study the damage and life assessment of cooling bed rolls and make suggestions for optimal design and maintenance. Based on the analysis of the damage types and causes of the cold bed roll， the mechanical properties of the material and the stress analysis of the roll are analyzed in detail from the two aspects of the surface damage and the internal damage. The results show that the surface damage， such as wear， scratch and crack， and the internal damage， such as fracture， crack and softening， are common problems. Based on this， some suggestions such as optimizing roller material selection， surface treatment， roller structure design and regular maintenance are put forward to prolong the service life of roller and improve production efficiency.

Key words： cold bed roller; damage and life evaluation; optimum design; maintenance suggestion

0? ? 前? ? 言

冷軋工藝是鋼材生產過程中重要的一個環節，尤其在生產高精度、高品質冷軋鋼帶時，冷床軋輥是關鍵的設備之一。然而，由于在生產過程中冷床軋輥承受著劇烈的機械和熱力學作用，軋輥表面和內部往往發生各種不同程度的損傷，對產品質量和生產效率產生不良影響。因此，對冷床軋輥的損傷分析與壽命評估具有重要的現實意義。

1? ? 冷床軋輥損傷類型和致損原因

1.1? ? 表面損傷

在冷床軋輥中，表面損傷是一種常見問題，主要包括磨損、劃傷和龜裂等[1]。磨損是由于軋輥在與鋼帶表面接觸并摩擦過程中的物理磨損而引起的，其結果是軋輥表面的光潔度下降和形狀變化。磨損是一個復雜的過程，受多種因素的共同影響，包括材料硬度、表面粗糙度、潤滑條件和工作負荷等。劃傷是由于鋼帶表面的硬質雜質或其他異物在軋輥表面滑動時造成的，其結果是軋輥表面出現可見的劃痕。劃傷不僅會影響軋輥的外觀質量，還可能導致產品表面的缺陷。龜裂是由于在軋輥表面存在微小的裂紋，在工作過程中，這些裂紋擴展并最終導致表面的開裂。龜裂可分為熱龜裂和機械應力導致的龜裂兩種類型。熱龜裂主要是由于冷軋過程中軋輥的高溫變形引起的，而機械應力導致的龜裂則是由于軋輥在工作過程中受到的應力超過其材料強度造成的。

1.2? ? 內部損傷

冷床軋輥的內部損傷包括軋輥的彎曲和裂紋等問題。這些問題通常發生在軋輥長時間工作或負荷過大時，且會影響軋輥的性能和使用壽命。首先，軋輥的彎曲是由于其在工作負載下受到的應變超過其材料強度而引起的。軋輥跨度越大、直徑越小，則彎曲的風險越大。彎曲會導致軋輥的幾何形狀發生變化，從而影響其工作效率和產品質量[2]。其次，裂紋是軋輥內部損傷的另一個主要問題。裂紋可能是由于軋輥材料強度不足、工作過程中的應力過載或疲勞引起的。裂紋通常會從軋輥銘牌上方開始發展，向側面、底部或另一側移動。裂紋會導致軋輥失效和生產出質量不穩定的產品。

冷床軋輥損傷類型和致損原因如表1所示。

2? ? 冷床軋輥壽命評估方法

2.1? ? 材料力學性能測試

冷床軋輥的力學性能是評估其壽命的重要指標之一。通過力學性能測試方法可以獲得軋輥材料的強度、韌性和硬度等參數，為壽命評估提供定量參考。常用的方法包括金屬log切割試驗、拉伸試驗和沖擊試驗等[3]。金屬log切割試驗可以評估軋輥材料的斷裂特性，拉伸試驗用于測定軋輥材料的屈服強度和延伸率，沖擊試驗則可以評估軋輥材料的韌性。通過這些力學性能測試方法，可以全面了解冷床軋輥材料的力學性能，并為壽命評估提供基礎數據。

2.2? ? 軋輥應力分析

冷床軋輥在工作過程中承受著復雜的應力狀態，準確分析軋輥的應力分布情況對于壽命評估是關鍵的。常用的應力分析方法包括有限元分析和解析分析。有限元分析是一種基于數值計算的方法，通過將軋輥模型離散化為有限個小單元，在計算機上模擬其受力和變形情況，從而得到軋輥的應力分布。解析分析則是采用數學方法，建立軋輥應力分析模型，并通過求解對應的方程來得到軋輥應力分布。這些應力分析方法可以幫助確定冷床軋輥受力情況，為壽命評估提供可靠的數據支持。

2.3? ? 壽命模型建立

壽命預測是冷床軋輥壽命評估的核心內容，它通過建立壽命預測模型來預測軋輥的使用壽命。常用的壽命預測方法包括疲勞壽命預測和磨損壽命預測。疲勞壽命預測通常采用應力壽命法、彈性應力法等方法，將軋輥的應力循環次數與疲勞壽命相關聯，通過預測應力循環次數來估計軋輥的疲勞壽命。磨損壽命預測則是基于軋輥表面磨損模型，通過考慮軋輥的工作條件、材料硬度和界面摩擦等因素，預測軋輥的磨損壽命。這些壽命預測方法為冷床軋輥的使用壽命提供了科學依據，能夠指導軋輥的維護和更換計劃的制定。

3? ? 優化設計和維護建議

3.1? ? 材料選擇

冷床軋輥作為關鍵零部件，其材料選擇對軋輥的使用壽命有著直接影響。因此，為提高軋輥的使用壽命，可以考慮采用高強度、高韌性的合金材料作為軋輥材料。常見的軋輥材料包括鐵基合金、硬質合金等。這些合金材料具有較高的抗拉強度和硬度、良好的耐磨性和抗腐蝕性，能夠有效地提高軋輥的抗損傷能力和使用壽命。

3.2? ? 表面處理

軋輥的表面處理是保證軋輥表面耐磨性和防止軋輥損傷的重要措施。常見的表面處理技術包括硬質合金涂層、鍍鉻等。其中，硬質合金涂層可使軋輥表面形成堅硬的保護層，提高軋輥表面硬度和耐磨性；而鍍鉻則可以在軋輥表面形成一層致密的氧化鉻保護層，進一步提高軋輥表面的耐腐蝕性和耐磨性，并改善軋輥表面的光潔度和感官質量。

3.3? ? 軋輥結構優化

冷床軋輥的內部損傷主要源于軋輥自身結構和工作狀態的原因。因此，軋輥結構的優化可以有效地降低軋輥內部應力的集中度，提高軋輥的抗損傷能力和使用壽命。常用的軋輥結構優化措施包括增加支撐孔數量并合理分布、改變軋輥凸臺形狀等。例如增加支撐孔數量可以使軋輥受力均勻分布，降低軋輥受力集中度；而采用更平緩的曲線形狀可以減少軋輥在使用過程中的應力集中，進一步提高軋輥的抗疲勞性能。

3.4? ? 維護管理

軋輥的維護管理主要包括定期檢測軋輥表面狀態和內部裂紋情況、及時更換磨損過度的軋輥、對新更換的軋輥進行必要的諧振試驗和力學性能測試等。定期檢測軋輥表面狀態可以及時發現軋輥的磨損情況、是否存在裂紋等問題，并采取相應的維護措施；及時更換磨損過度的軋輥有利于保證軋輥的正常運行和提高生產效率；對新更換的軋輥進行必要的試驗和測試可以保證軋輥質量符合要求，避免出現質量問題導致生產事故的發生。

4? ? 結束語

冷床軋輥作為重要的生產設備，在鋼材生產過程中發揮著關鍵作用。通過本文提供的壽命評估方法，可以及時判斷軋輥的狀態，并采取相應的維護和改進措施。為了實現鋼材行業的可持續發展，需要重視冷床軋輥的優化設計和維護工作，并加強技術研究和應用推廣。相信通過共同努力，冷床軋輥的壽命延長和性能提升將為鋼材生產行業帶來更加可持續的發展前景。

參考文獻

[1]? ? 林有祚，陳開坊，黎慶強.上鋼一廠型鋼廠冷床，軋輥庫簡介[C]//1988年中國金屬學會第三屆軋鋼學術年會.1988.

[2]? ? 刁普.冷軋輥表面損傷的原因分析及保護措施[J].有色設備， 2008（4）：35-38.

[3]? ? 陳星，劉新靈，陶春虎，等.軋輥服役損傷行為及失效機制研究[J].失效分析與預防， 2018， 13（1）：60-66.

作者：薛飛，男，39歲，工程師

收稿日期：2023-10-23