熱軋板帶高鉻復合鑄鐵軋輥輥身斷裂失效原因分析

孫向陽，黃 明，仇光宏，肖連華

（唐山鋼鐵集團重機裝備有限公司，河北唐山 063300）

2017 年1 月至2018 年1 月某熱軋板帶軋鋼廠1580 軋線精軋前段高鉻復合鑄鐵軋輥在使用過程中出現了7 次輥身斷裂事故，嚴重的影響軋鋼企業生產過程，為杜絕事故的再次發生，從軋輥制造和使用進行剖析，徹底杜絕事故的再次發生。

1 斷輥基本形貌

結合現場實物照片（圖1）及示意圖（圖2），軋輥斷裂有一些明顯的特征：一是擴展源頭為外層和中間層結合部位，其外層呈現碗狀斷面；二是從源頭呈散射型向四周擴展最終造成斷裂。

圖1 斷輥實物照片

圖2 斷輥斷面示意圖及擴展說明

同時，根據統計該類軋輥數據可以得出幾個規律：一是軋輥斷裂主要發生在F1 和F2 架次軋機；二是軋輥斷裂主要發生在近新輥上機軋制1～3 塊板坯時發生。

2 事故分析

通過現場實物照片及示意圖分析，初步分析裂紋斷裂源為外層和中間層結合部位，從碗狀斷面分析斷裂性質為應力斷裂；斷裂形式為外層和中間層結合部位由于強度低于產生應力發生脆性斷裂，在彎輥力的作用下斷裂源沿徑向向四周擴展最終造成斷裂。現就主要的分析過程陳述如下。

2.1 金相分析

通過制備斷面試樣，選取外層和中間層結合部位金相進行分析，其金相圖像如圖3 所示。

如圖3 左圖所示，結合層位置碳化物呈板條狀，并具有方向性（沿芯部方向），組織較為粗大；根據金相分析，結合層板條狀結構較多且具備方向性，說明結合層過熱度較大，組織有足夠的發展能量，離心過程中形成了足夠的芯部熱源，形成較為粗大的組織。

圖3 外層和中間層結合部位金相侵蝕×100

2.2 軋制環境分析

導致軋輥失效[1]的應力共有4 種：一是制造過程中的殘余應力，二是軋制過程中的機械應力，三是軋制過程中軋輥的組織應力，四是軋輥內外溫差造成的熱應力。

首先針對制造過程中的殘余應力，該類軋輥一般上機使用3～10 回后上機斷裂，軋輥在上機軋制過程中，殘余應力是一個逐步釋放的過程，隨著磨削次數增加，軋輥本身的制造殘余應力越來越小，因殘余應力斷裂一般發生在新輥（第一次上機使用）時期，統計軋輥基本使用了2～10mm 后（3～10 回上機）發生斷裂，因此排除此類現象；一般情況如果沒有中間受到異常外力的情況下，傳動側輥頸是受力最大的地方，如果屬于機械應力斷裂的話首先應傳動側輥頸斷裂，所以不屬于機械應力斷裂；對組織應力影響最大的就是外層組織中殘余奧氏體含量，殘余奧氏體越高，軋制過程后殘奧轉變的組織應力就越大，而經軋輥制作廠家X 射線應力/殘奧測定儀（型號X－350A）測定，該軋輥的殘余奧氏體含量在0.5%～2.0%，一般軋輥的殘余奧氏體含量控制在小于3%，因此該軋輥斷裂問題也不屬于軋輥的組織應力問題。

因此，分析導致軋輥失效的原因為軋制過程中軋輥內外溫差造成的熱應力[2]。軋輥在上機的初期過程中，由于與軋材的緊密接觸，軋輥表面溫度迅速上升，而軋輥芯部的溫度上升較慢，這時軋輥面和軋輥芯部之間的溫差處于最大值，溫差引起的軋輥熱應力也處于最大值。如果軋輥的熱應力和軋輥的殘余應力相疊加，并且超過了軋輥芯部的強度極限時就可能發生軋輥斷裂的事故。

縱向熱應力的計算公式:

式中，E 為彈性模量；μ 為泊松比；α 為線膨脹系數；Δq 為軋輥表面和芯部之間的溫差。

經過試驗測定高鉻鑄鐵材質各項參數數值分別為E=21.8×104MPa，μ=0.35，α=12.5×10-6/℃。

熱軋板帶軋鋼廠位于河北省唐山市，斷裂軋輥基本發生在10 月到次年1 月，室內溫度平均在0℃，軋輥下機表面平均溫度70℃，利用公式計算縱向熱應力為293MPa。因此，如果軋制初期軋制速度過快，表面溫度迅速升高到70℃，會產生293MPa 的熱應力；結合該軋鋼廠斷裂事故發生時間段的生產情況，軋鋼廠為提升產能，在設計產能230 萬t 的情況下，縮短板坯軋制間隔時間，實現300 萬t 年產能，可能造成軋制初期軋輥的快速升溫。

2.3 總結

結合上述兩方面的分析，認為軋輥斷裂[3]產生的主要原因有兩個方面：一是軋輥制造過程中，中間層工藝參數設計存在一定的不合理性，造成外層和中間層融合部分碳化物較為粗大，且具備一定的方向性，造成結合層強度較弱；二是軋鋼廠為追求高產能，加快了生產節奏，縮短了板坯軋制間隔時間，造成軋輥上線初期軋輥表面的快速升溫，形成較大的軋制熱應力。兩種因素疊加，在軋制力的作用下，從軋輥外層與中間層結合部位形成初始裂紋，最終形成斷輥事故。

3 結論與措施

軋輥斷裂的形成原因為軋鋼廠軋輥上線初期快速軋制造成軋輥表面快速升溫形成較大的軋制熱應力，同時軋輥外層和中間層結合部位強度較低，在軋制力的作用下，從脆弱部位形成初始裂紋，造成斷輥。針對以上原因制定措施如下：

（1）軋輥制造企業修訂軋輥鑄造工藝，在保證不出現結合不良的情況下，降低軋輥中間層澆注溫度，進而降低中間層過熱度，從而縮短結合層組織的組織長大和發展的時間，細化組織增加強度。

（2）軋鋼廠針對軋輥上線初期制定合理的燙輥制度，增加前5～10 塊板坯的軋制間隔時間，減緩軋輥表面的升溫速度，降低軋輥的熱應力的形成，減少斷輥風險的產生。