基于延長軋輥使用壽命的軋鋼工藝措施探究

劉海熙，趙忠云

（廣西柳州鋼鐵集團有限公司熱軋板帶廠，廣西柳州 545002）

0 引言

作為軋鋼機械的重要設備構件，軋輥在軋制進程中與鋼坯運轉接觸，實施定量附加壓力作用，使鋼坯產生形變，以完成對應的軋鋼制備需求。軋輥在生產中應具備高標準的抗損耗和耐疲勞特性，特別是在軋鋼構件市場需求量日益提高的今天，大量的軋鋼制備作業使得軋輥磨損消耗量提高，相應生產投資費用也隨之增加。軋輥的作業通常在強氧化性、高壓高溫、冷熱急變等環境下，不同機座輥筒經過外部熱應力、機械應力、沖擊力、摩擦力等的綜合作用，易導致軋輥的龜裂、磨損、剝落等現象，以影響軋輥的工作時長。同時，由于軋輥設備構件的費用較高，其損耗量是軋鋼生產成本的重要經濟影響因素。因此，在冶金生產中應通過有效的技術手段，改良軋鋼生產工藝，提升制備效率，延長軋輥使用周期，降低軋輥換件率。

1 延長軋輥使用壽命的實踐意義

軋輥在軋鋼過程中主要通過對金屬溶液的周期接觸，使之快速凝固，并完成不間斷的塑性形狀改變，該過程中軋輥磨損程度較大，而且其損耗換件率費用占軋鋼成本較大[1]。因此應建立健全軋輥工藝管控體系，掌握軋鋼生產線各軋輥的使用情況和運轉軌跡，保證合理成對配置和生產運行，科學提升軋輥的運行效率，形成合理的磨削量方案，以有效降低軋輥的使用疲勞度，在滿足正常軋鋼生產量的基礎上，延長軋輥使用周期，壓縮軋輥非正常換輥數量，提升軋鋼生產線產能和經濟效益。可見，生產線中軋輥的管控制度體系是否完備及管控是否合理，是軋鋼生產線成本控制及軋輥使用周期長短的重要影響條件。針對軋輥構件的管理應安排專人負責，形成完備的管控體系，建立一套完整的軋輥出入庫檢驗、投產配對、缺陷維修保養、非正常下線等信息庫記錄，以科學管控軋輥應用狀況和軌跡，實現降低軋輥的損耗，延長軋輥的使用周期，提升軋鋼生產線的單位成本產能，因此具有重要的生產實踐意義。軋輥軋鋼流水線如圖1 所示。

圖1 軋輥軋鋼流水線

2 軋輥使用壽命影響因素分析

性能優良的軋輥一方面可實現軋鋼生產的有序進行，另一方面可提升帶坯制備品質。軋輥的結構可分成輥套和輥芯兩部分[2]。輥套是與溶液體直接接觸的構件，輥芯插入冷卻液傳導至輥套進行冷卻作用，并轉移輥套的熱量。軋輥通常在惡劣環境下工作，隨著軋輥使用時間的延長，軋鋼生產品質會降低。

2.1 輥套影響因素

軋鋼生產中，軋輥內溫度應視為等同于冷卻液體的溫度，軋輥外表溫度經過旋轉并同溶液定時周期性接觸，通過外界和冷卻液的傳導實現溫度減低，此時軋輥內會產生內部熱應力，并在外表產生余下應力[3]。軋鋼生產時，輥套熱形變的往復循環可加速表面的機械疲勞形成細小裂紋，同時受軋鋼操作外力作用及溶液的長期侵蝕會加劇裂紋的增加，并使輥套難以繼續使用。同時，人員操作經驗及軋鋼機械的作業環境也是影響軋輥是否可達到預計經濟時長的重要因素。較大的裂紋會使輥套車削磨損程度加深，甚至會引起冷卻液的滲入，導致軋輥無法使用。通常軋輥外部的劃傷也是形成應力匯聚及裂紋擴大的影響因素，在形成輕微或點狀裂紋情況下既需要對輥套實施車磨處理或更換處理（圖2）。

圖2 軋輥輥套

2.2 輥芯影響因素

（1）水槽破損。由于水槽結構設計因素，引起在輥芯水槽操作過程中的差異性應力匯聚，會引起水槽破損。另一方面，在軋鋼時軋輥會受到的復雜綜合應力，如不能正確熱操作輥芯，會導致材料調質硬度提升，引起輥芯水槽的破損。破損斷裂處會引起水路栓堵，影響軋輥使用壽命及鋼材的加工精度。

（2）水槽形成栓堵。在軋鋼生產時，由于水槽的設計缺陷、冷卻液用水水質難以達標以及池內路由內有雜物等原因，導致輥芯水槽形成栓堵，會引起輥套外表形變的加劇，進而影響軋輥使用壽命及鋼材的加工精度。軋輥輥芯如圖3 所示。

圖3 軋輥輥芯

3 軋鋼生產中軋輥的典型問題及成因分析

3.1 典型問題

3.1.1 軋槽表面產生麻點缺陷

軋槽表面麻點是比較普遍的質量缺陷，主要表現為表面不平整、粗糙，多為連續狀，也存在少量零星局部狀[4]。軋槽內的麻點缺陷正常是允許存在的，但麻點深度不可大于軋槽允許的厚度偏差值。引起麻點的主要因素有：軋件外表受擠壓作用，使得氧化鐵材料剝離；制產品孔洞破損或形成破損的氧化鐵物質；鋼坯加熱過程中外表的強烈氧化；軋輥表面侵蝕作用等。

3.1.2 輥環損壞

輥環軋輥軋制生產時會受到軋制應力、熱應力、裝配應力等復雜應力的聯合作用，由于生產中輥環內徑切向拉應力提升，使用單一的材料難以達到延長軋輥使用時長的目的。隨著輥環單位應力提升，同時受到不同種類應力疊加，會引起輥環損壞，嚴重者會引起崩裂。

3.1.3 軋輥產生裂紋

在進行金屬軋制生產時，因為夾鋼、甩尾、碰撞等影響，在軋輥內外會存在軟點或裂紋缺陷。由于軋輥存在的軟點、裂紋會引起生產流程的影響及減少軋輥應用時長，長期作用裂紋會持續連接擴大，引起軋輥的剝落，縮短軋輥的使用壽命。

3.1.4 軋槽中間位置非均勻性掉塊

軋槽中間位置通常包括銅元素，所以極易引起非均勻性掉塊缺陷[5]。特別是在對軋槽中間位置加熱過的程中，大量銅成分會在軋槽中間內壁表面持續游走，如果加熱溫度達到銅的熔點，即會大大降低其熱塑效果，形成表層的裂紋出現。隨著銅成分的不斷游走，裂紋的程度會加深，進而形成非均勻性掉塊現象。以窄帶鋼軋制過程為例，因為控制監管不達標，各個軋槽生產量由操作人員自行調控，因此會造成軋槽的磨損度不統一，在維修保養軋輥過程中，存在裂縫未完全磨削處理情況，導致存在細小裂紋，一旦進行后續生產操作小裂紋就會連接形成大裂紋，進而導致軋槽掉塊。

3.2 成因分析

引起軋輥問題的成因很多，如冷卻處理能力差、操作使用不規范、軋輥自身性能及質量問題、軋鋼生產工藝技術缺陷等。欠缺合理的冷卻處理會導致輥子面形成大溫度差，提升輥子剝落的熱應力，過高的溫度會降低輥子的剛性和抗磨效果，進而導致裂紋、剝落、爆槽等缺陷。軋鋼生產時，如未科學考量鋼材性能及軋鋼生產工藝技術，應用的軋輥材料不合理，或由于操作使用不規范形成堆鋼、卷輥現象，會導致掉肉、爆槽、斷裂等缺陷。鋼材產品軋制時，因為冶金材料常伴有硅酸鹽、二氧化硅等脆性雜質，此類雜質經加熱后會影響軋輥的正常使用時長，其中雜物含量越大、粒徑越大，對軋輥的危害也越強，特別是外形鋒利的雜物尤其具備強危害效果。

4 軋鋼工藝改進措施

4.1 優化改良軋輥冷卻系統

為提升冷卻液的使用效率和冷卻性能，延長軋輥使用周期，可通過優化改良軋輥冷卻系統的方式。鋼材軋制時將產生大量熱，為降低軋輥換件率和加工生產后溫度的降低，應進行必要的冷卻處理。用于軋輥冷卻作用的主要為一次冷卻水箱和二次冷卻水箱，水箱中一次冷卻液通過狹縫軸向射入到軋制位置，實現銅管的冷卻及潤滑作用，二次冷卻液主要實現軋管溫度的迅速降低，防止氣流流進封套內，避免氧化銅管。冷卻系統的噴水環主要實現軋輥的冷卻功能。軋輥在高速傳動運轉頻率下工作，應科學控制冷卻液的壓力和流量。應保證冷卻系統中冷卻液供應充足且連續，如果軋輥過熱，應立即更新，避免因工作疲勞而形成裂紋。鋼材軋制時，應通過合理控溫實現軋輥溫度保持在合理區間，應控制水泵壓力低于0.8 MPa，軋輥冷卻液流速大于3500 L/h。將常規方狀含孔結構改進為無孔圓筒噴頭，增加兩列橢圓水縫在切分楔位置，控制水縫噴灑切分楔區域寬為5～8 mm。控制切分楔位置水量為常規位置的3 倍以上，以保證切分楔的冷卻效果，增加切分楔位置的軋槽使用時長。

4.2 合理配置孔型

針對常見的冷卻液冷卻功效不達標情況，將熱軋窄帶鋼在常規孔型前提下，對孔型實施強迫寬展技術，并將原有高溫道次換為較低溫度道次，并將強迫寬展的槽底改為直線形，為防止由于軋件面不平導致軋鋼產品不符合標準，同時將強迫寬展的孔斜率設置為17.7°，將特定軋槽規格進行對應改良，確保不發生拉尾缺陷。

4.3 科學配比冷卻液參數，改進供水體系

合理控制冷卻液水溫，溫度過高會促使軋輥形成斷裂，溫度過低會阻礙工藝結晶效果，影響鋼制品的制備效果，一旦實際溫度與設計溫度偏差過大，會加速軋輥的疲勞度。軋鋼軋制過程中，冷卻液的溫度應控制在40～60 ℃。通過改良軋輥冷卻液管路，以濁中方式取代原有的濁低方式，選取變頻電機輸出，控制水壓為0.8 MPa，并可實現自動調整。

4.4 軋輥材料性能優化

以標準的Q215 熱軋窄帶鋼為例，其中部輥環寬及原始軋槽中間距均達到行業標準。但基于輥環斷裂缺陷的視角考量，輥環的寬度依舊不符合實際要求，易因疲勞生產形成裂紋，以至形成輥環裂紋。因此，基于輥長度的考慮，應增加輥縫寬度設計，同時增加中部輥環寬度設計。

4.5 規范操作工藝

實施軋鋼工藝工程中，因操作不規范導致軋輥受損的情況比較常見，應注意軋輥同導向器的碰撞接觸，科學管控軋輥的冷卻開關，避免新換的軋輥缺少冷卻液。實施有效的點檢制度，避免發生卷輥情況，一經發現應馬上停機，待卷輥料冷卻至室溫方可處理。在實施軋制料料形控制時，應嚴禁出現單架次料形過大情況。加工時，應削切處理軋料端黑頭，防止加工出現過黑鋼。

4.6 應用自動厚度控制技術

軋鋼生產時，因生產線入口張力、厚度、形變抗力、摩擦因數等參數的差異，軋鋼機械的制備能力也有所不同，相應形變曲線可對特定材料厚度出口形成影響[6]。基于此，在軋鋼工藝中引入自動厚度控制技術，其原理是通過算法模型對軋鋼材料厚度、軋制機械性能、外因干擾等實施自動化控制，進而實現自動化的軋機輥縫寬度、軋制速度、軋制壓力參數給定，利用高精密性的液壓下壓輔助系統實現快速響應操作，控制厚度偏差在合理范圍。由于板坯厚度對軋機制備質量有一定影響，液壓自動厚度控制技術會對軋機加工精度構成影響，因此有利于軋輥使用周期的延長。

4.7 科學控制軋輥修復率

為確保各個生產線軋槽產能輸出的穩定運行，應嚴控防止出現多余裂紋，如控制不及時，軋制生產數量和質量將會受到影響。基于此，實施軋鋼加工流程時，應嚴格依據軋制流程規范作業，如Q215 型熱軋窄帶鋼成品軋輥的車削加工應達到600 mm 標準等。如果保養維修中不能實現軋槽裂紋的完全消除，應及時停止使用軋輥進行加工作業，并及時進行更換處理。

5 結束語

通過對軋鋼工藝實施改良，提升軋輥裝配、使用等技術管理手段，實現軋輥剛性、抗沖擊性及防熱裂性的有效提升，降低軋輥損耗，增加軋輥的使用壽命。本文基于生產實際，圍繞延長軋輥使用壽命的軋鋼工藝措施進行討論，論述延長軋輥使用壽命的實踐意義，討論軋輥使用壽命影響因素，分析軋輥生產應用的典型問題及問題成因，并提出合理的軋鋼工藝改進措施，以達到降低軋輥生產損耗、延長軋輥使用壽命、提升軋鋼加工效率的目的。