張偉旗

(江西銅業(yè)集團(tuán)銅材有限公司,江西 貴溪 335424)

江銅集團(tuán)銅材公司分別于2003年、2006年引進(jìn)了美國(guó)南線公司SCR3000、SCR4500連鑄連軋銅桿生產(chǎn)線,設(shè)計(jì)熔銅速率分別為25、35 t/h,產(chǎn)品為φ8 mm銅桿,年設(shè)計(jì)總產(chǎn)能為37萬(wàn)t/a[1]。軋輥屬于SCR銅桿生產(chǎn)線的關(guān)鍵部件,也是易損易耗件,失效快、更換周期短、輥耗大、資金占用大,特別在銅加工業(yè)飛速發(fā)展的今天,軋輥的質(zhì)量和作用至關(guān)重要,將直接影響SCR銅桿生產(chǎn)線的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。因而,采用熱軋法如何保證銅桿產(chǎn)品質(zhì)量、提高軋輥使用周期,是目前國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)重點(diǎn)關(guān)注和研究的重大課題。

軋輥是摩根連軋機(jī)組的重要組成部分,也是銅桿金屬產(chǎn)生塑性變形的重要工具。它是利用一對(duì)或成組軋輥滾動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的壓力來(lái)軋碾銅桿,主要承受軋制時(shí)的動(dòng)靜載荷、磨損和溫度變化的影響,決定著整條SCR銅桿生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率、銅桿產(chǎn)品質(zhì)量和成本能耗。投產(chǎn)初期,該公司擬對(duì)兩條SCR銅桿生產(chǎn)線進(jìn)行消化、吸收及再創(chuàng)新,由于對(duì)軋輥使用管理經(jīng)驗(yàn)不足,造成軋輥剝落、裂紋、粘銅、表面坑洞、磨損及斷輥等失效現(xiàn)象居高不下,銅桿產(chǎn)品質(zhì)量控制難,大幅降低了摩根連軋機(jī)組的高效穩(wěn)定性,軋輥使用壽命短、輥耗大,加之國(guó)內(nèi)軋輥市場(chǎng)持續(xù)低迷,原材料價(jià)格上漲,同行競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈,導(dǎo)致生產(chǎn)成本陡增。因而,針對(duì)SCR摩根軋機(jī)軋輥失效機(jī)理進(jìn)行分析及優(yōu)化改進(jìn),意義重大。

1 摩根連軋機(jī)組設(shè)計(jì)原理

SCR3000、SCR4500連鑄連軋銅桿生產(chǎn)線采用美國(guó)Asarco公司豎爐熔化、五輪鋼帶式澆鑄機(jī)連鑄,澆鑄出的梯形截面銅鑄錠僅需彎曲一定的角度,由夾送輥輸送至旋轉(zhuǎn)式剪切機(jī)切頭或切除不合格產(chǎn)品,由預(yù)處理機(jī)削去棱角后,可直接放入摩根二輥懸臂式連軋機(jī)即無(wú)扭轉(zhuǎn)軋機(jī),由粗軋機(jī)將截面積分別為3 800、5 700 mm2的銅鑄坯壓軋后,再由精軋機(jī)經(jīng)多道次壓軋成φ8 mm銅桿。摩根軋機(jī)各軋輥箱之間排列呈垂直-水平交替方式,軋制銅桿在各工位之間不產(chǎn)生扭轉(zhuǎn),具有換輥快、輥隙調(diào)整便利、軋制質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)。

軋輥既是摩根軋機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵內(nèi)容,也是生產(chǎn)組織的重點(diǎn)管理對(duì)象。SCR銅桿摩根軋機(jī)擁有美國(guó)專利技術(shù)。SCR3000、SCR 4500生產(chǎn)線各設(shè)有10、11個(gè)機(jī)架,采用多站連續(xù)式軋機(jī)、成對(duì)和成組軋輥模式,每一個(gè)軋輥機(jī)架(含粗精軋)設(shè)有兩個(gè)懸臂,外側(cè)軸套上裝有軋輥,有8吋、12吋、16吋三種尺寸規(guī)格。SCR3000粗軋機(jī)由2個(gè)12吋工作站組成,由一個(gè)垂直粗軋和一個(gè)水平粗軋相互匹配構(gòu)成。SCR4500粗軋機(jī)由1個(gè)16吋工作站和2個(gè)12吋工作站組成,由兩個(gè)垂直粗軋和一個(gè)水平粗軋相互匹配構(gòu)成。SCR3000、SCR4500精軋機(jī)皆設(shè)八個(gè)工作站,各由4個(gè)水平、4個(gè)垂直精軋站構(gòu)成。為保持軋制銅桿的對(duì)直,其以水平精軋為起點(diǎn),與垂直精軋交替配合。粗精軋工作站軋輥呈平、立交替布置,以橢圓-圓孔形系統(tǒng)軋制銅桿。摩根軋輥材料常采用鉻-鉬熱作模具鋼,相當(dāng)于國(guó)產(chǎn)H13(4Cr5MoSiV1)或SM8407,其軋制或軋碾銅桿是靠滾動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的擠壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

SCR銅桿連鑄連軋的生產(chǎn)工藝為：加料提升機(jī)→豎爐→上溜槽→渣箱→回轉(zhuǎn)式保持爐→下溜槽→中間包→五輪鋼帶式澆鑄機(jī)→旋轉(zhuǎn)剪→預(yù)處理機(jī)→摩根粗軋機(jī)組→精軋機(jī)組→無(wú)酸處理裝置→探傷儀→卷曲夾送輥→噴蠟裝置→卷曲打包裝置。SCR銅桿摩根連軋機(jī)設(shè)備結(jié)構(gòu)圖,見圖1。熱軋過程中,合理控制銅鑄坯的加熱、軋制和冷卻,可使范性形變與固態(tài)相變過程相結(jié)合,獲得良好的晶粒組織。其工作原理是高溫銅鑄坯在成對(duì)、成組旋轉(zhuǎn)軋輥之間受到壓軋縮小而產(chǎn)生塑性變形,連軋可使銅鑄坯在高度方向受到壓縮,在縱向和寬度方向得以延伸,由PLC程序控制匹配出與系統(tǒng)相適應(yīng)的轉(zhuǎn)速,由各軋機(jī)工作站不同孔型的軋輥壓軋成所需尺寸、形狀和組織性能。其主要特點(diǎn)是軋制時(shí)一根軋件同時(shí)處于若干機(jī)架內(nèi)并保持秒體積相等。要使大規(guī)格尺寸銅鑄坯經(jīng)多道次壓軋成φ8 mm銅桿,就必須計(jì)算變形量、合理配比模具、設(shè)計(jì)合適槽型的模具,才能有效實(shí)現(xiàn)軋制過程。摩根軋機(jī)的技術(shù)水平在相當(dāng)程度上則取決于軋輥結(jié)構(gòu)尺寸、材質(zhì)性能和使用維修管理。

圖1 SCR銅桿摩根連軋機(jī)設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

為細(xì)化晶粒,粗軋機(jī)常采用壓下量較大,如SCR3000、SCR4500粗軋常以后2道次斷面收縮率為最大,可達(dá)47.2%。為延長(zhǎng)軋輥使用壽命,高壓低溫冷卻乳液既可有效快速降溫,又可沖刷掉軋輥上的高溫氧化銅皮、銅粒子及其它夾雜硬物；銅鑄坯入軋溫度約850℃,銅桿終軋溫度為600～650℃,后幾道次軋制變形時(shí),銅桿溫度已降至較低,硬度升高,會(huì)促使軋輥摩擦加劇,而磨損則是導(dǎo)致后幾道次軋輥損傷的影響要因之一。

2 軋輥的主要失效形式及性能要求

根據(jù)摩根軋機(jī)工作原理,以軋輥?zhàn)鳂I(yè)條件最惡劣、最復(fù)雜,作業(yè)溫度高達(dá)840～860℃,需經(jīng)歷高溫、高壓、大摩擦應(yīng)力和振動(dòng)等工況,主要承受磨損、急冷急熱及動(dòng)靜載荷的復(fù)雜變化影響,軋輥與高溫銅桿長(zhǎng)時(shí)間接觸,熱輻射高,軋輥吸熱大,需承受循環(huán)加熱、冷卻,承受因急冷急熱引起的熱疲勞作用較大；軋制銅桿對(duì)軋輥的反作用力,使軋輥需承受巨大的軋制力和摩擦力。軋輥的應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜且多變,如高溫銅桿對(duì)軋輥的熱輻射、水冷軋輥引起的周期性熱應(yīng)力,軋制負(fù)荷引起的接觸、剪切及殘余等應(yīng)力；軋輥設(shè)計(jì)、選材、制作工藝等不合理,或軋制時(shí)卡銅等引起局部發(fā)熱和熱沖擊等,皆易導(dǎo)致軋輥失效。

通過檢測(cè)已失效軋輥硬度,分析其金相組織,發(fā)現(xiàn)摩根軋機(jī)軋輥的主要失效形式有剝落、裂紋、粘銅、表面坑洞、磨損及斷輥等。軋輥失效可分為正常和非正常失效,正常失效是指摩擦和修磨等損耗；非正常失效是指因制造或使用原因而提前報(bào)廢,如軋輥表面剝落、表面裂紋、輥身或輥徑斷裂等,致使軋輥工作層的利用率僅達(dá)到50%甚至更低,這是造成輥耗陡增的主因之一。任何失效形式皆會(huì)直接降低軋輥使用壽命。應(yīng)研究軋輥失效形式及其機(jī)理,并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際,從而找出提高軋輥使用壽命的有效途徑。

軋輥在高溫、高壓、周期性作用力沖擊等條件下作業(yè),為保證摩根軋機(jī)性能優(yōu)良、運(yùn)行效率高,軋輥需滿足的主要性能要求有：高強(qiáng)度、足夠的剛度和紅硬性、良好的熱穩(wěn)定性；冶金質(zhì)量純凈,金相組織細(xì)小且均勻,可保證軋輥材料抗疲勞強(qiáng)度強(qiáng)；良好的耐磨性、抗高溫氧化性和耐分解性,可提升軋制效率,延長(zhǎng)換輥周期；淬硬層足夠深,可滿足軋輥工作層深度的需求,無(wú)需重淬軋輥；輥身表面硬度高且均勻,可保證軋制銅桿表面質(zhì)量良好,無(wú)缺陷；抗事故性能強(qiáng),發(fā)生軋制事故時(shí),能簡(jiǎn)便有效地操作軋輥。

3 軋輥失效機(jī)理分析及優(yōu)化改進(jìn)

3.1 剝落

該失效形式最常見?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)研表明,不正常爆輥、剝落等是軋輥早期失效的主因,其失效機(jī)理極為復(fù)雜,既與軋輥內(nèi)在質(zhì)量如坯料材質(zhì)、澆注、鍛造與熱處理等冶金缺陷直接有關(guān),又與使用維護(hù)不當(dāng)密切相關(guān),即使軋輥制作質(zhì)量再好,若使用維修管理不當(dāng),也易發(fā)生剝落事故。該失效形式需經(jīng)歷一個(gè)較長(zhǎng)的疲勞過程,并非瞬間發(fā)生的。

根據(jù)裂紋源的起始位置,剝落可劃分為源于軋輥表面、輥身次表層、輥身內(nèi)部的剝落。微裂紋擴(kuò)展易使軋輥表面剝落,導(dǎo)致軋輥報(bào)廢頻率較高。修磨量小(未清除微裂紋)、磨削損傷、換輥周期過長(zhǎng)、軋制事故等是引起輥身表面剝落的主因,先是在軋輥表面產(chǎn)生微裂紋,微裂紋會(huì)沿著軋輥轉(zhuǎn)動(dòng)反方向向四周擴(kuò)展至過渡層內(nèi)部,待開裂至一定程度后即瞬時(shí)開裂,突然呈現(xiàn)大面積、大塊、斷口裂紋紊亂的脫落。由軋輥長(zhǎng)期循環(huán)接觸疲勞產(chǎn)生的次表層裂紋擴(kuò)展、近表層夾渣或淺表層心部結(jié)晶等冶金缺陷是引起輥身次表層剝落的主因。而由殘余應(yīng)力、夾渣和碳化物分布異常等冶金缺陷則是引起軋輥內(nèi)部剝落的主因。

軋輥質(zhì)量最主要是指軋槽孔表面硬度和粗糙度,其主要指標(biāo)是指軋輥工作面的耐磨性和內(nèi)外材質(zhì)硬度的均勻性。必須把好軋輥驗(yàn)收關(guān),凡工作面有碰傷、刮傷、裂紋、坑洞缺陷、槽型不對(duì)、尺寸不合的,硬度不符合驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)或?qū)崪y(cè)硬度值差超過2%的,皆判為不合格品,退回供應(yīng)商。應(yīng)保證上機(jī)軋輥質(zhì)量,硬度為50±2HRC,內(nèi)部材質(zhì)硬度檢測(cè)均勻,且安裝前軋輥工作面無(wú)凹坑、麻點(diǎn)和砂眼等冶金缺陷。應(yīng)加強(qiáng)軋輥日常使用維修管理,下機(jī)軋輥使用前必須內(nèi)部探傷排查缺陷,并做好定量記錄和分析,判斷其原始缺陷是否擴(kuò)展、擴(kuò)展速度及范圍,若缺陷不擴(kuò)展,可酌情使用并跟蹤,若缺陷擴(kuò)展必須停用。

3.2 裂紋

該失效形式最常見。軋輥裂紋大多發(fā)生于軋輥工作面淺表層。軋輥需承受急冷急熱循環(huán)交替的劇烈變化,在周期性交變熱應(yīng)力的影響下,易產(chǎn)生熱疲勞裂紋。裂紋產(chǎn)生初期,整個(gè)軋輥表面裂紋呈網(wǎng)絡(luò)狀均勻分布,深度較淺,但受軋制機(jī)械力和熱應(yīng)力等多種作用力的綜合影響下,會(huì)誘發(fā)其它故障或斷輥。其影響主因有熱循環(huán)應(yīng)力、拉應(yīng)力及塑性應(yīng)變等,其中塑性應(yīng)變會(huì)產(chǎn)生裂紋,拉應(yīng)力會(huì)促使裂紋的擴(kuò)展。其實(shí),軋輥疲勞層并非固定的,主要與軋輥類型和最后一個(gè)使用周期過銅量有關(guān),若超過極限過銅量,疲勞層塑性大幅降低,易產(chǎn)生疲勞層微裂紋。投產(chǎn)初期,由于該公司制訂的換輥周期不科學(xué),使用周期過長(zhǎng),軋輥加工硬化層加深,材料脆性加重,增加了裂紋和剝落的可能性[2]。

為降低熱疲勞裂紋的發(fā)生率,防止裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展,應(yīng)選擇抗熱疲勞、開裂敏感度好的軋輥材質(zhì)；應(yīng)合理分布冷卻乳液,保證供乳液量充足且壓力正常；要嚴(yán)格把控?fù)Q輥周期,避免軋制量過多；應(yīng)車削干凈軋輥表面微裂紋,輥徑每道次車修量均符合車修規(guī)范,車修后軋輥內(nèi)孔、外徑、槽型均應(yīng)符合設(shè)計(jì)的要求；應(yīng)利用分級(jí)淬火、等溫淬火、真空淬火等優(yōu)化軋輥熱處理工藝,細(xì)化其內(nèi)部組織,提升其強(qiáng)度和抗熱疲勞性能；采取滲氮處理、硫氮碳共滲、鹽浴滲鉻、硼碳氮共滲、鹽浴氮碳釩共滲等表面化學(xué)處理方式,使其表面形成大量高硬度、高熔點(diǎn)且細(xì)小彌散的合金碳氮化物,以提高其表面耐磨性和熱強(qiáng)性；宜采用激光或等離子熔覆技術(shù)修復(fù)軋輥表面,以前者應(yīng)用最廣泛。熔覆材料選用H13粉末+適量TiC陶瓷增強(qiáng)相,且熔化過程是動(dòng)態(tài)的,熔覆修復(fù)后的軋輥批量投入使用后,軋輥表面質(zhì)量穩(wěn)定,可調(diào)整軋輥表面尺寸,提升其表面耐磨性和強(qiáng)韌性,軋輥使用壽命長(zhǎng)。為保險(xiǎn)起見,軋輥每使用2天應(yīng)檢查其表面是否氧化、龜裂,表面光潔度是否大幅降低等。

3.3 磨損

該失效形式最常見。其影響主因有：軋制力、軋制長(zhǎng)度(里程)、軋輥材質(zhì)、軋桿材質(zhì)、軋輥孔型及潤(rùn)滑狀況等。軋輥磨損易使輥型變化和輥面質(zhì)量惡化,也是影響銅桿產(chǎn)品表面質(zhì)量和合格率的主因之一。其磨損機(jī)理研究復(fù)雜、形式多樣且呈現(xiàn)時(shí)變性,屬于交叉及邊緣科學(xué)范疇,涉及金屬材料學(xué)、摩擦學(xué)、傳熱學(xué)、塑性變形及斷裂理論等學(xué)科,其實(shí)際磨損過程則是隨機(jī)、動(dòng)態(tài)的,類似于其它磨損,疲勞磨損是其主要表現(xiàn)形式。

根據(jù)摩擦學(xué)理論,軋輥磨損是指軋輥宏觀和微觀尺寸的變化。宏觀磨損肉眼可見,而微觀磨損則是一種磨耗。軋輥表面磨損同時(shí)包括宏觀、微觀磨損,具體表現(xiàn)為輥徑的不斷縮小。在幾何和物理?xiàng)l件上,軋輥與其它金屬磨損有所區(qū)別,其影響主因有高溫銅桿、銅桿對(duì)軋輥表面產(chǎn)生的周期性接觸應(yīng)力、氧化銅皮、乳化液、輥面硬度等。實(shí)際工作條件下,軋輥表面影響因素極為復(fù)雜,如高溫氧化銅皮被壓軋破碎,不斷磨削軋輥輥面形成磨粒磨損；高溫銅桿被壓軋與軋輥輥面緊密接觸,對(duì)輥面產(chǎn)生粘著磨損；在周期性承卸載、急冷急熱過程中,軋輥承受著接觸應(yīng)力和冷熱疲勞應(yīng)力,當(dāng)循環(huán)應(yīng)力超過軋輥材料疲勞強(qiáng)度時(shí),即產(chǎn)生疲勞磨損；摩擦使軋輥表面溫升、氧化加速,在載荷作用下使氧化層破裂,會(huì)產(chǎn)生氧化腐蝕磨損。生產(chǎn)實(shí)踐證明,乳化液夾雜大量氧化銅皮作用于輥面時(shí),會(huì)迅速惡化軋輥工況條件,加劇軋輥磨損；當(dāng)磨損至一定程度時(shí),難以保障軋輥硬度和表面粗糙度,易產(chǎn)生銅桿表面缺陷；軋輥表面磨損嚴(yán)重時(shí),其軋槽表面形狀會(huì)變化,改變主、從動(dòng)輥之間的輥縫,無(wú)法滿足軋制銅桿尺寸和表面質(zhì)量的要求,導(dǎo)致軋輥使用壽命普遍過短,輥耗大。

投產(chǎn)初期,軋輥定期更換周期是憑借該公司長(zhǎng)期生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)或軋輥供應(yīng)商的試驗(yàn),軋輥過早或過晚維修成為常態(tài)。軋輥工作面磨損危害較大,會(huì)嚴(yán)重影響軋制銅桿產(chǎn)品質(zhì)量。熱連軋銅桿過程中,軋輥磨損量、磨損規(guī)律難以定量控制,軋輥磨損研究對(duì)實(shí)際生產(chǎn)意義重大。根據(jù)摩擦學(xué)、概率論和可靠性理論,通過分析大量實(shí)測(cè)的換輥修磨數(shù)據(jù),可創(chuàng)建軋輥隨機(jī)磨損模型,并以此創(chuàng)建平均更換成本最低的最優(yōu)更換模型,找到生產(chǎn)低成本、高質(zhì)量銅桿的最優(yōu)更換周期,可實(shí)際反映軋輥磨損過程的隨機(jī)性和動(dòng)態(tài)性。生產(chǎn)實(shí)踐證明,該軋輥?zhàn)顑?yōu)更換模型具有很強(qiáng)的可行性、合理性和有效性?？刹捎枚押浮釃娡?、刷鍍和激光熔覆等技術(shù)修復(fù)磨損軋輥,以堆焊、熱噴涂為主。重車或重磨軋輥時(shí),應(yīng)加大磨削量,配合磁粉或超聲波探傷,提高磨削質(zhì)量,徹底消除壓應(yīng)力裂紋,預(yù)防斷輥；當(dāng)輥徑縮小至一定尺寸后,可采用堆焊方法修復(fù),并加強(qiáng)跟蹤和檢查,以提高軋輥使用壽命。

3.4 粘銅

該失效形式較常見。軋輥粘銅多發(fā)生于粗軋后幾個(gè)道次、精軋前幾個(gè)道次。其影響主因是熱軋潤(rùn)滑條件不良、乳化液質(zhì)量較差、軋輥裂紋、軋制規(guī)程不合理等。潤(rùn)滑不良時(shí),軋輥與銅桿摩擦加劇,惡化了粘輥現(xiàn)象。銅桿軋制時(shí)劇烈變形,易嚴(yán)重破壞其表層氧化膜,使其與軋輥直接接觸,失去隔離保護(hù)作用,輥面易粘銅,導(dǎo)致銅桿表面質(zhì)量較差,這是由銅自身的物理化學(xué)屬性所決定的。軋輥粘銅屬于軋制事故,會(huì)使輥面局部產(chǎn)生瞬時(shí)高溫高壓,淬火組織馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌M織且體積收縮,產(chǎn)生的局部拉應(yīng)力會(huì)降低熱影響區(qū)強(qiáng)度或提前產(chǎn)生表面裂紋,軋輥產(chǎn)生小面積的剝落損傷,會(huì)嚴(yán)重影響銅桿表面質(zhì)量及后續(xù)拉絲工序,使拉制銅細(xì)線過程中的斷線率大增、銅粉量增多,軋輥使用壽命大幅降低。

原設(shè)計(jì)摩根軋機(jī)每組軋輥表面冷卻均設(shè)有兩組對(duì)稱環(huán)形低壓乳液冷卻裝置,共采用八個(gè)額定壓力值為0.69 MPa的乳液噴嘴,僅噴淋輥縫出口側(cè)軋輥表面,噴淋面積約占整個(gè)軋輥表面的1/3,卻未設(shè)計(jì)高壓乳液噴淋軋輥兩側(cè)面,噴淋在立式軋輥表面的乳化液靠自身重力,大多從軋輥側(cè)面流失,難以流入輥縫,即使是輥縫中的乳化液,由于蒸發(fā)快也無(wú)法建立有效的潤(rùn)滑膜,隔離效果不良。原設(shè)計(jì)缺陷是乳液冷卻壓力低,軋輥工作面結(jié)垢快、清理難、表面易打滑,會(huì)引起材質(zhì)腐蝕、剝落等,造成軋制銅桿表面粗糙不光滑、易劃傷,嚴(yán)重影響銅桿產(chǎn)品品質(zhì),軋輥使用壽命低,成為生產(chǎn)技術(shù)的“瓶頸”。

熱連軋銅桿的理想條件是在銅桿與軋輥之間同時(shí)建立乳化液潤(rùn)滑膜和氧化膜,可有效將軋輥與銅桿隔離開,防止其直接接觸產(chǎn)生粘著現(xiàn)象。在軋制變形區(qū),高溫銅桿與軋輥溫差較大,雖有潤(rùn)滑膜隔離,但兩者存在熱傳導(dǎo),高溫銅桿大部分熱量會(huì)傳至軋輥表面,迫使軋輥表面溫度陡升；當(dāng)軋輥表面旋轉(zhuǎn)至乳液噴淋區(qū)域時(shí),大面積噴淋低溫乳化液又使軋輥表面溫度驟降。此時(shí),軋輥表面也會(huì)發(fā)生微小變形。受循環(huán)急冷急熱、微小變形影響,軋輥表層殘余應(yīng)力累積漸大,當(dāng)超過其斷裂應(yīng)力時(shí),軋輥表面會(huì)產(chǎn)生熱疲勞裂紋,有利于粘輥在裂紋處形核。高溫銅桿易在軋輥表面裂紋處產(chǎn)生局部塑性變形,累積至發(fā)生局部塑性失穩(wěn)時(shí),會(huì)使銅桿表面部分碎片撕裂且粘附于此,粘著物漸多,加劇了粘輥現(xiàn)象[3]。

軋輥高壓乳液噴刷清理裝置,如圖2所示。為使軋輥組能得以快速、充分和均勻冷卻,該公司發(fā)明了一種新型軋輥高壓乳液噴刷清理裝置,實(shí)用新型專利號(hào)為ZL2010 2 0515114.7,可徹底解決原乳液冷卻壓力低,軋輥表面易高溫腐蝕、結(jié)垢、剝落等現(xiàn)象。其采用的技術(shù)方案是在軋輥側(cè)面對(duì)稱設(shè)置兩只高壓乳液冷卻噴頭,由新設(shè)計(jì)的一條專用液壓管路和一臺(tái)高壓乳液泵供液；該高壓乳液冷卻噴頭與環(huán)形低壓乳液冷卻裝置的乳液沖刷管路實(shí)現(xiàn)互補(bǔ),形成軋輥高壓乳液噴刷清理裝置,可及時(shí)冷卻和清理軋輥表面。該發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,裝拆方便,操作靈活,安全可靠,實(shí)用性強(qiáng),軋輥使用壽命高,能耗低,可有效地解決銅桿表面易劃傷、較粗糙等品質(zhì)問題,使用效果十分顯著。

圖2 軋輥高壓乳液噴刷清理裝置

3.5 表面坑洞

該失效形式較常見。以摩根軋機(jī)粗軋進(jìn)入精軋的第一道次即SCR3000 3#工作站、SCR4500 4#工作站精軋輥?zhàn)顕?yán)重,報(bào)廢率約50%。軋輥表面坑洞影響主因有：軋輥選材不當(dāng)、冶金缺陷、氧化銅皮或其它夾雜硬物、軋輥安裝不正確或間隙過小等。

SCR3000 3#～10#工作站、SCR4500 4#～11#工作站精軋輥使用一段時(shí)間后,需定期下機(jī)車修,若軋輥表面硬度已降至原始硬度,說明疲勞層已車修干凈,通常需車修至軋輥表面無(wú)裂紋、無(wú)坑洞方可,經(jīng)噴丸處理后再交付使用,如此直至車修至極限尺寸為止。若軋輥存在疏松、夾渣、砂眼、氣孔等冶金缺陷,可利用焊補(bǔ)、刷鍍、粘接、噴涂等技術(shù)修復(fù)。車修軋輥時(shí),應(yīng)優(yōu)化軋輥車修工藝,避免產(chǎn)生走刀痕、振紋、斜振紋、劃傷及燒傷等輥面車修缺陷,降低車修進(jìn)刀量,避免產(chǎn)生加工硬化,影響軋輥表面硬度值。

3.6 斷輥

該失效形式較少見,但破壞也最致命。斷輥可分為疲勞裂紋斷輥和一次性瞬間斷輥。按軋輥技術(shù)要求標(biāo)準(zhǔn),觀察軋輥斷口形貌、顏色,檢查斷輥部位,分析其化學(xué)成分、金相組織及力學(xué)理論,發(fā)現(xiàn)斷輥部位主要發(fā)生在輥頸處、軋輥孔型處、輥身與輥頸交界處,以輥徑處最嚴(yán)重。引起斷輥的應(yīng)力主要有：制造過程的殘余應(yīng)力、軋輥內(nèi)外溫差形成的熱應(yīng)力、軋制過程中機(jī)械應(yīng)力或組織應(yīng)力,軋輥應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜多變、不均勻且隨機(jī)性大,軋輥事故診斷檢測(cè)難,使軸承燒損、瞬間斷輥等事故幾率增大,使用維修難。

斷輥的影響主因是軋輥表面剝落、材料破裂、裂紋及疲勞破壞等。軋輥受彎曲、剪切、扭轉(zhuǎn)、熱應(yīng)力及接觸應(yīng)力等各種周期應(yīng)力的作用,沿輥身不均勻分布的應(yīng)力復(fù)雜且多變。軋輥選材不當(dāng),材料性能不良,設(shè)計(jì)、熱處理工藝不合理,軋輥存在空心、夾雜、內(nèi)部晶粒粗大、網(wǎng)狀滲碳體、芯部疏松等冶金缺陷,會(huì)使軋輥內(nèi)應(yīng)力增大、力學(xué)能力降低,萌生出裂紋,裂紋擴(kuò)展直至產(chǎn)生斷輥；軋輥冷卻不當(dāng),供乳液不足,軋輥受熱不均,會(huì)造成軋輥局部溫度升高、局部組織晶粒粗大,強(qiáng)度降低易形成局部裂紋；乳液供應(yīng)充足,軋輥急冷會(huì)使其內(nèi)部晶粒變細(xì)而產(chǎn)生拉應(yīng)力,超過材料強(qiáng)度極限時(shí)會(huì)斷裂；斷乳液軋制事故危害較大,軋輥極易產(chǎn)生裂紋甚至報(bào)廢；軋輥卡銅,會(huì)造成局部發(fā)熱,引起熱沖擊；誤操作,易造成軋制黑桿、低溫桿；操作不當(dāng),會(huì)使軋制銅桿喂錯(cuò)孔型而進(jìn)入較小規(guī)格孔型,某道次軋輥壓下量調(diào)整過大,皆會(huì)造成壓下量過大,使軋制變形抗力陡增,使軋制壓力超過許用應(yīng)力；軋輥磨損、冷卻不均,易使軋輥局部缺陷漸大,進(jìn)而產(chǎn)生疲勞裂紋而斷裂。

為研究軋輥斷裂失效,保證軋制參數(shù)合理,可創(chuàng)建熱軋銅桿-軋件有限元模型,針對(duì)熱軋銅桿過程進(jìn)行有限元?jiǎng)討B(tài)模擬；針對(duì)無(wú)裂紋工作輥的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng),利用三維模型進(jìn)行耦合計(jì)算,分析溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)及熱應(yīng)力的變化規(guī)律；根據(jù)軋制過程中每一道次銅桿軋制變形溫度的分布情況,摸索出銅桿斷面高度的形變規(guī)律,找到最易產(chǎn)生裂紋的位置[4]。要合理選擇軋輥材質(zhì)或應(yīng)用新材質(zhì)；為降低軋制壓力,應(yīng)合理設(shè)計(jì)軋輥孔型、分配壓下量,優(yōu)化軋制工藝,合理分配延伸系數(shù),減少不均勻磨損；應(yīng)保證軋輥乳液噴嘴角度適宜、無(wú)堵塞,供應(yīng)乳液壓力正常,乳液量充足且濃度適宜；需合理控制軋輥溫度,減少軋輥的溫度梯度,有效降低軋輥熱應(yīng)力；發(fā)生斷乳液軋制事故時(shí),嚴(yán)禁立即送低溫冷卻乳液,需待軋制結(jié)束,速換輥緩冷,要結(jié)合實(shí)際進(jìn)行科學(xué)化處理；需防止軋制銅桿下扎或翹頭,造成卡銅；杜絕誤操作,防止軋制壓力增加,使軋輥產(chǎn)生疲勞裂紋而斷輥；停機(jī)時(shí),需重點(diǎn)排查軋輥工作表面是否存在劃痕、裂紋、粘銅、坑洞等缺陷,及時(shí)修復(fù)或更換問題軋輥。

為提升摩根軋機(jī)的生產(chǎn)效率和銅桿產(chǎn)品質(zhì)量,必須加強(qiáng)軋輥全壽命管理,保證每套軋輥的總過銅量,提高軋輥的單槽過銅量,有效預(yù)防斷輥事故；需對(duì)新進(jìn)軋輥進(jìn)行時(shí)效處理,以消除軋輥產(chǎn)生的各種殘余應(yīng)力；將軋輥失效、軋制事故處理方法及換輥制度等納入《軋輥工藝技術(shù)規(guī)程》,以實(shí)現(xiàn)軋輥使用維修的科學(xué)化、規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化,可充分滿足快節(jié)奏生產(chǎn)的需求,大幅降低輥耗,達(dá)到“提質(zhì)增產(chǎn)、降本增效”之目的。

4 結(jié)語(yǔ)

生產(chǎn)實(shí)踐表明,該公司針對(duì)SCR銅桿摩根軋機(jī)軋輥失效機(jī)理進(jìn)行分析及優(yōu)化改進(jìn)是成功的。軋輥失效影響因素多且復(fù)雜,其失效損壞形式也不盡相同。優(yōu)化改進(jìn)后,該公司軋輥失效現(xiàn)象已大幅減少,已實(shí)現(xiàn)最大限度降低輥耗,社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。

(1)可實(shí)現(xiàn)摩根連軋機(jī)組的高效、連續(xù)和穩(wěn)定生產(chǎn),有效作業(yè)效率可提高30%以上,軋輥失效現(xiàn)象少,事故停機(jī)時(shí)間短,銅桿內(nèi)部金相組織良好,一、二級(jí)品率達(dá)83%以上。

(2)修磨量小(未清除微裂紋)、磨削損傷、換輥周期過長(zhǎng)、軋制事故等是引起軋輥表面剝落的影響主因。軋輥選材不當(dāng)、冶金缺陷、氧化銅皮或其它硬物、安裝不正確或間隙過小等,是產(chǎn)生軋輥表面坑洞的影響主因。應(yīng)避免軋輥使用維修管理不當(dāng),加強(qiáng)軋輥使用過程中的無(wú)損探傷檢測(cè),杜絕缺陷輥繼續(xù)上機(jī)使用。

(3)應(yīng)選擇抗熱疲勞、開裂敏感度好的軋輥材質(zhì),嚴(yán)格把控?fù)Q輥周期,避免軋制量過多,車削干凈軋輥表面微裂紋,可有效地降低軋輥熱疲勞裂紋的發(fā)生率。

(4)創(chuàng)建軋輥隨機(jī)磨損模型、最優(yōu)更換模型,可摸索出軋輥?zhàn)顑?yōu)更換周期,大幅降低軋輥磨損率,避免軋制量過多,軋輥使用壽命長(zhǎng),銅桿噸產(chǎn)品輥耗小。

(5)發(fā)明軋輥高壓乳液噴刷清理裝置,可大幅提升銅桿表面質(zhì)量,使產(chǎn)生軋輥表面裂紋和粘著現(xiàn)象明顯得以改善,軋輥粘銅現(xiàn)象極少。

(6)軋輥表面剝落、材料破裂、裂紋及疲勞破壞等是導(dǎo)致斷輥現(xiàn)象的影響主因。必須加強(qiáng)軋輥全壽命管理,保證每套軋輥總過銅量,提高軋輥單槽過銅量。