板带轧机工作辊断裂原因分析 韩华军 卢 锐 (邯郸钢铁集团有限责任公司) 摘 要 本文就板带工作辊出现的断裂问题,进行了断裂状态描述,分析了产生断裂的原因,对各种原因 产生断裂的机理、 作用进行了阐述,并提出了避免产生轧辊断裂的措施 关键词 轧辊 断裂 残余应力 组织缺陷 Analysis on Causes ofWork Roll Rupture on StripM ill Han Huajun and Lu Rui (Handan Iron and Steel Group Corporation Ltd) Abstract The article describes thework roll rupture conditionson strip mill, analyzes the causesof rupture, dis2 cusses the rupture mechanis m of various causes, and puts forward the preventive measures avoidingmill roll rupture. Keywords Mill roll, Rupture, Residual stress, Structure imperfection 0 前言 轧辊断裂是轧辊损坏最为严重的一种形式, 不但会造成轧辊与轧材损失,还可能影响到设备 和人身的安全,事故处理时间长,影响轧机的作业 率。
板带工作辊的断裂可发生在辊身、 辊颈、 传动 端轴头处轧辊断裂原因通常有两类:一类属于 轧辊材质或制造质量,即轧辊本身内在缺陷造成, 如制造后残余应力过大、 铸造缺陷或热处理不当 造成非正常组织、 内部夹杂物等;另一类属于轧制 工艺条件和使用情况,即外部原因造成,如轧辊表 面热裂严重、 超载和冷却条件不好等引起的应力 增大在许多情况下,轧辊的断裂是由多种因素 综合造成的 1 主要断裂方式及产生原因 1. 1 残余应力及热冲击断裂 轧制开始时,轧辊与高温轧件相接触,随着轧 制过程的进行,温度逐步上升,在此过程中,轧辊 表面温度高,而芯部仍处于低温状态,温度沿径向 分布,如图1所示 图1 轧辊温度沿径向分布图 温度沿径向呈抛物线型分布,表面温度上升, 体积膨胀,这种膨胀受低温芯部的阻碍而产生应 力产生的热应力可分解为三部分:轴向应力 (σz)、 切向应力(σt)及径向应力(σr)三方向的 热应力可根据弹性理论算出,除径向应力在半径 方向是拉应力外,轴向应力和切向应力在表面处 于受压状态,而芯部处于受拉状态轧制过程中 的热应力与残余应力叠加在一起,在中心部位产 生较大的合成拉应力,当合成应力超过材料的抗 ·93· 第 14卷第3期 2008年6月 宽厚板 W I DE AND HEAVY PLATE Vol . 14. No. 3 June 2008 拉强度时,轧辊芯部就会产生裂纹甚至会发生断 辊,如果再有缩孔、 疏松和夹杂缺陷,则会加剧断 辊的发生。
有些硬度高的轧辊,常常会爆裂成许多碎片, 这是因为这些轧辊残余应力很高轧辊表层下高 的残余应力峰位太靠近表面,由于热应力和机械 应力作用,或者表面裂纹及损坏扩展至拉应力区, 这种灾难性的损坏就会发生促使这种损坏发生 的其他因素是:轧辊工作过程中轧辊组织中大量 残余奥氏体分解,伴随着体积膨胀而使内应力增 加;钢辊内高的氢含量及它的有害影响(脆性发 裂 ) ; 次表层缺陷,尤其当它存在于高的拉应力区 时 曾测定直径650 mm的热带连轧机高NiCr轧 辊精轧后段残余应力,如图2所示由图2可知, 轧辊芯部沿轴向的残余应力可达到12 kg/mm 2 , 而其极限抗拉强度 σb= 19～27 kg/mm2因此, 若由于热应力产生的纵向应力 7～10 kg/mm 2 时,轧辊就会出现从芯部开始的断裂,这种形式 的断裂也称为热冲击断裂 图2 高NiCr轧辊残余应力分布图 为了避免这种热冲击断裂,轧辊生产时,应尽 量减少内部缺陷,如缩孔、 疏松、 夹杂等,提高芯部 材料的强度;增加轧辊芯部材料的塑性,增加受力 状态下的塑性变形,降低热应力;内部组织石墨化 良好,外层高合金材料在可能情况下尽量减薄,热 传导性能好,减少内外温差;合理制定热处理工 艺,将外层压应力控制在一定范围内,以减少芯部 拉应力。
图3为内应力过大致使轧辊开裂的实物 照片 图3 轧辊开裂实物照片 轧辊开始轧制时,要有一个烫辊过程,轧制几 块易轧品种并控制好轧制节奏,必要时在装辊前 对轧辊进行预热;保证良好的冷却条件,严禁闭水 轧制,尽量降低内外层温度梯度;普通铁辊,使用 前,要有半年到一年的自然时效期,以降低轧辊内 的残余应力;热轧薄板的轧辊,轧辊预热时推荐使 用可控感应加热设备(加热均匀、 升温速度可 控 ) , 预热温度为380～420℃,预热时间为夏季6 ～7 h,冬季10～12 h,对轧辊预热不能操之过急, 必须有足够的保温时间,防止因温差大造成内应 力过大导致断辊实际上断辊往往是因为预热时 间不够,形成恶性循环同时,换下的轧辊应马上 放置到缓冷坑内进行缓冷,以避免或减弱再生热 应力的产生 1. 2 疲劳裂纹扩展断裂 在轧制过程中,轧辊上的裂纹受弯曲应力的 作用,若其中一条裂纹变得很深,重车时不能消 除,继续轧制时在交变热应力和周期性弯曲应力 的作用下,裂纹迅速扩展;同时由于轧制过程中的 氧化铁皮嵌入和冷却水的腐蚀,加速裂纹的扩展, 当裂纹疲劳扩展到一定深度后,造成轧辊有效直 径变小,发生断辊 图4是叠轧薄板轧辊环状裂纹扩展造成轧辊 断裂的照片。
从图4可看出,辊身表层内的大块 碳化物在交变热应力作用下脆裂引起的热裂纹, 在轧制过程中疲劳扩展成环形裂纹,环形裂纹导 致轧辊辊身折断在观察普通冷硬叠轧薄板轧辊 断辊的断层特征时发现,辊身中部外层的裂纹分 ·04· 宽厚板第14卷 布大多是垂直轴向的,这是由于辊身中部温度高, 弯矩最大,且在轧制过程中,频繁的弯曲疲劳作用 的结果随着轧制的进行,这种类型的裂纹逐渐 沿圆周方向扩展联结成环状裂纹,使辊身有效承 载截面减少 图4 轧辊环状裂纹扩展造成轧辊断裂 预防裂纹扩展造成断辊,最重要的是保证轧 辊有一定的重车量,并采取必要的检测手段,如着 色探伤、 磁粉探伤、 涡流探伤等方法,同时可以采 用对轧辊滚压强化进行表面处理,以提高轧辊的 疲劳强度 1. 3 铸造缺陷造成的轧辊断裂 轧辊内部可能存在缩孔、 疏松、 夹渣、 气孔、 白 点等缺陷这些缺陷一方面造成材料的强度降 低,另一方面又会缩小有效承载截面,而且往往会 成为裂纹源,在周期应力作用下逐渐扩展,最后造 成轧辊断裂图5为缺陷源扩展造成轧辊断辊的 实物照片从图5中看出,断面处有夹杂物,并且 有疲劳裂纹,导致轧辊强度降低,疲劳裂纹扩展又 造成有效承载截面的减小,两者综合起来,造成轧 辊的断裂。
图5 缺陷源造成轧辊断辊 1. 4 非正常组织造成的轧辊断裂 1. 4. 1 铸铁轧辊孕育量不足、 成分分配不合理或 浇铸温度太低,冷型涂料的导热性能太强,及涂料 厚度太薄等原因造成轧辊白口层过深或整个断面 穿晶,会严重降低轧辊强度造成断辊 1. 4. 2 球铁轧辊球化不良或球化衰退,当基体中 的石墨以片状存在时,严重破坏了金属基体的连 续性,从而减少了金属基体的有效截面积,轧辊受 力后造成局部应力集中由于片状石墨这种破坏 作用造成的局部应力峰,其值可达到主应力的10 ～20倍,片状石墨端部的曲率半径愈小、 愈长,这 个值就愈大,在这种情况下,轧辊基体的强度只能 有效利用30%～50%通常球墨铸铁强度在300 MPa以上,而高强度灰铸铁不超过270 MPa,普通 灰铁200 MPa以下 球化衰退在中小型轧辊上表现不太明显,但 在大型球墨铸铁轧辊中却相当突出当铁水的静 置时间较长时,轧辊的上辊颈部位的石墨已不能 球化,会出现大的开花石墨或枝晶石墨(如图6 所示 ) , 使基体强度损失极大,严重降低铸铁轧辊 的强度因此,对于球墨铸铁轧辊,铁水中球化一 定要充分,并在球化处理后适当缩短镇静时间,对 减少球墨衰退是有利的。
图6 非球化石墨组织 1. 4. 3 残余奥氏体量太高 在高NiCr、 高Ni、 针状球铁、 锻钢轧辊中,若 马氏体或残余奥氏体量太高,造成在轧制过程中 奥氏体向马氏体转变,使轧辊内应力增大,也会造 成轧辊断裂 某轧钢厂使用的Φ880 mm高铬铁轧辊,发生 ·14· 第3期韩华军等:板带轧机工作辊断裂原因分析 过一次断辊事故,辊身一断两截在生产这支辊 时,因炉子原因热处理进行不正常,索氏体量明显 不足,马氏体量(残余奥氏体)太大,以致轧辊在 使用过程中,组织转变应力增大,致使轧辊断裂 其金相组织如图7所示 图7 残余澳氏体量过大金相图 1. 4. 4 轧辊组织不均匀(偏析) 对于锻钢轧辊来说,成分偏析(宏观偏析和 微观偏析)是不可忽视的因素,偏析使整个铸件 组织不均匀,而在热处理淬火时,沿截面冷却速度 的差异,又使组织不均匀性加剧,上贝氏体易于解 理,会出现脆性断裂;铁素体则因疲劳强度低,容 易在此产生疲劳核心;而碳化物或石墨呈严重偏 聚时,也会严重削弱轧辊的强度,成为疲劳源当 应力足够大时,就会引起轧辊的断裂 1. 5 辊颈质量造成的轧辊断裂 辊颈材料不合格,辊颈材料屈服强度低,抗疲 劳能力差,造成辊颈在大轧制力或交变弯曲应力 的作用下,产生疲劳裂纹。
对于铸造轧辊,由于钢 水在冷凝期间补缩不足,在辊颈处形成缩孔,降低 了轧辊辊颈的强度,轧钢时承受不了过大的扭转 力矩负荷,容易断辊颈、 掰梅花头和键槽为了减 少此类缺陷,采取了调整化学成分,增大材料强 度,适当提高浇铸温度,增加浮渣能力,顺序凝固 等措施 1. 6 使用原因造成的轧辊断裂 1. 6. 1 操作失误造成的轧辊断裂 主要有:轧钢生产过程中,轧制低温钢、 黑头 钢或不按照操作规程操作,盲目加大压下量,减少 轧制道次,造成轧制压力过大,致使轧辊断裂;闭 水轧制后,过快给冷却水,造成轧辊热应力过高的 断裂;轧辊安装不正确,工作时轧辊受力不均,造 成局部过载断辊;在冷轧薄板时,轧辊压靠力过 大,此时扭矩大于轧制力矩,启动轧机时可能扭断 轴头等 1. 6. 2 设计不当造成的轧辊断裂 辊颈根部设计圆角半径过小造成应力集中和 轧辊选材不当,致使轧辊断裂 1. 6. 3 设备原因造成轧辊断裂 轧机传动部分的部件磨损,引起辊颈和轴头 产生附加弯曲应力,造成辊颈或传动端断裂;轴承 烧箱,使辊颈温度过高,出现辊颈断裂;高速轧机 中,轧件高速咬入冲击,使传动系统发生扭转振 动,可使应力负荷增加数倍,扭转振动产生应力也 会使轧辊疲劳断裂,这一现象随着轧机向高速度、 大功率、 多电枢电机传动而日趋严重,应在轧辊强 度上加以考虑。
2 结论 板带钢厂对轧辊选择、 使用应足够重视,使用 的好坏直接关系到生产线的作业率和钢板质量, 必须从制造和使用两方面入手,提高轧辊内在质 量以杜绝发生非正常报废,同时保证按计划换辊, 合理使用以延长轧辊的使用寿命、 降低辊耗;轧辊 制造厂和使用厂应加强交流,不断总结经验,以满 足中厚板的生产需要 参考文献 1 文铁铮,郭玉珍编著.冶金轧辊技术特性概论. 2 李连诗等.轧制工艺学. 3 梁谨.高NiCr无冷硬铸铁轧辊实轧情况小结. 4 一重科协及齐齐哈尔铸锻焊研究所编译.世界轧辊生产及应 用指南. 5 大型铸锻件行业协会.大型铸锻件金相图谱. 韩华军,男, 2001年毕业于河北理工大学金属压力加工 专业,助理工程师 收稿日期: 2008 - 04 - 15 ·24· 宽厚板第14卷 。