轧辊金属异物粘结机理及清除装置设计1.doc

轧辊金属异物粘结机理及清除装置设计
陶功明 官旭东
（攀钢新钢钒轨梁厂 四川攀枝花 617062）
摘要 轧辊粘结异物是生成轧疤的主要因素之一，而轧疤又严重制约生产产能和质量。本文分析了轧辊粘结氧化铁皮机理，认为初次粘结在轧辊上的金属异物结合力小用较小力即可去除，而碾压后与轧辊贴合只能用修磨方式去除。本文重点介绍了一种可直接去除粘结物的清除装置，对设计结构、功能、使用方法、效果及装置主要材料的选择等进行了描述。该装置使用后大幅度降低了轧疤废品率、提高了产能。
关键词 轧辊材质 粘结 金属异物 清除装置 轧疤
Mechanism of sticking of foreign metal matter onto roll and design of cleaning device
Tao gongming Guan xudong
(Rail & Bean Plant of New Steel & Vanadium Co.,Ltd. Panzhihua 617062,Sichuan)
Abstract： Sticking of foreign metal matter onto the mill roll has been one of the major factors for the generation of scar defect on the rail product,scar defect has severely restricted the productivity of the rolling line and the quality of the product. This paper studys on and analyse the mechanism of sticking of foreign metal matter onto the roll with the conclusion that first time sticking,due to small sticking force, can be easily removed with small force, sticking pressed in the roll can only be removed by grinding. This paper focuses on a cleaning device which can clean and remove the sticking foreign matter onto the roll. The paper describes the design strcucture of cleaning device, function, application and operation, efficiency and material selection of cleaning device as well. Application of the cleaning device has considerably decreased the scraping rate due to scar and meantime increased the productivity of the rolling line.
key words：roll material, sticking, foreign metal matter cleaning device, scab

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1前言
攀钢轨梁厂CCS机架万能轧机生产线可按任一国际标准生产任一断面的钢轨，工艺装备达到世界先进水平。实现了长尺轧制、长尺冷却、长尺矫直、长尺检测、长尺加工及100m长定尺交货。具有尺寸精度高，平直度高，表面质量高等特点，所轧钢轨已用于时速350km/h的京津高速铁路线上。
但是，在钢轨轧制过程中，受原料表面质量、温度、导卫安装精度和轧辊材质等多种因素影响，热轧钢轨表面产生轧疤质量缺陷，每年因轧疤缺陷判废的钢轨多达数千吨，07年万能线钢轨轧疤废品率为0.56%，08年为0.51%。严重影响了钢轨合格率和万能线产能。通过对钢轨轧疤缺陷的产生因素进行机理分析，针对其主要因素之一──轧辊粘结氧化铁皮问题,设计开发了具有自主知识产权的万能水平辊和万能立辊氧化铁皮清除装置。该装置的应用大大降低了钢轨的轧疤缺陷，提高了钢轨班产能力。经济效益和社会效益十分显著。
2轧疤缺陷对钢轨生产的影响
2.1影响表面质量
高速及出口钢轨标准规定轧疤缺陷深度头部不得大于0.30毫米,其它部位不得大于0.5毫米。部分出口标准规定不得修磨，未经修磨的钢轨表面缺陷肉眼可见。同时，未修磨的轧疤缺陷中有尖角和直棱边，在钢轨使用过程中会导致应力集中产生裂纹缺陷。
部分国外标准和国内标准均要求对轧疤缺陷进行修磨。修磨后的部位会出现凹坑，从外观看刚修磨后的钢轨缺陷部分明显。尺寸比未修磨部位小，且颜色发亮，影响钢轨的出厂检验。同时，修磨不当会产生马氏体（比如连续修磨时间太长）使钢轨在使用过程中萌生裂纹缺陷。修磨不当还会产生尖角或直棱缺陷，使用后演变为裂纹缺陷。
2.2影响产能
钢轨轧疤缺陷的修磨,降低钢轨精整产能。据现场统计数据，每修磨一处轧疤缺陷平均耗时2.7分钟。因100米轨定尺较长，只能采用在线检查、在线修磨方式进行生产，当出现批量轧疤缺陷时，在线修磨将使探伤、矫直、轧制等各个前工序堵料停产；25米等短尺钢轨的离线修磨，也会大量占用场地和人工，浪费人力物力资源，对生产影响极大。
根据国内轨梁厂钢轨生产统计数据，修磨缺陷中轧疤缺陷占87%。07年100轨在线修磨率为28%，班产能力低。热轧产能损失较大。
3轧辊粘结氧化铁皮机理
跟踪万能轧机钢轨表面轧疤缺陷产生因素，主要归为以下几大类：辊道运输撞击轧线辅助设备、设施，进钢撞击卫板或孔型，卫板材质选择不当形成粘结，钢坯缺陷切割渣脱落，轧辊粘结异物等。其中轧辊粘结异物形成的轧疤缺陷实物图见图1

图1轧辊粘结物形成的轧疤缺陷实物
轧辊粘结异物的原因较多，主要为：轧件撞击孔型使孔型掉肉；轧制材质与轧件材质接近类似胶结地粘在轧辊表面；轧辊上坚固的氧化膜被破坏，破坏处轧件与轧辊摩擦系数增加，而形成粗糙面导致氧化铁皮粘结在轧辊上。
3.1轧件撞击孔型
轧件进钢不正撞击轧辊使孔型缺损，形成周期性的轧疤缺陷。有时轧件上的金属异物卡在轧边机孔型中也会形成周期性的轧疤缺陷。初始粘附力较小易除掉。
3.2轧辊材质选择
目前U1、U2和UF轧辊均选用高碳半钢轧辊。轧辊成份性能见表1。正常情况下U1没有出现轧辊粘结氧化铁皮的现象。经过3道轧制后，进入U2轧制时，会产生粘结氧化铁皮的现象，特别是立辊粘结频次较高，每8小时会出现1-2次粘结修磨。U2轧制1道次后进入UF轧制时，在水平辊侧壁粘结异物出现的频次较高，平均每8小时修磨4-6次。

表1 高碳半钢轧辊的化学成份及性能
C
Si
Mn
P
S
Cr
Ni
Mo
1.6-2.1
0.2-1.0
0.5-2.0
0.03
0.03
2.5-4.0
1.0-2.0
0.2-1.0
硬度：55-60HS；抗拉强度：795Mpa；延伸率：1.2%

从上述现象看，轧制压下量越大，轧辊粘结异物越轻微，反之越严重；同样，轧制温度越高轧辊粘结异物越轻微，反之越严重。说明每个机架的轧辊材质选择应有所区别，不能选用同一轧辊材质。单纯从温度角度看，温度越低轧件屈服强度越大，越接近轧辊瞬间高温下的屈服强度，轧件表面越容易出现与轧辊类似胶结的状态，屈服强度低的轧件金属或氧化铁皮越容易粘结在轧辊上。不同机架处的平均温度见表2。通过实验室获得的不同温度下U75V应力应变值见图2

表2 不同机架处的轧件平均温度
机架号
U1
U2
UF
平均温度
1000℃
950℃
900℃

图2（A）时的变形抗力曲线

图2（B）时的变形抗力曲线

图2（C）时的变形抗力曲线
从上图看出，温度每降低50℃，屈服强度便增加50MPa左右。因此温度越低，屈服强度与轧辊瞬间高温屈服强度越接近。
异物与轧辊在初始粘结时，粘结力较小，易于清除。
3.3 氧化膜破坏
从表1可以看出，高碳半钢轧辊碳含量高但铬含量更高，因此轧辊主要考虑的是提高轧辊硬度及强度的问题。对轧辊的防粘结性能考虑较少，也就是说轧辊中没有足够的碳形成自润滑的防粘功能。
轧辊在高温、高速、大压下量和骤冷骤热条件下工作，表面氧化膜周期性地承受着巨大的交变应力。达到一定疲劳极限后,辊面氧化膜中微裂纹在裂纹源处产生、扩展。当裂纹尺寸长大到一定程度时，垂直于辊面的裂纹与平行于辊面的裂纹汇合，在轧辊和轧件之间强大剪应力作用下,辊面氧化膜产生剥落。
一旦轧辊辊面氧化膜出现剥落，剥落的氧化膜会粘结在轧件上，在下一孔型中形成小轧疤。同时，轧辊辊面氧化膜剥落后,辊面变得相当粗糙,在轧件变形区,前后滑的作用使轧辊与轧件具有相对运动,此时辊面凹入的部分对轧件表面的氧化铁皮或金属起到存储和刮削的作用，形成一个初始粘结物。当下一支轧件进入时，存储和刮削的氧化铁皮或金属就压入轧件表面形成小轧疤。如果金属异物不掉，则下一支轧件表面与粘结异物性质相同的氧化铁皮或金属又覆盖其上，反复碾压后使该处所粘结的金属异物越积越大，越粘越牢固，从而在辊面形成大的凸块。氧化膜的剥落程度在初期比较严重，也比较粗糙，以后逐渐减轻，直至辊面新的氧化膜最终重新建立。因此在实际生产中可以看到，氧化铁皮缺陷产生初期比较严重（特别是UF）,以后逐渐减轻。这与氧化物中Cr含量的变化规律是一致的。
从以上分析和实际生产观察，粘结物在第一次粘结时，与轧辊结合不紧密，可以轻易去除。但当轧辊旋转一周时，粘结物或压入轧件本体形成轧疤。或继续粘结在轧辊上，由于已受到大的轧制力作用，与轧辊本体紧密贴合，只有通过砂轮修磨方式才能去除。如图3。

图3 经反复与轧件接触后的轧辊粘结物
4 去除轧辊表面粘结物的装置
轧辊表面的粘结物，目前有多种方法进行去除。如：润滑轧制技术，高压水喷射轧辊表面，优化轧辊材质等。但上述方法投入均较大，且清除效果较差，还会产生环境污染和能源消耗。根据万能轧机的特点，我们设计了直接接触轧辊工作面的异物清除装置，可使粘结物在受到下一轧制力之前被清除掉。
4.1装置结构
万能轧机轧辊位于上、下、左、右四个方向，其中去除万能轧机上水平辊和下水平辊表面粘结物的装置结构相同。去除万能轧机头部立辊和底部立辊表面粘结物装置的结构相同。下水平辊和底部立辊结构描述如下：
(1)水平辊表面粘结物清除装置结构
将植有钢丝毛刷子的活动板与固定框架通过调整螺栓、螺旋弹簧和滑动板连接到一起。水平辊孔型位置每一个面都按其形状设置一套植有钢丝毛刷子的活动板；然后将这些植有钢丝毛刷子的活动板及其固定框架组合成与水平辊孔型相匹配的形状，最后安装在一个整体框架内，再将这个整体框架固定在下水平辊的出口卫板上。具体结构示意见图4。
图4 万能水平辊粘结物清除装置图
(2)立表面粘结物清除装置结构
将植有钢丝毛刷子的活动板与固定框架通过调整螺栓、螺旋弹簧和滑动板连接到一起，然后将这个框架固定在立辊轴承座内部的空隙内，在立辊轴承座的入口侧和出口侧对称布置。刷体结构同水平辊。
具体结构示意图如图5。

图5 万能立辊粘结物清除装置图
分。立轧辊异物装置安装在万能轧机立轧辊座体侧壁上，如图4、图5所示，刷头7在弹簧力的作用下与轧辊8孔型面接触，轧辊8孔型面与刷头7及其调整范围相适应。
4.2 粘结物清除装置功能
钢轨在万能轧机中轧制时，上、下水平辊轧制钢轨的腹腔，底部立辊轧制钢轨的轨底，头部立辊轧制钢轨的轨头，这几个部位的轧辊表面都容易粘结异物。因此，这种去除万能轧机轧辊表面粘结物的装置要按上、下水平辊、钢轨头部立辊和钢轨底部立辊分别配置。同时装置具备以下功能：
(1)轨轧制过程中，随着轧辊的转动，轧辊表面与钢丝毛刷子之间产生相对滑动，在滑动摩擦力的作用下，钢丝毛刷子能够将轧辊表面所粘结的异物刷除掉。
(2)装置与轧辊表面直接接触，轧辊冷却水随时浇在装置上，因此装置上配备的钢丝毛刷子要能耐腐蚀、不生锈。
4.3清除装置主要部件选择
(1)钢丝选择
①钢丝刷毛的受力分析

图6钢丝刷毛的受力分析图
N为钢丝与轧辊孔型面密切接触的力，即钢丝对轧辊孔型面的正压力，它与弹簧的弹力大小相等；
F为钢丝对轧辊孔型面的刷洗力，它与摩擦力f的大小相等，方向相反。
F、N之间的数值关系式为：F=μN(μ为摩擦系数)
由于各钢丝尖与轧辊孔型面直接接触，它们之间的摩擦系数接近于1，故弹簧的弹力近似认为等于钢丝对轧辊孔型面的刷洗力。
钢丝刷洗力条件为：
清除辊面异物的力≤钢丝的刷洗力F≤钢丝的弹性极限
根据经验和实验数据，刷除辊面异物的力约500牛顿。
故钢丝刷毛的刷洗力F≥500牛顿
②钢丝材质选择
由于钢丝刷毛的工作环境温度较高，油、汽、水等污物较多，要求钢丝具有耐油防锈功能，故选择不锈钢丝。
③钢丝直径和长度选择
64l3
F = ──────
　　 3πEd4

d：毛刷子钢丝直径 l：刷毛长度 E：不锈钢丝弹性模量=19400
根据该装置上线使用的实际工作空间，选择刷毛长度为15mm，则钢丝刷毛的直径为：
64l3 64*153
d4≥ ────── = ──────────────
　　 3πEF 3*3.14*19400*500
= 0.00236

d≥0.225mm

通过现场实验数据，既能保证刷洗效果，又能减少钢丝弯曲变形，选择钢丝刷毛直径为d=1.5mm。
（2）弹簧的选择
①因轧机机架内空间有限，弹簧占位不能过多，故选用扭转弹簧。见图7

图7 弹簧形状图
②弹簧材料的选择：
由于弹簧安装在导卫装置上，其工作环境温度较高，油、汽、水等污物较多，要求弹簧具有耐油防锈功能，故选择不锈钢弹簧。
③弹簧直径的选择：
弹簧常数：用字母k 表示，即当弹簧被扭转时，每增加1°扭转角的负荷(kgf/mm)。
弹簧常数公式（单位：kgf/mm）：
k=(E*d4 )/(1167*Dm*P*N*R)
E=钢性模数：琴钢丝E=21000 ,不锈钢丝E=19400 ,磷青铜线E=11200，黄铜线E=11200；
d=线径；Do=OD=外径；Dm=MD=中径=Do-d；N=总圈数
R=负荷作用的力臂；p=3.1416
根据该装置上线使用的实际空间大小，选择Dm =中径=70mm，N=3，R=30mm，K=30kgf/mm，则：
d4 =k*(1167*Dm*P*N*R)/E
=30*(1167*70*3.1416*3*30)/19400
=35718
d =13.8mm。实际选择弹簧直径为20毫米。
5使用效果
所设计的清除装置首先应用在U2轧机，即上下水平辊和左右立辊全部采用带钢丝刷的清除装置。试用过程中，清除装置上的钢丝刷与轧辊充分贴合，轧辊运转轧制中清除装置仍保持稳定状态，说明清除装置结构合理。后通过调整弹簧位置，增大钢丝刷与轧辊的贴合力到需要的值，清除装置在轧辊正转和反转时都持续平稳运行，直到轧辊正常下线。该套清除装置后4次投入使用均运行正常。且钢丝变形较小，使用后长度仅比原始长度短1-1.5毫米，且仍保持原有的弹性。
该套装置5次上机使用，共轧制13个班5622支钢。未出现一次修磨U2轧辊的情况。且轧辊表面在使用过程中未出现任何划伤痕迹。同时使用该装置生产的5622支钢中，轧疤缺陷率仅为0.25%，比同期未使用该装置的钢轨轧疤废品率下降了0.10个百分点。
上述数据说明清除装置在设计结构上和功能保障上完全达到了设计目的。
6结论
（1）形成钢轨轧疤的因素众多。其中轧辊粘结异物为主要形成因素之一。
（2）轧辊粘结异物的主要原因是轧件撞击孔型、轧辊材质选择不当及轧辊氧化膜脱落。
（3）粘结物初次与轧辊结合时，粘结力弱容易清除。经与轧件结合后便压入轧件或紧贴轧辊需砂轮修磨方能清除。
（4）所设计的轧辊异物清除装置结构合理，运行稳定，所选取的材料参数满足设计要求。
（5）清除装置能在粘结物初次粘结在轧辊上时，便将其清除。防止了轧辊粘结异物和异物压入轧件本体而形成轧疤。
（6）使用粘结物清除装置后，降低了轧疤废品率，提高了100米钢轨一次合格率及产能。