浅析铸造热轧带钢工作辊的剥落与断裂失效

文章编号:167224461(2006)0120004203

甘　肃　冶　金

GANSU　METALLURGY

Vol.28　No.1Mar.,2006

浅析铸造热轧带钢工作辊的剥落与断裂失效

王训宏,王快社,郑健峰,马叶红

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(1.西安建筑科技大学,陕西　西安　710055;2.宝钢集团,上海梅山热轧板厂,江苏　南京　210039)

摘　要:本文论述了在热轧带钢生产过程中工作辊剥落和断裂失效的主要形式,分析了其产生的主要原因,并针对每一种失效形式提出了具体的改进方法和预防措施。关键词:热轧带钢;剥落;断裂;预防措施中图分类号:TG335.11　　　文献标识码:A

1　前言

铸造热轧带钢工作辊表面硬度高,辊身表面硬

度均匀,而且工作层硬度落差几乎不降。耐磨性好,轧辊芯部强度高,轧制的板带材表面质量好。在热轧带钢生产过程中,铸造热轧带钢工作辊的剥落失效可以导致轧辊事故或轧机长时停机,另外,轧辊事故对支撑辊或轧机的损害也是不可避免的。有些损

[1]

坏常常需要过一段时间才能体现出来。轧辊剥落失效的发生不但会引发轧辊的严重损坏,而且会造成带钢的报废和生产停顿。一般不能对损伤的轧辊使用修磨的方法进行修复,因此必须在轧辊的生产与使用过程中采取相应的预防措施并且建立良好

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的轧辊管理制度,从而提高生产率,降低辊耗。

　　马鞍形剥落往往是由于在轧制薄而硬的带钢时,压下比大,轧辊偱环承受高负荷而引发的剥落。轧辊芯部材质交错地受正负应力的作用,在超过疲劳极限时,会引发微裂纹的产生。随着微裂纹的增加,则会导致芯部材质的弱化。在随后的工作过程中,这些裂纹通过传播会合,逐渐由芯部延伸到辊身表面,进而产生大块的“马鞍形”掉肉。在轧辊自身残余拉应力还在的情况下,越容易导致这种现象的发生。在剥落的早期,芯部弱化的第一阶段通常可用超声波很容易地检测出来。回波的减弱会给我们这方面的提示,也就是说这种轧辊材质不能承受此类轧机的负荷。为预防轧辊“马鞍形”剥落的产生,对轧辊制造厂家来说,应根据客户的要求及轧辊工作的实际状况,对负荷大的轧机应采用高强度的球墨铸铁芯部材质,来避免采用低强度的灰铸铁材质。

2.2　挤压裂纹和带状疲劳剥落(猫舌状剥落)

轧制过程中在局部挤压过大的区域,轧辊表面会形成1条或几条裂纹,这样的裂纹往往会在平行于辊轴的方向形成,然后逐渐沿径向传播;随着轧制过程的继续进行,疲劳会逐渐向圆周方向漫延,呈现出平行于辊身表面的猫舌状断裂带。断裂面的漫延方向同轧辊旋转方向相反。这种断裂首先是在工作层中产生的,进而逐渐往辊身方向变深变宽,最终导致辊身大面积的剥落。见图2。

这种剥落形式产生的主要原因是过大的局部负荷超过轧辊外层的抗剪切强度时会引发裂纹。在持续的轧制过程中疲劳会继续引发裂纹的产生,进而导致辊身局部大面积掉肉。对服役期较长的工作辊和支承辊,磨损的表面会时常产生局部的超负荷,对不正确的CVC轮廓来说也是同样。持续使用弯辊技术、没有合理的辊端倒角轮廓(以均衡支承辊端

2　工作辊的剥落失效形式

2.1　马鞍形剥落

这种马鞍形状的疲劳剥落是起源于结合层下部

芯部材质,从而引发了大块的掉肉。从断裂表面上可以看到许多疲劳截面的传播途径。这种剥落往往发生在灰口铁芯部的离心工作辊(4辊轧机),而且发生的部位往往是辊身中部。见图1。

图1　马鞍形剥落

王训宏,等:浅析铸造热轧带钢工作辊的剥落与断裂失效　　　第1期　　　　　　　　　　5

部应力)的支承辊、轧机事故以及轧制外来物都会

引发此类裂纹。⑵由于不正常的过热现象(冷却系统问题,粘钢等)结合层径向张力过大,也会导致结合层剥落。

(a)挤压裂纹图3　表皮/芯部结合层处脱落

　　为了防止这种剥落形式的发生,可通过超声波

检测和量化表皮与芯部结合程度,并可预测轧辊在使用过程中此结合层脱落的传播面。具有破坏性后果的剥落,一般通过轧辊使用前的超声波检测是可以避免的。对于其结合层局部分离尺寸已接近危险尺寸的,不能上机使用。(b)带状疲劳剥落

3　主要的断裂失效形式3.1　弯矩引起的轴承部位断裂

图2　挤压裂纹和带状疲劳剥落　　为预防这类剥落失效的产生,轧辊每次服役后应对其缺陷进行检测。在发生严重轧机事故后,轧辊应进行100%裂纹检测,除此之外,还应采取一系列附加的措施,如服役期长短的控制,修磨时能否完全去除裂纹、正确的轧辊凸度控制等等,从而有效地控制由于负荷过载所导致的轧辊失效。另外,用户可通过良好的轧辊检测纪律及正常的轧机运行避免

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此类失效的发生。2.3　表皮/芯部结合层处脱落

这种失效形式的断裂面从轴承部位外部开始延

伸到整个截面。典型的是从圆弧部开始,通常是由于疲劳而产生的裂纹扩展后引起的。

其失效的主要原因是高弯矩负荷超过了轧辊轴承部弯矩负荷极限或抗疲劳极限。它常常发生在热轧二辊机架任何材质的工作辊上。

断裂原因可分为以下几种情况:⑴高轧制力和过低轧辊强度设计。⑵轧制事故引发的高弯曲负荷。⑶轧辊在轴承部位有质量缺陷。⑷轧辊辊身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的切口效应。因此,在使用过程中应避免弯曲负荷超载,选用符合要求的轧辊的设计和轧辊材质。将过渡圆弧部分抛光以减少刀痕所引起的切口效应。保护过渡圆弧,避免其发生锈蚀。安排经常性的轧辊检验。3.2　传动端扭矩引起辊颈折断

工作辊表层金属由于结合层不良与芯部材质脱

落,随后脱落层沿着这一弱结合面进一步扩展,最终导致工作层局部剥落。此类结合层处脱落的原因是表皮材质同芯部材质冶金结合性不好。造成该情况的主要原因是:

⑴表层和芯部间残留的氧化层;⑵结合层中残留的熔剂和杂质;

⑶结合层中过多的碳化物、气孔、片状石墨或非金属残留物如硫化物等。

其他造成表面同芯部脱落的因素还有:⑴由于轧制事故,可能造成局部负荷过载,引发外部与芯部材质的脱落,进而分隔面沿着结合层逐步扩展,直到达到临界尺寸,瞬间产生二次脱落。这种损坏形式在结合层没有任何缺陷的情况下也可发生。

这种断裂发生在传动端强度最低的截面,经常是辊子密封圈安放处,并向辊颈心部或轧辊圆弧顶部扩展。断面同辊轴不垂直,经常呈现由撕裂引起的像钻头形状的断面。

其产生的主要原因是加在传动端辊颈部位的扭矩超过辊颈材质最大的承受能力。辊颈的强度受到密封圈安放处槽底、径向钻孔等半径尺寸过小所引

6　　　　　　　　　甘　肃　冶　金　　　　　　　　　　　　　　　　第28卷

能产生的最大温差不会带来问题,在冷却系统状态

不能发挥最大效能的时候,应注意采取以下防范措施:

⑴在轧制初期减少轧制量。⑵轧制前对工作辊进行预热。⑶轧辊温度必须达到同室温一致的温度,或者芯部采用高强度材质(用球墨铸铁材质代替片状灰口铁材质)。

⑷轧辊制造时,避免产生过大的内应力,避免内部的铸造缺陷,如缩孔、偏析、气孔等等。

起的应力集中及切口效应的影响,强度降低。如果

负荷从轧机设计和轧制角度看是正常的,那么轧辊的材质就需要升级。或者负荷超过了正常轧制水平,扭矩就大于轧辊材质最大的抗扭矩能力,造成断辊。过载会在下列几种情况下产生:

⑴轧机由于粘钢引起的停转。⑵轧辊事故,如粘钢、不恰当的初始辊缝设置等等。

⑶轧辊与传动轴安装问题。

因此,应确保稳定的轧制状况。避免在高负荷截面出现小半径的圆弧及圆孔,如在密封圈安放处,扁方或梅花头处。安装剪切保护装置避免扭矩过载等。确保转动处及联结系统的尺寸精度。3.3　轴承磨损及烧死引发的辊颈折断

4　结语

随着经济全球一体化进程的加快,钢铁企业间的竞争日趋激烈,这就要求企业必须在提高产品质

量的同时降低成本,从降低轧辊消耗指标这一角度出发,应当加强轧辊的生产工艺管理和建立良好的轧辊管理制度,这当中包括轧制周期长短的确定,良好的磨辊程序及无损检测手段。除此之外,轧辊磨损轮廓的测量记录,工作硬化层的检测对延长轧辊服役期也是有益的。参考文献:

[1]　王延溥.金属塑性加工学[M].北京:冶金工业出版

此类失效的主要原因是不恰当的、损坏了的或

没安装的密封环造成冷却水、氧化皮和其他杂质侵入轴承内圈与辊颈间隙。轴向深度拉痕是由于轴承与辊颈间存在的一些小金属碎片引起的,当辊子下机修磨时,这些小碎片可能会隐藏在轴承与辊颈之间,造成划伤。

如果润滑油的黏度太低,轴承和辊颈间安装间隙不合适,加上杂质的存在可能导致辊颈表面磨损,甚至可导致辊颈与轴承之间的冷焊和粘合,也会造成润油孔的堵塞,造成摩擦负荷增加,产生过热、热裂,使轴承抱死。

因此,应确保任何时候在轴承内有足够的油和其他润滑剂,加强密封圈的维护以避免冷却水和氧化皮进入轴承区域。提高辊颈的表面硬度不是有效的措施。3.4　热应力折断

热应力折断同辊身表面和芯部的最大温度差有关。温差的产生是由于轧辊冷却系统不好,甚至冷却系统瘫痪,或辊身由于轧制初期过钢量过大,导致辊子表面过热。辊身表面同内部的温差产生热应力,它加在辊身原有的内应力上。例如:辊身表面同内部的70℃的温差,会在轧制初期最关键时刻产生轴向110MPa额外热应力。一旦芯部轴向应力超过芯部材料的最大强度,热应力断裂就会突然发生。

良好的轧辊冷却系统是最好的保障,它确保可

社.1991.

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北大学出版社,1996.

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进展[J].铸造,1999,2(2):44247.

收稿日期:2005211221

作者简介:王训宏(19812),男,硕士研究生,主要研究方向为材料加工方法与工艺。

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