十一辊热矫直机矫直辊辊面掉块成因及改进论文

 

造成矫直辊掉块缺陷因素是多方面的，下述将对矫直辊矫 直力、矫直辊制造工艺、钢板矫直工艺等主要方面进行分析，查 找原因并制定措施。

2.1  矫直辊矫直力分析

矫直过程中，辊系各矫直辊都受到大小不等的反矫直力。根 据矫直原理 [1，2]，各矫直辊受力， 见图 3。
 

 

简化计算公式得 ：

F1=2Ms /t ；F2=6Ms /t ；F3=8Ms /t ；F4=(7Ms +Mw)/t ； F5=(5Ms+3Mw)/t。

F6=(4Ms +4Mw)/t ；F7=(3Ms +5Mw)/t ；F8=(Ms +7Mw)/t ； F9=8Mw/t。

F10=6Mw/t ；F11=2Mw/t ；

Ms=σs ×b×h2/4Mw=σs ×b×h2/6。

式 中 ：Ms 为塑性弯曲力矩，N*m ；Mw 为弹性弯曲力矩， N*m ；σs 为钢板屈服强度，MPa ；b 为钢板宽度，mm ；h 为钢板 厚度， mm ；t 为辊距， mm。

从以上公式计算可得F1 ：F2 ：F3 ：F4 ：F5 ：F6 ：F7 ：F8 ： F9 ：F10 ：F11=1.5 ：4.5 ：6.0 ：5.8 ：5.3 ：3.0 ：4.8 ：4.3 ：4.0 ：3.0 ： 1.0，即辊系在矫直钢板时，3#矫直辊受到的矫直力最大。3#矫 直辊位于下辊系未发生掉块缺陷，因此我厂现阶段矫直钢板产 生的矫直力并非为造成矫直辊掉块缺陷的主要原因。

2.2  矫直辊制造工艺分析

由于矫直辊是在高温潮湿的环境下进行工作，现国内矫直 辊都是采用焊接复合制造，工作面由合金元素约20%含量的高 合金不锈钢焊丝堆焊而成。矫直辊辊身结构由三部分组成 ：母 材、过渡层（厚为 6mm）、合金层（厚为 6mm~8mm）。

矫直辊掉块尺寸为 50mm（宽度）×7mm（深度），与矫直 辊辊面扁形焊丝单道次堆焊宽度 50mm 一致，深度 7mm 与硬 质合金层厚度（6mm~8mm）一致，因此掉块缺陷实际为单道 次焊道的合金层与过渡层剥离脱落。掉块长度方向表面硬度为 62HRC~64HRC， 掉块宽度方向表面硬度为 53~54HRC， 相差约 10HRC。按照金属材料的一般规律 ：硬度与延伸率成反比，即 硬度越大延伸率越小，过小的延伸率使之辊面的材质韧性降低， 当辊面在作业过程中受到来自外界的点状挤压，而无法延伸（退 让）时，容易产生微状裂纹，附合现场现象。其次矫直辊在制造 中因辊坯锻打、热处理工艺的偏差等材质处理的过程中内部出 现微裂纹，而没有得到及时的发觉和处理，辊子装机作业中，受 到外界冷热交替的频繁影响，使初期的微裂纹不断扩大、外延， 以上反映于旧矫直辊在堆焊修复前进行车削堆焊层后，通过磁 粉探伤时发现堆焊层上有众多小裂纹， 符合实际现象。

2.3  辊系装配分析

每根矫直辊上有 5 根支撑辊交错分布， 如图4所示。
 

 

每根矫直辊上有 5 根支撑辊交错分布，矫直辊辊面掉块位置 都是位于与支撑辊辊肩接触位置。辊系使用过程中， 会有以下现 象 ：首先，矫直辊在矫直钢板时，特别是矫直控冷板时因板头、 板尾、板两侧边温度底及同板差，在同一矫直辊缝时其局部矫 直力会瞬间变大，造成矫直辊与支撑辊磨损不一。其次，矫直辊 辊面作业率不一样， 辊面中间位置因不受钢板宽度影响， 作业率 高，而两侧辊面使用率较低， 因此同一根矫直辊与其支撑辊磨损 不一样。最后，辊系使用一定周期后，矫直辊两轴承座两侧端会 磨损产生间隙， 从而使矫直辊中心线不平行， 使支撑辊辊身成圆 锥体，辊肩成棱边，从而产生轴向力而发生窜动，对矫直辊辊面 造成应力集中，因此靠近钢板两边部的矫直辊辊面更易发生掉 块现象，测量现场使用后的同一根矫直辊上支撑辊辊径尺寸差 值达 1mm。同一根矫直辊不同位置辊径尺寸差值达 0.7mm 正好 反应以上工况， 附合现场掉块成因， 造成了矫直力瞬间越过了辊 面材质的承受能力辊面， 使辊子内部裂纹变大， 甚至合金堆焊层 与过渡层发生蠕动、剥离。

2.4  矫直机矫直工艺分析

矫直辊掉块缺陷发生在 4# 和 6# 矫直辊上的次数，占了总 掉块次数比例的 86%。4# 和 6#矫直辊与其他矫直辊的区别在于 两者位于两电机传动的交接处。矫直机入口 5根矫直辊由一台电 机带动，出口 6 根矫直辊由另一台电机带动，两台电机通过电气 同步。但在实际矫直钢板过程中， 特别是矫直控冷板尾部由于矫 直辊间距的限定及钢温不足，尾部长度方向200mm 无法实现弹 塑性反弯矫直，因此翘尾部分在正反矫时易对矫直辊产生打滑， 特别是两电机的交接处 4# 和 6# 矫直辊，在钢板头尾在交接位 置时，其进出瞬间由于负荷不平衡及电机速差值都会造成两电 机相互拉扯， 加剧了矫直辊与钢板打滑幅度， 从而造成已产生裂 纹的合金层产生蠕动、扩大从而剥落。

3  改进措施

三钢热矫直机矫直辊内部堆焊层小裂纹主要是产生于矫直 辊堆焊修复过程中，而在现场使用过程中因辊系磨损及钢板翘 头及翘尾造成了合金层焊道次裂纹的扩大及剥落。要消除矫直 辊面掉块现象， 要从矫直机矫直辊堆焊工艺、辊系装配工艺及矫 直工艺上进行改进。

3.1  优化矫直辊辊面堆焊工艺

合理控制矫直辊的硬化层，一方面要避免矫直辊车削后硬 化层的强度不足、硬化层太薄和内部基体的结合力小而造成的 硬化层剥落。另一方面又不能太厚， 太厚会使表面热处理工艺困 难，且淬硬层厚度太大，就很很难达到表面的高硬度，同时成本 也增加。为此三钢中板厂决定将矫直辊辊面淬硬合金层厚度定为 10mm~12mm， 整体抗拉强度强且有效使用厚度为 6mm， 使其 满足矫直 600℃ ~850℃钢板的长期运行，同时具备耐高温、高耐磨、高强度、高硬度、耐腐蚀 (水气)、防蠕变、防粘结 (氧化皮)、 高疲劳强度 ( 防网状裂纹和剥落)、可焊工艺性好等综合技术性 能。其次将原扁平式焊条改成圆形焊条， 减少单道次焊接宽度由 50mm 减至 15mm， 提高焊缝质密性， 保障焊接性能。

强化对辊子母材的检验。对辊子堆焊前进行反复多次的超 声波、磁粉、着色探伤，将辊子母材上的裂纹缺陷予以消除，确 保母材焊接前无裂纹。

3.2  优化支撑辊辊结构及其与矫直辊辊面硬度分配

对支撑辊辊子两端进行R8 的倒圆角，减少支撑辊辊肩对矫 直辊辊面造成的应力集中，同时在其使用周期内，定期对支撑 辊轴承座及矫直辊轴承座进行加垫调整，确保矫直辊与各支撑 辊辊面间隙在 0.05~0.10 范围内，确保矫直辊轴承座间间隙小于 0.5mm， 减少矫直辊与支撑辊之间的轴向力。

在保证矫直机矫直辊辊面硬度又不影响其延伸率，将辊面 硬度调至 53±2HRC，同时调整矫直辊与支撑辊的硬度差，将两 者硬度差控制在 6HRC~8HRC，减少支撑辊在矫直过程中对矫 直辊的磨损。

3.3  优化矫直工艺

在现有的钢板轧制工艺的前提下，对矫直工艺进行优化、调 整。首先，减少首道次矫直压下量以实现对钢板的粗矫，实现减 少钢板头尾对矫直辊辊面的撞击。其次，矫直过程分为咬钢、矫 直、抛钢，通过降低矫直时的咬钢速度及抛钢速度，减少钢板翘 头与翘尾进出矫直机时对上辊系各矫直辊辊面的撞击。最后， 平 衡两电机负荷与转速， 即要满足钢板头尾在进出辊系时， 两台主电机负荷相近又要减少两电机速差，进而减少上辊系两交接处 4#、6#矫直辊因速差的冲击，减少硬度层裂纹进一步扩大及剥 落的机率。

4  实施效果

去年三钢中板厂通过以上措施对矫直机矫直辊进行系统性 优化，2021 年以来未发生矫直辊掉块缺陷，取得了显著成效，有 效保障了矫直钢板的表面质量， 提高了矫直机辊系的稳定性。将 矫直辊单次装机使用寿命由 1 个月提升至 3 个月，每年可直接节 约因矫直辊掉块造成的钢板矫废及辊系修复费用共 80 万元。

5  结语

随着矫直钢种的不断升级，全液压压下矫直机上的辊系面 临更大的挑战。矫直辊掉块缺陷产生的原因是多方面的， 但主要 原因还是国产矫直辊制造技术的不足，其与进口矫直辊制造工 艺还有很大的差距。国产矫直辊材质及制造工艺还需结合现场 实践进一步研究、改进， 以提高国产矫直辊的使用寿命及市场竞争力。

参考文献

[1]  杨晓君，王效岗，王树环 . 全液压十一辊矫直机矫直力的计算 [J]. 中国重型装 备 ,2010（4）:24-26.
[2]  陈晶晶 . 浅谈中厚板矫直机原理及参数计算 [J]. 中国新技术新产品 ,2012 （14）:122.