劉超 尹遜民 王江濤 李文澤 鄭旭濤

(日照鋼鐵控股集團有限公司,山東 日照 276800)

熱連軋支承輥的主要作用是向工作輥傳遞軋制力,并增強工作輥的彎曲剛度[1]。熱連軋支承輥在機使用過程中承受著交變接觸應(yīng)力,在交變接觸應(yīng)力的持續(xù)作用下形成接觸性疲勞。這種接觸性疲勞會引起支承輥輥面出現(xiàn)加工硬化,表現(xiàn)為輥面硬度升高;同時,在微觀方面接觸性疲勞形成的疲勞層組織出現(xiàn)破碎,位錯密度升高。

通過查閱相關(guān)文獻,發(fā)現(xiàn)目前對Cr5鍛鋼支承輥接觸性疲勞方面的相關(guān)性研究較多。相關(guān)研究表明,支承輥磨損、點蝕和剝落是支承輥的主要失效形式[2]。支承輥在機軋鋼過程中,輥身持續(xù)承受的交變接觸應(yīng)力會引起支承輥的接觸性疲勞。這種接觸性疲勞積累到一定程度,就會萌生出疲勞裂紋,如果繼續(xù)在機軋鋼使用,疲勞裂紋就會在軋制力與軋輥內(nèi)應(yīng)力的共同作用下發(fā)生擴展,輕者出現(xiàn)輥面疲勞掉肉,重者出現(xiàn)在機剝落事故[3]。劉學(xué)偉等[4]對剝落失效的Cr5支承輥進行了分析,發(fā)現(xiàn)裂紋在疲勞硬化層萌生,在淬硬層內(nèi)沿著圓周方向擴展,最終引起大面積剝落。王玉輝等[5]通過對支承輥滾動接觸疲勞過程中的表層組織演變進行研究,發(fā)現(xiàn)支承輥表層材料在接觸應(yīng)力作用下發(fā)生馬氏體相變,殘余奧氏體含量降低。

本文通過對某熱連軋機組一支鍛鋼Cr5支承輥接觸疲勞導(dǎo)致輥身剝落的失效案例進行分析,從實際使用方面獲得對鍛鋼支承輥接觸疲勞這一失效形式的深入認識,旨在對此類失效的及時發(fā)現(xiàn)和預(yù)防提供指導(dǎo)。

熱連軋支承輥在使用中,其輥身承受的接觸應(yīng)力分布特點是呈現(xiàn)為馬鞍狀,即支承輥在對應(yīng)工作輥非過鋼區(qū)的輥身兩側(cè)接觸應(yīng)力高于對應(yīng)工作輥過鋼區(qū)的接觸應(yīng)力,如圖1所示。

圖1 馬鞍狀接觸應(yīng)力分布圖Figure 1 Saddle-shaped contact stress distribution map

這種應(yīng)力分布狀態(tài)會導(dǎo)致支承輥局部接觸疲勞重于輥身其它區(qū)域,并且在接觸疲勞嚴重的區(qū)域出現(xiàn)疲勞裂紋,導(dǎo)致支承輥局部掉肉,甚至導(dǎo)致支承輥剝落。本文將對某熱連軋機組一支鍛鋼Cr5支承輥的這一類型失效案例進行深入剖析。

1 事故概況

該輥材質(zhì)為Cr5鍛鋼,于2020年2月3日上機使用,用于F2機架下輥,倒角長度為150 mm,新輥直徑為1450 mm,上機直徑為1401.15 mm,報廢直徑1300 mm,工作層剩余101.15 mm。2020年2月13日,該輥發(fā)生在機剝落事故。此次在機10日,軋鋼量6.32萬噸,制度換輥周期為7萬噸,處于本次服役周期的末期。

2 事故調(diào)查分析

2.1 輥面勘查

該輥輥面約六分之一軸向面積開裂。因剝落塊還在輥面上,導(dǎo)致無法觀察到其內(nèi)部形貌。但用手電筒照射內(nèi)部,未發(fā)現(xiàn)擴展通道,分析軸向開裂多為應(yīng)力性的瞬間撕裂。肉眼觀察該輥輥身兩側(cè)倒角,發(fā)現(xiàn)均存在圓周分布的環(huán)向亮帶,且輥面環(huán)向亮帶與指向輥身中部輥面交接處存在圓周分布的輥面起毛毛化帶。操作側(cè)毛化帶起毛程度重于傳動側(cè),操作側(cè)毛化帶用手觸摸,已有明顯的粗糙感,并可在毛化帶上觀察到接觸性疲勞導(dǎo)致的小掉肉和細裂紋。操作側(cè)亮帶位于操作側(cè)輥身邊部82～115 mm,毛化帶位于操作側(cè)輥身邊部115～130 mm,其中存在細裂紋和小掉肉的毛化帶范圍是在操作側(cè)輥身邊部121～130 mm。

圖2 操作側(cè)倒角和亮帶形貌Figure 2 Operation side chamfer and bright band morphology

操作側(cè)倒角和亮帶照片見圖2:

(1)圖中“倒角未磨損區(qū)域”是指輥身倒角未發(fā)生磨損的區(qū)域,此區(qū)域仍為該輥上機前的原始輥面狀態(tài),只是存在一定的銹蝕。圖2亮帶區(qū)右側(cè)的暗色銹蝕區(qū)域為輥身倒角的未磨損區(qū)域。

(2)圖中“上機前原始倒角起始處”是指150 mm長的原始倒角周向起始線?！吧蠙C前原始倒角起始處”與“倒角未磨損區(qū)域”之間,即為倒角的實際磨損區(qū)域。該區(qū)域包含著“亮帶區(qū)”和“毛化區(qū)”,均是輥身局部接觸疲勞所導(dǎo)致形成的。

沿圓周分布的周向毛化帶細節(jié)照片見圖3,圖3最下方的箭頭所指處為毛化帶,這條毛化帶存在疲勞性質(zhì)的小掉肉及細裂紋。

圖3 操作側(cè)毛化帶細節(jié)形貌Figure 3 Detailed morphology of textured band on the operation side

圖3亮帶區(qū)左側(cè)的黑色區(qū)域為未磨損的倒角區(qū)域,因此區(qū)域倒角未磨損,未與工作輥發(fā)生接觸,故形成了黑色的銹蝕區(qū)。

該輥傳動側(cè)倒角狀態(tài)與操作側(cè)類似。傳動側(cè)倒角剩余65 mm,亮帶位于傳動側(cè)65～115 mm,毛化帶位于傳動側(cè)115～130 mm,見圖4。

圖4亮帶區(qū)右側(cè)的較深色區(qū)域為未磨損的倒角銹蝕區(qū)域。

圖4 傳動側(cè)倒角和亮帶形貌Figure 4 Transmission side chamfer and bright band morphology

結(jié)合肉眼觀察和2 MHz雙晶檢測,確認該輥操作側(cè)亮帶和毛化帶輥面上存在周向擴展通道,檢測發(fā)現(xiàn)存在三處裂紋源,并且這三處裂紋源的通道已連在一起。三處裂紋源均位于操作側(cè)的周向毛化帶上,如圖5所示。

圖5 裂紋源所在位置Figure 5 Location of crack source

將三處裂紋源分別命名為1號裂紋源、2號裂紋源、3號裂紋源。經(jīng)超聲檢測,三處裂紋源的裂紋擴展方向均相同。詳情如下:

(1)1號裂紋源,如圖6所示。

圖6 1號裂紋源Figure 6 No.1 crack source

1號裂紋源起點為操作側(cè)毛化帶上的小掉肉處。經(jīng)雙晶檢測,裂紋源從該處起始由淺入深向上擴展(以圖6為參照,圖6箭頭所指方向),軋輥旋轉(zhuǎn)方向以圖6為參照向下。1號裂紋源擴展約800 mm到達最大深度84 mm,沿84 mm深度繼續(xù)擴展約800 mm通道終止,并在終止處發(fā)現(xiàn)了2號裂紋源。1號裂紋源及擴展通道雙晶檢測波形見圖7,圖7(a)為裂紋源處輥面檢測波形,圖7(b)為擴展至最大深度輥面檢測波形。

(2)2號裂紋源,如圖8所示。2號裂紋源已形成了部分掉肉,掉肉位于操作側(cè)毛化帶區(qū)域內(nèi),并有裂紋在亮帶區(qū)域內(nèi)。2號裂紋源由淺入深以圖8為參照向上擴展(見箭頭所示),最大深度為63 mm,2號裂紋源及擴展通道雙晶檢測波形見圖9,圖9(a)為裂紋源處輥面檢測波形,圖9(b)為擴展至最大深度輥面檢測波形。

圖8 2號裂紋源Figure 8 No.2 crack source

2號裂紋源擴展約1000 mm處,發(fā)現(xiàn)了3號裂紋源。

(3)3號裂紋源,如圖10所示,圖中圓圈標記處為3號裂紋源。

3號裂紋源由淺入深以圖10為參照向上擴展(見箭頭所示),最大深度為63 mm。經(jīng)雙晶檢測2號裂紋源與3號裂紋源通道最終匯積在一起:在3號裂紋源偏操作側(cè)有2號裂紋源擴展通道。3號裂紋源擴展約300 mm與2號裂紋源擴展通道匯集在一起。

圖10 3號裂紋源Figure 10 No.3 crack source

2.2 檢測情況

2.2.1 倒角剩余量

支承輥在使用過程中,由于輥面不斷發(fā)生磨損,倒角就會被啃蝕而逐漸減小,導(dǎo)致倒角剩余量不斷減少。該輥傳動側(cè)與操作側(cè)倒角剩余量情況見表1。

表1 倒角剩余量Table 1 Residual chamfering amount

2.2.2 硬度檢測

在輥身同一條母線,取五個直徑為10 mm的小區(qū)域,每個小區(qū)域檢測5點硬度,并取平均值。該輥輥身技術(shù)要求硬度為60～70HSD,上機前輥身平均硬度為64.1HSD,在技術(shù)要求范圍內(nèi)。下機后輥身出現(xiàn)了加工硬化現(xiàn)象,平均硬度為68.3HSD,高出上機前硬度4.2HSD。尤其是輥身兩側(cè)倒角磨損區(qū)域硬度,加工硬化更為明顯:輥身傳動側(cè)倒角磨損區(qū)域平均硬度為68.2HSD,操作側(cè)倒角磨損區(qū)域平均硬度為69.5HSD,分別高出上機前硬度5.6HSD、5.1HSD。硬度檢測情況見表2。

表2 HSD硬度檢測情況Table 2 HSD hardness test results

通過硬度檢測可以發(fā)現(xiàn)該輥輥身兩側(cè)的加工硬化程度重于其它區(qū)域,可以判斷輥身兩側(cè)的接觸疲勞程度最為嚴重。

2.2.3 上機前檢測

該輥上機前渦流檢測合格,裂紋值與軟點值均為0;該輥上機前2 MHz表面波及爬波檢測均無異常,超聲檢測結(jié)果合格。

2.3 歷史使用調(diào)查

該輥共上線使用12次,平均單次磨削量2.77 mm,平均單次磨損量1.09 mm,平均單次消耗量3.86 mm,見表3。

表3 歷史使用記錄Table 3 Historical usage record

2.4 結(jié)論

(1)該輥歷史使用情況無異常,上機前渦流及超聲檢測均合格;出現(xiàn)在機剝落時,已處于本使用周期的末期,若帶傷上機,一般在使用末期之前就已發(fā)生剝落;采用2 MHz雙晶探頭對裂紋附近區(qū)域進行內(nèi)部超聲檢測,也無缺陷波顯示;因此,基本排除帶傷上機的可能性。

(2)該輥三處裂紋源均在毛化帶上,且處于同一圓周向。毛化帶位于倒角的磨損區(qū)域,屬于支承輥接觸應(yīng)力最大的區(qū)域。此外,毛化帶周向上存在明顯的疲勞性質(zhì)小掉肉和細裂紋,證明該輥的這個毛化帶周向上局部接觸疲勞較為嚴重。三處同周向的裂紋源也說明了這條毛化帶的接觸疲勞程度已達到材料的疲勞極限。若未發(fā)生剝落而繼續(xù)使用,就會產(chǎn)生同一圓周向上連續(xù)分布的接觸疲勞掉肉,形貌將類似圖11。

圖11 圓周向分布的接觸疲勞掉肉Figure 11 Circumferentially distributed contact fatigue loss

(3)通過上述分析,可以確定該輥剝落的主要原因是在線使用過程中存在局部接觸疲勞,形成疲勞裂紋。裂紋在輥身淬硬層壓應(yīng)力和軋制力的共同作用下沿與該輥旋轉(zhuǎn)相反的方向擴展,最終導(dǎo)致剝落。該輥輥身兩側(cè)倒角長度為150 mm,裂紋源處于倒角的磨損區(qū)域,屬于接觸應(yīng)力最大的區(qū)域,局部接觸疲勞也最為嚴重。熱連軋支承輥接觸應(yīng)力分布圖如圖12所示。

圖12 馬鞍狀應(yīng)力分布輥系示意圖Figure 12 Schematic diagram of roll system with saddle-shape stress distribution

3 預(yù)防支承輥輥身邊部局部接觸疲勞的措施

(1)對支承輥與工作輥的輥型進行優(yōu)化,減小輥身邊部的接觸應(yīng)力峰值,從而達到緩解輥身邊部局部接觸疲勞程度的目的。例如將支承輥輥型由平輥型優(yōu)化為凸輥型。輥型優(yōu)化后,可大大緩解粗軋支承輥的邊部接觸應(yīng)力集中程度。

合理的輥型配置不但能提高成品帶鋼的板形質(zhì)量,而且能夠改善軋輥輥間的受力狀況。優(yōu)化輥型后,可有效降低軋輥邊部接觸壓力。平輥型及凸輥型受力示意圖如圖13所示。

圖13(a)為平輥型受力示意圖,(b)為凸輥型受力圖。平輥型支承輥輥身兩側(cè)的接觸壓力峰值過陡、過高;而凸輥型支承輥輥身兩側(cè)的接觸壓力峰值與輥身相比,較為平緩,輥身整體受力較為均勻。

(2)為了避免鍛鋼支承輥該類失效形式的發(fā)生,需要在更換工作輥的間隙做好對支承輥的輥面狀態(tài)檢查。一旦發(fā)現(xiàn)支承輥輥身兩側(cè)出現(xiàn)疲勞小掉肉或肉眼可見的疲勞裂紋,及時更換支承輥,以避免疲勞損傷裂紋進一步擴展所導(dǎo)致的輥身掉肉、剝落等惡性事故的發(fā)生。

(3)通過提高支承輥的冶金純凈度、材質(zhì)優(yōu)化、熱處理工藝優(yōu)化等手段,來提高支承輥的抗疲勞能力。

4 討論

以Cr5鍛鋼為主流材質(zhì)的熱連軋機組支承輥具有優(yōu)良的耐磨性能,與早期的復(fù)合鑄鋼支承輥相比,大大提高了在機使用周期,從而提高了軋線生產(chǎn)效率。但同時Cr5鍛鋼材質(zhì)支承輥因其內(nèi)應(yīng)力較大,出現(xiàn)疲勞裂紋、損傷裂紋后的裂紋擴展速度也較快,從而增加了在機剝落的風(fēng)險。而剝落事故發(fā)生后,多會引起帶鋼斷帶、軋破等事故,造成帶鋼損失的同時,處理廢鋼及更換支承輥的時間也較長,影響軋線生產(chǎn)效率。尤其是軋線生產(chǎn)較為飽滿的情況下,會導(dǎo)致軋線無法完成計劃產(chǎn)量,進一步加重了經(jīng)濟損失。此外,Cr5鍛鋼支承輥的軋輥采購成本也較高,一旦出現(xiàn)在機剝落,基本會導(dǎo)致支承輥的直接報廢,造成軋輥本身的經(jīng)濟損失也較大。

因此,如何避免熱連軋機組支承輥在機剝落事故的發(fā)生,對于減少軋線經(jīng)濟損失,保證軋線的生產(chǎn)運行穩(wěn)定性和軋線的生產(chǎn)效率極為重要。大量研究與實踐都表明造成熱連軋機組支承輥剝落的主要原因之一是輥身局部接觸疲勞。因此,對于熱連軋機組,需重視起對支承輥局部接觸疲勞嚴重程度的監(jiān)控和使用風(fēng)險評估。主要的評估手段包括:一是對下機支承輥的輥身兩側(cè)進行重點勘查,包括倒角磨損情況、亮帶光亮程度、起毛的毛化程度等;二是加強上下機硬度檢測,監(jiān)控加工硬化情況,尤其是輥身兩側(cè)倒角磨損區(qū)域的硬化情況,根據(jù)相關(guān)研究,Cr5鍛鋼支承輥的加工硬化極限值為5～5.5HSD,一旦加工硬化超過5.5HSD,在機掉肉或剝落的風(fēng)險會大大增加;三是做好磨后支承輥的渦流檢測,并結(jié)合表面波進行復(fù)檢,發(fā)現(xiàn)有殘余疲勞裂紋,要進行加磨處理,保證疲勞裂紋清除干凈。

5 結(jié)語

對于熱連軋機組支承輥,因其輥身承受的軋制力呈現(xiàn)為馬鞍狀的分布狀態(tài),這一特性造成輥身兩側(cè)的接觸疲勞程度最為嚴重,這也是支承輥設(shè)計長倒角的原因:緩解邊部接觸應(yīng)力。但在機使用過程中,隨著倒角的磨損,邊部接觸應(yīng)力峰值會不斷增加,使輥身兩側(cè)成為了整個輥身使用風(fēng)險最大的區(qū)域,因此輥身兩側(cè)是需要重點關(guān)注和監(jiān)控的區(qū)域。監(jiān)控屬于預(yù)防性措施,而如何最大限度地緩解邊部接觸應(yīng)力峰值,才是有效保障支承使用安全性的手段,為此也成為了熱軋連機組的重點探索課題。