某帶鋼連續熱浸鍍機組臥式連續退火爐水冷爐輥的開裂原因

王銀軍，2，江社明，張啟富

(1.鋼鐵研究總院，先進金屬材料涂鍍國家工程實驗室，北京 100081； 2.上海梅山鋼鐵公司技術中心，南京 210039)

0 引 言

帶鋼連續熱浸鍍機組中的連續退火爐是保證熱浸鍍前帶鋼溫度以及熱浸鍍產品力學性能的關鍵設備之一。連續退火爐中的火焰加熱區爐膛內布置多組水冷爐輥，用于輸送帶鋼。水冷爐輥主要由輥套、軸、冷卻水管、螺旋導水板等組成，水冷爐輥結構如圖1所示。輥套材料為ASTM IN519鎳鉻鉬系耐熱合金鋼，經離心澆鑄而成的外徑150 mm、壁厚15 mm 的輥套兩端與304不銹鋼軸拼焊密封，傳動側軸的中心有冷卻盲孔，冷卻水從空心的工作側軸流向傳動側軸的盲孔，然后沿輥套內部螺旋導水板流向工作側軸出水口，實現對輥套及其兩端軸的冷卻。某帶鋼連續熱浸鍍機組臥式連續退火爐中有一根水冷爐輥使用不到一年時間便出現輥套開裂漏水現象，嚴重影響正常生產。為了明確該水冷爐輥開裂的原因，作者對其進行了失效分析，為相關部門對爐輥關鍵零部件采購、生產現場使用、日常維護提供依據。

圖1 水冷爐輥的結構示意Fig.1 Diagram of water-cooling furnace roller structure

1 理化檢驗及結果

1.1 宏觀形貌

將失效水冷爐輥兩端的工作側軸、傳動側軸沿焊縫車削拆解，觀察輥套兩端內腔的宏觀形貌。由圖2可以看出：在距輥套工作側端部約200 mm處的輥套表面發現單個裂紋，且該裂紋沿輥套圓周方向分布；工作側輥套內腔有大量片狀水垢沉積，傳動側輥套內腔僅有極少量很薄的水垢，這表明冷卻水從傳動側輥套內腔回流至工作側內腔時，在工作側輥套內腔受阻，導致工作側輥套溫度升高，工況日益惡化。

圖2 輥套內腔兩端的宏觀形貌Fig.2 Macroscopic morphology of both sides of roller sleeve chamber:(a) working side and (b) drive side

1.2 化學成分

在輥套上距裂紋約50 mm處截取尺寸為40 mm×40 mm×15 mm的試樣，將試樣表面磨平后，用GDS850A型輝光光譜儀分析輥套的化學成分，結果如表1所示，與ASTM IN519鎳鉻鉬系耐熱合金鋼(03C24Cr24Ni1.5NbMo)的標準成分對比后發現，其鎳元素含量偏低，且不含鈮元素，可知輥套的化學成分不合格。

表1 輥套的化學成分(質量分數)Table 1 Chemical composition of roller sleeve (mass) %

1.3 顯微組織與硬度

分別在工作側輥套裂紋區域和傳動側正常部位截取金相試樣，經打磨、拋光和用王水腐蝕后，采用Zeiss Axio Lmager.A2m型光學顯微鏡觀察顯微組織。由圖3可知：工作側輥套裂紋附近組織為奧氏體和粗大網狀析出相，且奧氏體基體上有大量粒狀析出相；傳動側組織為奧氏體和稀疏的網狀析出相，奧氏體基體上不存在粒狀析出相。分別在工作側輥套距裂紋約10 mm區域與傳動側正常部位截取試樣，按照GB/T 4340.1—2009，用DuraScan-50型全自動維氏硬度計測顯微硬度，加載載荷為98 N，保載時間為15 s，測3個點取平均值。測得工作側輥套的硬度為302～305 HV，平均值為304 HV，傳動側輥套的硬度為193～197 HV，平均值為195 HV。可見，粗大網狀析出相、粒狀析出相的形成可提高工作側輥套的硬度，但同時也會導致其脆性大大增加。

1.4 裂紋及斷口微觀形貌

在工作側輥套截面的裂紋區域截取試樣，經丙酮預清洗、乙醇溶液中超聲清洗10 min后取出吹干，用FEI Quanta 450型掃描電鏡(SEM)觀察輥套截面的裂紋形貌及斷口形貌，并用INCA型能譜儀(EDS)分析基體、析出相的微區成分。由圖4和表2可以看出：工作側輥套的裂紋沿粗大的網狀富鉻碳化物析出相形成并向基體內擴展，同時基體上有大量粒狀合金碳化物析出，基體中的碳、鉻元素擴散至粒狀合金碳化物析出相、粗大的網狀富鉻碳化物析出相中，且網狀富鉻碳化物中的碳、鉻、硅元素含量明顯高于基體和粒狀合金碳化物中的，組織中高硬度的粒狀合金碳化物以及網狀富鉻碳化物有利于裂紋的擴展，并降低了合金的韌性、蠕變性能、抗疲勞性能等；斷口韌窩較少，具有沿晶斷裂的特征，而且發現較多二次裂紋，表明輥套在開裂過程中基本沒有發生塑性變形。

圖4 工作側輥套的裂紋截面形貌及斷口SEM形貌Fig.4 Morphology of crack section (a) and fracture SEM morphology (b) of roller sleeve at working side

表2 圖4(a)中不同位置的EDS分析結果(質量分數)Table 2 EDS analysis results of different spots in Fig.4(a) (mass) %

2 開裂原因分析

在耐熱鋼水冷爐輥的設計中，控制水冷爐輥輥套的化學成分、顯微組織極為關鍵[1-5]。水冷爐輥中輥套的化學成分設計要求使用含有鈮的鎳鉻鉬系耐熱合金鋼，微量鈮可優先與碳形成NbC，抑制網狀富鉻碳化物的析出，細化奧氏體晶粒，提高材料的屈服強度、蠕變強度、耐高溫性能、抗疲勞性能，更適合水冷爐輥的高溫環境。但實測輥套的化學成分中不含鈮，且鎳含量也偏低，不符合水冷爐輥的設計要求，導致組織中形成網狀富鉻碳化物析出相，使得在800 ℃以上高溫及周期性熱沖擊工況下長期服役后，輥套的使用壽命大大降低。水冷爐輥中輥套位于連續退火的火焰加熱區，爐溫高達800 ℃以上，輥套主要承受交替變化的熱應力、輸送載荷。在連續退火過程中，短暫性的停機造成輥套表面溫度分布不均勻，局部水溫升高后產生結垢。開裂水冷爐輥的工作側輥套出水位置結垢導致冷卻水流量不足，水冷爐輥沿軸向溫度分布極不均勻[6]，局部過熱導致基體中粒狀合金碳化物的析出和網狀富鉻碳化物的長大，碳、硅、鉻含量的增加導致粗大網狀富鉻碳化物析出相硬度升高、脆性變大，從而降低了材料的韌性、蠕變性能、抗疲勞性能等。同時，結垢引起水冷通道出水口堵塞，進一步加劇水垢的沉積，導致水冷爐輥軸溫度的繼續升高以及軸承轉動不暢，甚至出現堵轉現象[7]，造成輥套工況惡化，最終在熱應力、扭力的作用下，裂紋在輥套粗大的網狀富鉻碳化物析出相中形成并逐漸沿網狀富鉻碳化物向基體內擴展，繼而最終導致水冷爐輥的開裂。

3 結論及措施

(1) 水冷爐輥輥套的化學成分不符合設計要求，不含鈮元素，且鎳元素含量偏低，導致組織中形成網狀富鉻碳化物析出相，使輥套韌性、蠕變性能、抗疲勞性能降低；同時，輥套內腔結垢、水冷不暢使水冷爐輥局部過熱，導致工作側輥套基體中粒狀合金碳化物的析出和網狀富鉻碳化物的長大，隨著結垢的沉積，水冷爐出現軸承轉動不暢，甚至堵轉現象，最終在熱應力、扭力作用下，裂紋在網狀富鉻碳化物析出相中形成并沿網狀碳化物逐漸向基體內擴展，最終導致水冷爐輥的開裂。

(2) 為避免同類事故再次發生，建議按照化學成分的設計要求生產水冷爐輥，定期檢查回水溫度、爐輥旋轉狀態，避免水冷爐輥停轉，減少內置水管的變形，定期使用除垢劑減緩水道的結垢。