鋁板帶鑄軋銅輥套疲勞裂紋產(chǎn)生原因及其控制

張宏強(qiáng),李彥勤,張開寶,屈自強(qiáng)

(酒泉鋼鐵(集團(tuán))有限責(zé)任公司，甘肅 嘉峪關(guān) 735100)

KME B95輥套是德國KME公司生產(chǎn)的鈷鈹青銅輥套，是專為鋁帶坯連續(xù)鑄軋機(jī)研發(fā)的一種銅合金輥套[1]，含質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%～1.5%的Co及0.2%～0.5%的Be。相比鑄軋鋼輥套，鈷鈹青銅輥套擁有更好的導(dǎo)熱性能，可以大幅度提高鑄軋速度，使鑄軋板帶材的顯微結(jié)構(gòu)更致密，并擴(kuò)大生產(chǎn)合金品種范圍。但銅輥套材質(zhì)的強(qiáng)度、硬度、韌性和抗疲勞性能較低，冷卻強(qiáng)度高，輥套表面一周溫度變化梯度大，容易較早出現(xiàn)熱疲勞裂紋。因此，為提高銅輥套的使用壽命，有必要研究鑄軋銅輥套熱疲勞裂紋的產(chǎn)生機(jī)制、演化過程和控制措施。

1 鑄軋銅輥套表面溫度變化趨勢

1.1 ANSYS熱模擬實(shí)驗(yàn)

鑒于在生產(chǎn)過程中輥面溫度最高點(diǎn)(鋁合金熔體與輥面接觸的區(qū)域)測量難度較大，因此采用ANSYS模擬軟件對銅輥套鑄軋生產(chǎn)旋轉(zhuǎn)一周外表面溫度進(jìn)行了熱場模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，最高點(diǎn)溫度為521 ℃，400 ℃～521 ℃的溫度區(qū)域集中在狹小的鑄軋區(qū)(40 mm～70 mm)位置，溫度從521 ℃降到160 ℃用時(shí)極短，轉(zhuǎn)動(dòng)角度在50°之內(nèi)。

圖1 銅輥套表面溫度模擬Fig.1 Surface temperature simulation of the copper roll sleeve

1.2 輥面溫度曲線模型

利用熱模擬和在線實(shí)際測量相結(jié)合的手段，確定了銅輥套外表面一周溫度變化值，繪制出一周溫度變化曲線圖(如圖2)。由圖2看出，在雙輥傾斜式鑄軋生產(chǎn)過程中，鋁熔體與銅輥套接觸的瞬間，外表面溫度急劇上升，在鑄軋區(qū)輥面溫度快速達(dá)到521℃的最高溫度(A點(diǎn))，隨著軋輥與板帶坯的脫離，輥溫又迅速降低[2]，鑄軋輥旋轉(zhuǎn)280°附近達(dá)到周期溫度最低點(diǎn)(E點(diǎn))，為50 ℃左右。其他B、C、D三點(diǎn)的鑄軋輥旋轉(zhuǎn)角度分別為60°、90°、180°，對應(yīng)溫度分別為115 ℃、90 ℃、65 ℃。銅輥套轉(zhuǎn)動(dòng)一周溫度變化超過450 ℃以上。梯度如此之大，是因?yàn)殂~輥套的冷卻強(qiáng)度高，在對應(yīng)角度點(diǎn)銅輥套表面的溫度比鋼輥的低，且鑄軋出的板面的溫度也比較低，這也說明銅輥套的冷卻強(qiáng)度高，同等條件下帶走的熱量更多。但高冷卻強(qiáng)度下輥面溫差大，熱應(yīng)力大，是銅輥套表面產(chǎn)生熱裂紋的主要原因。

圖2 銅輥套旋轉(zhuǎn)一周表面溫度變化Fig.2 Surface temperature change of copper roll sleeve during one rotation

2 熱應(yīng)力分析

輥套表面有缺陷的部位往往是應(yīng)力集中的地方，比如砂輪磨印、吊運(yùn)磕碰、原始冷裂紋印等地方，在鑄軋過程中經(jīng)受周期性交變載荷作用后，首先產(chǎn)生裂紋，即輥套表面的初期裂紋在應(yīng)力集中的區(qū)域產(chǎn)生[3]。鋼輥的使用周期高于銅輥套的，其主要原因是鋼輥材質(zhì)的強(qiáng)度比銅輥套的高，其次銅輥套的鑄軋速度快，單位時(shí)間熱交換頻次高，因此銅輥套的熱裂紋出現(xiàn)得更早，發(fā)展更快。

在鑄軋過程中，銅輥套除了受輥套和輥芯過盈裝配產(chǎn)生的裝配應(yīng)力和作用在鑄軋輥表面的軋制應(yīng)力外[3]，還受到銅輥套表面冷熱不斷交替的熱應(yīng)力。

銅輥套外表面接觸鋁液的瞬間被加熱到520 ℃左右，銅輥套內(nèi)外表面溫度梯度迅速增大，而當(dāng)鑄軋板坯離開銅輥套后，銅輥套外表面在空氣和冷卻水的作用下輥溫又恢復(fù)到較低溫度，銅輥套淺層各部位處在周期性的激冷激熱狀態(tài)中[4]。溫度差引起的熱應(yīng)力σ[5]：

(1)

式中:

E—彈性模量；

α—熱膨脹系數(shù)；

ΔT—銅輥套內(nèi)外表面溫度差；

μ—泊松比。

以850 mm×1 700 mm鑄軋輥為例，鑄軋輥套材料CoBe青銅，該材料的參數(shù)：E=1.3×10 MPa,α=1.8×10-5/℃,μ=0.35,銅輥套內(nèi)表面的溫度接近冷卻水溫度(30 ℃)，則內(nèi)外表面的最大溫度差ΔT=490 ℃，代入(1)式得σ=1 764 MPa，此值已超過CoBe青銅在該溫度下的屈服強(qiáng)度400 MPa。由此可見銅輥套與鋁液接觸的瞬間產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，在這種不斷交替的熱應(yīng)力下，銅輥套表面就會產(chǎn)生熱疲勞裂紋。銅輥套轉(zhuǎn)動(dòng)一周外表面熱應(yīng)力變化如圖3所示。由圖3可知，銅輥套旋轉(zhuǎn)角度在50°～340°之間時(shí)，其熱應(yīng)力小于銅輥套屈服強(qiáng)度，處于正常的彈性變形區(qū)域。

圖3 銅輥套轉(zhuǎn)動(dòng)一周外表面熱應(yīng)力變化趨勢Fig.3 Change trend of the thermal stress on the outer surface of the copper roll sleeve after one rotation

3 銅輥套表面裂紋形貌及產(chǎn)生原因

銅輥套外表面在鋁熔體的傳熱和內(nèi)表面冷卻水的作用下，受到周期性的冷熱沖擊，并在裝配應(yīng)力、軋制應(yīng)力等多重載荷共同作用下，在銅輥套表面產(chǎn)生不同形式的熱疲勞和機(jī)械疲勞裂紋[2]，這是導(dǎo)致輥套失效的主要原因。防止疲勞裂紋過早產(chǎn)生是延長銅輥套壽命的關(guān)鍵[6]。

正常情況下鑄軋輥連續(xù)生產(chǎn)7 d左右(鑄軋速度1.5 m/min～2.0 m/min)時(shí)，銅輥套表面開始出現(xiàn)零星點(diǎn)狀裂紋，超過10 d時(shí)，點(diǎn)狀裂紋在磨痕處以較快的速度擴(kuò)展成小條狀，分布于輥套表面中部及輥套表面兩側(cè)離鋁板坯邊部10 cm～30 cm范圍內(nèi)。

圖4為銅輥套表面裂紋形貌。扭矩太大時(shí)會出現(xiàn)軸向裂紋形態(tài)(圖4a)，主要因?yàn)檩佁妆砻媸艿捷^大的與軋輥旋轉(zhuǎn)方向相反的切向應(yīng)力，同時(shí)還伴有網(wǎng)狀裂紋。扭矩和軋制力都大時(shí)，輥套表面就會出現(xiàn)環(huán)狀裂紋(圖4b)，也稱“馬蹄”紋或“月牙”紋，環(huán)狀裂紋具有一定的深度，若不及時(shí)消除，可能直接使軋輥失效。軋制力太大時(shí)，容易出現(xiàn)周向裂紋(圖4c)，如果在磨輥過程中出現(xiàn)“拉毛”印，周向裂紋最先沿“拉毛”印的地方出現(xiàn)，并很快向兩邊延伸。裂紋形態(tài)以龜裂紋(圖4d)最常見，占70%以上，主要表現(xiàn)形式為首先出現(xiàn)零星的針尖狀龜裂點(diǎn)，隨著生產(chǎn)周期增長，龜裂點(diǎn)進(jìn)一步的增多擴(kuò)大，鄰近點(diǎn)相連形成線狀，其方向不固定，具有一定的隨機(jī)性。

圖4 銅輥套表面裂紋形貌Fig.4 Surface crack morphologies of the copper roll sleeve

4 銅輥套疲勞裂紋的控制措施及效果

為降低銅輥套疲勞裂紋過早的出現(xiàn)，延長銅輥套使用壽命，可采取以下措施：

1)在鑄軋生產(chǎn)過程中，采用小鑄軋區(qū)(40 mm～50 mm)，較小鑄軋荷載(線載荷小于8 kN/mm)；

2)提高銅輥套表面磨削質(zhì)量，減少磨削印，磨削粗糙度控制在0.8 μm～1.2 μm；

3)防止銅輥套和鋼輥芯熱裝配過盈量太大，允許銅輥套相對鋼輥芯有200 mm以內(nèi)的周向串動(dòng)；

4)至少每半年對鋼輥芯冷卻水道清洗一次，防止大量銹斑和局部結(jié)垢導(dǎo)致輥面局部溫度過高，過早出現(xiàn)裂紋；

5)銅輥套工作7 d～15 d，必須將其表面裂紋清除掉，防止裂紋迅速擴(kuò)展。

通過采取以上控制措施，在周期性生產(chǎn)過程中，銅輥套單次生產(chǎn)通過量從300 t左右提高到460 t左右。避免了銅輥套表面出現(xiàn)異常大裂紋，減少了裂紋較深帶來的輥套加工量大的浪費(fèi)，輥套單次單邊車削量從3 mm降到2.2 mm，有效地提高了銅輥套的使用壽命。

5 結(jié) 論

鋁板帶鑄軋銅輥套疲勞裂紋主要是由熱疲勞和機(jī)械疲勞共同產(chǎn)生的。鑄軋生產(chǎn)過程中銅輥套表面受到周期性交替變化的熱應(yīng)力，最大值遠(yuǎn)超出其材料的屈服強(qiáng)度，這是銅輥套產(chǎn)生熱疲勞裂紋的直接原因；較大軋制應(yīng)力和扭矩是銅輥套產(chǎn)生機(jī)械疲勞裂紋的主要原因。采取文中所述控制措施，延緩裂紋出現(xiàn)，提高了銅輥套的使用壽命，降低了鋁板帶鑄軋生產(chǎn)成本。