鍛鋼支承輥局部接觸疲勞導(dǎo)致剝落的過(guò)程分析

劉超 尹遜民 王江濤 李文澤 鄭旭濤

(日照鋼鐵控股集團(tuán)有限公司,山東 日照 276800)

熱連軋支承輥的主要作用是向工作輥傳遞軋制力,并增強(qiáng)工作輥的彎曲剛度[1]。熱連軋支承輥在機(jī)使用過(guò)程中承受著交變接觸應(yīng)力,在交變接觸應(yīng)力的持續(xù)作用下形成接觸性疲勞。這種接觸性疲勞會(huì)引起支承輥輥面出現(xiàn)加工硬化,表現(xiàn)為輥面硬度升高;同時(shí),在微觀方面接觸性疲勞形成的疲勞層組織出現(xiàn)破碎,位錯(cuò)密度升高。

通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn),發(fā)現(xiàn)目前對(duì)Cr5鍛鋼支承輥接觸性疲勞方面的相關(guān)性研究較多。相關(guān)研究表明,支承輥磨損、點(diǎn)蝕和剝落是支承輥的主要失效形式[2]。支承輥在機(jī)軋鋼過(guò)程中,輥身持續(xù)承受的交變接觸應(yīng)力會(huì)引起支承輥的接觸性疲勞。這種接觸性疲勞積累到一定程度,就會(huì)萌生出疲勞裂紋,如果繼續(xù)在機(jī)軋鋼使用,疲勞裂紋就會(huì)在軋制力與軋輥內(nèi)應(yīng)力的共同作用下發(fā)生擴(kuò)展,輕者出現(xiàn)輥面疲勞掉肉,重者出現(xiàn)在機(jī)剝落事故[3]。劉學(xué)偉等[4]對(duì)剝落失效的Cr5支承輥進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)裂紋在疲勞硬化層萌生,在淬硬層內(nèi)沿著圓周方向擴(kuò)展,最終引起大面積剝落。王玉輝等[5]通過(guò)對(duì)支承輥滾動(dòng)接觸疲勞過(guò)程中的表層組織演變進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)支承輥表層材料在接觸應(yīng)力作用下發(fā)生馬氏體相變,殘余奧氏體含量降低。

本文通過(guò)對(duì)某熱連軋機(jī)組一支鍛鋼Cr5支承輥接觸疲勞導(dǎo)致輥身剝落的失效案例進(jìn)行分析,從實(shí)際使用方面獲得對(duì)鍛鋼支承輥接觸疲勞這一失效形式的深入認(rèn)識(shí),旨在對(duì)此類(lèi)失效的及時(shí)發(fā)現(xiàn)和預(yù)防提供指導(dǎo)。

熱連軋支承輥在使用中,其輥身承受的接觸應(yīng)力分布特點(diǎn)是呈現(xiàn)為馬鞍狀,即支承輥在對(duì)應(yīng)工作輥非過(guò)鋼區(qū)的輥身兩側(cè)接觸應(yīng)力高于對(duì)應(yīng)工作輥過(guò)鋼區(qū)的接觸應(yīng)力,如圖1所示。

圖1 馬鞍狀接觸應(yīng)力分布圖Figure 1 Saddle-shaped contact stress distribution map

這種應(yīng)力分布狀態(tài)會(huì)導(dǎo)致支承輥局部接觸疲勞重于輥身其它區(qū)域,并且在接觸疲勞嚴(yán)重的區(qū)域出現(xiàn)疲勞裂紋,導(dǎo)致支承輥局部掉肉,甚至導(dǎo)致支承輥剝落。本文將對(duì)某熱連軋機(jī)組一支鍛鋼Cr5支承輥的這一類(lèi)型失效案例進(jìn)行深入剖析。

1 事故概況

該輥材質(zhì)為Cr5鍛鋼,于2020年2月3日上機(jī)使用,用于F2機(jī)架下輥,倒角長(zhǎng)度為150 mm,新輥直徑為1450 mm,上機(jī)直徑為1401.15 mm,報(bào)廢直徑1300 mm,工作層剩余101.15 mm。2020年2月13日,該輥發(fā)生在機(jī)剝落事故。此次在機(jī)10日,軋鋼量6.32萬(wàn)噸,制度換輥周期為7萬(wàn)噸,處于本次服役周期的末期。

2 事故調(diào)查分析

2.1 輥面勘查

該輥輥面約六分之一軸向面積開(kāi)裂。因剝落塊還在輥面上,導(dǎo)致無(wú)法觀察到其內(nèi)部形貌。但用手電筒照射內(nèi)部,未發(fā)現(xiàn)擴(kuò)展通道,分析軸向開(kāi)裂多為應(yīng)力性的瞬間撕裂。肉眼觀察該輥輥身兩側(cè)倒角,發(fā)現(xiàn)均存在圓周分布的環(huán)向亮帶,且輥面環(huán)向亮帶與指向輥身中部輥面交接處存在圓周分布的輥面起毛毛化帶。操作側(cè)毛化帶起毛程度重于傳動(dòng)側(cè),操作側(cè)毛化帶用手觸摸,已有明顯的粗糙感,并可在毛化帶上觀察到接觸性疲勞導(dǎo)致的小掉肉和細(xì)裂紋。操作側(cè)亮帶位于操作側(cè)輥身邊部82～115 mm,毛化帶位于操作側(cè)輥身邊部115～130 mm,其中存在細(xì)裂紋和小掉肉的毛化帶范圍是在操作側(cè)輥身邊部121～130 mm。

圖2 操作側(cè)倒角和亮帶形貌Figure 2 Operation side chamfer and bright band morphology

操作側(cè)倒角和亮帶照片見(jiàn)圖2:

(1)圖中“倒角未磨損區(qū)域”是指輥身倒角未發(fā)生磨損的區(qū)域,此區(qū)域仍為該輥上機(jī)前的原始輥面狀態(tài),只是存在一定的銹蝕。圖2亮帶區(qū)右側(cè)的暗色銹蝕區(qū)域?yàn)檩伾淼菇堑奈茨p區(qū)域。

(2)圖中“上機(jī)前原始倒角起始處”是指150 mm長(zhǎng)的原始倒角周向起始線?！吧蠙C(jī)前原始倒角起始處”與“倒角未磨損區(qū)域”之間,即為倒角的實(shí)際磨損區(qū)域。該區(qū)域包含著“亮帶區(qū)”和“毛化區(qū)”,均是輥身局部接觸疲勞所導(dǎo)致形成的。

沿圓周分布的周向毛化帶細(xì)節(jié)照片見(jiàn)圖3,圖3最下方的箭頭所指處為毛化帶,這條毛化帶存在疲勞性質(zhì)的小掉肉及細(xì)裂紋。

圖3 操作側(cè)毛化帶細(xì)節(jié)形貌Figure 3 Detailed morphology of textured band on the operation side

圖3亮帶區(qū)左側(cè)的黑色區(qū)域?yàn)槲茨p的倒角區(qū)域,因此區(qū)域倒角未磨損,未與工作輥發(fā)生接觸,故形成了黑色的銹蝕區(qū)。

該輥傳動(dòng)側(cè)倒角狀態(tài)與操作側(cè)類(lèi)似。傳動(dòng)側(cè)倒角剩余65 mm,亮帶位于傳動(dòng)側(cè)65～115 mm,毛化帶位于傳動(dòng)側(cè)115～130 mm,見(jiàn)圖4。

圖4亮帶區(qū)右側(cè)的較深色區(qū)域?yàn)槲茨p的倒角銹蝕區(qū)域。

圖4 傳動(dòng)側(cè)倒角和亮帶形貌Figure 4 Transmission side chamfer and bright band morphology

結(jié)合肉眼觀察和2 MHz雙晶檢測(cè),確認(rèn)該輥操作側(cè)亮帶和毛化帶輥面上存在周向擴(kuò)展通道,檢測(cè)發(fā)現(xiàn)存在三處裂紋源,并且這三處裂紋源的通道已連在一起。三處裂紋源均位于操作側(cè)的周向毛化帶上,如圖5所示。

圖5 裂紋源所在位置Figure 5 Location of crack source

將三處裂紋源分別命名為1號(hào)裂紋源、2號(hào)裂紋源、3號(hào)裂紋源。經(jīng)超聲檢測(cè),三處裂紋源的裂紋擴(kuò)展方向均相同。詳情如下:

(1)1號(hào)裂紋源,如圖6所示。

圖6 1號(hào)裂紋源Figure 6 No.1 crack source

1號(hào)裂紋源起點(diǎn)為操作側(cè)毛化帶上的小掉肉處。經(jīng)雙晶檢測(cè),裂紋源從該處起始由淺入深向上擴(kuò)展(以圖6為參照,圖6箭頭所指方向),軋輥旋轉(zhuǎn)方向以圖6為參照向下。1號(hào)裂紋源擴(kuò)展約800 mm到達(dá)最大深度84 mm,沿84 mm深度繼續(xù)擴(kuò)展約800 mm通道終止,并在終止處發(fā)現(xiàn)了2號(hào)裂紋源。1號(hào)裂紋源及擴(kuò)展通道雙晶檢測(cè)波形見(jiàn)圖7,圖7(a)為裂紋源處輥面檢測(cè)波形,圖7(b)為擴(kuò)展至最大深度輥面檢測(cè)波形。

(2)2號(hào)裂紋源,如圖8所示。2號(hào)裂紋源已形成了部分掉肉,掉肉位于操作側(cè)毛化帶區(qū)域內(nèi),并有裂紋在亮帶區(qū)域內(nèi)。2號(hào)裂紋源由淺入深以圖8為參照向上擴(kuò)展(見(jiàn)箭頭所示),最大深度為63 mm,2號(hào)裂紋源及擴(kuò)展通道雙晶檢測(cè)波形見(jiàn)圖9,圖9(a)為裂紋源處輥面檢測(cè)波形,圖9(b)為擴(kuò)展至最大深度輥面檢測(cè)波形。

圖8 2號(hào)裂紋源Figure 8 No.2 crack source

2號(hào)裂紋源擴(kuò)展約1000 mm處,發(fā)現(xiàn)了3號(hào)裂紋源。

(3)3號(hào)裂紋源,如圖10所示,圖中圓圈標(biāo)記處為3號(hào)裂紋源。

3號(hào)裂紋源由淺入深以圖10為參照向上擴(kuò)展(見(jiàn)箭頭所示),最大深度為63 mm。經(jīng)雙晶檢測(cè)2號(hào)裂紋源與3號(hào)裂紋源通道最終匯積在一起:在3號(hào)裂紋源偏操作側(cè)有2號(hào)裂紋源擴(kuò)展通道。3號(hào)裂紋源擴(kuò)展約300 mm與2號(hào)裂紋源擴(kuò)展通道匯集在一起。

圖10 3號(hào)裂紋源Figure 10 No.3 crack source

2.2 檢測(cè)情況

2.2.1 倒角剩余量

支承輥在使用過(guò)程中,由于輥面不斷發(fā)生磨損,倒角就會(huì)被啃蝕而逐漸減小,導(dǎo)致倒角剩余量不斷減少。該輥傳動(dòng)側(cè)與操作側(cè)倒角剩余量情況見(jiàn)表1。

表1 倒角剩余量Table 1 Residual chamfering amount

2.2.2 硬度檢測(cè)

在輥身同一條母線,取五個(gè)直徑為10 mm的小區(qū)域,每個(gè)小區(qū)域檢測(cè)5點(diǎn)硬度,并取平均值。該輥輥身技術(shù)要求硬度為60～70HSD,上機(jī)前輥身平均硬度為64.1HSD,在技術(shù)要求范圍內(nèi)。下機(jī)后輥身出現(xiàn)了加工硬化現(xiàn)象,平均硬度為68.3HSD,高出上機(jī)前硬度4.2HSD。尤其是輥身兩側(cè)倒角磨損區(qū)域硬度,加工硬化更為明顯:輥身傳動(dòng)側(cè)倒角磨損區(qū)域平均硬度為68.2HSD,操作側(cè)倒角磨損區(qū)域平均硬度為69.5HSD,分別高出上機(jī)前硬度5.6HSD、5.1HSD。硬度檢測(cè)情況見(jiàn)表2。

表2 HSD硬度檢測(cè)情況Table 2 HSD hardness test results

通過(guò)硬度檢測(cè)可以發(fā)現(xiàn)該輥輥身兩側(cè)的加工硬化程度重于其它區(qū)域,可以判斷輥身兩側(cè)的接觸疲勞程度最為嚴(yán)重。

2.2.3 上機(jī)前檢測(cè)

該輥上機(jī)前渦流檢測(cè)合格,裂紋值與軟點(diǎn)值均為0;該輥上機(jī)前2 MHz表面波及爬波檢測(cè)均無(wú)異常,超聲檢測(cè)結(jié)果合格。

2.3 歷史使用調(diào)查

該輥共上線使用12次,平均單次磨削量2.77 mm,平均單次磨損量1.09 mm,平均單次消耗量3.86 mm,見(jiàn)表3。

表3 歷史使用記錄Table 3 Historical usage record

2.4 結(jié)論

(1)該輥歷史使用情況無(wú)異常,上機(jī)前渦流及超聲檢測(cè)均合格;出現(xiàn)在機(jī)剝落時(shí),已處于本使用周期的末期,若帶傷上機(jī),一般在使用末期之前就已發(fā)生剝落;采用2 MHz雙晶探頭對(duì)裂紋附近區(qū)域進(jìn)行內(nèi)部超聲檢測(cè),也無(wú)缺陷波顯示;因此,基本排除帶傷上機(jī)的可能性。

(2)該輥三處裂紋源均在毛化帶上,且處于同一圓周向。毛化帶位于倒角的磨損區(qū)域,屬于支承輥接觸應(yīng)力最大的區(qū)域。此外,毛化帶周向上存在明顯的疲勞性質(zhì)小掉肉和細(xì)裂紋,證明該輥的這個(gè)毛化帶周向上局部接觸疲勞較為嚴(yán)重。三處同周向的裂紋源也說(shuō)明了這條毛化帶的接觸疲勞程度已達(dá)到材料的疲勞極限。若未發(fā)生剝落而繼續(xù)使用,就會(huì)產(chǎn)生同一圓周向上連續(xù)分布的接觸疲勞掉肉,形貌將類(lèi)似圖11。

圖11 圓周向分布的接觸疲勞掉肉Figure 11 Circumferentially distributed contact fatigue loss

(3)通過(guò)上述分析,可以確定該輥剝落的主要原因是在線使用過(guò)程中存在局部接觸疲勞,形成疲勞裂紋。裂紋在輥身淬硬層壓應(yīng)力和軋制力的共同作用下沿與該輥旋轉(zhuǎn)相反的方向擴(kuò)展,最終導(dǎo)致剝落。該輥輥身兩側(cè)倒角長(zhǎng)度為150 mm,裂紋源處于倒角的磨損區(qū)域,屬于接觸應(yīng)力最大的區(qū)域,局部接觸疲勞也最為嚴(yán)重。熱連軋支承輥接觸應(yīng)力分布圖如圖12所示。

圖12 馬鞍狀應(yīng)力分布輥系示意圖Figure 12 Schematic diagram of roll system with saddle-shape stress distribution

3 預(yù)防支承輥輥身邊部局部接觸疲勞的措施

(1)對(duì)支承輥與工作輥的輥型進(jìn)行優(yōu)化,減小輥身邊部的接觸應(yīng)力峰值,從而達(dá)到緩解輥身邊部局部接觸疲勞程度的目的。例如將支承輥輥型由平輥型優(yōu)化為凸輥型。輥型優(yōu)化后,可大大緩解粗軋支承輥的邊部接觸應(yīng)力集中程度。

合理的輥型配置不但能提高成品帶鋼的板形質(zhì)量,而且能夠改善軋輥輥間的受力狀況。優(yōu)化輥型后,可有效降低軋輥邊部接觸壓力。平輥型及凸輥型受力示意圖如圖13所示。

圖13(a)為平輥型受力示意圖,(b)為凸輥型受力圖。平輥型支承輥輥身兩側(cè)的接觸壓力峰值過(guò)陡、過(guò)高;而凸輥型支承輥輥身兩側(cè)的接觸壓力峰值與輥身相比,較為平緩,輥身整體受力較為均勻。

(2)為了避免鍛鋼支承輥該類(lèi)失效形式的發(fā)生,需要在更換工作輥的間隙做好對(duì)支承輥的輥面狀態(tài)檢查。一旦發(fā)現(xiàn)支承輥輥身兩側(cè)出現(xiàn)疲勞小掉肉或肉眼可見(jiàn)的疲勞裂紋,及時(shí)更換支承輥,以避免疲勞損傷裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展所導(dǎo)致的輥身掉肉、剝落等惡性事故的發(fā)生。

(3)通過(guò)提高支承輥的冶金純凈度、材質(zhì)優(yōu)化、熱處理工藝優(yōu)化等手段,來(lái)提高支承輥的抗疲勞能力。

4 討論

以Cr5鍛鋼為主流材質(zhì)的熱連軋機(jī)組支承輥具有優(yōu)良的耐磨性能,與早期的復(fù)合鑄鋼支承輥相比,大大提高了在機(jī)使用周期,從而提高了軋線生產(chǎn)效率。但同時(shí)Cr5鍛鋼材質(zhì)支承輥因其內(nèi)應(yīng)力較大,出現(xiàn)疲勞裂紋、損傷裂紋后的裂紋擴(kuò)展速度也較快,從而增加了在機(jī)剝落的風(fēng)險(xiǎn)。而剝落事故發(fā)生后,多會(huì)引起帶鋼斷帶、軋破等事故,造成帶鋼損失的同時(shí),處理廢鋼及更換支承輥的時(shí)間也較長(zhǎng),影響軋線生產(chǎn)效率。尤其是軋線生產(chǎn)較為飽滿(mǎn)的情況下,會(huì)導(dǎo)致軋線無(wú)法完成計(jì)劃產(chǎn)量,進(jìn)一步加重了經(jīng)濟(jì)損失。此外,Cr5鍛鋼支承輥的軋輥采購(gòu)成本也較高,一旦出現(xiàn)在機(jī)剝落,基本會(huì)導(dǎo)致支承輥的直接報(bào)廢,造成軋輥本身的經(jīng)濟(jì)損失也較大。

因此,如何避免熱連軋機(jī)組支承輥在機(jī)剝落事故的發(fā)生,對(duì)于減少軋線經(jīng)濟(jì)損失,保證軋線的生產(chǎn)運(yùn)行穩(wěn)定性和軋線的生產(chǎn)效率極為重要。大量研究與實(shí)踐都表明造成熱連軋機(jī)組支承輥剝落的主要原因之一是輥身局部接觸疲勞。因此,對(duì)于熱連軋機(jī)組,需重視起對(duì)支承輥局部接觸疲勞嚴(yán)重程度的監(jiān)控和使用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。主要的評(píng)估手段包括:一是對(duì)下機(jī)支承輥的輥身兩側(cè)進(jìn)行重點(diǎn)勘查,包括倒角磨損情況、亮帶光亮程度、起毛的毛化程度等;二是加強(qiáng)上下機(jī)硬度檢測(cè),監(jiān)控加工硬化情況,尤其是輥身兩側(cè)倒角磨損區(qū)域的硬化情況,根據(jù)相關(guān)研究,Cr5鍛鋼支承輥的加工硬化極限值為5～5.5HSD,一旦加工硬化超過(guò)5.5HSD,在機(jī)掉肉或剝落的風(fēng)險(xiǎn)會(huì)大大增加;三是做好磨后支承輥的渦流檢測(cè),并結(jié)合表面波進(jìn)行復(fù)檢,發(fā)現(xiàn)有殘余疲勞裂紋,要進(jìn)行加磨處理,保證疲勞裂紋清除干凈。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于熱連軋機(jī)組支承輥,因其輥身承受的軋制力呈現(xiàn)為馬鞍狀的分布狀態(tài),這一特性造成輥身兩側(cè)的接觸疲勞程度最為嚴(yán)重,這也是支承輥設(shè)計(jì)長(zhǎng)倒角的原因:緩解邊部接觸應(yīng)力。但在機(jī)使用過(guò)程中,隨著倒角的磨損,邊部接觸應(yīng)力峰值會(huì)不斷增加,使輥身兩側(cè)成為了整個(gè)輥身使用風(fēng)險(xiǎn)最大的區(qū)域,因此輥身兩側(cè)是需要重點(diǎn)關(guān)注和監(jiān)控的區(qū)域。監(jiān)控屬于預(yù)防性措施,而如何最大限度地緩解邊部接觸應(yīng)力峰值,才是有效保障支承使用安全性的手段,為此也成為了熱軋連機(jī)組的重點(diǎn)探索課題。