提高熱軋運(yùn)輸輥道使用壽命的分析與應(yīng)用

黨平剛

(攀枝花鋼釩有限公司熱軋板廠,四川攀枝花617023)

提高熱軋運(yùn)輸輥道使用壽命的分析與應(yīng)用

黨平剛

(攀枝花鋼釩有限公司熱軋板廠,四川攀枝花617023)

針對攀鋼1450熱軋板廠運(yùn)輸輥道輥?zhàn)哟嬖谑褂脡勖碳皠潅a(chǎn)品表面等缺陷,進(jìn)行了詳盡的原因分析,提出了采用自動埋弧堆焊技術(shù),提高輥?zhàn)颖砻鏅C(jī)械性能,增強(qiáng)其抗冷熱疲勞性、耐磨性、抗剝落性,并相應(yīng)的改進(jìn)輥?zhàn)永鋮s方式,延長輥?zhàn)邮褂脡勖?保證正常生產(chǎn)。

輥?zhàn)?埋弧堆焊;機(jī)械性能;壽命

1 引言

攀鋼1 450mm熱軋板廠粗軋區(qū)運(yùn)輸輥道,主要承擔(dān)中間板坯的運(yùn)輸工作,是熱軋工序的主要附屬設(shè)備,輥?zhàn)硬馁|(zhì)采用45#鋼,表面設(shè)計(jì)硬度HB215～271。近年來,由于熱軋產(chǎn)品升級及工藝不斷改進(jìn),輥?zhàn)颖砻嫘阅軣o法滿足熱軋工藝要求,在生產(chǎn)過程中,輥面出現(xiàn)磨損及腐蝕,輥身表面質(zhì)量嚴(yán)重受損,導(dǎo)致產(chǎn)品頻繁出現(xiàn)熱擦劃傷缺陷,為了保證產(chǎn)品質(zhì)量,只能被迫通過縮短輥道更換周期及現(xiàn)場打磨輥道表面等措施,輥?zhàn)邮褂脡勖蠓档?不但增加了維修成本,而且產(chǎn)品熱擦劃傷無法得到根本治理,致使生產(chǎn)頻繁中斷,經(jīng)濟(jì)效益受到嚴(yán)重影響。

為了保證正常的生產(chǎn),提高產(chǎn)品質(zhì)量,開發(fā)新品種,進(jìn)行了提高輥道輥?zhàn)颖砻鏅C(jī)械性能的分析與研究,采用埋弧堆焊工藝,對輥道表面進(jìn)行堆焊修復(fù),提高其機(jī)械性能,使運(yùn)輸輥道表面具有優(yōu)良的抗冷熱疲勞性、耐磨性、抗剝落性,并對輥道冷卻方式,進(jìn)行配套改進(jìn),增加輥道的使用壽命及質(zhì)量。

2 運(yùn)輸輥道存在的缺陷及原因分析

2.1 運(yùn)輸輥道輥?zhàn)咏Y(jié)構(gòu)

運(yùn)輸輥道輥?zhàn)訛楹附咏Y(jié)構(gòu)空心輥,包含兩側(cè)輥頸、中間輥身三部分,其中輥身直接接觸中間板坯,是輥?zhàn)拥墓ぷ鞑糠?受熱受力比較大,輥身材質(zhì)為45#鋼,表面設(shè)計(jì)硬度HB241,輥?zhàn)咏Y(jié)構(gòu)如圖1所示。設(shè)計(jì)兩側(cè)輥頸部分采用外冷水噴射冷卻,輥身部分不冷卻。

圖1 運(yùn)輸輥道輥?zhàn)咏Y(jié)構(gòu)示意圖

2.2 存在的缺陷

近幾年,隨著市場對產(chǎn)品性能及質(zhì)量要求的不斷提高,生產(chǎn)當(dāng)中需要開發(fā)出高強(qiáng)度的熱軋板,相應(yīng)的軋制工藝也需要改進(jìn),對運(yùn)輸輥道的表面性能也相應(yīng)的需要提高,由于對輥?zhàn)颖砻嫘阅艿母倪M(jìn)沒有跟上軋制工藝的需求,相繼出現(xiàn)了以下缺陷。

(1)輥身表面出現(xiàn)裂紋,如圖2所示,熱軋當(dāng)中,造成鋼板下表面被劃傷缺陷,影響鋼板產(chǎn)品的質(zhì)量。

圖2 輥身表面裂紋形貌圖

(2)輥身表面會出現(xiàn)嚴(yán)重“粘肉”現(xiàn)象,如圖3所示,影響輥道使用壽命及產(chǎn)品的質(zhì)量。

圖3 輥身表面“粘肉”形貌圖

(3)輥身表面局部銹蝕極為嚴(yán)重,如圖4所示,產(chǎn)生剝落溝槽,直接造成熱坯劃傷。

圖4 輥身表面局部銹蝕形貌圖

(4)輥身表面耐磨損的性能差,輥?zhàn)邮褂脡勖鼉H有0.5年,維修成本大。

2.3 缺陷原因分析

在熱軋生產(chǎn)當(dāng)中,運(yùn)輸輥道輥身接觸1 000℃以上高溫板坯,并受冷卻水冷卻,主要存在粘著磨損、磨料磨損、應(yīng)力疲勞磨損、腐蝕磨損,并且輥面磨損機(jī)理多項(xiàng)綜合交錯,下面對熱軋粗軋區(qū)運(yùn)輸輥?zhàn)幽p及腐蝕機(jī)理進(jìn)行分析。

(1)輥面存在應(yīng)力疲勞磨損缺陷。輥?zhàn)釉? 000℃以上工況中,由于原設(shè)計(jì)沒有輥身冷卻,輥面在工作時經(jīng)高溫長期熱輻射和熱傳導(dǎo),高溫會對金屬的硬度、顯微組織、互溶性以及增加氧化速率產(chǎn)生影響從而改變了工作層耐磨性。高溫引起輥面組織相變、再結(jié)晶、影響磨擦副的互溶性,致使輥面產(chǎn)生變形熱應(yīng)力裂紋及剝落現(xiàn)象,如圖2所示,金屬高溫強(qiáng)度下降,表面開裂掉肉導(dǎo)致產(chǎn)品表面熱劃傷。

由于工藝需要,增設(shè)臨時輥身表面外冷水冷卻后,輥?zhàn)映惺芊磸?fù)的加熱和冷卻作用,受交變熱循環(huán)及輥面熱透性不足,表面調(diào)質(zhì)性能發(fā)生改變,輥?zhàn)咏M織應(yīng)力致使輥身表面大量產(chǎn)生連續(xù)狀細(xì)小應(yīng)力疲勞裂紋,如圖5所示。

圖5 輥身表面疲勞裂紋示意圖

(2)輥面存在粘著磨損缺陷。在軋制生產(chǎn)過程中,中間板坯進(jìn)出軋機(jī)沖擊大,環(huán)境溫度高,由于熱傳導(dǎo)、熱輻射及摩擦作用,軋機(jī)前后的運(yùn)輸輥?zhàn)虞伱娉霈F(xiàn)局部硬度下降,輥面粘附的氧化鐵皮及細(xì)小磨粒被帶入滑動面間,使局部接觸點(diǎn)發(fā)生粘著或焊合,如圖3所示。

(3)輥面存在腐蝕磨損缺陷。在軋鋼過程中,噴射到輥身的冷卻水受熱,在輥面和鋼坯接觸處產(chǎn)生高壓蒸汽,對輥面造成沖蝕和汽蝕,產(chǎn)物在輥面形成鐵銹,破壞了金屬表面保護(hù)膜,促進(jìn)了輥身磨損消耗,特別是冷卻不均勻?qū)⒅庇^呈現(xiàn)出輥面局部銹蝕極為嚴(yán)重,最終產(chǎn)生剝落溝槽,造成中間板坯劃傷,輥面質(zhì)量出現(xiàn)的缺陷形貌如圖4所示。

(4)輥面存在磨料磨損缺陷。由于粗軋機(jī)為四輥可逆軋制,在軋制過程中道次間隔時間達(dá)11s～27s,正常生成的氧化鐵皮形成大量磨料,磨料硬度約為HRC20～35,對軋機(jī)前后運(yùn)輸輥道表面造成低應(yīng)力磨損,在板坯壓力及輥?zhàn)铀俣葲_擊作用下,磨料粒子對輥面產(chǎn)生鑿削磨損,輥?zhàn)庸ぷ鲗颖荒p一段時間后,其硬度Hu和磨料硬度Ha的比值≤0.5～0.8時,進(jìn)入硬磨料磨損,產(chǎn)生快速磨損現(xiàn)象,由于輥身受低應(yīng)力磨料磨損和鑿削磨損,致使輥面直徑磨損大于1mm/月,輥?zhàn)邮褂脡勖^短。

3 改進(jìn)的技術(shù)措施

根據(jù)以上分析可知,必須提高輥道輥?zhàn)颖砻娴目估錈崞谛?、耐磨性、耐腐蝕性,才能提高其使用壽命及運(yùn)行穩(wěn)定性,通過對國內(nèi)外相關(guān)資料及實(shí)績的研究,確定采用自動埋弧堆焊技術(shù),制作復(fù)合輥?zhàn)?對輥?zhàn)颖砻孢M(jìn)行處理,增強(qiáng)表面機(jī)械性能。

3.1 輥?zhàn)庸ぷ鲗硬牧线x擇

為了節(jié)省費(fèi)用,對原輥道輥?zhàn)舆M(jìn)行輥身表面修復(fù),利用埋弧堆焊技術(shù),制作工作層,原輥?zhàn)鳛榛鶎?。輥?zhàn)幽p形式主要是粘著和磨料磨損,屬低應(yīng)力磨料磨損類型和鑿削磨損及冷、熱應(yīng)力疲勞磨損。根據(jù)分析結(jié)果,研究選擇合適的工作層材料,使工作層具有很好的機(jī)械性能。實(shí)驗(yàn)表明材料中鉻含量達(dá)到12%以上時,可以形成完整、致密、粘著力強(qiáng)的富鉻氧化膜,使金屬具有高溫抗氧化性和耐氧化性介質(zhì)腐蝕作用,并增加鋼的熱強(qiáng)性,適當(dāng)增加Co、Ni、V等,也能提高復(fù)合層的高溫強(qiáng)度及熱硬性,從而能夠提高輥?zhàn)庸ぷ鲗幽湍バ阅?選擇的工作層焊接材料為Cr13,化學(xué)成分如表1。

表1 復(fù)合層化學(xué)成分表(%)

3.2 輥?zhàn)颖砻嫘迯?fù)工藝

3.2.1 輥?zhàn)有阅芤?/p>

(1)輥身工作層常溫為250℃,表面硬度為HRC45,且硬度均勻,為輥身全長不大于±HRC3,硬化層深度保證在5mm,性能均勻一致。

(2)復(fù)合層本身的拉力強(qiáng)度要求不小于500MPa;復(fù)合層與輥?zhàn)幽覆慕Y(jié)合強(qiáng)度要求不小于500MPa。

(3)輥?zhàn)邮褂脡勖恍∮?年。

3.2.2 加工工藝流程整個修復(fù)加工流程主要包含以下工序:焊前準(zhǔn)備——預(yù)熱——焊接——焊后檢查——焊后熱處理——精加工

在堆焊修復(fù)前對舊輥輥坯進(jìn)行疲勞層車削、超聲波探傷、局部缺陷補(bǔ)焊,以徹底消除磨損層,使表面無任何缺陷。

由于Cr13馬氏體系列不銹鋼導(dǎo)熱性差,焊后產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力。在焊接工藝上,要特別注意焊接預(yù)熱及層間溫度控制在300℃～350℃之間;進(jìn)行工作層堆焊,堆焊過程必須連續(xù)施焊,中途不允許停止,如遇意外情況停焊時,在保溫裝置不能保證輥道溫度時,應(yīng)盡快入爐進(jìn)行300℃保溫。輥道堆焊完畢,即刻進(jìn)電爐回火處理,消除焊接殘余應(yīng)力,送爐過程中,可用石棉墊包裹以防止輥道溫度下降過快,同時爐膛初始溫度應(yīng)控制在300℃左右,回火溫度控制在550℃～580℃(爐內(nèi)升溫速度不超過30℃/h)。

把經(jīng)過消除應(yīng)力回火處理后的堆焊輸送輥進(jìn)行精加工,然后進(jìn)行檢驗(yàn)。

3.2.3 優(yōu)化埋弧堆焊焊接工藝參數(shù)

輥?zhàn)幽覆?5鋼與焊材Cr13化學(xué)成分及性能差異較大,在焊接當(dāng)中融合性較差,通過反復(fù)實(shí)驗(yàn),選擇過度層材料,成分如表2所示。

表2 過渡層化學(xué)成分表(%)

目前國內(nèi)外尚未對埋弧堆焊參數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式,確定初步參數(shù)值,然后采用逼近法,優(yōu)化確定焊接工藝參數(shù),其調(diào)整的方法如下。

首先把堆焊速度調(diào)到一定值,并將電流調(diào)到相應(yīng)的近似值,引弧后根據(jù)電流表的讀數(shù)。再將堆焊電流調(diào)節(jié)到指定讀數(shù),與此同時,及時調(diào)節(jié)電壓表的讀數(shù),其次每次調(diào)整都要觀察電弧燃燒、堆焊焊縫成形等情況,根據(jù)調(diào)整記錄,選擇最佳配合,提出修正的工藝參數(shù)。

優(yōu)化了的堆焊焊接工藝參數(shù),如表3所示。

3.2.4 改進(jìn)復(fù)合輥?zhàn)虞伱胬鋮s裝置

輥?zhàn)诱９ぷ髦?1 000℃以上高溫板坯直接接觸輥身,傳熱狀況時間長達(dá)50s以上,試驗(yàn)證明,輥?zhàn)訌?fù)合工作層在150℃以下工作能效最高,必須重新設(shè)計(jì)輥道輥身冷卻系統(tǒng),規(guī)范單位集管冷卻用水量,取消原臨時冷卻集管及輥頸冷卻,輥面由點(diǎn)改變?yōu)槊胬鋮s方式,如圖6所示。

表3 焊接工藝參數(shù)表

圖6 輥?zhàn)永鋮s水噴射效果示意圖

增設(shè)帶燕尾式扁平噴嘴,使噴射角及重疊率準(zhǔn)確定位,替換原1/2′焊管鉆孔冷卻方式和輥頸冷卻方式,確保輥身輥面冷卻面積更均勻更充分。

4 改進(jìn)效果

4.1 復(fù)合輥?zhàn)庸ぷ鲗咏鹣嘟M織結(jié)構(gòu)升級

輥?zhàn)訌?fù)合后工作層金相結(jié)構(gòu)發(fā)生根本性改變,包括晶粒度、基本組織和碳化物、表面抗腐蝕與元素貧化等性能均有較大提高,復(fù)合后輥?zhàn)庸ぷ鲗又饕@微組織為板條狀馬氏體+殘余奧氏體,如圖7,使用一段時間后,輥面組織致密度沒有發(fā)生明顯改變,輥面呈現(xiàn)較為光滑的狀況,表明輥身具有優(yōu)良的耐腐蝕性能。

圖7 復(fù)合輥?zhàn)庸ぷ鲗咏鹣嘟M織結(jié)構(gòu)

4.2 輥?zhàn)邮褂弥芷诘玫教岣?/p>

加工后的輥?zhàn)虞伱嬗捕冗_(dá)到HRC45,由于工作層硬度的提高,Hu/Ha＞0.5～0.8,磨損機(jī)理隨之改變?yōu)檐浤チ夏p,輥?zhàn)幽p損耗降低,通過改進(jìn)輥身冷卻方式后,冷卻效果明顯,輥?zhàn)庸ぷ鳒囟缺３衷?50℃左右,可以避免輥身過分的受冷熱交變,降低表面機(jī)械性能,通過對輥?zhàn)幽p量計(jì)算,輥?zhàn)邮褂脡勖蛇_(dá)2.5年,是改進(jìn)前輥?zhàn)訅勖?倍。改進(jìn)前后輥?zhàn)颖砻婺p量如表4所示。

表4 輥?zhàn)訌?fù)合前后輥徑磨損量對照表

5 結(jié)語

通過對粗軋區(qū)運(yùn)輸輥道輥?zhàn)颖砻嫒毕莸脑蚍治?對輥?zhàn)虞伱孢M(jìn)行了復(fù)合硬化處理,使其具有了良好的耐磨性、耐腐蝕性、抗冷熱疲勞性,通過近兩年的生產(chǎn)使用,運(yùn)行穩(wěn)定性及輥面質(zhì)量均達(dá)到了要求,使用壽命大幅提高,節(jié)約了維修成本,保證了正常生產(chǎn)。

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The Analysis and Application of Improvement on Service Life of Hot Rolling Transport Roller

DANG Ping-gang
(Panzhihua Steel Vanadium Company Limited Hot Strip Mill,Panzhihua 617023,Sichuan,China)

In accordance to 1450 hot rolling plate plant transport roller roller and short service life of existing surface defects such as scratch products,Has carried on the detailed analysis of the reasons.The automatic submerged arc welding technology was proposed,Improve the roll surface mechanical properties,Enhance its resistance to cold and hot fatigue resistance、Wear resistance、The spalling resistance、And the corresponding improvement roll cooling way,Prolong the service life of the roll,To ensure normal production.

the roll;submerged arc welding;mechanical properties of;life

TQ455

:B

1001-5108(2015)06-0051-05

黨平剛,機(jī)械高級工程師。