鑄造半鋼軋輥槽底斷裂原因分析

張杰，李紅宇，高玉章

（唐山鋼鐵集團(tuán)重型機(jī)械裝備有限公司，河北唐山063000）

對(duì)斷裂半鋼軋輥進(jìn)行成分分析、金相檢測(cè)、輥身孔型處彎曲應(yīng)力計(jì)算。結(jié)果表明，得出造成軋輥斷裂的原因是因?yàn)榭仔驮O(shè)計(jì)時(shí)安全系數(shù)過(guò)低，彎曲應(yīng)力小于許有應(yīng)力，建議提高軋輥報(bào)廢直徑尺寸。

半鋼軋輥；彎曲應(yīng)力；安全系數(shù)；許用應(yīng)力

公司為唐鋼中厚板大型線(xiàn)生產(chǎn)的支F1機(jī)架φ1 193 mm×2 300 mm靜態(tài)鑄造半鋼[1]軋輥在使用至接近報(bào)廢尺寸時(shí)發(fā)生斷裂，斷裂位置位于槽底，斷口平齊，如圖1所示。經(jīng)過(guò)了解，此生產(chǎn)線(xiàn)當(dāng)時(shí)正在軋制220#角鋼，發(fā)生事故時(shí)軋輥直徑為φ750mm，報(bào)廢直徑為φ700 mm，斷裂軋輥為上輥，斷輥位置位于傳動(dòng)側(cè)第二個(gè)孔型槽底位置，斷口平整，組織致密均勻，無(wú)縮孔、夾渣等鑄造缺陷。

為了找出軋輥斷裂的原因，一方面對(duì)生產(chǎn)工藝、檢驗(yàn)的各個(gè)環(huán)節(jié)做了認(rèn)真調(diào)查，均未發(fā)現(xiàn)異常，一方面對(duì)該輥進(jìn)行了比較全面的理化檢驗(yàn)分析及強(qiáng)度校核。根據(jù)斷裂宏觀特征，未發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)，也未發(fā)現(xiàn)明顯的裂紋起源，故從本體取樣，做化學(xué)成分分析及金相檢測(cè)，重點(diǎn)看化學(xué)成分、夾雜物、金相組織有無(wú)異常。

1檢驗(yàn)結(jié)果

1.1輥身部位化學(xué)成分及硬度

軋輥材料為160CrNiMo.在輥身部位取試樣，做光譜分析，化學(xué)成分如表1，硬度如表2.

圖1斷裂軋輥

圖2斷裂軋輥斷面

表1軋輥化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

表2軋輥硬度檢測(cè)情況

從表1、表2數(shù)據(jù)看，符合規(guī)定成分，硬度雖然偏低，但考慮到軋輥已使用至后期，硬度低也算正常。

1.2金相組織

實(shí)驗(yàn)室金相組織為索氏體和不同形態(tài)碳化物，屬正常半鋼組織，非金屬夾雜物[2]≤2級(jí)，金相圖片如圖3和圖4.

圖3金相照片（X100未浸蝕）

圖4金相照片（X100浸蝕）

從組織情況看，軋輥非金屬夾雜物符合規(guī)定，并達(dá)到2級(jí)以下，碳化物呈粒狀或是棒狀碳化物形態(tài)，屬正常半鋼組織，并無(wú)異常。

2軋輥的強(qiáng)度校核

軋輥工藝人員在完成某個(gè)新產(chǎn)品的孔型設(shè)計(jì)（壓下規(guī)程設(shè)計(jì)）時(shí)，或?qū)垯C(jī)進(jìn)行技術(shù)改造強(qiáng)化軋機(jī)的生產(chǎn)能力時(shí)，必須對(duì)軋輥進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算以判定工藝規(guī)程設(shè)計(jì)合理性。軋輥強(qiáng)度校核的計(jì)算內(nèi)容、方法和軋輥的用途、形狀、工作條件有關(guān)。對(duì)于二輥軋機(jī)強(qiáng)度校核的內(nèi)容如下：

①輥身：僅計(jì)算彎曲。

②輥頸：計(jì)算彎曲和扭轉(zhuǎn)。③傳動(dòng)端：計(jì)算扭轉(zhuǎn)。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如圖5.

圖5二輥軋機(jī)強(qiáng)度校核

2.1輥身彎曲應(yīng)力（σD）的計(jì)算

式中：

σD——彎曲應(yīng)力，MPa；

MD——危險(xiǎn)斷面處的彎矩，kN·m；其中：MD＝P（a-x）；

D——計(jì)算斷面處的軋輥直徑，m（使用最小直徑φ750 mm=φ0.75 m）；

P——軋件作用于軋輥的壓力，kN（本式中P=4 800 kN，最大軋制力6 000 kN）

a——壓下螺絲間的中心距，m（本式中a=3.192 m）

x——壓下螺絲至計(jì)算危險(xiǎn)斷面距離，m（本式中x＝1.981m）；

D1——孔型處外圓直徑，m（實(shí)際=0.89m）；

D——孔型底部直徑，m（實(shí)際=0.015）；

WD——抗彎模量=0.1D3

帶入公式（1）中可得：

2）許用應(yīng)力計(jì)算

首先分析軋輥所受的載荷和產(chǎn)生的應(yīng)力，根據(jù)失效類(lèi)型確定許用應(yīng)力，最后要使軋輥的工作應(yīng)力不超過(guò)許用應(yīng)力，即σD＜[σ]

式中：σb——軋輥抗拉強(qiáng)度，MPa（要求σb≥600 MPa本式取σb＝600 MPa）；

n——安全系數(shù)（對(duì)于半鋼軋輥，安全系數(shù)取5）；

帶入公式（2）可得：

根據(jù)（1）、（2）式計(jì)算結(jié)果可得：

σD＜[σ]

3）軋輥輥身為平輥時(shí)的實(shí)際安全系數(shù)

當(dāng)輥身為平輥時(shí)說(shuō)明此軋輥是安全的。

4）考慮角鋼孔型尖角效應(yīng)，應(yīng)考慮孔型對(duì)輥身產(chǎn)生的應(yīng)力集中系數(shù)k（D1為輥身孔型處最大直徑，r為孔型根部圓角）查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)圓角有效應(yīng)力集中系數(shù)kσ取2.23

考慮到半鋼軋輥的安全系數(shù)最小為5，此時(shí)應(yīng)力集中系數(shù)kσ經(jīng)反算為1.4，查機(jī)械手冊(cè)對(duì)應(yīng)r/D在0.01～0.02之間，對(duì)應(yīng)D直徑在750 mm～1 000 mm之間軋輥是安全的。

3軋輥斷裂原因分析

此支軋輥斷裂是在使用后期，從軋輥的斷面情況看，不存在內(nèi)部缺陷，也不存在邊部的疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)，首先排除了外因致軋輥斷裂的可能，其次從軋輥的檢驗(yàn)數(shù)據(jù)及金相組織看，軋輥內(nèi)部質(zhì)量非常好，由于找不到內(nèi)外因造成軋輥斷裂的可能，故對(duì)軋輥的安全系數(shù)進(jìn)行了校核，發(fā)現(xiàn)軋輥孔型處的安全系數(shù)設(shè)計(jì)小于半鋼軋輥的安全系數(shù)，故此支軋輥在使用上是存在安全隱患的，也是造成此支軋輥斷裂的主要原因。

4結(jié)論

（1）帶槽半鋼軋輥的孔型底部是強(qiáng)度最低的區(qū)域，也是最容易發(fā)生斷裂的部位。

（2）帶槽半鋼軋輥孔型處安全系數(shù)設(shè)計(jì)過(guò)低是造成半鋼軋輥斷裂的主要原因。

（3）帶槽半鋼軋輥孔型尖角效應(yīng)對(duì)安全系數(shù)的影響比較大，必須考慮。

（4）建議提高軋輥的報(bào)廢直徑尺寸，報(bào)廢直徑最小為750 mm.

參參考獻(xiàn)：

［1］文鐵錚，郭玉珍.冶金軋輥技術(shù)特性概論［M］.石家莊：河北科學(xué)技術(shù)出版社，1995.

［2］文鐵錚，郭玉珍.軋輥制造技術(shù)新論［M］.石家莊：河北科學(xué)技術(shù)出版社，2014.

［3］成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.第五版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

Cause Analysis of Groove Bottom Fracture of Cast Semisteel Roll

ZHANG Jie，LI Hong-yu，GAO Yu-zhang
（Tangshan Iron and Steel Group Heavy Machinery and Equipment CO.，LTD.，Tangshan Hebei 063000，China）

Through chemical composition analysis，metallographic examination on the fracture of semisteel roll in the roll body，pass bending stress calculation，the result showed the roller fracture was caused by the low safety coefficientin the groove design，the bending stress less than the allowed stress.The diameter of roll scrap was proposed to increase.

semisteel roll，bending stress，safety factor，allowed stress

TG332

A

1674-6694（2017）02-0047-03

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2017.02.016

2017-02-14

張杰（1977-），男，學(xué)士學(xué)位，主要從事軋輥工藝的制定和軋輥新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)與研究。