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(jī)架冷軋機(jī)的工作輥常見(jiàn)失效形式、原因及相應(yīng)的控制措施進(jìn)行了分析，探討?！娟P(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(jī)的關(guān)鍵部件之一，隨著冷軋技術(shù)的不斷發(fā)展，軋機(jī)對(duì)工作輥性能要求越來(lái)越高。尤其冷軋輥是在金屬對(duì)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(wèn)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(lái)，為改善冷

3、軋輥表面的磨損和變形，對(duì)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(shí)輥芯部和頸部必須具有足夠的韌性。事實(shí)上，上述的部分性能條件是既矛盾又關(guān)聯(lián)的，最常見(jiàn)的情況是淬硬層較深時(shí)，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?lái)g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(zhǎng)工作輥使用壽命的過(guò)程中，因軋輥輥身表層出現(xiàn)的粘輥、剝落和開(kāi)裂就成為一種最常見(jiàn)而嚴(yán)重的問(wèn)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(lái)看，可大致分為深層大面積帶狀疲勞剝落(見(jiàn)圖1、圖2)和近表層小塊掉肉(見(jiàn)圖3)。有時(shí)剝落層深度可達(dá)30mm以上，一下子使得冷軋輥的有效工作層報(bào)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(guó)內(nèi)外對(duì)軋輥剝落的研究認(rèn)為，剝落的發(fā)生和發(fā)展大致可分為四個(gè)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(guò)熱后產(chǎn)生的網(wǎng)狀微裂紋；換輥周期過(guò)長(zhǎng)引起輥身表面的冷作硬化；輥身表面硬度過(guò)高；重磨時(shí)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(guò)程中，顯微裂紋擴(kuò)展，一條或若干裂紋從表面

5、領(lǐng)先向縱深發(fā)展到過(guò)渡組織帶，(有時(shí)從斷口可見(jiàn)連續(xù)的短距重復(fù)線，表明這種開(kāi)裂屬于疲勞破壞)從而形成疲勞斷裂中心；(3)在過(guò)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(duì)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(kāi)的剝離塊；小塊掉肉的軋輥可以直接從第(2)階段導(dǎo)致殘余破裂和剝落。212本廠使用情況我們?cè)?jīng)對(duì)本廠輥號(hào)為660、672、680、682、831的五支發(fā)生剝落現(xiàn)象的五機(jī)架工作輥進(jìn)行事故原因分析，對(duì)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(zhǎng)度可達(dá)12mm。對(duì)這些帶裂紋的剝落塊切開(kāi)進(jìn)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(guò)渡帶(即馬氏體、貝氏體向屈氏體的過(guò)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(shí)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(diǎn)，在軋制的持續(xù)負(fù)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(yù)防改進(jìn)措施上述的微裂紋或裂紋，應(yīng)當(dāng)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(cè)，一經(jīng)發(fā)覺(jué)，立即修磨或者送雙頻淬火熱處理。在修磨時(shí)應(yīng)該認(rèn)真按照有關(guān)規(guī)定來(lái)消除裂紋，防

7、止裂紋的擴(kuò)展。此外，如果輥身硬度過(guò)高，也容易產(chǎn)生裂紋。在對(duì)不同硬度的兩種五機(jī)架修復(fù)輥進(jìn)行使用性能考核時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)輥身硬度從原來(lái)的HSD9396降低到現(xiàn)在的HSD9194后，影響軋輥使用壽命最嚴(yán)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?lái)g性，從而避免或減少微裂紋或裂紋的發(fā)生與擴(kuò)展。22粘輥與裂紋221失效形式粘輥裂紋和掏溝是導(dǎo)致冷軋輥失效次數(shù)最多的原因之一(見(jiàn)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(dǎo)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(jī)一出現(xiàn)斷帶情況，就會(huì)使得軋輥輕重不同地粘鋼。同時(shí)，軋輥也經(jīng)受了一次熱沖擊，這種熱沖擊

8、常常導(dǎo)致輥身局部溫度高達(dá)1000以上。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，因?yàn)樗嵯?、焊縫等因素而導(dǎo)致軋機(jī)斷帶，常使得冷軋輥輥面的熱沖擊次數(shù)達(dá)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(cè)分析與相應(yīng)措施北京科技大學(xué)金相室曾用斷帶粘輥后的剝落塊進(jìn)行試驗(yàn)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(guò)各種檢測(cè)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(dǎo)致某一定深度范圍內(nèi)，軋輥溫升超過(guò)了臨界點(diǎn)，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(shí)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(jī)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(dǎo)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(dǎo)致掏溝，大多是修磨時(shí)未將裂紋磨盡，使用過(guò)程當(dāng)中發(fā)展成為肉眼可見(jiàn)大裂紋。另外，也可能是由于軋輥表面非金屬夾雜物導(dǎo)致使用過(guò)程裂紋的發(fā)生與擴(kuò)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(jiàn)圖5)。據(jù)1994年1996年對(duì)15支發(fā)生環(huán)裂軋輥的統(tǒng)計(jì)，有12支在軋制時(shí)發(fā)生過(guò)壓下偏斜事故，對(duì)其中572修復(fù)輥在失效后進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)輥身長(zhǎng)

10、度由原來(lái)的1700mm增加到1709mm，顯然是由于壓下偏斜，軋輥一端受力過(guò)大導(dǎo)致局部長(zhǎng)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(shí)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(jiàn)圖6所示)。因此，應(yīng)該盡量減少軋機(jī)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?yàn)檩S承粘結(jié)(抱輥)而不能夠繼續(xù)使用。目前，還沒(méi)有較好的辦法來(lái)取下抱輥的軸承。我們?cè)噷?duì)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(lái)，軸承仍然無(wú)法保全，而且輥頸在氧槍切割軸套時(shí)被過(guò)燒，出現(xiàn)網(wǎng)狀龜裂紋或局部被燒熔成許多凹坑，導(dǎo)致了軋輥與軸承同時(shí)報(bào)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(jī)生產(chǎn)過(guò)程中，偶然的軸向力導(dǎo)致軋輥在軋鋼時(shí)向一側(cè)躥動(dòng)，如不及時(shí)換輥就會(huì)使得這一側(cè)軸承溫度過(guò)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(shí)將噴砂砂粒或臟物帶入輥頸與軸套之間，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)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(jìn)入軸套與輥頸之間導(dǎo)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(jī)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(jiàn)形態(tài)有兩種：一種呈帶狀，寬度約為6080mm；另一種呈團(tuán)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(dāng)一次修磨量過(guò)大時(shí)，極易形成過(guò)燒帶，產(chǎn)生同砂輪厚度相當(dāng)?shù)凝斄鸭y，此類過(guò)燒微裂紋在雙酸侵蝕下能顯示出來(lái)。呈團(tuán)狀分布的表面龜裂紋，大多是在嚴(yán)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(shí)進(jìn)行認(rèn)真的檢查和磨削來(lái)消除顯微裂紋，那么這種缺陷將殘留在輥面，在使用過(guò)程當(dāng)中就會(huì)逐步擴(kuò)展形成團(tuán)狀表面龜裂紋。圖7帶狀龜裂紋圖8團(tuán)狀龜裂紋26輥頸開(kāi)裂的原因及預(yù)防措施軋輥在使用過(guò)程中發(fā)生輥頸開(kāi)裂現(xiàn)象較少，倘若發(fā)生則導(dǎo)致整個(gè)軋輥

13、報(bào)廢，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。對(duì)發(fā)生輥頸開(kāi)裂的軋輥，在其開(kāi)裂部位取樣分析(主要對(duì)輥頸強(qiáng)化部位裂紋處進(jìn)行了由表及里的硬度測(cè)定和側(cè)面金相觀察以及斷口電鏡掃描分析)表明：導(dǎo)致輥頸開(kāi)裂的裂紋，大部分在輥頸強(qiáng)化熱處理過(guò)程中就已經(jīng)開(kāi)始萌生，并在軋機(jī)使用過(guò)程中得到擴(kuò)展導(dǎo)致輥頸開(kāi)裂。我們認(rèn)為，在強(qiáng)化淬火冷卻過(guò)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(gè)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(dá)5以上)，甚至可能超過(guò)此時(shí)材料的斷裂強(qiáng)度，從而萌生出顯微裂紋。進(jìn)一步的研究表明，車刀槽的機(jī)械切口對(duì)于輥頸的開(kāi)裂起了決定性的作用。因此為防止輥頸開(kāi)裂，提出

14、如下建議：(1)在輥頸強(qiáng)化處理之前，對(duì)于強(qiáng)化部位進(jìn)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(qiáng)化之前，對(duì)于軋輥采取整體預(yù)熱，以降低淬火應(yīng)力。已經(jīng)發(fā)生輥頸開(kāi)裂的軋輥，則可以采取輥頸焊補(bǔ)工藝對(duì)輥頸開(kāi)裂部位進(jìn)行焊補(bǔ)。3結(jié)束語(yǔ)(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(lái)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(zhǎng)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(dá)到軋機(jī)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(xiàn)1一機(jī)部機(jī)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(xué)學(xué)報(bào)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(jī)軋輥的配輥機(jī)架配輥要求：一、使用新軋輥磁消期應(yīng)保證23個(gè)月，在上機(jī)使用二、從軋機(jī)換下來(lái)的軋輥必須停放8小時(shí)，在上磨床修磨，修磨后的軋輥四小時(shí)后在上機(jī)，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(chǔ)備軋輥的數(shù)量和每年消耗的軋輥數(shù)量。安全儲(chǔ)備軋輥的數(shù)量大約為輪換輥數(shù)的30%左右，訂貨周期長(zhǎng)者，更適當(dāng)增加一些，每年消耗的軋輥數(shù)量由上一年的實(shí)際消耗系數(shù)確定。HC

16、軋機(jī)配輥： 工作輥 中間輥 支撐輥數(shù)量（個(gè)）810 68 6平整機(jī)配輥： 工作輥 支撐輥數(shù)量（個(gè)） 12 6軋輥管理：為了降低軋輥消耗，滿足冷連軋機(jī)，單機(jī)架和雙機(jī)架平整機(jī)生產(chǎn)的需要，必須抓好軋輥管理工作。這可以隨時(shí)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(shí)間，確定軋輥訂貨時(shí)間和數(shù)量，以滿足冷軋帶鋼生產(chǎn)的需要，同時(shí)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(jìn)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(shí)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(hù)應(yīng)注意哪些問(wèn)題 (1)全面的進(jìn)廠質(zhì)量驗(yàn)收。軋輥是高技術(shù)、高附加

17、值產(chǎn)品，必須依據(jù)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和訂貨技術(shù)要求進(jìn)行嚴(yán)密、科學(xué)的質(zhì)量復(fù)檢。包括檢測(cè)軋輥尺寸及形位公差；檢測(cè)輥身、輥頸的硬度分布及其不均勻性。整個(gè)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(cè)定儀測(cè)定工作層深度；用磁粉法探測(cè)表層與近表層缺陷，用超聲波法探測(cè)軋輥內(nèi)部缺陷；目檢外部缺陷。不少鋁軋制廠不具備檢測(cè)手段，軋輥驗(yàn)收是薄弱環(huán)節(jié)。(2)控制貯運(yùn)條件。運(yùn)時(shí)避免碰撞。貯運(yùn)溫度應(yīng)大于O，嚴(yán)禁室外存放。存放時(shí)不得發(fā)生較大的的溫度變化,并要有防銹措施.我國(guó)北方,若必須在冬季室外運(yùn)輸軋輥時(shí),需用數(shù)層毛氈將軋輥包緊，運(yùn)輸時(shí)間不大于lh。(3)自然時(shí)效。自出廠日起，工作輥需存放6個(gè)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(wú)影響使用的缺陷，也應(yīng)進(jìn)行保護(hù)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(kuò)展成深裂紋。重磨時(shí)可用雙液法或探傷法檢測(cè)裂紋深度。磨削量應(yīng)大于裂紋深度。(5)正確使用軋輥。嚴(yán)格按照有關(guān)規(guī)定使用軋輥。新?lián)Q軋輥應(yīng)先預(yù)熱輥面至7080并保溫12h；冷軋工作輥則應(yīng)預(yù)熱至3050，保溫O5h后方可正常使用。軋輥