冷軋機軋輥事故分析

趙麗明 亓增艷

(山東泰山鋼鐵集團有限公司，山東271199)

1 宏觀檢測

某公司冷軋機中間輥發(fā)生脫皮事故及工作輥斷裂事故，為此，對事故缺陷輥進行了宏觀檢測。

(1)冷軋機中間輥輥號為CA07- 041，共使用7次，單邊減徑2 mm。第7次磨輥后使用時，發(fā)現(xiàn)中間輥表面脫皮，表面脫皮外貌見圖1。

圖1 冷軋機中間輥表面脫皮外貌Figure 1 Surface peeling appearance of cold mill intermediate roll

根據(jù)脫皮部位的斷裂纖維走向和疲勞貝殼紋密度、曲率半徑等信息確定：脫皮起源于中間輥內部，但疲勞源在中間輥表面，也就是說，系源于表面起始裂紋的疲勞脫皮。

(2)冷軋機軋輥連續(xù)發(fā)生斷輥事故。該批軋輥6支，有5支軋輥上線后就發(fā)生斷輥事故。這5支軋輥的斷裂部位和斷裂形貌基本相同，斷口是瞬斷斷口，即軋輥是一次瞬時斷裂的。斷輥長端形貌見圖2。

圖2 斷輥長端形貌Figure 2 Appearance of broken roll long end

如圖3所示，很顯然，冷軋輥的斷裂源在“A-B”弧形線上，即瞬時斷裂的斷裂纖維由此弧線發(fā)散。而此弧線位于弧形區(qū)域“C”的邊緣。帶寬約10 mm，弧長60 mm，與其余部分斷口有明顯分界線。此帶有三個特征：1)軋輥斷裂由此帶邊緣發(fā)生；2)斷裂纖維與其余斷口部分完全不同，是典型的瓷狀斷口，具有淬火裂紋特征；3)此帶斷口顏色與其余斷口部分不同，此帶斷口呈深灰黑色，而其余斷口部分則成銀白色。

圖3 斷輥斷裂源在“A-B”弧形線上Figure 3 Fracture source of broken roll locating on the A-B arc line

2 金相檢測

2.1 中間輥脫皮缺陷

按照GB/T 13299—1991《鋼的顯微組織評定方法》分析中間輥表面淬火層的組織，見圖4。由圖4可見，中間輥表面淬火層的組織為顆粒狀碳化物+回火馬氏體，屬正常淬火組織。只是顆粒狀碳化物的數(shù)量似乎多些。

圖4 中間輥表面附近的組織(×1000)Figure 4 Structure around intermediate roll surface (×1000)

中間輥的表面，或經(jīng)過使用，或經(jīng)過磨削，都有加工硬化，這種加工硬化造成的硬度升值對輥子抗疲勞沒有幫助。因此，未經(jīng)表面冷作硬化的硬度值才是有效硬度值。所以，在輥子表面以下約0.5 mm位置測定了維氏硬度(6點)，最高666HV，最低458HV，平均513.5HV，換算成肖氏硬度：最高76HSD，最低59HSD，平均65HSD。訂貨技術要求中間輥表面硬度80～85HSD，只減徑2 mm，輥子接近表面的硬度只有65HSD，因此認為制造廠家提供的這支中間輥硬度不合格。

2.2 工作輥斷裂缺陷

從工軋輥斷口處截取金相試樣，進行金相分析。結果發(fā)現(xiàn)，該工軋輥基體內存在大量非金屬夾雜物和疏松孔洞，見圖5(a)和圖5(b)；金相試樣腐蝕后發(fā)現(xiàn)軋輥倒角附近存在明顯過熱區(qū)域，見圖5(c)；過熱區(qū)組織見圖5(d)，正常部位組織見圖5(e)，存在大量的未溶碳化物。通過金相分析來看，該工軋輥的冶金缺陷很多，明顯影響軋制壽命。

(a)夾雜物圖片

3 掃描電鏡分析

為進一步確定上述判斷的準確性，對中間輥脫皮進行了分析。從圖6可見，脫皮斷面全部是疲勞或雙向快速疲勞斷口，并沒有疲勞源。仔細觀察圖6中疑點最大的A處，仍然是疲勞斷裂，并非疲勞源，見圖7。進一步說明，中間輥脫皮斷口，只是疲勞脫皮，并沒有疲勞源或斷裂源。疲勞脫皮的根本原因是中間輥的表面疲勞裂紋。

圖6 脫皮斷口形態(tài)Figure 6 Peeling fracture appearance

圖7 A處的疲勞斷口形態(tài)Figure 7 Fatigue fracture appearance at position A

為確定表面疲勞裂紋的成因，對斷口進行仔細觀察。在接近中間輥表面約0.2 mm區(qū)域存在特殊疲勞斷口：這些疲勞區(qū)存在兩種疲勞方式，一種是疲勞輝紋十分明顯的部分，與軋制力方向成45°，疲勞輝紋密集，疲勞延伸很緩慢，見圖8位置A，另一種是正常疲勞斷裂部分，見圖8位置B。同時，對這兩種不同斷口形態(tài)的區(qū)域進行了微區(qū)成分分析，見表1。由表1可見，疲勞輝紋比較明顯的區(qū)域，即圖8中的黑色區(qū)域，Cr含量較低。

圖8 中間輥表面部位的疲勞斷口形態(tài)Figure 8 Fatigue fracture appearance on the surface of intermediate roll

表1 微區(qū)成分分析結果Table 1 Analysis results of micro area composition

中間輥表面下的裂紋斷口是疲勞端口。疲勞輝紋比較明顯的區(qū)域，即圖8中的黑色區(qū)域，只是疲勞萌生裂紋，也就是起始疲勞裂紋。原因是：它的疲勞輝紋比較明顯，疲勞延伸很緩慢；疲勞輝紋與軋制力成45°，恰好是剪切力最大的方向；此處合金化程度較低，強化較弱。此區(qū)的疲勞萌生裂紋引起中間輥表面疲勞裂紋，進而導致脫皮。

4 分析討論

(1)軋制力派生出的剪切力超過了中間輥表面部位的疲勞強度，在軋輥表面薄弱處萌生疲勞裂紋；中間輥繼續(xù)使用，萌生疲勞裂紋擴展，形成表面裂紋；表面裂紋向中間輥深度擴展，直至淬硬層末端；垂直的表面裂紋尾部產生較大的應力集中，引起疲勞裂紋沿垂直方向疲勞擴展，直至中間輥脫皮、掉塊。

(2)冷軋機GA07- 41中間輥脫皮事故，是表面裂紋引起的。產生表面裂紋的根本原因是中間輥減徑2 mm后的表面硬度太低。

(3)通過分析發(fā)現(xiàn)工作輥的使用時間很短，屬一次性瞬時斷裂，斷裂源為一條淬火裂紋，金相分析進一步證明該軋輥存在嚴重的冶金缺陷。因此，此工作輥短時斷裂原因屬于制造不當所致。

5 預防冷軋機軋輥事故的措施

(1)建立完善的探傷檢測體系：冷軋輥的入廠檢測主要檢測軋輥表面裂紋、內部缺陷。采用5 MHz的直探頭超聲波探傷儀檢測軋輥內部缺陷，5 MHz表面波探頭檢測軋輥表面缺陷。工作輥內部探傷檢測一個油道，表面裂紋檢測必須進行徑向和軸向裂紋檢測，工作輥檢測必須檢測兩個油道，以防止產生盲區(qū)。冷軋輥生產使用中產生的裂紋主要為軸向表面裂紋，因此，生產維護中一般只檢測軋輥的軸向表面裂紋。下機軋輥磨削中為合理確定磨削量及杜絕檢測盲點，采用渦流檢測、超聲檢測、磁粉檢測配合使用，采用渦流檢測以提高工作效率，采用超聲檢測的高靈敏度特點判斷缺陷位置及排查渦流探傷的假信號，再通過磁粉檢測顯示裂紋形狀及初步判斷裂紋深度。

(2)建立合理的軋輥使用和磨削制度：新輥使用前必須進行預熱；軋制結束后應進行均勻冷卻；軋輥使用一段時間后，必須將表面裂紋修磨掉，并消除內應力；工作輥軋制長度80 km，支撐輥上機1個月后必須換輥。放置8 h后再進行修磨，工作輥修磨量為0.25～0.30 mm，支撐輥修磨量為1.2～1.5 mm，并用磁粉探傷進行檢查，以徹底消除裂紋；上下工作輥的輥徑差應不大于0.05 mm，硬度不超過原始值的1%；如出現(xiàn)粘輥等事故，工作輥與支撐輥同時換輥并修磨；生產中工作輥循環(huán)量至少為5對，支撐輥循環(huán)量為2對。對于新加工的軋輥必須進行自然時效或人工完全時效后再投入使用。

(3)軋輥主要是要利用表面的高硬度提供高強度高耐磨性，如果硬度低將降低這些使用性能，導致表面剝落等事故，因此需要保證一定的硬度，為改善硬度偏低的情況，可調整熱處理工藝，適當調整回火溫度等以提高軋輥硬度。