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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、轧辊修磨量不足、冲击载荷、轧辊工

作面压力分布不均、轧制时停机造成轧辊内部温度分布不均、热冲击等。

前四种情况常与轧辊亚表层赫兹应力有关，应力作用产生的裂纹向