熱軋廠HT-2513粗軋工作輥斷輥原因分析

吳國勝 余利兵 陸獻(xiàn)華

(1.武鋼研究院 湖北 武漢:430080;2.武鋼股份熱軋總廠 湖北 武漢:430083)

某熱軋廠粗軋機HT-2513工作輥在R3機架上輥位軋無取向硅鋼過程中輥身發(fā)生斷裂,造成重大生產(chǎn)事故。經(jīng)過調(diào)查,該工作輥為國內(nèi)某大型軋輥公司制造的離心澆注高鉻復(fù)合鑄造軋輥,外層材質(zhì)為高鉻合金,芯部為球墨鑄鐵,于2003年6月9日進廠,新輥直徑為Φ1200mm,正常報廢直徑為Φ1090mm,斷輥時直徑為Φ1111.55mm,已經(jīng)正常上機使用近4年時間,消耗有效工作層直徑88.45mm,即該輥斷裂損失剩余有效工作層厚度為10.78mm?，F(xiàn)對該工作輥輥身斷裂原因進行分析。

1 使用情況調(diào)查

HT-2513工作輥斷輥時正在軋制鋼卷號為WG1083224的無取向硅鋼的中尾部,其軋制參數(shù)、軋制規(guī)格與其斷裂前軋制的3卷鋼的軋制參數(shù)、軋制規(guī)格的對比見表1、表2,可見它們基本沒有變化,表明軋機生產(chǎn)正常;該輥斷裂前5次的輥徑磨削記錄 分 別 為 Φ1115.36mm、Φ1114.17mm、Φ 1113.45mm、Φ1112.20mm和Φ1111.55mm,平均磨削量為0.95mm/次,也基本正常,表明該輥磨削維護符合要求,該輥斷裂可能只是此次上機使用過程中由軋輥本身質(zhì)量問題引起的偶然事故。

2 現(xiàn)場斷口分析

該輥斷裂形態(tài)為輥身中部斷成碎塊、兩端斷口呈現(xiàn)錐狀,可見斷裂形態(tài)為扭斷(見圖1)。錐狀斷口中部突出,且在輥面的中部突出軸線處存在一條明顯的摩擦、高溫?zé)坪圹E,其中并出現(xiàn)了一條縱向裂紋(見圖2),同時在事故后從R3機架中抽出的板坯上也存在明顯的摩擦痕跡,這表明板坯在軋制過程中由于受到某種阻礙,未能正常穿過R3機架,從而使得該輥的旋轉(zhuǎn)受阻,輥面被高溫板坯灼傷,該輥受到的扭轉(zhuǎn)力矩增加,超過現(xiàn)時該輥能夠承受的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力,因此輥身發(fā)生扭斷;且由于未能及時停機,在操作端發(fā)生斷裂后,傳動端仍然保持著短暫的旋轉(zhuǎn)狀態(tài),致使輥身中部斷成碎塊和傳動端呈現(xiàn)扭斷形態(tài)。

表1 HT-2513工作輥斷裂時的軋制參數(shù)

表2 HT-2513工作輥斷裂時的軋制規(guī)格

圖1 輥身操作端斷塊

圖2 輥身傳動端斷塊上縱向裂紋

復(fù)合軋輥承受扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的能力主要在輥身外層材料。經(jīng)過對圖1所示斷裂碎塊進行清理,發(fā)現(xiàn)該輥現(xiàn)有外層材料的厚度存在嚴(yán)重不均現(xiàn)象,其厚度較薄處僅剩余11mm左右(見圖3),較厚處也只有17～18mm,明顯低于國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T1503-2008《鑄鋼軋輥》中關(guān)于“復(fù)合軋輥的外層厚度應(yīng)大于工作層5 mm”的技術(shù)要求[1],且外層材料和芯部材料的界面明顯不與輥面圓周同心。在圖1所示操作端斷塊輥面的中部突出軸線處取樣觀察,發(fā)現(xiàn)該處輥面存在明顯的裂紋,其縱向斷口上也有諸多裂紋,并且部分外層材料較薄、有些已經(jīng)與芯部材料裂開(見圖4),表明此處在受到外力作用時是很容易斷裂的。

該輥發(fā)生斷裂后,所軋制的 WG1083224鋼卷被卡在R3機架內(nèi),經(jīng)過R3機架出口切斷之后,其前部板坯由精軋機組繼續(xù)軋制,結(jié)果在成品鋼板上發(fā)現(xiàn)軋輥碎塊,表明該輥此次斷裂之前,輥身先出現(xiàn)剝落、掉塊事故,隨后剝落塊落到板坯上進入后續(xù)精軋機架,并被壓入板坯,導(dǎo)致成品鋼板上出現(xiàn)軋輥碎塊。由此可見,該輥此次斷裂正是由于輥身表面剝落,碎塊掉落鋼板上阻礙了該輥旋轉(zhuǎn),引起該輥承受的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力增加;同時輥身表面剝落進一步加劇外層厚度不夠現(xiàn)象,從而導(dǎo)致該輥扭斷的。

該輥發(fā)生斷裂也暴露出該熱軋廠在粗軋機R3機架工作輥新輥驗收檢驗方面存在的嚴(yán)重問題,該廠沒有嚴(yán)格執(zhí)行國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T1503-2008《鑄鋼軋輥》中關(guān)于“復(fù)合軋輥和輥身直徑大于700mm的鑄鋼軋輥,應(yīng)逐支進行超聲波檢測”的檢驗規(guī)則[2],沒有對該輥進行新輥超聲波檢測的記錄。因此,也可以說該輥發(fā)生斷裂是一起由于該廠沒有按照GB/T1503-2008國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求、對進廠的新輥逐支進行超聲波檢測而釀成的質(zhì)量事故。因為,超聲波檢測可以發(fā)現(xiàn)該輥外層材料厚度不夠、且存在嚴(yán)重不均現(xiàn)象,按照 GB/T1503-2008國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,可以判斷該輥質(zhì)量不合格,不予驗收,不準(zhǔn)上機使用,從而避免該輥發(fā)生斷裂。

圖3 輥身外層較薄處斷口

圖4 輥身外層縱向斷口上裂紋

據(jù)調(diào)查,該輥此次上機使用時間達(dá)到6小時40分鐘,其間停機7次,停機時間累計2小時55分鐘,實際軋鋼時間3小時45分鐘。這種停停軋軋的使用過程使該輥輥身承受的軋制壓力和溫度的負(fù)荷多次出現(xiàn)比較劇烈的變化,導(dǎo)致該輥抵抗輥身剝落和斷裂的能力明顯降低,加上該輥有效工作層厚度僅剩余10.78mm,不僅外層材料與復(fù)合層在長期使用過程中累積了一定的疲勞損傷,而且外層材料的厚度存在嚴(yán)重不均現(xiàn)象,有些部位的厚度僅為工作層厚度,更加重了這種疲勞損傷,致使外層材料及其與復(fù)合層的結(jié)合強度下降,造成輥身工作層不能承受軋制壓力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的共同作用,出現(xiàn)裂紋、掉塊和剝落,進而發(fā)生斷裂。

3 取樣檢驗分析

3.1 化學(xué)成份

在HT-2513工作輥剝落塊外層材料上取樣進行化學(xué)成份分析,結(jié)果見表3。由此可見。HT-2513工作輥外層材料的材質(zhì)屬于高鉻鋼,與國標(biāo)GB/T 1503-2008《鑄鋼軋輥》中 HCrS材質(zhì)基本相符,但是其P含量超標(biāo)[3],N、Als也偏高,造成其韌性下降,容易剝落和斷裂。

表3 HT-2513工作輥剝落塊外層化學(xué)成份分析結(jié)果和HCrS材質(zhì)成分(wt%)

3.2 金相組織

在圖1所示操作端斷塊輥面的中部突出軸線處取樣進行金相檢驗,結(jié)果發(fā)現(xiàn)外層基體組織為隱針馬氏體+彌散分布的細(xì)粒狀碳化物+共晶碳化物(見圖5),共晶碳化物形態(tài)呈現(xiàn)網(wǎng)狀分布,并且可見裂紋沿碳化物網(wǎng)擴展(見圖6),表明這種碳化物形態(tài)非常不利于軋輥外層材料的斷裂韌性;芯部基體組織為珠光體+大塊碳化物(見圖7),石墨形態(tài)見圖8,可見仍然有部分石墨的形態(tài)屬于球化不良,影響芯部材料的強韌性,降低軋輥抗斷裂性能。由此可見,由于外層基體組織存在大量網(wǎng)狀分布的共晶碳化物,導(dǎo)致其抗熱裂性較差,在粗軋機上非常容易產(chǎn)生熱裂紋;而且一旦產(chǎn)生裂紋,其擴展速度將是非?？斓?因此具有這種組織的軋輥是很容易發(fā)生剝落的;而又由于該輥外層材料厚度不均勻,實際有多處低于復(fù)合軋輥最低外層材料厚度必須比軋輥工作層厚度大5mm以上的技術(shù)要求,因此一旦外層材料出現(xiàn)裂紋或剝落,在軋輥運行過程中存在的軋制壓力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力作用下,很容易造成裂紋穿過整個外層材料厚度擴展,于是,僅依靠芯部材料的強韌性,難以阻止裂紋沿與軋輥表面成45°擴展,從而形成扭斷特征。

3.3 掃描電鏡斷口觀察

用Quanta 400掃描電鏡作斷面觀察 HT-2513熱軋粗軋機R3上工作輥剝落塊,表層斷面較新鮮,斷口呈穿晶解理+沿晶混合斷裂特征(見圖9);內(nèi)部斷面磨損嚴(yán)重,但是在凹陷部位仍可見解理+沿晶混合斷裂特征(圖10)。這種斷裂特征,表明裂紋擴展和材料斷裂的速度非?？?該輥如果在使用過程中出現(xiàn)這種裂紋,完全有可能導(dǎo)致軋輥發(fā)生瞬時剝落或斷裂,而這與該輥外層材料的化學(xué)成份和金相組織的特征有一定的內(nèi)在聯(lián)系。因此可以從外層材料的化學(xué)成份和金相組織二方面作出調(diào)整,改善熱軋粗軋機R3工作輥的抗裂紋擴展性能,防止斷輥事故的再次發(fā)生。

圖5 工作輥表層組織

圖6 工作輥表層組織中裂紋形態(tài)

圖7 工作輥芯部組織

圖8 工作輥芯部組織中石墨形態(tài)

另外,上述所有斷口上均發(fā)現(xiàn)局部存在少量疏松、孔洞及團塊狀石墨形態(tài),也是造成該輥強韌性下降、疲勞裂紋容易產(chǎn)生和擴展的原因之一,但在斷面觀察過程中,未見有其它類明顯的夾雜(渣)團。

圖9 表層斷面斷裂特征

圖10 內(nèi)部斷面斷裂特征

4 結(jié)語

HT-2513工作輥此次發(fā)生的輥身斷裂事故,屬于正常上機使用過程中由軋輥本身質(zhì)量問題引起的偶然事故;輥身斷裂形態(tài)為扭轉(zhuǎn)斷裂,其斷裂起始部位為輥身外層材料較薄的部位。

該輥斷裂主要與其制造過程中輥身復(fù)合澆注質(zhì)量控制不好、造成輥身外層材料厚度不夠有關(guān),其外層材料厚度沒有達(dá)到國標(biāo) GB/T1503-2008《鑄鋼軋輥》中關(guān)于“復(fù)合軋輥的外層厚度應(yīng)大于工作層5 mm”的技術(shù)要求;加之該輥外層材料的化學(xué)成份中P含量也超標(biāo),造成其韌性下降;以及該輥外層材料金相組織中共晶碳化物形態(tài)呈現(xiàn)網(wǎng)狀分布,使得微觀裂紋容易沿碳化物網(wǎng)擴展,導(dǎo)致外層材料強度不足、從而發(fā)生斷輥的。可以認(rèn)為,這是一起比較典型的不執(zhí)行國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T1503-2008中有關(guān)技術(shù)要求和檢驗規(guī)則而釀成的質(zhì)量事故。

因此,建議該熱軋廠加強粗軋機R3工作輥的新輥驗收檢查,嚴(yán)格執(zhí)行國標(biāo)GB/T1503-2008《鑄鋼軋輥》技術(shù)要求和檢驗規(guī)則,做好每支工作輥的超聲波探傷檢測,堅決杜絕質(zhì)量不合格的工作輥上機使用,從而做到避免此類事故的再次發(fā)生。

[1] 中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB/T1503-2008鑄鋼軋輥[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2008.

[2] 中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB/T1503-2008鑄鋼軋輥[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2008.

[3] 中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB/T1503-2008鑄鋼軋輥[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2008.