熱軋板帶高鉻復(fù)合鑄鐵軋輥輥身斷裂失效原因分析

孫向陽，黃 明，仇光宏，肖連華

（唐山鋼鐵集團(tuán)重機(jī)裝備有限公司，河北唐山 063300）

2017 年1 月至2018 年1 月某熱軋板帶軋鋼廠1580 軋線精軋前段高鉻復(fù)合鑄鐵軋輥在使用過程中出現(xiàn)了7 次輥身斷裂事故，嚴(yán)重的影響軋鋼企業(yè)生產(chǎn)過程，為杜絕事故的再次發(fā)生，從軋輥制造和使用進(jìn)行剖析，徹底杜絕事故的再次發(fā)生。

1 斷輥基本形貌

結(jié)合現(xiàn)場實(shí)物照片（圖1）及示意圖（圖2），軋輥斷裂有一些明顯的特征：一是擴(kuò)展源頭為外層和中間層結(jié)合部位，其外層呈現(xiàn)碗狀斷面；二是從源頭呈散射型向四周擴(kuò)展最終造成斷裂。

圖1 斷輥實(shí)物照片

圖2 斷輥斷面示意圖及擴(kuò)展說明

同時(shí)，根據(jù)統(tǒng)計(jì)該類軋輥數(shù)據(jù)可以得出幾個(gè)規(guī)律：一是軋輥斷裂主要發(fā)生在F1 和F2 架次軋機(jī)；二是軋輥斷裂主要發(fā)生在近新輥上機(jī)軋制1～3 塊板坯時(shí)發(fā)生。

2 事故分析

通過現(xiàn)場實(shí)物照片及示意圖分析，初步分析裂紋斷裂源為外層和中間層結(jié)合部位，從碗狀斷面分析斷裂性質(zhì)為應(yīng)力斷裂；斷裂形式為外層和中間層結(jié)合部位由于強(qiáng)度低于產(chǎn)生應(yīng)力發(fā)生脆性斷裂，在彎輥力的作用下斷裂源沿徑向向四周擴(kuò)展最終造成斷裂。現(xiàn)就主要的分析過程陳述如下。

2.1 金相分析

通過制備斷面試樣，選取外層和中間層結(jié)合部位金相進(jìn)行分析，其金相圖像如圖3 所示。

如圖3 左圖所示，結(jié)合層位置碳化物呈板條狀，并具有方向性（沿芯部方向），組織較為粗大；根據(jù)金相分析，結(jié)合層板條狀結(jié)構(gòu)較多且具備方向性，說明結(jié)合層過熱度較大，組織有足夠的發(fā)展能量，離心過程中形成了足夠的芯部熱源，形成較為粗大的組織。

圖3 外層和中間層結(jié)合部位金相侵蝕×100

2.2 軋制環(huán)境分析

導(dǎo)致軋輥失效[1]的應(yīng)力共有4 種：一是制造過程中的殘余應(yīng)力，二是軋制過程中的機(jī)械應(yīng)力，三是軋制過程中軋輥的組織應(yīng)力，四是軋輥內(nèi)外溫差造成的熱應(yīng)力。

首先針對制造過程中的殘余應(yīng)力，該類軋輥一般上機(jī)使用3～10 回后上機(jī)斷裂，軋輥在上機(jī)軋制過程中，殘余應(yīng)力是一個(gè)逐步釋放的過程，隨著磨削次數(shù)增加，軋輥本身的制造殘余應(yīng)力越來越小，因殘余應(yīng)力斷裂一般發(fā)生在新輥（第一次上機(jī)使用）時(shí)期，統(tǒng)計(jì)軋輥基本使用了2～10mm 后（3～10 回上機(jī)）發(fā)生斷裂，因此排除此類現(xiàn)象；一般情況如果沒有中間受到異常外力的情況下，傳動側(cè)輥頸是受力最大的地方，如果屬于機(jī)械應(yīng)力斷裂的話首先應(yīng)傳動側(cè)輥頸斷裂，所以不屬于機(jī)械應(yīng)力斷裂；對組織應(yīng)力影響最大的就是外層組織中殘余奧氏體含量，殘余奧氏體越高，軋制過程后殘奧轉(zhuǎn)變的組織應(yīng)力就越大，而經(jīng)軋輥制作廠家X 射線應(yīng)力/殘奧測定儀（型號X－350A）測定，該軋輥的殘余奧氏體含量在0.5%～2.0%，一般軋輥的殘余奧氏體含量控制在小于3%，因此該軋輥斷裂問題也不屬于軋輥的組織應(yīng)力問題。

因此，分析導(dǎo)致軋輥失效的原因?yàn)檐堉七^程中軋輥內(nèi)外溫差造成的熱應(yīng)力[2]。軋輥在上機(jī)的初期過程中，由于與軋材的緊密接觸，軋輥表面溫度迅速上升，而軋輥芯部的溫度上升較慢，這時(shí)軋輥面和軋輥芯部之間的溫差處于最大值，溫差引起的軋輥熱應(yīng)力也處于最大值。如果軋輥的熱應(yīng)力和軋輥的殘余應(yīng)力相疊加，并且超過了軋輥芯部的強(qiáng)度極限時(shí)就可能發(fā)生軋輥斷裂的事故。

縱向熱應(yīng)力的計(jì)算公式:

式中，E 為彈性模量；μ 為泊松比；α 為線膨脹系數(shù)；Δq 為軋輥表面和芯部之間的溫差。

經(jīng)過試驗(yàn)測定高鉻鑄鐵材質(zhì)各項(xiàng)參數(shù)數(shù)值分別為E=21.8×104MPa，μ=0.35，α=12.5×10-6/℃。

熱軋板帶軋鋼廠位于河北省唐山市，斷裂軋輥基本發(fā)生在10 月到次年1 月，室內(nèi)溫度平均在0℃，軋輥下機(jī)表面平均溫度70℃，利用公式計(jì)算縱向熱應(yīng)力為293MPa。因此，如果軋制初期軋制速度過快，表面溫度迅速升高到70℃，會產(chǎn)生293MPa 的熱應(yīng)力；結(jié)合該軋鋼廠斷裂事故發(fā)生時(shí)間段的生產(chǎn)情況，軋鋼廠為提升產(chǎn)能，在設(shè)計(jì)產(chǎn)能230 萬t 的情況下，縮短板坯軋制間隔時(shí)間，實(shí)現(xiàn)300 萬t 年產(chǎn)能，可能造成軋制初期軋輥的快速升溫。

2.3 總結(jié)

結(jié)合上述兩方面的分析，認(rèn)為軋輥斷裂[3]產(chǎn)生的主要原因有兩個(gè)方面：一是軋輥制造過程中，中間層工藝參數(shù)設(shè)計(jì)存在一定的不合理性，造成外層和中間層融合部分碳化物較為粗大，且具備一定的方向性，造成結(jié)合層強(qiáng)度較弱；二是軋鋼廠為追求高產(chǎn)能，加快了生產(chǎn)節(jié)奏，縮短了板坯軋制間隔時(shí)間，造成軋輥上線初期軋輥表面的快速升溫，形成較大的軋制熱應(yīng)力。兩種因素疊加，在軋制力的作用下，從軋輥外層與中間層結(jié)合部位形成初始裂紋，最終形成斷輥事故。

3 結(jié)論與措施

軋輥斷裂的形成原因?yàn)檐堜搹S軋輥上線初期快速軋制造成軋輥表面快速升溫形成較大的軋制熱應(yīng)力，同時(shí)軋輥外層和中間層結(jié)合部位強(qiáng)度較低，在軋制力的作用下，從脆弱部位形成初始裂紋，造成斷輥。針對以上原因制定措施如下：

（1）軋輥制造企業(yè)修訂軋輥鑄造工藝，在保證不出現(xiàn)結(jié)合不良的情況下，降低軋輥中間層澆注溫度，進(jìn)而降低中間層過熱度，從而縮短結(jié)合層組織的組織長大和發(fā)展的時(shí)間，細(xì)化組織增加強(qiáng)度。

（2）軋鋼廠針對軋輥上線初期制定合理的燙輥制度，增加前5～10 塊板坯的軋制間隔時(shí)間，減緩軋輥表面的升溫速度，降低軋輥的熱應(yīng)力的形成，減少斷輥風(fēng)險(xiǎn)的產(chǎn)生。