高鉻復合鑄鐵軋輥斷輥失效分析

付志云 何國賽 陳 良 汪素娟

（1.武鋼股份公司設備管理部 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

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

事故造成了該生產線的鋼水斷澆，對生產造成了嚴重影響。

2 現場調查

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，距輥身靠近傳動側端約300～310mm；

斷口II位于軋輥操作側輥頸部位。

三部分殘塊分別是：

殘塊A——軋輥操作側輥頸部分；

殘塊B——軋輥輥身大部至操作側輥頸殘余；

殘塊C——軋輥輥身殘余與傳動側輥頸全部。

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側?；⌒瓦吘壌嬖跀U展條紋，表明有周向剪切應力作用，扭斷特征明顯。

斷面表明，軋輥工作層厚度基本均勻，過渡層結合狀況良好。工作層、過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痕。

2.3 斷口II觀察

圖3為殘塊B上操作側輥頸斷面的外貌。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，整個斷面呈現出發(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型槽有一條進油孔，進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

在現場調查中，分別對軋輥輥身和軋輥輥頸部位的金相組織檢測（見圖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。輥頸部位材質與軋輥芯部材質相同，為無限冷硬球墨鑄鐵材質。

檢測發(fā)現，基體組織為珠光體＋少量牛眼鐵素體＋少量碳化物，石墨表現為球團狀，分布較均勻，芯部組織球化及碳化物級別符合標準要求。

圖6的檢測部位為軋輥工作層區(qū)域。該部位材質為高鉻鑄鐵材質。

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。

根據軋輥的出廠檢測報告，失效軋輥輥身殘奧小于1%，殘余應力－320±62MPa。

2.5 其它檢測

軋輥硬度檢測：

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

輥頸抗拉強度（MPa）：σb≥400MPa

其它相關檢測基本上滿足技術條件要求。

3 原因分析

首先查看了現場影象資料。資料表明操作側輥頸斷口首先出現：軋輥的操作側首先出現異常，帶鋼在軋機操作側出現異常波形，并由小到大。與此同時，傳動側保持平直狀態(tài)。帶鋼擺幅越來越大直至帶鋼斷帶發(fā)生。

隨后，檢查了軋機記錄圖表見圖6。記錄圖表在另一個角度驗證了上述結論：

記錄圖表（見圖6）由兩個部分組分，上圖記錄了作用在工作輥輥頸部位的軋機彎輥力；下圖為作用在軋機支承輥輥頸上軋制力。由上圖彎輥力可見，操作側首先失去彎輥力，傳動側彎輥力由于承載著負荷，次于前者下降。

由此確定，首先發(fā)生斷裂的是操作側端輥頸部位。

輥頸部位的斷裂主要由三種因素構成：

（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，承受了較大剪切應力。軋輥在轉動中承受著較大的扭矩力。對于完整截面上，扭矩力以周向剪切應力的方式作用在整個周向斷面上。進油孔的存在，使得進油孔周向孔壁承受了剪切應力的集中作用。

（3）輥頸部位采用的材質是球墨鑄鐵材質，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程。

由于上述因素的共同作用，導致軋輥在該部位發(fā)生脆性斷裂（見圖7）。

圖6 軋機運行圖表

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，軋輥在操作側失去約束及控制，導致輥身斷裂。軋輥圓弧狀斷口，放射狀裂紋擴展痕及外緣邊部撕裂痕進一步予以了確認。

4 結論

高鉻復合軋輥的斷裂首先在輥頸部位產生，表現為脆性斷裂；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，輥頸材料及軸承進油孔有關。

改進措施：

（1）改進軋輥軸承進油孔設計，減少輥頸薄弱部位所承受的剪應力影響；

（2）在進油孔加工中提高操作水平，避免裂紋源的產生；

（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］.武漢科技大學學報，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］.武漢科技大學學報，2011，（12）：20－24.

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