锻钢支承辊局部接触疲劳导致剥落的过程分析_刘超.pdf

年 月第 期大型铸锻件 锻钢支承辊局部接触疲劳导致剥落的过程分析刘超 尹逊民 王江涛 李文泽 郑旭涛（日照钢铁控股集团有限公司，山东 日照）摘要：目前热连轧机组支承辊的主流材质为 锻钢，这种材质具有较高的耐磨性能，在机服役周期长。但同时该辊的成本也较高，若发生在机剥落异常事故，损失较大。造成的损失类型有：造成轧机长时间停机，影响轧机生产效率，进而产生停机经济损失；造成废钢损失及其它设备损坏损失；造成支承辊工作层损失。造成热连轧机组支承辊剥落的主要原因之一是辊身局部接触疲劳。本研究通过对某热连轧机组一支锻钢 支承辊因局部接触疲劳导致辊身剥落的失效案例分析，获得对锻钢支承辊局部接触疲劳这一失效形式的深入剖析与认识，为该失效形式的及时发现和预防提供借鉴与参考性的指导。关键词：锻钢支承辊；局部接触疲劳；剥落 中图分类号：文献标志码：，：，：，；，：；收稿日期：作者简介：刘超（），男，硕士，工程师，当前从事工作和研究方向为板型控制及轧辊应用管理。热连轧支承辊的主要作用是向工作辊传递轧制力，并增强工作辊的弯曲刚度。热连轧支承辊在机使用过程中承受着交变接触应力，在交变接触应力的持续作用下形成接触性疲劳。这种接触性疲劳会引起支承辊辊面出现加工硬化，表现为辊面硬度升高；同时，在微观方面接触性疲劳形成的疲劳层组织出现破碎，位错密度升高。通过查阅相关文献，发现目前对 锻钢支承辊接触性疲劳方面的相关性研究较多。相关研究表明，支承辊磨损、点蚀和剥落是支承辊的主要失效形式。支承辊在机轧钢过程中，辊身持续承受的交变接触应力会引起支承辊的接触性疲劳。这种接触性疲劳积累到一定程度，就会萌生出疲劳裂纹，如果继续在机轧钢使用，疲劳裂纹就会在轧制力与轧辊内应力的共同作用下发生扩展，轻者出现辊面疲劳掉肉，重者出现在机剥落事故。刘学伟等对剥落失效的 支承辊进行了分析，发现裂纹在疲劳硬化层萌生，在淬硬层内沿着圆周方向扩展，最终引起大面积剥落。王玉辉等通过对支承辊滚动接触疲劳过程中的表层组织演变进行研究，发现支承辊表层材料在接触应力作用下发生马氏体相变，残余奥氏体含量降低。本文通过对某热连轧机组一支锻钢 支承辊接触疲劳导致辊身剥落的失效案例进行分析，从实际使用方面获得对锻钢支承辊接触疲劳这一失效形式的深入认识，旨在对此类失效的及时发现和预防提供指导。热连轧支承辊在使用中，其辊身承受的接触应力分布特点是呈现为马鞍状，即支承辊在对应工作辊非过钢区的辊身两侧接触应力高于对应工作辊过钢区的接触应力，如图 所示。图 马鞍状接触应力分布图 DOI:10.14147/ki.51-1396/tg.2023.03.012刘超：锻钢支承辊局部接触疲劳导致剥落的过程分析 年第 期 这种应力分布状态会导致支承辊局部接触疲劳重于辊身其它区域，并且在接触疲劳严重的区域出现疲劳裂纹，导致支承辊局部掉肉，甚至导致支承辊剥落。本文将对某热连轧机组一支锻钢 支承辊的这一类型失效案例进行深入剖析。事故概况 该辊材质为 锻钢，于 年 月 日上机使用，用于 机架下辊，倒角长度为 ，新辊直径为 ，上机直径为 ，报废直径 ，工作层剩余 。年 月 日，该辊发生在机剥落事故。此次在机 日，轧钢量 万吨，制度换辊周期为 万吨，处于本次服役周期的末期。事故调查分析 辊面勘查 该辊辊面约六分之一轴向面积开裂。因剥落块还在辊面上，导致无法观察到其内部形貌。但用手电筒照射内部，未发现扩展通道，分析轴向开裂多为应力性的瞬间撕裂。肉眼观察该辊辊身两侧倒角，发现均存在圆周分布的环向亮带，且辊面环向亮带与指向辊身中部辊面交接处存在圆周分布的辊面起毛毛化带。操作侧毛化带起毛程度重于传动侧，操作侧毛化带用手触摸，已有明显的粗糙感，并可在毛化带上观察到接触性疲劳导致的小掉肉和细裂纹。操作侧亮带位于操作侧辊身边部 ，毛化带位于操作侧辊身边部 ，其中存在细裂纹和小掉肉的毛化带范围是在操作侧辊身边部 。图 操作侧倒角和亮带形貌 操作侧倒角和亮带照片见图：（）图中“倒角未磨损区域”是指辊身倒角未发生磨损的区域，此区域仍为该辊上机前的原始辊面状态，只是存在一定的锈蚀。图 亮带区右侧的暗色锈蚀区域为辊身倒角的未磨损区域。（）图中“上机前原始倒角起始处”是指 长的原始倒角周向起始线。“上机前原始倒角起始处”与“倒角未磨损区域”之间，即为倒角的实际磨损区域。该区域包含着“亮带区”和“毛化区”，均是辊身局部接触疲劳所导致形成的。沿圆周分布的周向毛化带细节照片见图，图 最下方的箭头所指处为毛化带，这条毛化带存在疲劳性质的小掉肉及细裂纹。图 操作侧毛化带细节形貌 图 亮带区左侧的黑色区域为未磨损的倒角区域，因此区域倒角未磨损，未与工作辊发生接触，故形成了黑色的锈蚀区。该辊传动侧倒角状态与操作侧类似。传动侧倒角剩余 ，亮带位于传动侧 ，毛化带位于传动侧 ，见图。图 亮带区右侧的较深色区域为未磨损的倒角锈蚀区域。图 传动侧倒角和亮带形貌 结合肉眼观察和 双晶检测，确认该辊操作侧亮带和毛化带辊面上存在周向扩展通道，检测发现存在三处裂纹源，并且这三处裂纹源的通道已连在一起。三处裂纹源均位于操作侧的周向毛化带上，如图 所示。年第 期大型铸锻件图 裂纹源所在位置 将三处裂纹源分别命名为 号裂纹源、号裂纹源、号裂纹源。经超声检测，三处裂纹源的裂纹扩展方向均相同。详情如下：（）号裂纹源，如图 所示。图 号裂纹源 号裂纹源起点为操作侧毛化带上的小掉肉处。经双晶检测，裂纹源从该处起始由浅入深向上扩展（以图 为参照，图 箭头所指方向），轧辊旋转方向以图 为参照向下。号裂纹源扩展约 到达最大深度 ，沿 深度继续扩展约 通道终止，并在终止处发现了 号裂纹源。号裂纹源及扩展通道双晶检测波形见图，图（）为裂纹源处辊面检测波形，图（）为扩展至最大深度辊面检测波形。（）（）图 号裂纹源及扩展通道双晶检测波形 （）号裂纹源，如图 所示。号裂纹源已形成了部分掉肉，掉肉位于操作侧毛化带区域内，并有裂纹在亮带区域内。号裂纹源由浅入深以图 为参照向上扩展（见箭头所示），最大深度为，号裂纹源及扩展通道双晶检测波形见图，图（）为裂纹源处辊面检测波形，图（）为扩展至最大深度辊面检测波形。图 号裂纹源 （）（）图 号裂纹源及扩展通道双晶检测波形 号裂纹源扩展约 处，发现了 号裂纹源。（）号裂纹源，如图 所示，图中圆圈标记处为 号裂纹源。号裂纹源由浅入深以图 为参照向上扩展（见箭头所示），最大深度为 。经双晶检测 号裂纹源与 号裂纹源通道最终汇积在一起：在 号裂纹源偏操作侧有 号裂纹源扩展通道。号裂纹源扩展约 与 号裂纹源扩展通道汇集在一起。图 号裂纹源 刘超：锻钢支承辊局部接触疲劳导致剥落的过程分析 年第 期 检测情况 倒角剩余量 支承辊在使用过程中，由于辊面不断发生磨损，倒角就会被啃蚀而逐渐减小，导致倒角剩余量不断减少。该辊传动侧与操作侧倒角剩余量情况见表。表 倒角剩余量 位置磨前倒角长度下机后倒角剩余传动侧操作侧 硬度检测 在辊身同一条母线，取五个直径为 的小区域，每个小区域检测 点硬度，并取平均值。该辊辊身技术要求硬度为 ，上机前辊身平均硬度为 ，在技术要求范围内。下机后辊身出现了加工硬化现象，平均硬度为，高出上机前硬度 。尤其是辊身两侧倒角磨损区域硬度，加工硬化更为明显：辊身传动侧倒角磨损区域平均硬度为 ，操作侧倒角磨损区域平均硬度为 ，分别高出上机前硬度 、。硬度检测情况见表。表 硬度检测情况 检测状态传动侧 操作侧平均硬度上机前硬度 下机后硬度 通过硬度检测可以发现该辊辊身两侧的加工硬化程度重于其它区域，可以判断辊身两侧的接触疲劳程度最为严重。上机前检测 该辊上机前涡流检测合格，裂纹值与软点值均为；该辊上机前 表面波及爬波检测均无异常，超声检测结果合格。历史使用调查 该辊共上线使用 次，平均单次磨削量，平均单次磨损量 ，平均单次消耗量 ，见表。表 历史使用记录 机架位置 上机直径 磨前直径 磨后直径 磨削量 磨损量 消耗量开始时间结束时间在机天数下辊 下辊 下辊 上辊 下辊 上辊 上辊 上辊 下辊 上辊 下辊 上辊 结论 （）该辊历史使用情况无异常，上机前涡流及超声检测均合格；出现在机剥落时，已处于本使用周期的末期，若带伤上机，一般在使用末期之前就已发生剥落；采用 双晶探头对裂纹附近区域进行内部超声检测，也无缺陷波显示；因此，基本排除带伤上机的可能性。（）该辊三处裂纹源均在毛化带上，且处于同一圆周向。毛化带位于倒角的磨损区域，属于支承辊接触应力最大的区域。此外，毛化带周向上存在明显的疲劳性质小掉肉和细裂纹，证明该辊的这个毛化带周向上局部接触疲劳较为严重。三处同周向的裂纹源也说明了这条毛化带的接触疲劳程度已达到材料的疲劳极限。若未发生剥落而继续使用，就会产生同一圆周向上连续分布的接触疲劳掉肉，形貌将类似图。图 圆周向分布的接触疲劳掉肉 （）通过上述分析，可以确定该辊剥落的主 年第 期大型铸锻件要原因是在线使用过程中存在局部接触疲劳，形成疲劳裂纹。裂纹在辊身淬硬层压应力和轧制力的共同作用下沿与该辊旋转相反的方向扩展，最终导致剥落。该辊辊身两侧倒角长度为 ，裂纹源处于倒角的磨损区域，属于接触应力最大的区域，局部接触疲劳也最为严重。热连轧支承辊接触应力分布图如图 所示。图 马鞍状应力分布辊系示意图 预防支承辊辊身边部局部接触疲劳的措施 （）对支承辊与工作辊的辊型进行优化，减小辊身边部的接触应力峰值，从而达到缓解辊身边部局部接触疲劳程度的目的。例如将支承辊辊型由平辊型优化为凸辊型。辊型优化后，可大大缓解粗轧支承辊的边部接触应力集中程度。合理的辊型配置不但能提高成品带钢的板形质量，而且能够改善轧辊辊间的受力状况。优化辊型后，可有效降低轧辊边部接触压力。平辊型及凸辊型受力示意图如图 所示。（）平辊辊型（）凸辊型图 支承辊平辊型与凸辊型的辊身受力示意图 图（）为平辊型受力示意图，（）为凸辊型受力图。平辊型支承辊辊身两侧的接触压力峰值过陡、过高；而凸辊型支承辊辊身两侧的接触压力峰值与辊身相比，较为平缓，辊身整体受力较为均匀。（）为了避免锻钢支承辊该类失效形式的发生，需要在更换工作辊的间隙做好对支承辊的辊面状态检查。一旦发现支承辊辊身两侧出现疲劳小掉肉或肉眼可见的疲劳裂纹，及时更换支承辊，以避免疲劳损伤裂纹进一步扩展所导致的辊身掉肉、剥落等恶性事故的发生。（）通过提高支承辊的冶金纯净度、材质优化、热处理工艺优化等手段，来提高支承辊的抗疲劳能力。讨论 以 锻钢为主流材质的热连轧机组支承辊具有优良的耐磨性能，与早期的复合铸钢支承辊相比，大大提高了在机使用周期，从而提高了轧线生产效率。但同时 锻钢材质支承辊因其内应力较大，出现疲劳裂纹、损伤裂纹后的裂纹扩展速度也较快，从而增加了在机剥落的风险。而剥落事故发生后，多会引起带钢断带、轧破等事故，造成带钢损失的同时，处理废钢及更换支承辊的时间也较长，影响轧线生产效率。尤其是轧线生产较为饱满的情况下，会导致轧线无法完成计划产量，进一步加重了经济损失。此外，锻钢支承辊的轧辊采购成本也较高，一旦出现在机剥落，基本会导致支承辊的直接报废，造成轧辊本身的经济损失也较大。因此，如何避免热连轧机组支承辊在机剥落事故的发生，对于减少轧线经济损失，保证轧线的生产运行稳定性和轧线的生产效率极为重要。大量研究与实践都表明造成热连轧机组支承辊剥落的主要原因之一是辊身局部接触疲劳。因此，对于热连轧机组，需重视起对支承辊局部接触疲劳严重程度的监控和使用风险评估。主要的评估手段包括：一是对下机支承辊的辊身两侧进行重点勘查，包括倒角磨损情况、亮带光亮程度、起毛的毛化程度等；二是加强上下机硬度检测，监控加工硬化情况，尤其是辊身两侧倒角磨损区域的硬化情况，根据相关研究，锻钢支承辊的加工硬化极限值为 ，一旦加工硬化超过，在机掉肉或剥落的风险会大大增加；三是做好磨后支承辊的涡流检测，并结合表面波进行复检，发现有残余疲劳裂纹，要进行加磨处理，保证疲劳裂纹清除干净。结语 对于热连轧机组支承辊，因其辊身承受的轧制力呈现为马鞍状的分布状态，这一特性造成辊身两侧的接触疲劳程度最为严重，这也是支承辊设计长倒角的原因：缓解边部接触应力。但在机刘超：锻钢支承辊局部接触疲劳导致剥落的过程分析 年第 期使用过程中，随着倒角的磨损，边部接触应力峰值会不断增加，使辊身两侧成为了整个辊身使用风险最大的区域，因此辊身两侧是需要重点关注和监控的区域。监控属于预防性措施，而如何最大限度地缓解边部接触应力峰值，才是有效保障支承使用安全性的手段，为此也成为了热轧连机组的重点探索课题。参考文献 ，（）：马叶红，郭继友 热连轧支撑辊剥落的原因分析 甘肃冶金，（）：付志云 锻钢支承辊疲劳失效研究中国力学学会 第 届全国疲劳与断裂学术会议会议程序册 刘学伟，裴新华，周丽萍，等 支承辊失效分析 物理测试，（）：王玉辉，刘利刚，蔡大勇，等支承辊钢接触疲劳过程中的表层组织变化中国表面工程，（）：赵席春 型支承辊用钢的研究 金属热处理，（）：陆寅松，张智峰，胡学辉，等 带钢支承辊制造技术（摘要）中国机械制造工艺协会 全国机电企业工艺年会上海电气杯征文论文集，秦晓峰 大型锻钢支承辊接触疲劳机理研究及修磨参数优化 辽宁：东北大学，于斌，岳晓丽，佘广夫，等热连轧机支承辊辊型的多目标优化设计及应用 钢铁，（）：王玉辉，廖波，肖福仁，等 支承辊用 钢线接触滚动疲劳性能金属热处理，（）：编辑：段红玲（上接第 页）结论 （）采用硬膜探头检测入射面为凹球面和凸球面工件时，虽然探头与锻件不能完全贴合，但只要探头晶片尺寸合适，降低探头晶片与工件的间隙对检测的影响，是可用于检测的。（）带楔块的单晶直探头，虽然楔块可磨制以利于楔块与探头贴合，有利于声能传输到工件内部，但受楔块回波影响，选择探头时需要考虑工件厚度。（）对于入射面为异形面的薄球壁锻件，因为单边加工余量较小，软膜探头很难满足近表面分辨力要求，不适合用于检测，除非再对近表面进行一次附加检测，但这会影响工作效率，实际工作中不建议采用该方法。（）实际工作中，为保证检测效率，建议主要采用双晶探头检测，对检测结果存疑部位采用其他符合该部位检测要求的探头进行复查。（）常规平面平底孔试块不完全适用于检测球壳锻件，检测薄壁球壳锻件时最好采用入射面与锻件相同的特制专用对比试块。参考文献 潘荣宝，范宇，杨小林压力容器无损检测 超声检测技术（）无损检测，（）：全国锅炉压力容器标准化技术委员会 承压设备无损检测第 部分：超声检测：北京：中国标准出版社，中国航空工业第一集团公司，中国航空综合技术研究所，北京航空材料研究院变形金属超声检测：北京：国防科工委军标出版发行部，周立鹏，何飞，李振华，等超声探头在马鞍型曲面检测时的耦合处理 无损探伤，（）：中国特种设备检验协会超声检测北京：中国劳动社会保障出版社，国防科技工业无损检测人员资格鉴定与认证培训教材编审委员会 超声检测 北京：机械工业出版社，刘英和，王树功，闫皓，等曲面工件超声外圆轴向检测探头与对比试块曲率半径选择问题的探讨 无损探伤，（）：韦建学，郭敏，党智勇，等生漆及其掺杂物质中超声波传播速度的测定中国生漆，（）：陈建忠，史耀武，史淑 曲面工件超声检测的扫描方法进展 焊管，（）：陈金福 管材横波探伤不磨探头加磨弧面靴块的方法 无损检测，（）：林犹文，邹长金 一种适于小轴超声探伤的延迟块无损检测，（）：编辑：王妍