王大鹏，赵席春，郭 峰

支承辊的主要失效形式分为以下三种：裂纹、剥落、断辊。其中，剥落是支承辊最常见的失效形式。产生剥落的原因分为内因、外因及两者的共同作用。国内外很多文献对轧辊剥落的原因已做过细致的分析，但当剥落发生时，轧辊生产厂家及用户往往有两种不同的观点，用户往往认定是轧辊本身存在质量问题，而生产厂家则认为是用户操作不当，双方从维护各自的经济利益出发致使下判断时都不够客观。因此本文尝试从实际出发对一起支承辊剥落事故进行客观分析，并提出相应的处理方案。

1 大型锻件缺陷概述

大型锻件因尺寸较大、生产工序较复杂、实际生产中很多变量难以控制，加之对锻件质量的影响因素又较多，所以锻件内部往往同时存在着不同类型的缺陷。

分析表明，大型锻件中的缺陷主要来自两个方面，一方面是冶金缺陷，另一方面为处理缺陷。冶金缺陷主要在钢水的冶炼及钢锭的浇注过程中产生，具体包括非金属夹杂、缩孔及疏松等；处理缺陷产生于锻造、热处理及后续加工等阶段，具体包括裂纹、白点、晶粒粗大等。

1.1 非金属夹杂

非金属夹杂物主要有两个来源，一是原材料（如造渣剂、氧化剂、还原剂、） 中带来的硫化物、氧化物、硅酸盐等；二是在熔炼过程中各种反应产生的硫化物、氧化物等。这些非金属夹杂物的形态、含量、分布与冶炼过程有关。我公司目前采用的冶炼浇注方法为双真空法，即真空除气+真空浇注法，该方法可以将非金属夹杂控制在规定的范围内。而且检验证明事故支承辊夹杂物含量在规定范围内。

1.2 疏松和缩孔

疏松和缩孔均产生于钢液的凝固过程中，因局部钢液凝固收缩不均匀而形成，此类缺陷属于空隙型缺陷，数量过多也将会破坏材料的连续性，形成应力集中、产生裂纹源，严重影响产品的使用寿命，属于不允许存在的缺陷。

1.3 空洞[1]

空洞是大型锻件的主要冶金缺陷之一。锻造过程中空洞的尺寸形状和体积变化与控制的研究难度在于：大型锻件内部空洞的尺寸与其本身的尺寸相差极为悬殊，难于采用数值计算方法和已有的塑性力学分析方法；大型锻件的尺寸形状各异，难以得到对生产具有广泛指导意义的结果。文献[2]针对钢锭内部空洞缺陷的尺寸远远小于本身尺寸的特点，依据圣维南原理，将各种空洞缺陷的形状假设为数学上可处理的椭球形。由于大型锻件的锻造是在高温下进行的，材料具有粘性流动的特征，再利用损伤力学中的远场应力与物体内部微观损伤的力学关系，得到了锻造过程中外载荷与内部空洞体积变化的解析式，进而得到了空洞缺陷闭合的条件。此条件表明应力状态将影响空洞的闭合方式，而三向压应力是空洞闭合的最佳应力状态。该条件可直接根据锻造水压机的在线载荷与压下量计算锻件内部空洞缺陷的闭合情况。

1.4 裂纹

裂纹是大型锻件最危险的缺陷之一，在锻造、热处理、加工过程中，如工艺不当或执行工艺过程中操作不当等均会导致裂纹的产生，而裂纹的存在会直接导致产品寿命降低，甚至会导致严重事故的发生。裂纹的产生有很多因素，如因钢锭缺陷引起的锻造裂纹，由应力与氢作用产生的氢裂，钢中有害杂质沿晶界析出引起的裂纹，第二相析出引起的裂纹以及在热处理过程中因组织应力及热应力过大产生的裂纹等。对于支承辊来说，由于在轧制过程中轧辊承受着较大的交变应力及接触应力，裂纹更是致命的缺陷，微小的裂纹即能导致剥落甚至断辊事故的发生。因此轧辊使用厂家在使用轧辊时一定确保上机支承辊表面及内部无裂纹存在。

2 轧辊剥落概况

发生剥落事故的精轧支承辊材质为70Cr3NiMo（见表1）。其生产工序为：炼钢（真空熔炼+真空浇注）→锻造→锻后热处理→粗加工→探伤→调质→半精加工→差温喷淬→精加工。轧辊直径Ø1 250 mm，辊身长度1 700 mm，重23.9 t。该支承辊总共上机6次，总轧制量91 597 km，目前直径为Ø1 188.94 mm，在最后一次下机修磨时发现辊面有小面积剥落，用户自行人工打磨后缺陷面积增大。

表1 支承辊化学成分

3 现场勘察

3.1 缺陷形貌

剥落部位距辊身端部150 mm，为轧制过程中接触应力较大位置，也是剥落发生频率较高位置。由于缺陷部位已经过打磨，并未看清原始剥落形貌。用小锤轻轻敲击缺陷附近区域产生的声音与敲击其它部位明显不同，推测缺陷附近存在空壳区。由于在轧制过程中不可能产生空壳，初步判定为原始缺陷（见图1）。

图1 支承辊剥落形貌

3.2 硬度检测结果

对缺陷周围进行硬度检测发现缺陷周围硬度最高值为75.1 HSD，最低值为68.5 HSD，其余硬度均在72 HSD左右，硬度分布较均匀（见图2）。由此排除因轧制事故热冲击引起剥落的可能性。

图2 剥落区附近硬度

依据是热冲击通常会剥落区附近引发硬度起伏现象。因此本次剥落事故非由热冲击引起。

3.3 打磨后形貌

对缺陷部位进行进一步打磨至Ø150 mm时，缺陷仍无法去除，并且在缺陷边部发现70 mm长的裂纹。目测缺陷尺寸至少Ø300 mm（见图3）。因用户允许使用缺陷范围仅为Ø100 mm，所以局部打磨现已无法满足用户使用要求。

图3 打磨后剥落形貌

4 剥落原因分析及处理

4.1 原因分析及预防措施

（1） 浅层剥落

轧制过程中卡钢、甩尾等生产事故会导致轧辊表面形成网状或蜂窝状裂纹，若不经处理继续使用，会导致裂纹不断扩展、连通，最后连通部位就容易发生剥落，形成小面积掉肉（见图4）。

图4 浅层剥落

预防这种剥落形式的方法为制定合理的换辊周期，轧辊修复时确保表面裂纹清除干净。

（2） 大面积剥落[3]

大面积剥落事故的产生原因有两种，一是轧辊内部原因引起的，二是来自表面裂纹的扩展，扩展过程中的主要特征就是在原始缺陷处沿着与轧辊旋转方向反向发展。

内部原因引起的剥落 内部原因主要包括结合层缺陷、工作层缺陷和加工残余应力过大等。结合层缺陷通常表现为结合不良 (气泡、夹渣等)、分层等，工作层缺陷包括夹杂等。工作层分层的缺陷在使用过程中很容易发展，当发展到工作层不足以承担轧制力时就会发生大面积剥落，造成轧辊完全报废。对于结合层气泡、夹渣、工作层内夹杂等，有一部分在使用过程中容易在缺陷周围产生裂纹，当裂纹沿轧辊周向扩展超过一定的限度后，就发生大面积剥落。

表面裂纹引起的剥落 表面裂纹由于磨削不彻底而残留，在周期性疲劳应力作用下，裂纹沿一定的角度向辊身内部发展至工作层的某一深度后再沿周向与平行于辊面弧线的方向快速扩展延伸，形成一定宽度和长度的平坦带状分层，严重时缠绕辊身几圈，当强度不足承受较大的轧制力时，就会发生大面积瞬间脆性破裂剥落。虽然此类事故的破坏性很大，但可通过预防裂纹产生来防止发生；若在检测时一旦发现具有此类特性的裂纹，应立即将轧辊停止使用、判废。

4.2 本次剥落事故原因及处理

通过上文可知轧辊在生产过程的缺陷处往往产生应力集中，轧制过程中在交变应力的作用下，当应力超过材料极限强度时便产生裂纹，裂纹不断扩展，最终导致剥落。

综合分析，本次剥落事故是由支承辊内部缺陷造成。

因缺陷尺寸Ø300 mm已经超出用户允许使用的最大尺寸Ø100 mm，故此支承辊现状无法上机。处理方法为将辊身缺陷整体车掉，之后对表面进行着色及表面波探伤，确保无缺陷后再上机使用。

5 结语

建议支承辊生产厂家对支承辊的每个制造环节进行严格的质量控制、检测与监督，杜绝带缺陷产品出厂。建议支承辊使用厂家制定合理的换辊、磨削制度，引进较先进的检测手段（如表面波、涡流等），如发现问题立即与厂家联系，以便客观的分析事故原因并制定解决措施。

[1]赵俊伟,陈学文,史宇麟,张琪.大型锻件锻造工艺及缺陷控制技术的研究现状及发展趋势.综述.2009,4.

[2]任运来，聂绍珉.大型锻件内部空洞缺陷修复的力学条件研究[J].机械工程学报，2006，42（8） :215-219.

[3]王蕊,马,侯红娟.轧辊失效原因分析及预防措施.太原科技大学学报.2006,27(9):1673-2057.