陳竹立

（天津鋼管集團(tuán)股份有限公司，天津 300301）

為滿足市場對高質(zhì)量無縫鋼管的需要，天津鋼管集團(tuán)股份有限公司（簡稱天津鋼管）從國外引進(jìn)了現(xiàn)代化的PQF連軋管機組，該類機組具有較高的生產(chǎn)率、較經(jīng)濟(jì)的生產(chǎn)成本、較高的產(chǎn)品質(zhì)量等特點。軋輥作為現(xiàn)代連軋管生產(chǎn)中的主要軋制工具，在生產(chǎn)中起著舉足輕重的作用。目前，市場上對高端無縫鋼管的需求在逐步增加，高鋼級新品種不斷涌現(xiàn)，產(chǎn)品的軋制條件變得越來越苛刻，因此對軋輥的質(zhì)量也提出了更為嚴(yán)格的要求。

軋輥在軋管生產(chǎn)中的消耗量一直高于其他工具，軋輥的質(zhì)量影響著軋管生產(chǎn)線的作業(yè)率、產(chǎn)能以及產(chǎn)品質(zhì)量，在企業(yè)的生產(chǎn)成本及經(jīng)濟(jì)效益等方面也占有較大比重；因此對軋輥在耐磨性、抗熱裂、抗疲勞、抗事故等方面的綜合技術(shù)指標(biāo)提出了更高的要求。實踐證明離心復(fù)合軋輥能很好地滿足這些要求。

1 離心復(fù)合軋輥的優(yōu)點及應(yīng)用

與重力澆鑄方法制造的軋輥相比，離心復(fù)合軋輥的優(yōu)點有：①在離心力場下凝固，合金組織更致密，工作層的密度與相同條件下重力澆鑄的相比可提高2%以上，使用壽命可提高25%～100%；②軋輥工作層組織均勻，硬度變化很小，從外向內(nèi)硬度降低不超過5 HS，保證了軋制質(zhì)量的穩(wěn)定性；③工作層厚度均勻，無論徑向或是軸向的厚度均勻性，離心鑄造法都優(yōu)于其他方法，有利于提高軋輥的使用壽命；④軋輥的輥身硬度高，力學(xué)性能好，合金軋輥工作層的硬度可達(dá)70～80 HS，沖擊韌性可達(dá)4～7 J/cm2；⑤在相同化學(xué)成分下，離心鑄造方法生產(chǎn)的軋輥，其化學(xué)成分的均勻程度比其他鑄造方法的好，如圖1所示；⑥離心鑄造較之靜態(tài)鑄造有更均勻的金相組織［1］。

圖1 常規(guī)方法與離心鑄造方法制造軋輥的化學(xué)成分均勻度比較

天津鋼管PQF連軋管機組采用的是輥軸分離結(jié)構(gòu)。輥環(huán)為離心鑄造球墨鑄鐵，輥軸采用合金結(jié)構(gòu)鋼鍛件，保證了軋輥具有較高的工作強度；軋輥使用壽命到期下線后更換輥環(huán)，而輥軸可重復(fù)利用，有效降低了軋輥消耗［2］。軋輥的輥環(huán)采用復(fù)合結(jié)構(gòu)，工作層采用貝氏體基體，硬度高、耐磨性好；芯部采用珠光體基體，抗拉強度高，抗沖擊性能好，可提高軋輥的使用壽命，保證了生產(chǎn)質(zhì)量［3-4］。

2 軋輥失效分析

在熱軋鋼管生產(chǎn)中，由于各種復(fù)雜因素的影響，軋輥難免會發(fā)生較大的磨損、剝落，甚至發(fā)生斷裂事故，引起軋輥失效。

2.1 輥面凹坑

凹坑在軋輥使用中較為常見，輥面凹坑如圖2所示。軋輥在使用過程中，鋼管表面未清除的氧化鐵皮被帶入軋機，反復(fù)輾壓后在輥身表面形成小的凹坑［5］。為了降低軋輥消耗，生產(chǎn)中常對軋輥進(jìn)行多次車削修復(fù)。隨著車削次數(shù)的增加，軋輥耐磨性較高的外層金屬逐漸減少，輥身表面的耐磨性降低，尤其在軋制量較大的時候，軋輥產(chǎn)生疲勞，表面氧化膜會逐漸剝落，產(chǎn)生密集的凹坑。此外，在對軋輥進(jìn)行車削修復(fù)時，由于車削量不夠，導(dǎo)致輥面的微裂紋未被清除干凈，經(jīng)多道次軋制，裂紋向四周擴展，到一定程度后，輥身產(chǎn)生剝落［6］。

2.2 軋輥斷裂

軋輥斷裂是軋輥損壞的一種嚴(yán)重形式，而且事故處理時間長，嚴(yán)重影響生產(chǎn)。隨著軋制產(chǎn)量的不斷增加，軋輥的斷裂現(xiàn)象時有發(fā)生，不但造成了經(jīng)濟(jì)損失，還會因軋輥斷裂造成停產(chǎn)，降低了產(chǎn)量，增加了熱軋廢品，同時增加了能源消耗，因而增加了生產(chǎn)成本。

2.2.1 產(chǎn)生原因

軋輥斷裂的原因有兩種：一種是內(nèi)在因素，由軋輥本身的缺陷造成，如夾雜等；另一種是外在因素，由軋制工藝條件和使用原因造成。

（1）殘余應(yīng)力及熱沖擊導(dǎo)致的斷裂。軋制開始時軋輥與高溫鋼管接觸，軋制過程中軋輥表面溫度高而芯部溫度低，在芯部產(chǎn)生合成拉應(yīng)力［7］，當(dāng)超過極限時芯部產(chǎn)生裂紋，甚至造成軋輥斷裂。

（2）疲勞裂紋擴展導(dǎo)致的斷裂。軋輥上的裂紋受彎曲應(yīng)力的作用，會沿著一條較深的裂紋擴展［8］，繼續(xù)軋制裂紋會迅速擴展，達(dá)到極限后導(dǎo)致軋輥斷裂。

圖2 輥面凹坑

（3）使用方面的原因。如軋材強度過高，或由于低溫鋼、“黑頭”鋼等易造成事故；有時為了減少軋制道次而盲目加大壓下量，供水系統(tǒng)故障停水軋制后過快給冷卻水，軋輥壓靠力過大，扭矩大于軋制力矩啟動軋機等均可能扭斷軋輥軸頭［9］。

2.2.2 斷裂部位

軋輥斷裂的部位主要在輥身或輥頸處。輥身斷裂的原因有以下幾個方面。

（1）軋輥質(zhì)量影響。工作輥與高溫鋼管直接接觸，并承受各種載荷，因此要有良好的耐熱性。如果軋輥輥身硬度隨軋輥溫度升高而降低的幅度較大時，說明軋輥的耐熱性較差，將嚴(yán)重影響軋輥的整體性能。

（2）軋制力影響。在工作時，軋輥承受各種載荷：液壓裝置在兩端的軋制壓力；軋件變形時的反作用力；承受冷熱作用下的交變載荷；軋件咬入時的沖擊載荷，機械轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的扭矩力及軋輥與軋件、軋輥之間的摩擦力；軋輥受沖擊時彈跳所產(chǎn)生的力；軋輥局部過載或承受不均勻載荷［10］；較低的鋼坯溫度引起的變形抗力；由于調(diào)整不當(dāng)致使軋制中心線發(fā)生較大偏移而引起軋制力分布不均，或壓下量分配不合理，有的機架負(fù)荷過大；由于軋件頭部缺陷而導(dǎo)致纏輥現(xiàn)象；有異物帶入軋輥產(chǎn)生的力等。

（3）溫度影響。在實際生產(chǎn)中軋制低溫鋼較常見，對軋輥的損壞也最大。由于毛管頭部溫度偏低以及冷卻水的作用，管頭在咬入時對軋輥的沖擊很大，如果毛管溫度偏低，塑性下降，變形抗力增加，可能會導(dǎo)致軋輥斷裂。造成低溫軋制的情況有5種：①違反加熱規(guī)程，加熱時大火急燒，使鋼坯受熱不均，燒透性差，導(dǎo)致表面和內(nèi)部溫差大，或在縱向上因為爐道產(chǎn)生的“水印”，鋼溫較低；②加熱爐裝鋼坯時冷熱坯混裝，熱坯達(dá)到軋制溫度即開軋，而混雜在其中的幾支冷坯還未達(dá)到工藝所要求的軋制溫度，導(dǎo)致低溫軋制；③由于爐門的保溫能力較差，致使靠近爐門的鋼坯溫度較低，開軋時軋輥及軋制設(shè)備比正常軋制時的溫度偏低而使軋輥的載荷增大；④在軋制過程中由于軋制線上出現(xiàn)的各種故障影響了正常軋制，此時的加熱爐處于保溫狀態(tài)，恢復(fù)生產(chǎn)時升溫時間不夠就開始軋制；⑤軋機能力比加熱爐能力大，有時生產(chǎn)節(jié)奏過快，加熱爐滿足不了生產(chǎn)要求而軋制低溫鋼。

軋輥在輥身與輥軸接合處的斷裂占軋輥斷裂總量的70%，除制造缺陷外，一般屬于疲勞斷裂。軋輥輥身與輥頸的交接處所受的彎曲應(yīng)力最大，也是應(yīng)力集中的區(qū)域，對裂紋和缺口非常敏感［11］。

3 預(yù)防軋輥失效的方法

為了提高軋機的生產(chǎn)率，天津鋼管進(jìn)行了大量的嘗試來改善設(shè)備性能和軋制工藝，特別是對軋輥的斷裂進(jìn)行了深入的分析研究，制定了有效的預(yù)防措施。

3.1 輥面凹坑的預(yù)防

（1）軋輥上線前應(yīng)加強檢查。檢查軋輥表面是否有缺陷，有些裂紋并不明顯，僅靠肉眼觀察是不夠的，可用探傷方法來檢驗。修磨后的軋輥也應(yīng)進(jìn)行表面探傷，以檢驗修磨是否合格。

（2）合理控制軋制節(jié)奏，降低軋制事故（如抱棒、堆鋼等）的發(fā)生。連續(xù)生產(chǎn)時，軋輥的表面溫度會逐漸升高，使得軋輥與鋼管之間的摩擦因數(shù)減小，連續(xù)生產(chǎn)能夠使鋼管溫度處于穩(wěn)定的狀態(tài)，避免了“鐵耳子”等現(xiàn)象的出現(xiàn)，減少了粘鋼幾率［12］。

（3）增加除鱗設(shè)備的沖洗能力。起初氧化鐵皮與軋輥表面結(jié)合得并不牢固，但在經(jīng)過多次軋制后就不易去除；因此，增加冷卻水的壓力及流量，就能及時去除粘附在軋輥表面的雜物，避免粘鋼［12］。

（4）為了防止輥身產(chǎn)生凹坑，還應(yīng)注意控制換輥周期。換輥周期長也會導(dǎo)致輥面因接觸疲勞產(chǎn)生凹陷［13］；軋輥表面出現(xiàn)凹坑時，需要對凹坑區(qū)域進(jìn)行修磨，必要時可進(jìn)行補焊或更換軋輥。

3.2 軋輥斷裂的預(yù)防

（1）為了避免殘余應(yīng)力及熱沖擊載荷所引起的斷裂，軋輥使用時應(yīng)預(yù)熱，并保持良好的冷卻條件，嚴(yán)禁停水軋制，降低內(nèi)外層溫度梯度；普通軋輥使用前應(yīng)有半年左右的時效期，以降低軋輥內(nèi)應(yīng)力，使用后的熱軋輥應(yīng)及時緩冷避免再生熱應(yīng)力。

（2）要保證軋輥有一定的可車削量，并采取必要的檢測手段。

（3）應(yīng)向軋輥制造方提出預(yù)防夾雜、非正常組織、殘余奧氏體量過高、偏析等方面的量化要求。

（4）預(yù)防因使用原因產(chǎn)生的斷裂。在制定相應(yīng)的操作規(guī)程時應(yīng)充分考慮各種誘因，明確到位，同時操作人員應(yīng)嚴(yán)格遵守工藝紀(jì)律和標(biāo)準(zhǔn)化操作。

（5）選擇合理的工藝參數(shù)，避免軋輥局部或個別軋機載荷過大。

（6）適當(dāng)增大輥身與輥頸結(jié)合處的強度，以防止軋輥大面積剝落甚至斷裂［8］。

（7）確定合理的冷卻水系統(tǒng)，根據(jù)軋制要求選擇合適的噴嘴形狀和噴水部位，并保證冷卻水的壓力、流速、水量、水溫、水質(zhì)以及冷卻水管的暢通，為軋輥創(chuàng)造一個良好的工作環(huán)境。

4 結(jié) 語

軋輥的失效形式種類多樣，往往是多種因素共同作用產(chǎn)生的。從設(shè)計、生產(chǎn)制造到軋輥的使用等各個環(huán)節(jié)對軋輥狀態(tài)進(jìn)行仔細(xì)的分析，從中找出主要因素，采取相應(yīng)的措施就能有效防止軋輥失效，進(jìn)而提高軋輥的使用壽命，保證鋼管表面質(zhì)量，提高產(chǎn)品成材率和生產(chǎn)效率。

［1］李玉華.離心復(fù)合鑄鐵軋輥的質(zhì)量控制［J］.特種鑄造及有色合金，2012，32（9）：833-834.

［2］李曉忠，白屺峰，周曉鋒，等.Φ258 mm PQF連軋管機組連軋輥的優(yōu)化設(shè)計與應(yīng)用［J］.鋼管，2012，41（1）：64-67.

［3］周曉鋒.MPM和PQF軋管工藝［J］.鋼鐵研究，2008，36（3）：58-62.

［4］江紹財.PC軋機鑄鐵工作輥的研制［J］.經(jīng)濟(jì)技術(shù)協(xié)作信息，2012（18）：98.

［5］陶功明，官旭東.軋輥金屬異物粘結(jié)原因分析及其清除［J］.軋鋼，2010（5）：28-32.

［6］曹大文.軋輥生產(chǎn)材料新技術(shù)新工藝與軋輥機械加工新技術(shù)新工藝國家標(biāo)準(zhǔn)、檢測缺陷分析及金相圖譜大全［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2008.

［7］陳聯(lián)滿，張明如，王越，等.高鎳鉻無限冷硬球墨鑄鐵復(fù)合軋輥剝離分析［J］.金屬熱處理，2007，32（S1）：224-228.

［8］王玉潔.熱軋輥輥頸部位斷裂分析［J］.山東冶金，2012，34（4）：81.

［9］韓華軍，盧銳.板帶軋機工作輥斷裂原因分析［J］.寬厚板，2008（3）：39-42.

［10］趙瓊，劉占存.熱連軋機軋輥的選擇和使用［J］.一重技術(shù)，2005（2）：8-9.

［11］張鵬遠(yuǎn)，高玉明，隋曉紅，等.PQF無縫管連軋輥斷裂失效分析［J］.金屬熱處理，2012，37（11）：124－127.

［12］臧海峰，劉立成.軋輥粘鋼產(chǎn)生原因及解決途徑［J］.科技信息，2012（21）：39.

［13］竇鋒，嚴(yán)娟.軋輥失效的原因及預(yù)防措施的研究［J］.山西冶金，2012（5）：42-43.