熱連軋高鉻鐵工作輥帶熱損傷裂紋上機(jī)的探索

供稿|甄海超，蔣春雨，郝冰，張譽(yù)昂 / ZHEN Haichao, JIANG Chunyu, HAO Bing,ZHANG Yuang

內(nèi)容導(dǎo)讀

熱軋工作輥在生產(chǎn)使用的全生命周期內(nèi)會(huì)產(chǎn)生各種類型的裂紋。為保障軋機(jī)和軋輥的生產(chǎn)安全，按照生產(chǎn)工藝要求，這些裂紋尤其是機(jī)械沖擊裂紋和制造缺陷裂紋必須去除。但軋輥是主要的軋鋼工藝備件，大量軋輥異常必然造成軋鋼成本上升，同時(shí)也會(huì)影響軋輥的周轉(zhuǎn)效率和備輥效率，對(duì)生產(chǎn)穩(wěn)定性和安全性造成影響。為解決上述問題，精軋前段高鉻鐵工作輥實(shí)驗(yàn)帶熱損傷裂紋上機(jī)使用。

熱軋工作輥在使用過程中產(chǎn)生的裂紋主要有3 類，分別是機(jī)械裂紋、疲勞裂紋[1]、熱損傷裂紋（卡鋼等過熱造成）[2]。某熱連軋線，精軋前段（F1～F4）事故率較高，主要有F1 打滑和卡鋼、F1～F4 堆鋼等。這造成精軋前段高鉻鐵材質(zhì)工作輥的損失較高，平均每月60 mm 以上，其中熱損傷裂紋損失占比在80%左右。按照生產(chǎn)工藝要求，這些裂紋必須去除，以保障軋機(jī)和軋輥的運(yùn)行安全性[3]。但是，為了降低軋鋼成本（輥耗成本和磨削成本），提升軋輥的磨削效率和周轉(zhuǎn)效率，需要探索精軋高鉻鐵材質(zhì)工作輥帶熱裂紋上機(jī)使用的機(jī)理。

精軋前段工作輥受力分析

精軋工作輥在軋制過程中除了受到軋制力外，還有摩擦力、微張力、熱應(yīng)力等。但是摩擦力、微張力、熱應(yīng)力相對(duì)軋制力而言要小很多，所以在分析精軋工作輥受力情況時(shí)，主要考慮軋制力的作用。如圖1 所示，當(dāng)輥面A處與帶鋼接觸時(shí)，近似認(rèn)為該處受到的正壓力和摩擦力的合力與軋制力相當(dāng)。該熱連軋線精軋前段機(jī)架的最大軋制力為35 MN，一般正常生產(chǎn)時(shí)軋制力在15～20 MN。

圖1 精軋工作輥軋制過程中的受力示意圖

高鉻鐵工作輥工作時(shí)熱損傷裂紋擴(kuò)展的臨界條件分析

本文探索的是精軋前段高鉻鐵工作輥帶熱損傷裂紋上機(jī)使用，為此引用材料的斷裂準(zhǔn)則概念，從彈性力學(xué)方程或彈塑性力學(xué)方程出發(fā)，把裂紋作為一種條件，考慮裂紋頂端的應(yīng)力、應(yīng)變和位移場(chǎng)，建立裂紋擴(kuò)展的臨界條件——斷裂準(zhǔn)則。

按照裂紋在構(gòu)件中的形態(tài)，一般分為3 種，分別為穿透裂紋、表面裂紋、埋藏裂紋，如圖2 所示：

圖2 不同裂紋形態(tài)示意圖：（a）穿透裂紋；（b）表面裂紋；（c）埋藏裂紋

精軋前段高鉻鐵工作輥的熱損傷裂紋一般為表面裂紋[4]，為此我們主要研究表面裂紋的斷裂韌性。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，對(duì)高鉻鐵材質(zhì)軋輥進(jìn)行斷裂韌性實(shí)驗(yàn)。裂紋尖端附近各點(diǎn)應(yīng)力的強(qiáng)弱程度與的量有關(guān)；即裂紋尖端附近各點(diǎn)的應(yīng)力，不是隨構(gòu)件所受拉應(yīng)力 σ成比例的增長(zhǎng)或減少，而是隨成比例的增長(zhǎng)或減少。稱為應(yīng)力強(qiáng)度因子，并記為KI，單位為MPa·m1/2，，其中a為裂紋深度。

隨著載荷的增加，應(yīng)力強(qiáng)度因子KI也逐漸增加。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)它達(dá)到某一臨界值KIc時(shí)，裂紋將發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展，導(dǎo)致構(gòu)件斷裂。KIc稱為短裂紋韌性。即，斷裂強(qiáng)度因子KI低于KIc，構(gòu)件就不會(huì)發(fā)生裂紋擴(kuò)展。

根據(jù)日本川崎制鐵水島鋼廠田中史雄工程師，應(yīng)用斷裂力學(xué)判據(jù)確定軋輥的使用界限，。由此公式理論計(jì)算得出，深度小于10.59 mm 的裂紋在34 MN 的軋制力作用下可以正常使用，因此該軋線精軋前段高鉻鐵材質(zhì)工作輥可以正常上機(jī)使用。

上機(jī)實(shí)驗(yàn)及分析

熱損傷裂紋形態(tài)表征及渦流特征

精軋高鉻鐵工作輥卡鋼后，一般會(huì)在過鋼區(qū)產(chǎn)生一條熱損傷裂紋帶。裂紋的形態(tài)一般表現(xiàn)為網(wǎng)格狀（圖3），深度為3～10 mm，下機(jī)后輥面異常明顯。軋輥磨削后進(jìn)行渦流探傷，會(huì)發(fā)現(xiàn)檢測(cè)結(jié)果存在對(duì)應(yīng)輥身裂紋部位、沿軋輥軸向的裂紋值帶和軟點(diǎn)值帶（圖4）。渦流裂紋值和軟點(diǎn)值的閥值分別為0.2、0.4，超出的視為異常。

圖3 卡鋼輥面熱裂紋形態(tài)

圖4 卡鋼輥面熱裂紋形態(tài)

帶裂紋實(shí)驗(yàn)的檢測(cè)保障工作

渦流檢測(cè)結(jié)果反饋熱裂紋變化情況。熱裂紋帶的渦流裂紋值和軟點(diǎn)值整體上變化不大或者持續(xù)降低，表明裂紋正在逐漸變?nèi)?，同時(shí)結(jié)合觀察裂紋帶形態(tài)（熱裂紋帶軸向和周向上的寬度變窄，裂紋邊界變細(xì)等）進(jìn)行判定，軋輥是否可持續(xù)上機(jī)使用。

利用斜探頭檢測(cè)和分析裂紋深度變化。帶熱裂紋的工作輥每次磨削完后，可用超聲波斜探頭檢測(cè)裂紋的深度。若斜探頭探得的深度逐漸降低，表明裂紋正在逐漸消除。

利用雙晶直探頭檢測(cè)和分析熱裂紋擴(kuò)展情況。雙晶直探頭檢測(cè)最為重要，其主要作用是檢查裂紋是否呈現(xiàn)角度擴(kuò)展。根據(jù)縱波的特性，若裂紋垂直于軋輥表面的切面，雙晶探頭檢測(cè)不到，只能檢測(cè)到結(jié)合層的反射波。發(fā)生擴(kuò)展的裂紋，雙晶檢測(cè)裂紋波呈現(xiàn)“走波”現(xiàn)象，由淺逐漸加深。

實(shí)驗(yàn)工作及結(jié)果

實(shí)驗(yàn)初始，先把裂紋較淺的軋輥?zhàn)鳛閷?shí)驗(yàn)對(duì)象，使用到裂紋正常消除后逐漸實(shí)驗(yàn)裂紋更深的軋輥，并且后續(xù)實(shí)驗(yàn)接近報(bào)廢直徑的軋輥。結(jié)果8 支實(shí)驗(yàn)軋輥全部使用到裂紋正常消除，或者達(dá)到帶裂紋正常報(bào)廢，這表明精軋前段高速鋼工作輥可以帶熱裂紋安全使用。詳細(xì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1。

表1 精軋前段高鉻鐵工作輥帶熱裂紋上機(jī)實(shí)驗(yàn)情況

然后修改使用制度，將軋輥帶熱裂紋上機(jī)納入正常使用，且事故軋輥帶裂紋上機(jī)，換輥周期和磨削量與正常軋輥一樣。制度實(shí)施后，每月減少高鉻鐵熱裂紋磨削損失40 mm 以上，同時(shí)節(jié)省大量砂輪、切削液、人工磨削等成本，緩解了現(xiàn)場(chǎng)精軋前段工作輥投入量大、資金占用多、周轉(zhuǎn)緊張的情況。

結(jié)束語

理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明：精軋前段高鉻鐵工作輥能夠帶熱損傷裂紋上機(jī)使用，并可做到換輥周期和磨削量與正常軋輥一致。裂紋擴(kuò)展速率小于軋輥的正常減徑，隨著軋輥的使用，熱損傷裂紋逐漸消失。在使用現(xiàn)場(chǎng)，超聲波雙晶探頭檢測(cè)不到裂紋的存在，即裂紋的方向與超聲波的方向一致，與軋輥表面的切面相垂直。

精軋前段高鉻鐵工作輥帶熱損傷裂紋上機(jī)，不但減少了高鉻鐵工作輥的異常損失，同時(shí)節(jié)省了大量砂輪、切削液、人工磨削等成本，而且緩解了現(xiàn)場(chǎng)精軋前段工作輥投入量大、周轉(zhuǎn)緊張的情況，具有重要意義。