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轧辊失效方式及其原因分析

轧机在轧制生产过程中，轧辊处于复杂的应力状态。热轧机轧辊的工作环

境更为恶劣：轧辊与轧件接触加热、轧辊水冷引起的周期性热应力，轧制负荷引

起的接触应力、剪切应力以及残余应力等。如轧辊的选材、设计、制作工艺等不

合理，或轧制时卡钢等造成局部发热引起热冲击等，都易使轧辊失效。

轧辊失效主要有剥落、断裂、裂纹等形式。任何一种失效形式都会直接导

致轧辊使用寿命缩短。因此有必要结合轧辊的失效形式，探究其产生的原因，找

出延长轧辊使用寿命的有效途径。

1、轧辊剥落(掉肉)

轧辊剥落为首要的损坏形式，现场调查亦表明，剥落是轧辊损坏，甚至早期

报废的主要原因。轧制中局部过载和升温，使带钢焊合在轧辊表面，产生于次表

层的裂纹沿径向扩展进入硬化层并多方向分枝扩展，该裂纹在逆向轧制条件下即

造成剥落。

1.1支撑辊辊面剥落

支撑辊剥落大多位于轧辊两端，沿圆周方向扩展，在宽度上呈块状或大块

片状剥落，剥落坑表面较平整。支撑辊和工作辊接触可看作两平行圆柱体的接触，

在纯滚动情况下，接触处的接触应力为三向压应力。在离接触表面深度为0.786b

处(b为接触面宽度之半)剪切应力最大，随着表层摩擦力的增大而移向表

层。

疲劳裂纹并不是发生在剪应力最大处，而是更接近于表面，即在Z为0.5b

的交变剪应力层处。该处剪应力平行于轧辊表面，据剪应力互等定理，与表面垂

直的方向同样存在大小相等的剪应力。此力随轧辊的转动而发生大小和方向的改

变，是造成接触疲劳的根源。周期交变的剪切应力是轧辊损坏最常见的致因。在

交变剪切应力作用下，反复变形使材料局部弱化，达到疲劳极限时，出现裂纹。

另外，轧辊制造工艺造成的材质不均匀和微型缺陷的存在，亦有助于裂纹的产生。

若表面冷硬层厚度不均，芯部强度过低，过渡区组织性能变化太大，在接触应力

的作用下，疲劳裂纹就可能在硬化过渡层起源并沿表面向平行方向扩展，而形成

表层压碎剥落。

支撑辊剥落只是位于辊身边部两端，而非沿辊身全长，这是由支撑辊的磨

损型式决定的。由于服役周期较长，支撑辊中间磨损量大、两端磨损量小而呈U

型，使得辊身两端产生了局部的接触压力尖峰、两端交变剪应力的增大，加快了

疲劳破坏。辊身中部的交变剪应力点，在轧辊磨损的推动作用下，逐渐往辊身内

部移动至少0.5mm，不易形成疲劳裂纹；而轧辊边部磨损较少，最大交变剪应

力点基本不动。在其反复作用下，局部材料弱化，出现裂纹。

轧制过程中，辊面下由接触疲劳引起的裂纹源，由于尖端存在应力集中现

象，从而自尖端以与辊面垂直方向向辊面扩展，或与辊面成小角度以致呈平行的

方向扩展。两者相互作用，随着裂纹扩展，最终造成剥落。支撑辊剥落主要出现

在上游机架，为小块剥落，在轧辊表面产生麻坑或椭球状凹坑，分布于与轧件接

触的辊身范围内。有时，在卡钢等情况下，则出现沿辊身中部轴向长达数百毫米

的大块剥落。

1.2工作辊辊面剥落

工作辊剥落同样存在裂纹产生和发展的过程，生产中出现的工作辊剥落，

多数为辊面裂纹所致。

工作辊与支撑辊接触，同样产生接触压应力及相应的交变剪应力。由于工

作辊只服役几个小时即下机进行磨削，故不易产生交变剪应力疲劳裂纹。轧制中，

支撑辊与工作辊接触宽度不到20mm，工作辊表面周期性的加热和冷却导致了变

化的温度场，从而产生显著的周期应力。辊面表层受热疲劳应力的作用，当热应

力超过材料的疲劳极限时，轧辊表面便产生细小的网状热裂纹，即通称的龟裂。

轧制中发生卡钢等事故，造成轧辊局部温度升高而产生热应力和组织应力。

轧件的冷头、冷尾及冷边引起的显著温差，同样产生热应力。当轧辊应力值超过

材料强度极限时产生热冲击裂纹。

在轧制过程中，带钢出现甩尾、叠轧时，轧件划伤轧辊，亦可形成新的裂

纹源。另外，更换下来的轧辊，尤其上游机架轧辊，多数辊面上存在裂纹，应在

轧辊磨削时全部消除。如轧辊磨削量不够，裂纹残留下来，在下一次使用时这些

裂纹将成为疲劳核心。轧辊表面的龟裂等表层裂纹，在工作应力、残余应力和冷

却引起的氧化等作用下，裂纹尖端的应力急剧增加并超过材料的允许应力而朝轧

辊内部扩展。当裂纹发展成与辊面成一定的角度甚至向与辊面平行的方向扩展，

则最终造成剥落。

轧辊剥落问题,大多数剥落与六类轧机操作和轧辊使用不当有关：如轧制

量过高、换辊周期过长、