大型支撐輥斷裂原因分析及改進(jìn)

張長宏

（萊蕪鋼鐵集團(tuán)銀山型鋼有限公司，山東 濟(jì)南271104）

1 前言

某寬厚板生產(chǎn)線采用四輥雙機(jī)架布置，軋機(jī)最大軋制力90000 kN，最大彎輥力4000 kN，支撐輥輥身硬度HS 40～50，最大直徑2200 mm，材質(zhì)為鍛鋼。該生產(chǎn)線年設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力150×104 t，主要產(chǎn)品包括低合金高強(qiáng)度鋼、工程機(jī)械用鋼、管線鋼等。正常生產(chǎn)過程中，軋件突然出現(xiàn)大的鐮刀彎，在原因排查過程中發(fā)現(xiàn)，精軋下支撐輥傳動(dòng)側(cè)斷裂。斷裂具體位置在輥身與輥頸過渡的大圓角處。軋輥斷裂后，通過IBA查詢工藝數(shù)據(jù)，事故發(fā)生時(shí)的軋制力為61000 kN，扭矩2300 kN·m，均在正常范圍之內(nèi)。同時(shí)，軋制溫度、壓下量等工藝參數(shù)正常。從成分、組織及強(qiáng)度校核等方面對(duì)斷裂原因進(jìn)行了分析。

2 斷裂原因分析

2.1 斷裂軋輥的成分

由于各生產(chǎn)線的工藝狀況不同，軋輥的技術(shù)要求通常在訂貨的技術(shù)協(xié)議中明確，對(duì)成分不做具體要求。本支撐輥為生產(chǎn)線建設(shè)期間的隨機(jī)軋輥，無法通過原始產(chǎn)品合格證確定材質(zhì)及詳實(shí)的成分，僅知道為鍛鋼材質(zhì)。利用斷裂的碎片對(duì)其成分進(jìn)行分析，具體成分見表1。

表1 斷裂支撐輥成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

通過分析，確定軋輥材質(zhì)為Cr2型鍛鋼。雖然各廠家在成分設(shè)計(jì)時(shí)有所差異，但是Si的含量只有0.06%，與通常設(shè)計(jì)相比明顯較低。Si在鋼的冶煉過程中通常做脫氧劑使用，作為合金元素時(shí)，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般不低于0.4%，以固溶體形態(tài)存在于鐵素體或奧氏體中提高鐵素體強(qiáng)度［1］。根據(jù)國內(nèi)大型鍛造軋輥標(biāo)準(zhǔn)顯示，Si應(yīng)該在0.4%～0.6%；但有文獻(xiàn)指出，對(duì)于有特殊要求的鍛件采用低Si設(shè)計(jì)，采用真空脫氧技術(shù)能夠有效提高構(gòu)件的使用壽命［2］。對(duì)于低硅鋼種的冶煉，采用Al脫氧劑生產(chǎn)具有鋼液高純凈度的優(yōu)勢(shì)［3-5］。

2.2 組織分析

利用碎片對(duì)斷裂處的組織進(jìn)行分析，金相組織如圖1所示。

圖1 金相組織

可以看出，斷輥的近表面組織主要是回火馬氏體、質(zhì)點(diǎn)狀碳化物以及很少量的顆粒狀碳化物。芯部組織主要是片狀珠光體、部分細(xì)粒狀珠光體及少量的顆粒狀碳化物，組織情況正常。同時(shí)，對(duì)輥頸進(jìn)行了探傷檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)皮下氣泡及裂紋。

2.3 硬度檢查

軋輥硬度是重要指標(biāo)，對(duì)其強(qiáng)度、抗疲勞性均有較大的影響。對(duì)斷輥傳動(dòng)側(cè)、操作側(cè)輥頸硬度進(jìn)行了檢測(cè)，從輥頸端面起每隔200 mm左右打一點(diǎn)，硬度結(jié)果具備明顯的對(duì)稱趨勢(shì)，從輥端到過渡圓角逐步降低，測(cè)量結(jié)果如圖2所示。輥頸根部硬度很低，僅為HS 31～33，通常設(shè)計(jì)在HS 40～45，可能與輥面淬火時(shí)對(duì)輥頸的保護(hù)不當(dāng)造成交界處的溫度過高有一定的關(guān)系，現(xiàn)在的差溫淬火可以有效地解決這個(gè)問題，避免交界處圓弧的硬度降低。

圖2 輥頸硬度測(cè)量情況

2.4 輥頸強(qiáng)度校核

2.4.1 抗拉強(qiáng)度校核

設(shè)計(jì)軋機(jī)時(shí)，通常是按工藝給定的軋制負(fù)荷和軋輥參數(shù)對(duì)軋輥進(jìn)行強(qiáng)度校核。由于對(duì)影響軋輥強(qiáng)度的各種因素（如殘余應(yīng)力、沖擊載荷等）很難準(zhǔn)確計(jì)算，為此對(duì)軋輥的彎曲和扭轉(zhuǎn)一般不進(jìn)行疲勞校核，而將這些因素的影響納入軋輥的安全系數(shù)中。由于四輥軋機(jī)一般由工作輥傳動(dòng)，因此對(duì)于支撐輥只計(jì)算輥身中部和輥頸斷面的彎曲應(yīng)力。四輥軋機(jī)支撐輥計(jì)算簡(jiǎn)圖見圖3。由于本次斷裂發(fā)生在輥頸斷面處，因此，只校核1-1、2-2斷面的強(qiáng)度。

圖3 四輥軋機(jī)支撐輥計(jì)算簡(jiǎn)圖

對(duì)支撐輥輥頸斷面的彎曲應(yīng)力進(jìn)行校核計(jì)算，在輥頸1-1斷面和2-2斷面上彎曲應(yīng)力σ1-1、σ2-2分別為95.16、96.68 MPa，均滿足強(qiáng)度條件。同時(shí)，當(dāng)圓角為一段簡(jiǎn)單的圓弧時(shí)，應(yīng)力集中系數(shù)k與h/d（輥肩高度/輥頸直徑）及r/d（圓弧半徑/輥頸直徑）有關(guān)。根據(jù)軋輥的具體尺寸，確定圓角應(yīng)力集中系數(shù)k為2.13。軋輥材料Cr2的抗拉強(qiáng)度σb為1280 MPa，屈服強(qiáng)度σs1150 MPa［6-8］，由此可得安全系數(shù)n為6.22。

2.4.2 疲勞強(qiáng)度校核［9］

由經(jīng)驗(yàn)公式可知Cr2型鍛鋼的疲勞強(qiáng)度σ-1為559 MPa，同時(shí)查表得出軋輥尺寸系數(shù)ε為0.58，表面系數(shù)β為1，計(jì)算得疲勞安全系數(shù)nσ為1.57。通常，抗拉強(qiáng)度校核安全系數(shù)在6以上，疲勞安全系數(shù)在1.2以上。因此通過以上的理論校核，軋輥的抗拉強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度滿足要求。

2.4.3 有限元校核

建模及邊界條件的確定。在有限元模型中建立支撐輥的1/4模型，并設(shè)置坐標(biāo)系，如圖4所示。

圖4 支撐輥有限元模型

設(shè)置材料彈性模量為211680 MPa，泊松比為0.3，采用純彈性模型。由于模型為1/4模型，故在模型的Z和Y方向?qū)ΨQ面上施加對(duì)稱約束。由于支撐輥承受簡(jiǎn)支約束，因此使軸承裝配面與簡(jiǎn)直支點(diǎn)耦合，并約束支點(diǎn)X和Y方向位移?？紤]軸承約束面大小對(duì)計(jì)算模型的影響，選擇如表2所示的3種不同的軸承約束面方案。

表2 3種軸承約束面方案

仿真結(jié)果及分析。根據(jù)建模及邊界定義，利用軟件對(duì)支撐輥進(jìn)行仿真分析，其應(yīng)力狀況見圖5。

圖5 支撐輥應(yīng)力云圖

為了比較3種方案圓角處應(yīng)力變化，首先定義輥身與輥頸處的兩個(gè)過渡圓角Ra、Rb，具體位置如圖6所示。

圖6 軋輥圓角位置示意圖

從3種方案圓角處應(yīng)力情況可以看出，隨著約束面面積減小兩個(gè)圓角處的應(yīng)力值趨于穩(wěn)定。由于軸向力無支反力，Z方向的支反力很小，X方向?yàn)檐堉屏Φ?/4，滿足簡(jiǎn)支約束條件。故兩處圓角的應(yīng)力分別為306、196 MPa。

最后將最大圓角應(yīng)力代入強(qiáng)度校核公式，可得到安全系數(shù)：抗拉強(qiáng)度安全系數(shù)n為4.18，疲勞安全系數(shù)為0.9。故依據(jù)有限元結(jié)果得到的彎曲強(qiáng)度安全系數(shù)、疲勞安全系數(shù)分別小于常規(guī)設(shè)計(jì)的6、1.2，存在較大的使用風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié)論

3.1 輥頸根部強(qiáng)度過低或過渡圓弧較小可能是導(dǎo)致其斷裂的主要原因。此處軋鋼過程中應(yīng)力集中最大，在交變應(yīng)力作用下，該處表面首先產(chǎn)生疲勞裂紋并逐漸向心部擴(kuò)展。當(dāng)裂紋過深，該處機(jī)體強(qiáng)度抵御不了軋制壓力時(shí)，產(chǎn)生瞬時(shí)斷裂。

3.2 軋輥在熱處理階段受熱處理裝備條件的影響，輥頸、輥身交接處溫度高，降低了材料的強(qiáng)度。

3.3 傳統(tǒng)的軋輥強(qiáng)度校核已不能滿足現(xiàn)場(chǎng)的需要，軋輥設(shè)計(jì)階段應(yīng)進(jìn)行有限元的校核，驗(yàn)證軋輥的薄弱環(huán)節(jié)，并進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，提高軋輥的安全使用水平。

4 改進(jìn)措施

對(duì)軋輥材質(zhì)進(jìn)行改進(jìn)，采用高強(qiáng)度鍛鋼。目前多數(shù)大型支撐輥已采用Cr3及以上材質(zhì)，滿足了寬厚板板品種的開發(fā)及穩(wěn)定順行的需求；對(duì)輥頸的硬度提高，由原來的HS 35～40提高到HS 45～50；合理設(shè)計(jì)軋輥的變徑倒角值，減少軋輥的應(yīng)力集中，降低裂紋源產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)；加強(qiáng)軋輥管理，定期對(duì)軋輥的輥頸、輥身交界處進(jìn)行探傷檢查，發(fā)現(xiàn)裂紋及時(shí)進(jìn)行處理，避免出現(xiàn)斷輥等嚴(yán)重事故。