SCR铜杆生产线摩根轧机断辊机理分析及关键技术研究

张伟旗

(江西铜业集团铜材有限公司，江西 贵溪 335424)



SCR铜杆生产线摩根轧机断辊机理分析及关键技术研究

张伟旗

(江西铜业集团铜材有限公司，江西 贵溪 335424)

针对SCR铜杆生产线摩根轧机断辊机理及关键技术进行分析和研究，成功解决了轧辊断裂这一制约生产的技术问题。通过数值模拟、技术创新及优化设计，轧机作业率高、铜杆品质好、辊耗小、成本能耗水平高，推广应用价值良好。

SCR铜杆生产线；摩根轧机；数值模拟；断辊

轧辊是SCR铜杆连铸连轧生产线的关键部件和易损件，其正常运行、维修和调整，对生产和产品品质至关重要。我公司分别于2003、2006年从美国SOUTHWIRE公司引进SCR3000/4500 2条连铸连轧生产线。尽管其技术装备水平目前已居世界领先地位，工艺成熟，但因外方对SCR生产线核心技术长期实施垄断和技术封锁[1]，建厂初期轧辊使用寿命短，会产生断辊现象，因而成为生产技术的“瓶颈”。这也是国内外铜加工企业和轧辊制造业普遍面临的重大课题和进行攻关的重点和难点。

轧制过程中，轧辊表面裂纹、表面材料破裂和剥落及疲劳破坏等是导致轧辊使用寿命短和断辊的主要原因，若考虑到由辊耗引起的停机、减产及维修成本增加等因素，辊耗所占生产成本比重则更高，且直接关系到生产线的运行效率、产能和产品品质。通过对轧辊温度场和应力场进行耦合计算，剖析轧辊疲劳裂纹产生、断裂条件等原因，获得理想的轧制参数，可提高生产效率、铜杆品质，改善轧辊作业条件，提高轧机作业效率，延长轧辊寿命，降低辊耗，大幅降低占用流动资金和成本能耗。

1 试样制备和实验方法

SCR3000/4500摩根轧机轧辊采用H13材质。根据轧辊技术要求标准，先通过检查轧辊断裂部位、断口形貌及颜色等进行宏观分析；再采用线切割方式分别从轧辊外表面至芯部提取若干试样进行分析。其中，3个试样采用WDW3100型微控电子万能试验机进行高温拉伸性能测试；3个试样采用德国斯派克SPCTROLAB-M10直读光谱仪进行化学成分分析；5个试样利用德国LEICA DM2500M型金相显微镜进行室温力学性能及金相分析。对断辊部位的工作层、工作层与芯部过渡处、凹陷处及台阶分布的条纹处分别敲取断裂试样，经粗细磨、抛光、侵蚀后，利用XL30扫描电镜观察其抛光态和侵蚀组织；利用美国G&R HT-1000A 手持袖珍式里氏硬度计在靠近断口处及辊面进行硬度测试；利用JUT800便携式数字超声波探伤仪对轧辊断裂处及周围进行无损检测。

2 实验结果与系统分析

针对断辊影响因素的研究，可运用弹性理论、断裂力学等分析理论，针对其力学理论、金相组织、断口形貌、化学成分等进行系统的分析。根据超声波无损检测结果和宏观断口形貌分析，轧辊断裂以辊颈处最为严重，裂纹源源自断口上的凸起部分，由于扭转应力的作用，使萌生的裂纹沿扭转方向逐步向外扩展，且呈螺纹状放射条纹。由扫描电镜和金相检测结果得知，断辊辊身内部特别是裂纹源附近组织疏松明显，存在显微孔洞缺陷，孔洞表面特征呈缩孔状，表明轧辊制造过程中的冶金质量较差，疏松部位有应力集中，易产生裂纹形核、扩展而断辊。目前国内外学者对轧辊应力场、温度场相关研究的较多，而专门针对轧辊断裂及使用寿命问题的研究则极少。

SCR摩根轧机设计制造采用OEM形式。一般设有10～12个机架，按轧辊尺寸可分为8、12、l6吋三种规格，采用平立辊交互式布置，以椭圆孔形系统轧制铜杆。轧机部件中，以轧辊工况最为恶劣，其所承受负荷大，长期受到循环反复的交变热应力和机械应力等综合作用，包括制造加工过程中的残余应力、温度分布不均或交替变化的温度应力。轧制过程中，轧辊承受高温轧制铜杆的热辐射和乳液强制冷却，还进一步受到各种周期应力的作用，如接触应力、弯曲应力、轧制力、扭转应力、剪切应力及热应力等，且以上应力沿辊身分布是不均匀的、不断变化的，导致轧辊处于复杂的应力状态。生产初期，因轧辊事故机理极为复杂，且受到各类随机参量的干扰，事故诊断与监测、使用维修一直困难极大，意外断辊、轴承烧损等事故时有发生。

3 数值模拟及机理分析

3.1 数值模拟

铜杆热轧过程相当复杂，使得与轧制工艺密切相关的多数潜在参数无法测量。随着对热轧铜杆的要求越来越严格，为获取理想的轧制参数，为研究轧辊失效和使用寿命提供充分的依据和参考，可建立热轧铜杆-轧件有限元模型，以实现热轧铜杆过程的有限元动态模拟。宜采用三维模型对无裂纹工作辊温度场和应力场进行耦合计算，分析温度场、应力场及热应力的变化规律，以找到最易产生裂纹的位置。

在无裂纹工作辊有限元模型基础上，布置表面裂纹，重新划分网格，建立不同的局部坐标系，分析轧制过程中有表面裂纹工作辊应力强度因子K和J积分的变化规律；利用累积损伤理论、疲劳理论及之前模拟计算得到的应力强度因子增幅ΔK，可分别得出有裂纹工作辊和无裂纹工作辊的寿命；利用之前模拟计算得到的J积分变化规律及远场J积分的恒定性，可确定裂纹扩展的临界载荷、临界温度及临界开裂角度；从而最终找出断辊的影响主因[2]。

3.2 机理分析

断辊事故形式多样，形态迥异，破坏也最致命。其可分为疲劳裂纹断辊和一次性的突然断辊。其断裂部位主要在辊颈处、轧辊孔型处、辊身与辊颈交界处等。导致断辊的应力通常有四种,制造过程的残余应力、轧制过程中组织应力或机械应力、轧辊内外温差形成的热应力。以上几种状况皆会引起断辊，但断辊一般都是由几种状况综合作用而引起的。通过实验及多年来的数理统计分析，影响断辊的主因如下。

3.2.1 铸造缺陷

轧辊铸造缺陷是影响轧辊辊颈断裂的主因。一般断辊源自轧辊内部且是由其自身缺陷裂纹引起的。若辊颈截面内在冶金质量较差，存在先天严重偏析，较多大面积粗条状、网状碳化物、残余奥氏体、心部疏松孔洞区等，在组织疏松部位热循环应力易产生应力集中、裂纹形核、扩展断裂。由于轧辊材料较脆，受其内应力和碰撞时震动应力的交互作用影响，易以其铸造缺陷和脆性相为核心萌生出裂纹，进而扩展产生断裂。轧辊存在如球化率低、渗碳体量过高等芯部组织不正常的状况时，轧辊的机械性能骤降，其较薄弱处在热应力作用下易先被拉裂，随着裂纹的迅速扩展而导致断辊。

3.2.2 制造加工缺陷

轧辊制造加工过程中出现的加工缺陷和质量波动，通常是造成轧辊早期断裂的主因。如锻造工艺不当，使辊面和辊颈之间硬度差过大；设计加工时，过渡圆角不足或未精密加工，产生应力集中；加工粗糙，残留有刀痕；表面加工残余应力过大，疲劳强度降低，轧辊初始上机使用阶段应力集中易形成裂纹源，然后沿切应力方向扩展，产生断裂；磨削时局部过热，造成磨削开裂；辊颈直径过小，致使强度不足；未进行时效处理，产生断辊等。

3.2.3 热处理淬火或回火不充分

H13轧辊淬火不当，易产生断辊；热处理回火不充分时，其外层组织中含有大量马氏体和残余奥氏体，轧辊铸态应力高是断辊的内因。对组织应力影响最大的残余奥氏体在乳液冷却、轧制温度及压力的交变作用下，会发生奥氏体向马氏体或贝氏体的转变，因奥氏体比容小，马氏体比容大，组织转变过程中，随着体积膨胀，易使轧辊工作层产生更大的压应力，芯部产生更大的拉应力，超过材料强度时则产生断辊。

3.2.4 热应力的影响

断辊与冷热不均产生的热应力有关。轧辊上机初始阶段，因与轧材紧密接触，使轧辊表面温度骤升，而轧辊芯部温度上升较慢，导致轧辊面和轧辊芯部之间的温差处于最大值，由温差引起的轧辊热应力也最大。若轧辊的残余应力与热应力相叠加，超过轧辊芯部的强度极限时，会产生断辊事故。而轧辊需长期承受循环、反复交变的热应力和机械应力的共同作用，在轧辊芯部或结合层的结合部位会出现开裂，应力集中严重时，即轧制压力超过许用应力，或微裂纹进一步扩展为大裂纹时，即发生断辊事故。

3.2.5 乳液状况不良和磨损不匀

轧制过程中，乳液状况特别是乳液的浓度和温度对轧制过程及轧件品质影响极大。轧机乳液供应不足或缺乳液时，因受到轧辊冷却不均匀和磨损不均匀的交变作用影响，易产生热疲劳，致使辊面热裂；热应力过大时，易导致轧辊表层剥落，甚至断辊；轧辊的局部缺陷会逐渐扩大，进而产生疲劳断裂；而不正确的使用，也会促使疲劳裂纹扩展，进而导致过早断辊。其断裂部位不一定在轧制道次的孔型内，也许在相邻孔型内。轧辊断裂口为疲劳断口，呈深褐色。

乳液浓度过低时，润滑效果差，磨损阻力大，轧辊易磨损或粘铜皮；过浓时，润滑液粘度增加，对冲洗和冷却不利，氧化皮不易沉淀。乳液温度过低或流量过大，铜杆易变硬，铜杆带液经过卷取夹送辊时，会打滑造成精轧出口挤线，且温度过低时乳液粘度增加，对润滑不利；乳液温度过高时，冷却效果差，杆表易变色，油膜强度降低，润滑性能变差；轧辊局部温升过高时，会使轧辊局部晶粒粗大，强度降低，继续使用易断辊；若给乳液后急冷，材质经淬火后晶粒变细，会产生拉应力，超过轧辊材料强度极限时，会造成断辊，其断裂部位在轧辊应力集中处，因缺乳液断辊的断口呈深兰色。

3.2.6 轧辊压下量过大

轧辊压下量大，轧制出的铜杆性能好，其内部组织致密、晶粒小、无气泡，轧辊需承受较大的热应力和机械应力，轧制过程中，特别是以轧槽部位的应力集中最为严重，常产生断辊。轧辊压下量调整不均或工艺安排不当时，如某一道次压下量过大，易造成简单的机械性过载，致使该道次轧制的变形抗力剧增，轴瓦与轴颈之间会产生剧烈的摩擦，辊颈处的热应力极高，使辊颈变细，难以承受轧制压力等，若轧制压力超过许用应力，易在辊颈处产生应力集中，引起轧辊断裂；而轧制力过大时，易引起材料失稳，轧辊在孔型的工作辊径上折断，其断口为剪应力断口，呈灰白色。

3.2.7 误操作

轧制铜杆过程中，一旦操作不当，如间隙调整不到位，会导致该道次变形量过大；或使轧件喂错孔型，进入较小规格孔型时，轧件进入辊环或缠辊，造成扭转力矩大于轧辊本身强度，轧辊在辊身与辊径接触处被扭断，其断裂口为扭应力断口，呈灰白色。

3.2.8 工作辊主轴轴承烧结

工作辊主轴轴承烧结时，使轧辊无法旋转，扭矩突然剧增，轧辊传动轴部位或相对薄弱处易受到划伤及机械损伤，使轧辊在突然受到巨大外力作用下产生断裂。

3.2.9 轧辊事故裂纹

轧制过程中，若出现打滑、粘铜、卡铜或断乳液轧制等异常状况时，该事故裂纹在辊身表面母线上或局部区域内的深度及开口度较大且深；特别是断乳液轧制时，对轧辊危害更大，轻则引起辊身裂纹，表面组织产生变化，重则造成轧辊断裂。

4 关键技术与创新优化

4.1 乳液最佳状况控制技术

轧机乳液即由可溶性油组成的混合液体，能去除铜杆表面的残留氧化物，起到润滑、冷却、抗氧化和清洗轧辊和铜杆的作用。通过长期实践摸索，将原乳化液改为RD-37型全合成乳液，且摸索出一套乳液浓度、温度及流量控制技术，获得粗精轧乳液指标最佳配比，无须再添加乳化剂，且充分预热溶液。其优点是可提高过线成功率，明显改善铜杆品质，操作方便，使用周期长，轧辊寿命长，清洁机器效果好，使铜杆表面光滑，成本能耗低。

4.2 铜材优异综合性能控制技术

热轧过程中，通过对铜杆轧制、加热和冷却的合理控制，可使范性形变与固态相变过程相结合，以获得良好的晶粒组织。轧制过程中，采用在线监测入轧铸锭温度系统，确保轧件温度符合工艺要求，杜绝低温铜杆或黑铜杆；保证合理的轧辊标定数值，降低设备原因导致的轧制力偏差，一旦发生挤杆、卡铜、工作辊轴承抱死等意外事故时，必须立即停机排查；根据轧制条件变化，合理分配延伸系数，减少轧辊不均匀磨损的程度；合理设计孔型和分配压下量，有效降低轧制压力；专心操作，防止坯料喂错孔、轧错道次、调错轧辊间隙，避免轧制压力剧增，导致产生疲劳断辊；严格标准化作业，控制好轧制速度，保证铜杆温度均匀，防止铜杆下轧或翘头而导致卡铜；为减少辊耗，必须规范误操作、卡铜及倒料等故障处理方法，制订和完善摩根轧机工作辊使用制度，制订合理的换辊周期及磨削工艺，可大幅减少断辊事故发生几率。

4.3 轧辊冷却喷嘴的优化设计技术

减小热应力最有效的办法是在铜杆轧制过程中对轧辊进行良好的冷却。可通过优化设计乳液喷嘴的安装位置、喷射角度、喷射压力及流量，确保轧机乳液系统的畅通，保证轧辊在线轧制过程中，乳液系统压力设定合理、过滤网及冷却喷嘴无堵塞、乳液量充足等，将轧辊温度控制于正常范围内，减少轧辊的温度梯度，降低轧辊热应力，保证其正常使用，降低其受热程度，缓解其热疲劳，减少或杜绝因乳液问题而导致断辊。

4.4 轧辊压下量控制技术

适当降低轧制力和扭矩，改善轧制应力状态，延长轧辊使用寿命，可有效避免在线断辊等恶性事故发生；避免较大机械应力的方法主要是避免过冷铜，应精心操作，防止铜料喂错孔或间隙调整失误，杜绝轧制低温铜和黑头铜，避免轧制压力的增加而使轧辊处于疲劳状态，甚至产生断辊。

4.5 提高轧辊冶金加工质量

必须最大限度降低H13钢中氧、硫、磷的含量，大幅提高钢的纯度；对钢液进行复合脱氧与变质处理，改善夹杂物的形态和性质，进一步提高轧辊材料的综合性能；锻造时，必须有足够的锻比，提高工件的组织致密度和均匀性，保证锻件内部不出现疏松、裂纹和缩孔等缺陷；淬火回火后，应保证辊身表面硬度的均匀性和适宜的淬透性；提高轧辊的加工精度、塑韧性和剪切强度，降低轧辊的内部缺陷及残余应力，提升轧辊轧制过程中的抗事故能力，减少或杜绝由于轧辊锻造、机加工环节导致的裂纹源。

4.6 轧辊热处理和时效处理技术

通过适当的热处理技术，将辊身工作层残余奥氏体含量控制在<5%，可降低轧辊的组织应力，消除制造加工过程中的大部分残余应力，剩余残余应力会随着轧辊存放时间的延长而逐渐消除。因而，新轧辊存放一段时间再使用，可显著降低断辊风险。

4.7 上下机轧辊质量控制技术

轧辊上机前，存放环境以15～30℃的室温最适宜，其温差梯度小，可保证加工后的辊形，降低断辊的风险性；轧辊安装前，须无凹坑、麻点、沙眼、裂纹等表面缺陷；重车或重磨磨损辊面，是提高轧辊磨削质量、消除轧辊裂纹、预防轧辊剥落和断裂及提高产品品质的有效措施；及时检测和记录下机轧辊辊面的裂纹情况，加大磨削量，可完全消除压应力裂纹；为有效磨净裂纹，必要时需配合进行磁粉探伤和超声波探伤。生产间隙，将轧辊表面的裂纹磨削掉，并消除其内应力[3]；采用堆焊法修复减径轧辊时，应做好跟踪检查，确保堆焊质量；通过无损探伤等检测手段，及时发现轧辊内部缺陷，防止上机轧辊产生大的断辊事故。

4.8 轧辊质量跟踪监测技术

加大新辊入厂检测和周转辊跟踪超声波检测力度，及时检测出轧辊内部缺陷，做好其缺陷位置和深度记录，拟定相应解决措施及方案；同时建立和完善轧辊探伤技术档案，在线轧辊使用至中、末期时，须缩短超声波检测周期，便于及时发现问题，防患于未然，杜绝继续使用问题轧辊，可有效防止轧制过程中轧辊剥落或断辊事故。

5 结 语

(1)轧辊内部显微疏松冶金缺陷易产生应力集中、裂纹形核、扩展直至整体断裂；

(2)制造残余应力、机械应力、组织应力和热应力是导致轧辊断裂的主因[4]；

(3)虽然轧辊主应力的分布使裂纹源于轧辊表面，但断辊属于多源疲劳断裂，轧辊材质特别是芯部的低韧性是脆性断裂主因；

(4)良好的热处理、轧制条件及冷却是降低轧辊事故发生率的重要工艺保障；

(5)制订合理的换辊周期及磨削工艺，可大幅减少断辊事故的发生几率。

[1] 张伟旗.SCR铸轮技术装备创新与机械故障的控制[J].特种铸造及有色合金，2012，32(3)：274～276.

[2] 梁松.高速钢轧辊断裂失效的有限元分析[D].内蒙古科技大学.2010(5).

[3] 赵楠.穆海玲.裴新华.高镍铬球芯热轧辊的断裂失效分析[J].物理测试.2005，23(4)：50～53.

[4] 张海臣.高军芳.黄丽颖.高铬铸钢轧辊断辊原因分析及防止方法[J].热加工工艺.2010，39(15)：183～184.

Study of Mechanism and Key Technology for Roll Breakage of Morgan Rolling Mill in SCR Copper Rod Production Line

ZHANG Weiqi

(JCC Copper Products Co., Ltd., Guixi 335424, China)

In order to resolve roll breakage issue, the paper studied the mechanism and key technology for roll breakage of Morgan rolling mill using numerical simulation, technical innovation and optimization design; the paper pointed out that the mill now has the advantages of higher operational and energy efficiency, less roll consumption, and better quality for copper rod, as well as provides reference for similar cases.

SCR copper rod production line; Morgan rolling mill; numerical simulation; roll breakage

2014-11-10

张伟旗(1965-)，男，高级工程师，主要从事有色冶金机电设备管理工作。

TG335.6

B

1671-6795(2015)03-0027-04