热连轧高铬铁工作辊带热损伤裂纹上机的探索

供稿|甄海超，蒋春雨，郝冰，张誉昂 / ZHEN Haichao, JIANG Chunyu, HAO Bing,ZHANG Yuang

内容导读

热轧工作辊在生产使用的全生命周期内会产生各种类型的裂纹。为保障轧机和轧辊的生产安全，按照生产工艺要求，这些裂纹尤其是机械冲击裂纹和制造缺陷裂纹必须去除。但轧辊是主要的轧钢工艺备件，大量轧辊异常必然造成轧钢成本上升，同时也会影响轧辊的周转效率和备辊效率，对生产稳定性和安全性造成影响。为解决上述问题，精轧前段高铬铁工作辊实验带热损伤裂纹上机使用。

热轧工作辊在使用过程中产生的裂纹主要有3 类，分别是机械裂纹、疲劳裂纹[1]、热损伤裂纹（卡钢等过热造成）[2]。某热连轧线，精轧前段（F1～F4）事故率较高，主要有F1 打滑和卡钢、F1～F4 堆钢等。这造成精轧前段高铬铁材质工作辊的损失较高，平均每月60 mm 以上，其中热损伤裂纹损失占比在80%左右。按照生产工艺要求，这些裂纹必须去除，以保障轧机和轧辊的运行安全性[3]。但是，为了降低轧钢成本（辊耗成本和磨削成本），提升轧辊的磨削效率和周转效率，需要探索精轧高铬铁材质工作辊带热裂纹上机使用的机理。

精轧前段工作辊受力分析

精轧工作辊在轧制过程中除了受到轧制力外，还有摩擦力、微张力、热应力等。但是摩擦力、微张力、热应力相对轧制力而言要小很多，所以在分析精轧工作辊受力情况时，主要考虑轧制力的作用。如图1 所示，当辊面A处与带钢接触时，近似认为该处受到的正压力和摩擦力的合力与轧制力相当。该热连轧线精轧前段机架的最大轧制力为35 MN，一般正常生产时轧制力在15～20 MN。

图1 精轧工作辊轧制过程中的受力示意图

高铬铁工作辊工作时热损伤裂纹扩展的临界条件分析

本文探索的是精轧前段高铬铁工作辊带热损伤裂纹上机使用，为此引用材料的断裂准则概念，从弹性力学方程或弹塑性力学方程出发，把裂纹作为一种条件，考虑裂纹顶端的应力、应变和位移场，建立裂纹扩展的临界条件——断裂准则。

按照裂纹在构件中的形态，一般分为3 种，分别为穿透裂纹、表面裂纹、埋藏裂纹，如图2 所示：

图2 不同裂纹形态示意图：（a）穿透裂纹；（b）表面裂纹；（c）埋藏裂纹

精轧前段高铬铁工作辊的热损伤裂纹一般为表面裂纹[4]，为此我们主要研究表面裂纹的断裂韧性。在实验室内，对高铬铁材质轧辊进行断裂韧性实验。裂纹尖端附近各点应力的强弱程度与的量有关；即裂纹尖端附近各点的应力，不是随构件所受拉应力 σ成比例的增长或减少，而是随成比例的增长或减少。称为应力强度因子，并记为KI，单位为MPa·m1/2，，其中a为裂纹深度。

随着载荷的增加，应力强度因子KI也逐渐增加。实验结果表明，当它达到某一临界值KIc时，裂纹将发生失稳扩展，导致构件断裂。KIc称为短裂纹韧性。即，断裂强度因子KI低于KIc，构件就不会发生裂纹扩展。

根据日本川崎制铁水岛钢厂田中史雄工程师，应用断裂力学判据确定轧辊的使用界限，。由此公式理论计算得出，深度小于10.59 mm 的裂纹在34 MN 的轧制力作用下可以正常使用，因此该轧线精轧前段高铬铁材质工作辊可以正常上机使用。

上机实验及分析

热损伤裂纹形态表征及涡流特征

精轧高铬铁工作辊卡钢后，一般会在过钢区产生一条热损伤裂纹带。裂纹的形态一般表现为网格状（图3），深度为3～10 mm，下机后辊面异常明显。轧辊磨削后进行涡流探伤，会发现检测结果存在对应辊身裂纹部位、沿轧辊轴向的裂纹值带和软点值带（图4）。涡流裂纹值和软点值的阀值分别为0.2、0.4，超出的视为异常。

图3 卡钢辊面热裂纹形态

图4 卡钢辊面热裂纹形态

带裂纹实验的检测保障工作

涡流检测结果反馈热裂纹变化情况。热裂纹带的涡流裂纹值和软点值整体上变化不大或者持续降低，表明裂纹正在逐渐变弱，同时结合观察裂纹带形态（热裂纹带轴向和周向上的宽度变窄，裂纹边界变细等）进行判定，轧辊是否可持续上机使用。

利用斜探头检测和分析裂纹深度变化。带热裂纹的工作辊每次磨削完后，可用超声波斜探头检测裂纹的深度。若斜探头探得的深度逐渐降低，表明裂纹正在逐渐消除。

利用双晶直探头检测和分析热裂纹扩展情况。双晶直探头检测最为重要，其主要作用是检查裂纹是否呈现角度扩展。根据纵波的特性，若裂纹垂直于轧辊表面的切面，双晶探头检测不到，只能检测到结合层的反射波。发生扩展的裂纹，双晶检测裂纹波呈现“走波”现象，由浅逐渐加深。

实验工作及结果

实验初始，先把裂纹较浅的轧辊作为实验对象，使用到裂纹正常消除后逐渐实验裂纹更深的轧辊，并且后续实验接近报废直径的轧辊。结果8 支实验轧辊全部使用到裂纹正常消除，或者达到带裂纹正常报废，这表明精轧前段高速钢工作辊可以带热裂纹安全使用。详细实验数据如表1。

表1 精轧前段高铬铁工作辊带热裂纹上机实验情况

然后修改使用制度，将轧辊带热裂纹上机纳入正常使用，且事故轧辊带裂纹上机，换辊周期和磨削量与正常轧辊一样。制度实施后，每月减少高铬铁热裂纹磨削损失40 mm 以上，同时节省大量砂轮、切削液、人工磨削等成本，缓解了现场精轧前段工作辊投入量大、资金占用多、周转紧张的情况。

结束语

理论计算和实验验证表明：精轧前段高铬铁工作辊能够带热损伤裂纹上机使用，并可做到换辊周期和磨削量与正常轧辊一致。裂纹扩展速率小于轧辊的正常减径，随着轧辊的使用，热损伤裂纹逐渐消失。在使用现场，超声波双晶探头检测不到裂纹的存在，即裂纹的方向与超声波的方向一致，与轧辊表面的切面相垂直。

精轧前段高铬铁工作辊带热损伤裂纹上机，不但减少了高铬铁工作辊的异常损失，同时节省了大量砂轮、切削液、人工磨削等成本，而且缓解了现场精轧前段工作辊投入量大、周转紧张的情况，具有重要意义。