本鋼熱軋2300生產(chǎn)線粗軋機(jī)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(qiáng)度。分析認(rèn)為：斷裂位置應(yīng)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(jī)工作輥斷輥的改進(jìn)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(qiáng)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(jī)為兩輥軋機(jī)，工作輥采用離心復(fù)合高鉻鋼軋輥。在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)了4次兩輥軋機(jī)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(jī)處理時間都長達(dá)10 h，對軋線的正常生產(chǎn)運(yùn)行構(gòu)成嚴(yán)重威脅，同時也造成了一定的經(jīng)濟(jì)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(jìn)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(jìn)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(jī)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(rèn)，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(qiáng)。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(jī)的工作輥強(qiáng)度進(jìn)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(diǎn)進(jìn)行必要的簡化：取整個工作輥進(jìn)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(diǎn)六面體單元，并在圓弧區(qū)域進(jìn)行了細(xì)化設(shè)定。劃分單元時，共計(jì)得到1590326個節(jié)點(diǎn)，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(jì)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(yīng)力分布云圖，最大應(yīng)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(yīng)力集中。除輥身與軋材接觸區(qū)外其余部分的應(yīng)力均小于150 MPa。

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

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

改進(jìn)方案

熱連軋機(jī)的二輥可逆粗軋機(jī)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(jī)架，這樣就要求軋輥具有良好的抗扭強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度以及良好的咬入性能[1]。由于兩輥軋機(jī)沒有支撐輥，這樣就對軋輥的強(qiáng)度、韌性提出更高要求。

改進(jìn)工作輥材質(zhì)

當(dāng)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(jìn)為強(qiáng)韌性較好的合金鍛鋼軋輥，屈服強(qiáng)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(jìn)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(yīng)[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(dāng)前軋輥輥頸形式進(jìn)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(jī)的工作輥斷裂主要原因?yàn)檩伾砼c輥頸圓弧過渡角過小，容易產(chǎn)生應(yīng)力尖峰，軋輥安全系數(shù)降低，改進(jìn)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(qiáng)度，將高鉻鋼材質(zhì)改進(jìn)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