某20輥軋機(jī)二中間輥碎裂原因分析

王 永， 王 輝

(寶鋼軋輥科技有限責(zé)任公司，江蘇 常州 213019)

1 概 述

森吉米爾軋機(jī)是一種用于軋制不銹鋼、硅鋼、精密帶材的多輥軋機(jī)，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，軋機(jī)使用的軋輥包括工作輥2支(上、下各1支)，一中間輥4支(上、下各2支)，二中間輥6支(上、下各3支)和背襯軸承8支(上、下各4支)，合計(jì)共20支，所以又稱為20輥軋機(jī)[1]。

國內(nèi)某冷軋廠的20輥軋機(jī)主要用于軋制硅鋼，軋機(jī)由DMS公司設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)軋制速度為600～800 m/min，軋制力為450～600 t。2017年8月，1支編號為MD776的二中間輥在第二次上機(jī)使用過程中發(fā)生碎裂，本文對碎裂輥進(jìn)行分析研究，探討其碎裂原因，以采取有效的措施避免該類事故的再次發(fā)生。

圖1 20輥軋機(jī)輥系圖和二中間輥結(jié)構(gòu)圖(單位：mm)

2 試驗(yàn)材料與方法

本次碎裂的二中間輥材質(zhì)為5H12，為熱作模具鋼，規(guī)格為Φ236 mm×1450 mm×1750 mm，二中間輥的制造工藝流程為：電弧爐煉鋼—鑄造—電渣重熔(ESR)—鍛造—鍛后熱處理—調(diào)質(zhì)—整體淬、回火至圖紙硬度要求—精加工(車+磨)至成品—成品檢測(硬度、探傷、尺寸等)。該產(chǎn)品技術(shù)要求整體淬火至硬度58～60HRC。

利用線切割切取斷裂輥試樣，采用XRF-1800型X射線熒光光譜儀對碎裂輥進(jìn)行化學(xué)成分定量分析。采用MEF-4型金相顯微鏡觀察顯微組織，浸蝕劑為4%硝酸酒精。采用HR-150A洛氏硬度計(jì)對切取的樣品由表及里進(jìn)行硬度檢測。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 碎裂輥的宏觀形貌

由于MD776的二中間輥已經(jīng)碎裂成多塊，經(jīng)嘗試復(fù)原但未能成功，如圖2所示。圖3所示為碎裂宏觀形貌，可以看到碎裂面存在多條筆直的裂紋擴(kuò)展痕跡，這說明碎裂前已存在大量裂紋擴(kuò)展跡象[2]，裂紋擴(kuò)展至一定程度后，在軋制力和扭轉(zhuǎn)力的共同作用下，導(dǎo)致最后瞬間的碎裂，形成大量碎裂片。

圖2 端頭碎裂形貌

圖3 碎裂典型特征

3.2 碎裂輥的化學(xué)成分和硬度

采用XRF-1800型X射線熒光光譜儀對碎裂輥進(jìn)行化學(xué)成分定量分析，分析結(jié)果如表1所示，從檢測值和要求值的對比可以看出，碎裂輥的化學(xué)成分符合設(shè)計(jì)要求。

采用HR-150A洛氏硬度計(jì)對碎裂輥由表及里的切片進(jìn)行了硬度檢測，檢測碎裂輥由表及里的硬度分布情況，檢測結(jié)果如表2所示，結(jié)果顯示：硬度符合圖紙技術(shù)要求。

表1 碎裂輥化學(xué)成分

表2 碎裂輥由表及里硬度檢測結(jié)果

3.3 碎裂輥的顯微組織

碎裂輥的材質(zhì)為5H12，為熱作模具鋼。為分析碎裂輥的熱處理組織是否存在異常，切取了由表及里的試樣進(jìn)行顯微組織觀察，切取的試樣如圖4所示。

圖4 顯微組織檢測樣品

樣品經(jīng)磨削腐蝕后，由表及里進(jìn)行組織觀察，結(jié)果顯示由表及里的顯微組織均為回火馬氏體+點(diǎn)、顆粒狀碳化物+殘余奧氏體，但表層的馬氏體針較內(nèi)部略粗，組織為粗針馬氏體+顆粒狀碳化物+殘余奧氏體，如圖5所示。對試樣進(jìn)一步做深腐蝕，觀察碳化物分布，結(jié)果表明：橫向試面未觀察到明顯網(wǎng)狀碳化物，如圖6所示。非金屬夾雜物檢測C類1級、B類1.5級、DS類1級，均符合輥坯技術(shù)條件要求。

圖5 不同深度橫向截面顯微組織

圖6 碳化物分布情況

圖7 第一次上機(jī)前渦流檢測結(jié)果

3.4 碎裂輥使用維護(hù)情況調(diào)查分析

對碎裂輥的使用情況調(diào)查得知，該輥為第二次上機(jī)使用，第一次新輥上機(jī)前對其進(jìn)行了渦流探傷檢測，檢測結(jié)果如圖7所示，裂紋值為0.24，軟點(diǎn)值為0.28，同時(shí)進(jìn)行了表面超聲波檢測，未發(fā)現(xiàn)缺陷波存在。上機(jī)后使用了10天，因出現(xiàn)斷帶事故而將該輥換下重新修磨，修磨0.4 mm后目視表面無缺陷，渦流探傷檢測裂紋和軟點(diǎn)信號偏高，裂紋值為1.7，軟點(diǎn)值為1.09，如圖8所示；同時(shí)進(jìn)行了表面超聲波檢測未發(fā)現(xiàn)裂紋，考慮到渦流探傷檢測結(jié)果影響因素過多，表面超聲波發(fā)現(xiàn)裂紋的靈敏度高于渦流，于是決定第二次上機(jī)使用，使用15天后發(fā)生了在線碎裂。

圖8 第二次上機(jī)前渦流檢測結(jié)果

3.5 碎裂輥碎裂原因分析與預(yù)防措施探討

首先，從碎裂輥的化學(xué)成分、硬度、超聲波探傷等檢測結(jié)果分析，該輥均滿足設(shè)計(jì)和圖紙要求，未見明顯的異常；其次，從該輥的顯微組織分析，其由表及里的顯微組織均為回火馬氏體+點(diǎn)、顆粒狀碳化物+殘余奧氏體，這種顯微組織是5H12材質(zhì)軋輥的理想組織，但同時(shí)我們也發(fā)現(xiàn)，碎裂輥的表面晶粒度略大，存在粗針狀馬氏體組織，結(jié)合該輥整體淬火的熱處理工藝分析，可能是由于表面升溫快，高溫保溫時(shí)間較長致奧氏體晶粒長大，在后續(xù)的淬火過程中，粗大奧氏體轉(zhuǎn)變成粗針馬氏體；粗針馬氏體的存在會(huì)降低材料的塑韌性和抗裂紋擴(kuò)展能力，一旦有裂紋萌生，裂紋會(huì)迅速擴(kuò)展；最后，從該支碎裂輥的使用維護(hù)調(diào)查結(jié)果看，該輥在第二次上機(jī)前渦流探傷檢測裂紋和軟點(diǎn)值明顯偏高，但表面超聲波探傷未發(fā)現(xiàn)裂紋存在，因?yàn)楸砻娉暡òl(fā)現(xiàn)裂紋的能力優(yōu)于渦流，可以認(rèn)為該輥輥面確實(shí)無裂紋存在，但需注意的是，表面超聲波探傷只能發(fā)現(xiàn)已形成的裂紋，對于發(fā)生軋制事故后存在的熱影響區(qū)卻無法檢測出。所謂熱影響區(qū)是指軋輥在使用過程中如果發(fā)生軋制事故，軋輥會(huì)因事故而受到熱沖擊，熱沖擊如果很嚴(yán)重，一般會(huì)在輥面形成熱裂紋，但熱裂紋的形成往往伴隨著表層以下熱影響區(qū)的形成，這個(gè)區(qū)域因熱沖擊溫度未達(dá)到產(chǎn)生裂紋的臨界值，但卻已經(jīng)超過了軋輥制造過程中的回火溫度，從而在該區(qū)域形成了二次回火現(xiàn)象，二次回火不會(huì)形成裂紋，但顯微組織狀態(tài)已經(jīng)發(fā)生變化，該區(qū)域如果未能通過磨削完全去除，在后續(xù)的使用過程中會(huì)成為裂紋萌生的薄弱區(qū)，在反復(fù)的交變應(yīng)力下，萌生裂紋并擴(kuò)展。

結(jié)合該碎裂輥的使用記錄看，該輥第一次使用時(shí)出現(xiàn)斷帶事故，重新修磨后渦流探傷檢測結(jié)果裂紋值和軟點(diǎn)值也明顯高于第一次上機(jī)使用前，其中的軟點(diǎn)值偏高就是對熱影響區(qū)的信號反饋，也就是說渦流檢測設(shè)備是能夠?qū)嵊绊憛^(qū)進(jìn)行檢測并反饋信號的，但表面超聲波卻無法檢測熱影響區(qū)，渦流的裂紋值信號是由于軟點(diǎn)值偏高而影響了裂紋值的顯示，該輥第二次上機(jī)前應(yīng)不存在表面裂紋，如果存在，該輥不可能使用15天后才發(fā)生碎裂。

綜上所述，該輥的失效是由于表面裂紋萌生并迅速擴(kuò)展后導(dǎo)致的瞬間碎裂，表面裂紋是由于第一次使用過程中的軋制事故產(chǎn)生的熱影響區(qū)未完全消除，在第二次使用過程中，裂紋在熱影響區(qū)首先萌生并擴(kuò)展至整個(gè)輥身，而輥身表面粗大的馬氏體組織也為裂紋的快速擴(kuò)展提供了有力的條件，加速了該輥的碎裂。

為避免上述問題的再次發(fā)生，一方面需深入理解渦流檢測設(shè)備和超聲波檢測設(shè)備的優(yōu)、缺點(diǎn)，科學(xué)結(jié)合使用；其次需要科學(xué)化事故輥的處置流程，完善對事故軋輥的處置；最后，該類材質(zhì)的熱處理工藝可以進(jìn)一步優(yōu)化，避免輥身表面粗大馬氏體針的存在。

4 結(jié)束語

經(jīng)對碎裂輥的化學(xué)成分、硬度、顯微組織的分析，結(jié)合碎裂輥的使用維護(hù)記錄，可以得出該輥的碎裂是由于前期軋制事故造成的軋輥熱影響區(qū)未完全消除而導(dǎo)致的，熱影響區(qū)在使用過程中成為裂紋萌生的薄弱區(qū)，在反復(fù)的交變應(yīng)力下微裂紋形成并擴(kuò)展至整個(gè)輥身，輥身表面存在的粗針狀馬氏體為裂紋的快速擴(kuò)展提供了有利條件。為避免該類問題的再次發(fā)生，需在軋輥熱處理工藝、檢測設(shè)備、事故輥處置等方面做更多的研究。