朱小波
摘要:連鑄輥是連鑄機(jī)上最關(guān)鍵的部件,它承擔(dān)著承重、驅(qū)動鋼坯和活動坯模的功能。其失效形式主要表現(xiàn)為輥?zhàn)颖砻娴牧鸭y和小直徑輥的彎曲,當(dāng)裂紋擴(kuò)展到不能承受外載時,便會發(fā)生斷裂事故。本文通表面過裂紋失效形式的分析,指出了裂紋產(chǎn)生的原因和避免裂紋產(chǎn)生的措施;延長了連鑄輥?zhàn)拥氖褂脡勖岣弋a(chǎn)品質(zhì)量。
關(guān)鍵詞:連鑄輥;表面裂紋;脫落;堆焊
1.背景
連鑄輥是扇形段的核心構(gòu)成部件,在使用過程中,主要承擔(dān)承載、驅(qū)動鋼坯和活動坯模的功能。它連續(xù)不斷地與內(nèi)部還未凝固的高溫鑄坯接觸,不僅反復(fù)承受著局部高溫加熱和水冷的交變冷熱沖擊循環(huán)作用,而且還受到板坯鼓脹力和靜壓力的交變機(jī)械應(yīng)力的作用,以及滯坯、漏鋼等異常澆鋼情況,工況條件十分惡劣。使用一段時間后,輥體會產(chǎn)生變形,輥面還會出現(xiàn)不同程度的網(wǎng)狀裂紋、氧化腐蝕、磨損等問題。這些問題將會直接導(dǎo)致鋼坯出現(xiàn)質(zhì)量問題,為更好的保障鋼坯的質(zhì)量,降低連鑄輥對鋼坯質(zhì)量影響,提高連鑄輥的使用壽命,有必要對連鑄輥的失效形式進(jìn)行分析。
2.連鑄輥主要失效形式及分析
連鑄輥主要的失效形式為:表面裂紋、輥?zhàn)幽p和輥?zhàn)訌澢?/p>
2.1表面裂紋
連鑄輥由于反復(fù)受到與高溫板坯的接觸和冷卻的影響容易產(chǎn)生熱裂紋(冷熱疲勞裂紋);輥?zhàn)油V箷r在輥?zhàn)颖砻娈a(chǎn)生拉應(yīng)力,此反復(fù)的應(yīng)力引起熱裂紋。疲勞裂紋與下列因素有關(guān):
2.1.1熱負(fù)荷:輥?zhàn)优c炙熱的鑄坯直接接觸而被加熱,繼而又被噴淋水所冷卻,經(jīng)受著強(qiáng)烈的冷熱交變熱負(fù)荷。最大溫度值、接觸時間、冷卻速度、溫度變化的快慢等因素影響著裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。
2.1.2疲勞:輥?zhàn)颖砻娴乃艿臒嶝?fù)荷和機(jī)械應(yīng)力的交替作用,使輥?zhàn)赢a(chǎn)生疲勞裂紋。
2.1.3腐蝕:輥?zhàn)颖砻娴母g是由于與冷卻水接觸相造成的。冷卻水成分因環(huán)境的變化,酸性過大導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕和晶間腐蝕發(fā)生,增大表面裂紋的產(chǎn)生。冷卻水在裂紋內(nèi)汽化還會產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象。
2.1.4摩擦:輥坯表面易產(chǎn)生氧化鐵皮。輥?zhàn)优c輥坯上下表面間的摩擦?xí)疠^強(qiáng)的磨損。
2.1.5沖刷:在輥?zhàn)颖砻媾c鑄坯接觸面之間,冷卻水產(chǎn)生汽化,具有很高的壓力,引起水氣流與輥?zhàn)颖砻娴母咚倥鲎捕纬蓻_刷作用。
2.2輥?zhàn)拥哪p
高溫氧化、水、冷卻液對輥?zhàn)拥母g,鑄坯與輥?zhàn)又g的摩擦及氧化皮與輥?zhàn)拥幕瑒赢a(chǎn)生的磨損。
2.3輥?zhàn)訌澢?/p>
輥?zhàn)訌澢鹜蛊?,增大輥?zhàn)拥呢?fù)荷,也促進(jìn)裂紋的發(fā)展。為此,需要使用抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度較高,線膨脹系數(shù)較小的輥?zhàn)幽覆?,盡量將殘余應(yīng)力控制于較低的水平。
3.表面裂紋分析
3.1宏觀觀察
對連鑄輥堆焊層開裂部位宏觀觀察發(fā)現(xiàn),裂紋基本上發(fā)生在靠近堆焊層的熱影響區(qū)(HAZ),少數(shù)二次裂紋擴(kuò)展進(jìn)入堆焊層中。在嚴(yán)重開裂部位,堆焊層沿母材HAZ呈剝殼狀分離。
3.2硬度測定
對連鑄輥堆焊層及母材各部位硬度測定結(jié)果如表1所示。可知,靠近堆焊層的HAZ硬度最高,中心區(qū)硬度最低。
3.3金相分析:
通過實(shí)驗(yàn)觀察連鑄輥母材中心區(qū)試樣的金相組織。分析可知,晶粒較粗大,顯微組織為珠光體和沿晶斷續(xù)分布的鐵素體,說明母材鍛后未經(jīng)正火處理。
實(shí)驗(yàn)觀察連鑄輥堆焊層的金相組織。其中堆焊層表層組織為細(xì)小樹枝晶+少量碳化物,熔合區(qū)組織為樹枝晶+細(xì)小針狀馬氏體。堆焊層的層與層之間未產(chǎn)生裂紋,這是因?yàn)椴捎煤覆臑榈吞甲员Wo(hù)藥芯合金焊絲,在進(jìn)行多層堆焊時,層與層之間相當(dāng)于進(jìn)行了一次焊前預(yù)熱和焊后緩冷過程,沒有很大淬硬傾向,同時殘留的焊接應(yīng)力較小。而連鑄輥的輥表面第一層堆焊屬于異種材料的焊接。由于母材的含碳量較高,焊材含碳量很低,在堆焊的過程中,由于兩者熔合有一定的稀釋作用,因此熔合區(qū)形成少量細(xì)小針狀低碳馬氏體組織。但在HAZ的過熱區(qū),由于堆焊時采用焊接線能量較大,使得母材受熱溫度較高,經(jīng)焊接熱循環(huán)的作用,一方面形成的奧氏體晶粒要進(jìn)一步長大,另一方面由于鋼中碳化物的分解和溶解,使奧氏體不但要溶入大量碳,同時合金元素Cr、Mo的溶解,使得鋼的C曲線右移,在隨后的快速冷卻過程中,將會形成大量的粗大高碳馬氏體組織,晶格發(fā)生強(qiáng)烈畸變,表現(xiàn)為硬度很高(見表1)。綜合作用結(jié)果,導(dǎo)致裂紋首先在HAZ的過熱區(qū)形成,隨后沿堆焊層與母材交界面快速發(fā)展,是造成堆焊層開裂與母材分離的主要原因。
4.解決措施與建議
鑒于以上分析,我們主要從以下幾個方面來預(yù)防連鑄輥?zhàn)颖砻媪鸭y的產(chǎn)生,從而提高連鑄輥?zhàn)拥氖褂脡勖?/p>
4.1優(yōu)化焊接工藝,采用合理焊接設(shè)備及焊接方式,根據(jù)連鑄輥的材質(zhì)的不同,選擇相應(yīng)的過渡層和合金層材料。
4.2輥芯基體材料選擇35CrMo或42CrMo調(diào)質(zhì)硬度260—280HB。
4.3堆焊前,對輥芯內(nèi)部和表面分別進(jìn)行探傷,確保不存在內(nèi)部缺陷和表面缺陷;焊前對連鑄輥?zhàn)幽覆倪M(jìn)行適當(dāng)預(yù)熱。
4.4改進(jìn)過程控制溫控手段,堆焊后,應(yīng)及時進(jìn)行緩冷處理,保證焊接材料的物理性能??筛鶕?jù)降溫要求采用不同的保溫方法,使之緩慢冷卻。
4.5將緩慢冷卻后的連鑄輥進(jìn)行粗加工,用肉眼檢查一下表面是否有裂紋、氣孔等焊接缺陷,然后探傷儀檢測輥?zhàn)邮欠裼泻附尤毕莸拇嬖凇?/p>
4.6將噴淋水冷卻改為水霧冷卻,提高冷卻效率,降低輥?zhàn)颖砻鏈囟龋馆佔(zhàn)觾?nèi)部的熱應(yīng)力與熱疲勞保持在較低狀態(tài)。
4.7日常的設(shè)備維護(hù)中,加強(qiáng)連鑄輥?zhàn)拥臐櫥?,確保輥?zhàn)愚D(zhuǎn)動靈活。