分享：热轧粗轧机工作辊断裂分析

本钢热轧2300生产线粗轧机工作辊在生产过程中出现了4次断裂事故。针对轧辊断裂问题，用有限元Ansys/workbench工具校核其强度。分析认为：断裂位置应力集中，安全系数最低，因此出现了相同位置断裂事故。提出避免两辊轧机工作辊断辊的改进方案为：变更轧辊图纸，将辊颈位置的径向轴承的装配区改成油膜轴承，提高安全系数；或者在不更改轧辊图纸的前提下，将高铬钢材质改成合金锻钢材质，提高轧辊的材料的屈服强度，从而提高轧辊安全系数，避免表面出现断裂。

本钢热轧2300生产线2008年投产，第一架粗轧机为两辊轧机，工作辊采用离心复合高铬钢轧辊。在生产过程中出现了4次两辊轧机工作辊的断裂。4次断裂均发生在辊颈位置。每次断辊，生产线停机处理时间都长达10 h，对轧线的正常生产运行构成严重威胁，同时也造成了一定的经济损失。

轧辊断裂分析

选取其中一次轧辊断裂断辊数据进行说明，肉眼观察断口位置，如图1(a)所示，未见肉眼可见的铸造缺陷，断裂面平滑。在断口的辊颈位置及芯部分别进行了金相检测，金相检测位置，石墨球化总体正常，组织未见异常，如图2所示。调取分析了4次轧辊在机断裂时轧制数据，咬钢、抛钢时轧制力、扭矩、电流都在正常范围值(图1(b))。经超声波及着色探伤检测确认，排除了轧辊铸造缺陷造成的断裂。4次断裂均发生在轧辊的同一位置，即辊颈与辊身的过渡圆弧处，一致性极强。同时断裂前的轧制数据均正常，也基本排除了轧辊铸造缺陷及轧制原因造成的断裂可能。因此，用有限元Ansys/workbench分析工具对两辊轧机的工作辊强度进行校核。

有限元分析

有限元模型的建立

根据工作辊结构及载荷特点进行必要的简化：取整个工作辊进行有限元分析，模型包括工作辊、轧材和轴承座，见图3(a)。网格划分采用空间20节点六面体单元，并在圆弧区域进行了细化设定。划分单元时，共计得到1590326个节点，465048个单元，网格划分模型如图4(b)所示，此模型为多体接触的非线性分析模型。

边界条件

计算时，在轧材与工作辊、工作辊与轴承座间分别建立接触，见图4(a)。轴承座施加水平约束，钢板下部垂直方向施加固定约束，见图5(b)。轴承座上面施加3000 t轧制力，垂直向下的作用力，辊端施加最大轧制扭矩(1600 kN·m)的1.8倍扭矩，见图4(c)。

结果分析

图5为工作辊的Von-Mises应力分布云图，最大应力为828.16 MPa，最大位置在辊身两端与板材接触的边缘处，为高的局部接触应力集中。除辊身与轧材接触区外其余部分的应力均小于150 MPa。

图5(c)为工作辊辊颈的Von-Mises应力分布云图，最大应力为147.67 MPa，应力最大位置在辊颈R60的圆弧上，为高的局部应力集中。靠近辊身的R70圆弧上应力较高，达到了133.47 MPa，为局部较高的应力集中。另一R70圆弧上应力也较高，达到了135.35 MPa，为局部较高的应力集中，其余部分的应力均小于120 MPa。工作辊的芯部材质为球墨铸铁，屈服强度极限为

通过模型校核验证，此位置应力集中，安全系数最低，也正好验证了4次轧辊为什么在相同位置断裂的原因。

改进方案

热连轧机的二辊可逆粗轧机架，轧制坯料厚、温度高，轧制力、压下量、咬入角等均高于其他机架，这样就要求轧辊具有良好的抗扭强度和弯曲强度以及良好的咬入性能[1]。由于两辊轧机没有支撑辊，这样就对轧辊的强度、韧性提出更高要求。

改进工作辊材质

当前使用的工作辊材质为离心铸造高铬钢，芯部的材质为球墨铸铁，受其材料限制，想要提高轧辊安全系数，需要改进为强韧性较好的合金锻钢轧辊，屈服强度极限为σs=700 Mpa，

因此安全系数提高了2倍。此外，锻钢材质的工作辊的咬入性能、抗热裂性能都要优于高铬铸钢轧辊，因此改进成锻钢材质轧辊能够满足使用工况要求。

轧辊图纸变更

轧辊辊身与辊颈部过渡圆弧太小，圆弧表面刀痕及腐蚀引起的疲劳裂纹等产生切口效应[2]。这种过渡圆弧对轧辊的安全性能影响极大，若不考虑成本因素，将当前轧辊辊颈形式进行修改，将辊颈的径向轴承修改成油膜轴承，这样圆弧倒角过渡会更为合理，同时辊颈变粗，提高轧辊辊颈的安全系数，可以避免工作辊断裂。

结束语

热轧两辊粗轧机的工作辊断裂主要原因为辊身与辊颈圆弧过渡角过小，容易产生应力尖峰，轧辊安全系数降低，改进的措施为：(1)变更轧辊图纸，将辊颈位置的径向轴承的装配区改成油膜轴承，提高安全系数。(2)在不更改轧辊图纸的前提下，为提高轧辊的材料的屈服强度，将高铬钢材质改进成合金锻钢材质，可以提高轧辊安全系数，避免表面出现断裂。

文章来源——金属世界