本鋼熱軋2300生產(chǎn)線粗軋機工作輥在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)了4次斷裂事故。針對軋輥斷裂問題，用有限元Ansys/workbench工具校核其強度。分析認為：斷裂位置應力集中，安全系數(shù)最低，因此出現(xiàn)了相同位置斷裂事故。提出避免兩輥軋機工作輥斷輥的改進方案為：變更軋輥圖紙，將輥頸位置的徑向軸承的裝配區(qū)改成油膜軸承，提高安全系數(shù)；或者在不更改軋輥圖紙的前提下，將高鉻鋼材質(zhì)改成合金鍛鋼材質(zhì)，提高軋輥的材料的屈服強度，從而提高軋輥安全系數(shù)，避免表面出現(xiàn)斷裂。

本鋼熱軋2300生產(chǎn)線2008年投產(chǎn)，第一架粗軋機為兩輥軋機，工作輥采用離心復合高鉻鋼軋輥。在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)了4次兩輥軋機工作輥的斷裂。4次斷裂均發(fā)生在輥頸位置。每次斷輥，生產(chǎn)線停機處理時間都長達10 h，對軋線的正常生產(chǎn)運行構(gòu)成嚴重威脅，同時也造成了一定的經(jīng)濟損失。

軋輥斷裂分析

選取其中一次軋輥斷裂斷輥數(shù)據(jù)進行說明，肉眼觀察斷口位置，如圖1(a)所示，未見肉眼可見的鑄造缺陷，斷裂面平滑。在斷口的輥頸位置及芯部分別進行了金相檢測，金相檢測位置，石墨球化總體正常，組織未見異常，如圖2所示。調(diào)取分析了4次軋輥在機斷裂時軋制數(shù)據(jù)，咬鋼、拋鋼時軋制力、扭矩、電流都在正常范圍值(圖1(b))。經(jīng)超聲波及著色探傷檢測確認，排除了軋輥鑄造缺陷造成的斷裂。4次斷裂均發(fā)生在軋輥的同一位置，即輥頸與輥身的過渡圓弧處，一致性極強。同時斷裂前的軋制數(shù)據(jù)均正常，也基本排除了軋輥鑄造缺陷及軋制原因造成的斷裂可能。因此，用有限元Ansys/workbench分析工具對兩輥軋機的工作輥強度進行校核。

有限元分析

有限元模型的建立

根據(jù)工作輥結(jié)構(gòu)及載荷特點進行必要的簡化：取整個工作輥進行有限元分析，模型包括工作輥、軋材和軸承座，見圖3(a)。網(wǎng)格劃分采用空間20節(jié)點六面體單元，并在圓弧區(qū)域進行了細化設定。劃分單元時，共計得到1590326個節(jié)點，465048個單元，網(wǎng)格劃分模型如圖4(b)所示，此模型為多體接觸的非線性分析模型。

邊界條件

計算時，在軋材與工作輥、工作輥與軸承座間分別建立接觸，見圖4(a)。軸承座施加水平約束，鋼板下部垂直方向施加固定約束，見圖5(b)。軸承座上面施加3000 t軋制力，垂直向下的作用力，輥端施加最大軋制扭矩(1600 kN·m)的1.8倍扭矩，見圖4(c)。

結(jié)果分析

圖5為工作輥的Von-Mises應力分布云圖，最大應力為828.16 MPa，最大位置在輥身兩端與板材接觸的邊緣處，為高的局部接觸應力集中。除輥身與軋材接觸區(qū)外其余部分的應力均小于150 MPa。

圖5(c)為工作輥輥頸的Von-Mises應力分布云圖，最大應力為147.67 MPa，應力最大位置在輥頸R60的圓弧上，為高的局部應力集中?？拷伾淼?/span>R70圓弧上應力較高，達到了133.47 MPa，為局部較高的應力集中。另一R70圓弧上應力也較高，達到了135.35 MPa，為局部較高的應力集中，其余部分的應力均小于120 MPa。工作輥的芯部材質(zhì)為球墨鑄鐵，屈服強度極限為

通過模型校核驗證，此位置應力集中，安全系數(shù)最低，也正好驗證了4次軋輥為什么在相同位置斷裂的原因。

改進方案

熱連軋機的二輥可逆粗軋機架，軋制坯料厚、溫度高，軋制力、壓下量、咬入角等均高于其他機架，這樣就要求軋輥具有良好的抗扭強度和彎曲強度以及良好的咬入性能[1]。由于兩輥軋機沒有支撐輥，這樣就對軋輥的強度、韌性提出更高要求。

改進工作輥材質(zhì)

當前使用的工作輥材質(zhì)為離心鑄造高鉻鋼，芯部的材質(zhì)為球墨鑄鐵，受其材料限制，想要提高軋輥安全系數(shù)，需要改進為強韌性較好的合金鍛鋼軋輥，屈服強度極限為σs=700 Mpa，

因此安全系數(shù)提高了2倍。此外，鍛鋼材質(zhì)的工作輥的咬入性能、抗熱裂性能都要優(yōu)于高鉻鑄鋼軋輥，因此改進成鍛鋼材質(zhì)軋輥能夠滿足使用工況要求。

軋輥圖紙變更

軋輥輥身與輥頸部過渡圓弧太小，圓弧表面刀痕及腐蝕引起的疲勞裂紋等產(chǎn)生切口效應[2]。這種過渡圓弧對軋輥的安全性能影響極大，若不考慮成本因素，將當前軋輥輥頸形式進行修改，將輥頸的徑向軸承修改成油膜軸承，這樣圓弧倒角過渡會更為合理，同時輥頸變粗，提高軋輥輥頸的安全系數(shù)，可以避免工作輥斷裂。

結(jié)束語

熱軋兩輥粗軋機的工作輥斷裂主要原因為輥身與輥頸圓弧過渡角過小，容易產(chǎn)生應力尖峰，軋輥安全系數(shù)降低，改進的措施為：(1)變更軋輥圖紙，將輥頸位置的徑向軸承的裝配區(qū)改成油膜軸承，提高安全系數(shù)。(2)在不更改軋輥圖紙的前提下，為提高軋輥的材料的屈服強度，將高鉻鋼材質(zhì)改進成合金鍛鋼材質(zhì)，可以提高軋輥安全系數(shù)，避免表面出現(xiàn)斷裂。

文章來源——金屬世界