冷軋工作輥失效分析及其控制

1、冷軋工作輥失效分析及其控制沈偉芳陳光明【摘要】就武鋼冷軋廠九機架冷軋機的工作輥常見失效形式、原因及相應(yīng)的控制措施進行了分析，探討。【關(guān)鍵詞】冷軋工作輥失效分析ANALYSIS OF THE ROLL FAILURE AND ITS PREVENTING MEASUREMENTShen Weifang Chen Guangming（Cold String Mill of Wuhan Iron & Steel Corp）AbstractThe normal failure appearances of the cold rolling working rolls of 9 stands cold

2、rolling mill in Wuhan Iron & Steel Corpwas analyzed， the failing causes and some preventing measures were discussedKey WordsCold Rolling， Working Roll， Failing Analysis1 前言工作輥是冷軋機的關(guān)鍵部件之一，隨著冷軋技術(shù)的不斷發(fā)展，軋機對工作輥性能要求越來越高。尤其冷軋輥是在金屬對軋輥壓力很高的條件下工作，加上因焊縫、夾雜、邊裂等原板質(zhì)量問題造成的斷帶、粘輥、裂縫等軋制事故頻繁，使得冷軋工作輥的工作狀況極為惡劣。近幾年來，為改善冷

3、軋輥表面的磨損和變形，對工作輥提出了更苛刻的性能要求，諸如輥面硬度、硬度均勻性、淬硬層深度、金相組織、殘余應(yīng)力等，同時輥芯部和頸部必須具有足夠的韌性。事實上，上述的部分性能條件是既矛盾又關(guān)聯(lián)的，最常見的情況是淬硬層較深時，控制不慎，一般組織就較粗大；硬度較高的工作輥具有較好的耐磨性但軋輥韌性變差。因此，在增加耐磨性，追求較深的有效淬硬層和較高的硬度，從而延長工作輥使用壽命的過程中，因軋輥輥身表層出現(xiàn)的粘輥、剝落和開裂就成為一種最常見而嚴重的問題。其中，軋制事故的發(fā)生和殘余應(yīng)力的疊加轉(zhuǎn)移萌生的破壞是其主要原因。2冷軋輥失效的宏觀分析21冷軋輥表層疲勞剝落表層疲勞剝落是冷軋輥主要的損壞形式，從剝落

4、的形貌特征來看，可大致分為深層大面積帶狀疲勞剝落(見圖1、圖2)和近表層小塊掉肉(見圖3)。有時剝落層深度可達30mm以上，一下子使得冷軋輥的有效工作層報廢，近表層掉肉剝落層深度則在幾毫米至十幾毫米不等。圖1深層大面積帶狀剝落圖2帶狀剝落形貌圖3近表層小塊掉肉211疲勞剝落的原因國內(nèi)外對軋輥剝落的研究認為，剝落的發(fā)生和發(fā)展大致可分為四個階段：(1)輥身表層的外表面出現(xiàn)數(shù)量不一的顯微裂紋，產(chǎn)生因素主要為：軋輥受熱沖擊、過熱后產(chǎn)生的網(wǎng)狀微裂紋；換輥周期過長引起輥身表面的冷作硬化；輥身表面硬度過高；重磨時修磨量太小，不足以消除疲勞微裂紋層。(2)軋輥繼續(xù)使用過程中，顯微裂紋擴展，一條或若干裂紋從表面

5、領(lǐng)先向縱深發(fā)展到過渡組織帶，(有時從斷口可見連續(xù)的短距重復線，表明這種開裂屬于疲勞破壞)從而形成疲勞斷裂中心；(3)在過渡組織中二次疲勞斷裂中心沿與輥身圓弧幾近平行的層次繼續(xù)發(fā)展成為斷裂帶，有的甚至于繞輥幾周；(4)殘余破裂和剝落，對于大面積帶狀剝落的軋輥可以在各種因素的影響下一次性破裂和剝落，造成若干剝落塊或尚未脫開的剝離塊；小塊掉肉的軋輥可以直接從第(2)階段導致殘余破裂和剝落。212本廠使用情況我們曾經(jīng)對本廠輥號為660、672、680、682、831的五支發(fā)生剝落現(xiàn)象的五機架工作輥進行事故原因分析，對帶狀和小塊剝落后的剝落塊表面用磁粉檢查和雙酸侵蝕顯示后，發(fā)現(xiàn)均有許多裂紋或微裂紋，部分

6、裂紋長度可達12mm。對這些帶裂紋的剝落塊切開進行金相觀察，發(fā)現(xiàn)有一條裂紋優(yōu)先向內(nèi)發(fā)展到過渡帶(即馬氏體、貝氏體向屈氏體的過渡區(qū))，然后形成疲勞破壞中心，并且沿輥身圓弧相近的方向發(fā)展成帶，有的繞輥幾周，最后一次性殘余破裂剝落。因此，冷軋工作輥絕大多數(shù)的表層剝落都不是自然產(chǎn)生的，而是在一定時間內(nèi)逐漸發(fā)展形成的。通常是以輥身表面顯微裂紋為起點，在軋制的持續(xù)負荷作用下，發(fā)展成為疲勞斷裂，這就是殘余破裂和剝落的真正原因。213相應(yīng)的預防改進措施上述的微裂紋或裂紋，應(yīng)當采取措施經(jīng)常注意檢查，譬如在線式渦流探傷或超聲波檢測，一經(jīng)發(fā)覺，立即修磨或者送雙頻淬火熱處理。在修磨時應(yīng)該認真按照有關(guān)規(guī)定來消除裂紋，防

7、止裂紋的擴展。此外，如果輥身硬度過高，也容易產(chǎn)生裂紋。在對不同硬度的兩種五機架修復輥進行使用性能考核時發(fā)現(xiàn)，當輥身硬度從原來的HSD9396降低到現(xiàn)在的HSD9194后，影響軋輥使用壽命最嚴重的大面積帶狀剝落大大減少，這表明輥身硬度的降低有助于提高軋輥韌性，從而避免或減少微裂紋或裂紋的發(fā)生與擴展。22粘輥與裂紋221失效形式粘輥裂紋和掏溝是導致冷軋輥失效次數(shù)最多的原因之一(見圖4)。按照其形貌大致可以分為因斷帶粘輥而出現(xiàn)掏溝和輥身表面裂紋而導致掏溝兩種。一旦掏溝深度大于軋輥有效淬硬層，則冷軋輥就失效了。通常軋機一出現(xiàn)斷帶情況，就會使得軋輥輕重不同地粘鋼。同時，軋輥也經(jīng)受了一次熱沖擊，這種熱沖擊

8、常常導致輥身局部溫度高達1000以上。據(jù)不完全統(tǒng)計，因為酸洗、焊縫等因素而導致軋機斷帶，常使得冷軋輥輥面的熱沖擊次數(shù)達到高峰。因此，避免斷帶是減少冷軋輥熱沖擊的有效措施。圖4粘輥形貌222檢測分析與相應(yīng)措施北京科技大學金相室曾用斷帶粘輥后的剝落塊進行試驗與研究，發(fā)現(xiàn)將粘輥的軋材去除以后，軋輥表面是一層厚度約0.030.06mm的白亮層，經(jīng)過各種檢測手段分析得出，此白亮層系二次淬火馬氏體組織，在白亮層的下面是不同程度的熱影響區(qū)。這是由于熱沖擊所造成的局部溫升是從表向里逐漸降低的，導致某一定深度范圍內(nèi)，軋輥溫升超過了臨界點，馬氏體組織回火得到回火屈氏體組織，其厚度約為0.1mm，再往里去則是軋輥的

9、原始組織。因此，修磨軋輥時必須消除軋輥表層的二次淬火馬氏體和回火屈氏體組織，按照規(guī)定再磨0.5mm后才能送軋機使用。否則，未磨盡的二次淬火馬氏體和回火屈氏體組織與輥身的正常金相組織不一致而產(chǎn)生拉應(yīng)力，導致裂紋的產(chǎn)生，并且發(fā)展成為大面積剝落。至于發(fā)生裂紋后導致掏溝，大多是修磨時未將裂紋磨盡，使用過程當中發(fā)展成為肉眼可見大裂紋。另外，也可能是由于軋輥表面非金屬夾雜物導致使用過程裂紋的發(fā)生與擴展。23環(huán)狀裂紋與斷輥環(huán)狀裂紋大多發(fā)生在輥身邊部約1550mm位置(見圖5)。據(jù)1994年1996年對15支發(fā)生環(huán)裂軋輥的統(tǒng)計，有12支在軋制時發(fā)生過壓下偏斜事故，對其中572修復輥在失效后進行檢測，發(fā)現(xiàn)輥身長

10、度由原來的1700mm增加到1709mm，顯然是由于壓下偏斜，軋輥一端受力過大導致局部長度變大。有些冷軋輥(如我們新投用的軋輥636)在壓力偏斜后，造成輥面端部發(fā)生環(huán)狀剝落；有時甚至在輥面端部和輥頸交界處發(fā)生斷裂(如新輥623發(fā)生斷裂，見圖6所示)。因此，應(yīng)該盡量減少軋機壓下偏斜事故，避免環(huán)狀裂紋或斷輥的發(fā)生。圖5環(huán)狀裂紋及環(huán)狀剝落圖6斷輥形貌24軸承粘結(jié)(抱輥)與斷輥241失效形式輥頸與軸承粘結(jié)是冷軋輥的另一種失效形式，有些新輥僅使用幾次就因為軸承粘結(jié)(抱輥)而不能夠繼續(xù)使用。目前，還沒有較好的辦法來取下抱輥的軸承。我們曾試對輥頸與軸承粘結(jié)的軋輥采用氧槍切割軸承而試圖保全軸承和軋輥的方法，結(jié)

11、果是軸套雖然被切割下來，軸承仍然無法保全，而且輥頸在氧槍切割軸套時被過燒，出現(xiàn)網(wǎng)狀龜裂紋或局部被燒熔成許多凹坑，導致了軋輥與軸承同時報廢，損失十分巨大。242原因分析研究表明，軸承粘結(jié)的原因與下列三方面有關(guān)：一是軋機生產(chǎn)過程中，偶然的軸向力導致軋輥在軋鋼時向一側(cè)躥動，如不及時換輥就會使得這一側(cè)軸承溫度過高而抱頸；二是軸承的清洗質(zhì)量欠佳，在拆卸軸承清洗后，重新裝輥時將噴砂砂?；蚺K物帶入輥頸與軸套之間，經(jīng)長時間粘磨而粘結(jié)抱輥；三是軸承的密封圈質(zhì)量不好，未能有效地將外界臟物封住，使之進入軸套與輥頸之間導致抱輥事故。因此，為了保證不發(fā)生抱輥事故，應(yīng)該經(jīng)常檢查軋機是否產(chǎn)生偏斜或軸向力，軸承密封性能是否良

12、好，確保清洗質(zhì)量。25龜裂龜裂紋發(fā)生的頻率不高，其常見形態(tài)有兩種：一種呈帶狀，寬度約為6080mm；另一種呈團狀分布(如圖7、圖8所示)。其中呈帶狀徑向分布的龜裂紋可能與磨床修磨量有關(guān)，當一次修磨量過大時，極易形成過燒帶，產(chǎn)生同砂輪厚度相當?shù)凝斄鸭y，此類過燒微裂紋在雙酸侵蝕下能顯示出來。呈團狀分布的表面龜裂紋，大多是在嚴重粘輥熱沖擊后產(chǎn)生的熱裂紋，在消除粘輥缺陷后，若不及時進行認真的檢查和磨削來消除顯微裂紋，那么這種缺陷將殘留在輥面，在使用過程當中就會逐步擴展形成團狀表面龜裂紋。圖7帶狀龜裂紋圖8團狀龜裂紋26輥頸開裂的原因及預防措施軋輥在使用過程中發(fā)生輥頸開裂現(xiàn)象較少，倘若發(fā)生則導致整個軋輥

13、報廢，造成較大的經(jīng)濟損失。對發(fā)生輥頸開裂的軋輥，在其開裂部位取樣分析(主要對輥頸強化部位裂紋處進行了由表及里的硬度測定和側(cè)面金相觀察以及斷口電鏡掃描分析)表明：導致輥頸開裂的裂紋，大部分在輥頸強化熱處理過程中就已經(jīng)開始萌生，并在軋機使用過程中得到擴展導致輥頸開裂。我們認為，在強化淬火冷卻過程中，由于激冷造成表層及內(nèi)層的收縮不均勻，使得表層出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力，這個拉應(yīng)力在車刀槽的根部產(chǎn)生極大的應(yīng)力集中(輥頸的表面光潔度約為5，據(jù)查其應(yīng)力集中系數(shù)可達5以上)，甚至可能超過此時材料的斷裂強度，從而萌生出顯微裂紋。進一步的研究表明，車刀槽的機械切口對于輥頸的開裂起了決定性的作用。因此為防止輥頸開裂，提出

14、如下建議：(1)在輥頸強化處理之前，對于強化部位進行精車或粗磨，以提高光潔度，減少應(yīng)力集中；(2)在保證硬度的前提下，盡量降低淬火溫度，以減少殘余應(yīng)力；(3)在輥頸強化之前，對于軋輥采取整體預熱，以降低淬火應(yīng)力。已經(jīng)發(fā)生輥頸開裂的軋輥，則可以采取輥頸焊補工藝對輥頸開裂部位進行焊補。3結(jié)束語(1)本廠軋輥異常失效的主要形式是粘輥、裂紋和剝落；所以研究相應(yīng)的方法和工藝來減少產(chǎn)生此類失效的軋制事故，尤其是斷帶、壓下偏斜等，從而延長冷軋輥的使用壽命，是極其必要的。(2)根據(jù)冷軋輥的失效形式制訂相應(yīng)的控制措施以及合適的淬火工藝，使處理后的軋輥的質(zhì)量水平完全達到軋機的使用要求。作者單位：武漢鋼鐵股份有限公

15、司冷軋薄板廠，430083參考文獻1一機部機電所軋輥課題組金屬薄板冷軋工作輥的表層疲勞剝落金屬熱處理1982，(45)2北京科技大學學報冶金部課題組關(guān)于冷軋工作輥表面剝落的失效分析1978，(9)冷軋機軋輥的配輥機架配輥要求：一、使用新軋輥磁消期應(yīng)保證23個月，在上機使用二、從軋機換下來的軋輥必須停放8小時，在上磨床修磨，修磨后的軋輥四小時后在上機，這主要是消除軋輥殘余應(yīng)力。軋輥配備：軋輥配備的數(shù)量是要考慮正常生產(chǎn)輪換軋輥的數(shù)量，安全儲備軋輥的數(shù)量和每年消耗的軋輥數(shù)量。安全儲備軋輥的數(shù)量大約為輪換輥數(shù)的30%左右，訂貨周期長者，更適當增加一些，每年消耗的軋輥數(shù)量由上一年的實際消耗系數(shù)確定。HC

16、軋機配輥： 工作輥 中間輥 支撐輥數(shù)量（個）810 68 6平整機配輥： 工作輥 支撐輥數(shù)量（個） 12 6軋輥管理：為了降低軋輥消耗，滿足冷連軋機，單機架和雙機架平整機生產(chǎn)的需要，必須抓好軋輥管理工作。這可以隨時掌握軋輥的消耗情況，提出降低軋輥消耗的措施，掌握軋輥可夠用的時間，確定軋輥訂貨時間和數(shù)量，以滿足冷軋帶鋼生產(chǎn)的需要，同時可掌握制造廠生產(chǎn)軋輥的質(zhì)量情況，給制造廠提供改進軋輥質(zhì)量的依據(jù)。為此，要抓好以下主要工作：原始記錄，主要有：軋制噸數(shù)，米數(shù)和時間記錄。軋輥磨削記錄。軋輥磨削登記黑板。軋輥雙頻淬火工藝卡片。軋輥的使用和維護應(yīng)注意哪些問題 (1)全面的進廠質(zhì)量驗收。軋輥是高技術(shù)、高附加

17、值產(chǎn)品，必須依據(jù)機械行業(yè)標準、企業(yè)標準和訂貨技術(shù)要求進行嚴密、科學的質(zhì)量復檢。包括檢測軋輥尺寸及形位公差；檢測輥身、輥頸的硬度分布及其不均勻性。整個輥身HS值偏差不大于(12)HS；同一母線偏差不大于1HS。用頑磁力測定儀測定工作層深度；用磁粉法探測表層與近表層缺陷，用超聲波法探測軋輥內(nèi)部缺陷；目檢外部缺陷。不少鋁軋制廠不具備檢測手段，軋輥驗收是薄弱環(huán)節(jié)。(2)控制貯運條件。運時避免碰撞。貯運溫度應(yīng)大于O，嚴禁室外存放。存放時不得發(fā)生較大的的溫度變化,并要有防銹措施.我國北方,若必須在冬季室外運輸軋輥時,需用數(shù)層毛氈將軋輥包緊，運輸時間不大于lh。(3)自然時效。自出廠日起，工作輥需存放6個月，支撐輥存放一年后方可使用，以降低殘余應(yīng)力。(4)定期重磨。即使軋輥輥面無影響使用的缺陷，也應(yīng)進行保護性換輥。工作輥一般工作50100h，支撐輥工作20003000h便重磨一次，除去疲勞裂紋，防止其擴展成深裂紋。重磨時可用雙液法或探傷法檢測裂紋深度。磨削量應(yīng)大于裂紋深度。(5)正確使用軋輥。嚴格按照有關(guān)規(guī)定使用軋輥。新?lián)Q軋輥應(yīng)先預熱輥面至7080并保溫12h；冷軋工作輥則應(yīng)預熱至3050，保溫O5h后方可正常使用。軋輥