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        高鉻復(fù)合鑄鐵軋輥斷輥失效分析

        2013-09-07 07:51:40付志云何國(guó)賽汪素娟
        關(guān)鍵詞:輥身油孔軋輥

        付志云 何國(guó)賽 陳 良 汪素娟

        (1.武鋼股份公司設(shè)備管理部 湖北 武漢:430083;2.武鋼股份公司條材總廠CSP分廠 湖北 武漢:430083)

        1 事故起因

        某機(jī)組在正常生產(chǎn)中,第四架下輥發(fā)生了一起斷輥事故。失效軋輥屬于改進(jìn)型高鉻復(fù)合鑄鐵軋輥。軋輥工作層為高鉻鑄鐵材質(zhì),芯部為無(wú)限冷硬球墨鑄鐵。軋輥工作層使用范圍為:Φ660~750mm,事故直徑為Φ689mm。

        事故造成了該生產(chǎn)線的鋼水?dāng)酀?,?duì)生產(chǎn)造成了嚴(yán)重影響。

        2 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查

        2.1 事故軋輥斷口與殘塊

        失效軋輥在斷輥事故中存在兩處斷口(I和II),將軋輥斷裂成A、B、C三部分(如圖1所示)。

        圖1 失效斷輥示意圖

        其中:斷口I位于軋輥輥身處,距輥身靠近傳動(dòng)側(cè)端約300~310mm;

        斷口II位于軋輥操作側(cè)輥頸部位。

        三部分殘塊分別是:

        殘塊A——軋輥操作側(cè)輥頸部分;

        殘塊B——軋輥輥身大部至操作側(cè)輥頸殘余;

        殘塊C——軋輥輥身殘余與傳動(dòng)側(cè)輥頸全部。

        2.2 斷口I觀察

        在圖2中,可以觀察到殘塊B的輥身斷口I斷面狀況。

        圖2 殘塊B輥身斷口圖

        輥身斷口I垂直于軋輥軸向。斷口邊緣存在多處鋸齒狀碎片。斷口斷面呈圓弧狀,中心突起部分朝向軋輥傳動(dòng)側(cè)?;⌒瓦吘壌嬖跀U(kuò)展條紋,表明有周向剪切應(yīng)力作用,扭斷特征明顯。

        斷面表明,軋輥工作層厚度基本均勻,過(guò)渡層結(jié)合狀況良好。工作層、過(guò)渡層及芯部組織外觀良好。

        斷口外緣輥面存在一處軸向撕開(kāi)痕。

        2.3 斷口II觀察

        圖3為殘塊B上操作側(cè)輥頸斷面的外貌。斷面與軋輥軸向垂直,斷面在斷裂前未發(fā)生塑性變形,斷裂后其斷口齊平,整個(gè)斷面呈現(xiàn)出發(fā)亮的晶粒組織,脆性斷裂特征十分明顯。

        斷口位于操作側(cè)輥頸處,斷口外緣周向存在U型凹槽,為軋輥軸承油槽部位,此處為軋輥輥頸最小截面部位。垂直于U型槽有一條進(jìn)油孔,進(jìn)油孔恰好與輥頸斷口在同一斷面。

        圖3 殘塊B輥勁斷口圖

        2.4 金相組織

        在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查中,分別對(duì)軋輥輥身和軋輥輥頸部位的金相組織檢測(cè)(見(jiàn)圖4、圖5)。

        圖4 輥頸金相組織(100×)

        圖5 輥身金相組織(100×)

        圖4展示的取樣部位為軋輥輥頸外表面區(qū)域。輥頸部位材質(zhì)與軋輥芯部材質(zhì)相同,為無(wú)限冷硬球墨鑄鐵材質(zhì)。

        檢測(cè)發(fā)現(xiàn),基體組織為珠光體+少量牛眼鐵素體+少量碳化物,石墨表現(xiàn)為球團(tuán)狀,分布較均勻,芯部組織球化及碳化物級(jí)別符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

        圖6的檢測(cè)部位為軋輥工作層區(qū)域。該部位材質(zhì)為高鉻鑄鐵材質(zhì)。

        輥身金相為:回火馬氏體+回火屈氏體+30%左右碳化物+少量殘奧。

        根據(jù)軋輥的出廠檢測(cè)報(bào)告,失效軋輥輥身殘奧小于1%,殘余應(yīng)力-320±62MPa。

        2.5 其它檢測(cè)

        軋輥硬度檢測(cè):

        輥身硬度要求為:73-78HSD,實(shí)際為73-75HSD;輥頸要求為:35~45HSD,實(shí)際為40-43HSD。

        輥頸抗拉強(qiáng)度(MPa):σb≥400MPa

        其它相關(guān)檢測(cè)基本上滿足技術(shù)條件要求。

        3 原因分析

        首先查看了現(xiàn)場(chǎng)影象資料。資料表明操作側(cè)輥頸斷口首先出現(xiàn):軋輥的操作側(cè)首先出現(xiàn)異常,帶鋼在軋機(jī)操作側(cè)出現(xiàn)異常波形,并由小到大。與此同時(shí),傳動(dòng)側(cè)保持平直狀態(tài)。帶鋼擺幅越來(lái)越大直至帶鋼斷帶發(fā)生。

        隨后,檢查了軋機(jī)記錄圖表見(jiàn)圖6。記錄圖表在另一個(gè)角度驗(yàn)證了上述結(jié)論:

        記錄圖表(見(jiàn)圖6)由兩個(gè)部分組分,上圖記錄了作用在工作輥輥頸部位的軋機(jī)彎輥力;下圖為作用在軋機(jī)支承輥輥頸上軋制力。由上圖彎輥力可見(jiàn),操作側(cè)首先失去彎輥力,傳動(dòng)側(cè)彎輥力由于承載著負(fù)荷,次于前者下降。

        由此確定,首先發(fā)生斷裂的是操作側(cè)端輥頸部位。

        輥頸部位的斷裂主要由三種因素構(gòu)成:

        (1)輥頸截面積最小,屬薄弱部位。由于在輥頸該部位加工出了軸承油槽,使得此處截面積最小。

        (2)該部位加工出的加油孔,承受了較大剪切應(yīng)力。軋輥在轉(zhuǎn)動(dòng)中承受著較大的扭矩力。對(duì)于完整截面上,扭矩力以周向剪切應(yīng)力的方式作用在整個(gè)周向斷面上。進(jìn)油孔的存在,使得進(jìn)油孔周向孔壁承受了剪切應(yīng)力的集中作用。

        (3)輥頸部位采用的材質(zhì)是球墨鑄鐵材質(zhì),其斷裂韌性在較大程度上決定于材料本身及球化熱處理過(guò)程。

        由于上述因素的共同作用,導(dǎo)致軋輥在該部位發(fā)生脆性斷裂(見(jiàn)圖7)。

        圖6 軋機(jī)運(yùn)行圖表

        圖7 斷口II受力示意圖

        輥身斷裂屬于次生斷裂。在軋輥輥頸發(fā)生斷裂事故之后,軋輥在操作側(cè)失去約束及控制,導(dǎo)致輥身斷裂。軋輥圓弧狀斷口,放射狀裂紋擴(kuò)展痕及外緣邊部撕裂痕進(jìn)一步予以了確認(rèn)。

        4 結(jié)論

        高鉻復(fù)合軋輥的斷裂首先在輥頸部位產(chǎn)生,表現(xiàn)為脆性斷裂;輥身斷裂是在輥頸斷裂后發(fā)生的次生斷裂。輥頸斷裂與輥頸截面積小,輥頸材料及軸承進(jìn)油孔有關(guān)。

        改進(jìn)措施:

        (1)改進(jìn)軋輥軸承進(jìn)油孔設(shè)計(jì),減少輥頸薄弱部位所承受的剪應(yīng)力影響;

        (2)在進(jìn)油孔加工中提高操作水平,避免裂紋源的產(chǎn)生;

        (3)提高軋輥芯部的球化處理工藝,可有效防止此類軋輥事故的發(fā)生。

        [1]付志云,陳光明,張 倩.510#冷軋中間輥失效成因研究[J].武漢科技大學(xué)學(xué)報(bào),2011,(12):40-43.

        [2]付志云,薛鐵,舒 展.5013#冷軋失效工作輥殘塊解剖及次表面層研究[J].武漢科技大學(xué)學(xué)報(bào),2011,(12):20-24.

        [3]付志云.支承輥邊部缺陷及控制技術(shù)[J].大型鑄鍛件,2011,(2):12-14.

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