張 杰,李紅宇
(唐山鋼鐵集團重型機械裝備有限公司,河北唐山 063000)
我公司為唐山港陸鋼鐵板帶鋼1250線生產(chǎn)的-支F2精軋機架φ653×1 450離心鑄造高鉻鐵軋輥在上機使用軋制第二塊鋼時發(fā)生斷裂見圖1,斷裂位置位于輥身中間靠近上輥徑位置,斷口如圖2所示。經(jīng)過了解,此生產(chǎn)線當時正在軋制普通板材Q195L,發(fā)生事故時軋輥直徑為φ649 mm,報廢直徑為φ603 mm,斷裂軋輥為上輥,斷輥位置位于輥身中間靠近上輥徑位置,斷口不規(guī)則,組織致密均勻,無縮孔、夾渣等鑄造缺陷。
為了找出軋輥斷裂的原因,一方面對生產(chǎn)工藝、檢驗的各個環(huán)節(jié)做了認真調(diào)查,均未發(fā)現(xiàn)異常;另一方面對該輥進行了比較全面的理化檢驗分析及金相對比。根據(jù)斷裂宏觀特征,未發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋擴展區(qū),也未發(fā)現(xiàn)明顯的裂紋起源,故拉回從本體取樣,做化學成分分析及金相檢測,重點看化學成分、夾雜物、金相組織有無異常。
圖1 斷裂軋輥
圖2 斷裂軋輥斷面
軋輥在生產(chǎn)過程中要有指導生產(chǎn)的文件,也就是軋輥工藝,通過規(guī)定各個環(huán)節(jié)的工藝參數(shù)控制指標,可以更好地指導生產(chǎn),便于生產(chǎn)出質(zhì)量合格的產(chǎn)品,表1為軋輥在生產(chǎn)過程需要達到的工藝參數(shù)要求,是指導生產(chǎn)的關(guān)鍵指標。
表2為過程參數(shù),是在實際生產(chǎn)過程中記錄的實際生產(chǎn)數(shù)據(jù),便于對整個生產(chǎn)過程進行把控,同時在出現(xiàn)質(zhì)量問題的時候還可以作為分析問題的依據(jù),是軋輥生產(chǎn)過程中比較關(guān)鍵的一環(huán)。從過程參數(shù)控制情況看,均符合工藝要求。
在輥身部位取試樣,做光譜分析,成分如表3所示。對輥身部位硬度檢測結(jié)果見表4.從表3可以看出,化學成分都在要求范圍內(nèi);從表4可以看出,輥身部位硬度也符合要求。
在輥身部位取試樣做金相組織分析,圖3為未浸蝕的外層金相照片,圖4為浸蝕外層金相照片,圖5為浸蝕后中間層金相照片,圖6為浸蝕后內(nèi)層金相照片。從圖4、圖5、圖6可以看出高鉻鑄鐵軋輥外層金相組織為索氏體+馬氏體+二次碳化物+殘余奧氏體,中間層金相組織為索氏體+少量珠光體+少量碳化物+少量石墨,芯部組織為珠光體+鐵素體+球狀石墨,組織情況良好,芯部由于存在一定數(shù)量的鐵素體,強度可以保證。
表1 大離心復合軋輥鑄造工藝卡
表2 過程參數(shù)
表3 軋輥化學成分(質(zhì)量分數(shù),%)
表4 軋輥硬度檢測情況
軋輥外層非金屬夾雜物符合規(guī)定,并達到2級以下,并無異常。
圖3 外層金相照片(X100未浸蝕)
圖4 外層金相照片(X100浸蝕)
圖5 中間層金相照片(X100浸蝕)
圖6 內(nèi)層金相照片(X100浸蝕)
從廠家拉回的斷輥下輥頸取抗拉試棒,按《GB 6397金屬拉伸試樣試驗》標準準備試樣,按《GB/T 228-2002金屬拉伸試驗法》進行拉伸試驗,拉3支,取平均值,抗拉強度470 MPa,符合廠家要求。
用X射線應(yīng)力測定儀對輥身殘余奧氏體和殘余應(yīng)力進行測定,測定結(jié)果見圖7.
圖7 殘奧報告殘余奧氏體和殘余應(yīng)力分析報告
圖7 表明輥身殘余奧氏體含量在1.1%以下,完全滿足外層小于等于3%的要求,殘余應(yīng)力也不高,在+200 MPa到-400 MPa之間,說明軋輥經(jīng)過斷裂后殘余應(yīng)力有一定的釋放。
對斷裂軋輥輥身、中間層、芯部進行切片,做150×20×20試塊,如圖8所示,通過對比發(fā)現(xiàn)中間層寬度基本在50 mm左右,而工藝設(shè)計40 mm,外層設(shè)計工作層厚度76.5 mm,實際40 mm~45 mm,回熔量在31.5 mm~36.5 mm之間,芯部熔中間層在13.5 mm~18.5 mm之間,說明中間層熔外層較多,通過手持式光譜儀測試成分,外層Cr的質(zhì)量分數(shù)為17.6%,中間層Cr的質(zhì)量分數(shù)為10%左右,芯部Cr的質(zhì)量分數(shù)為0.3%左右,說明芯部含Cr正常。
圖8 軋輥試塊
軋輥輥身、中間層、芯部標準金相圖如圖9、圖10、圖11所示。對斷裂軋輥輥身做連續(xù)金相,如圖12所示。可以看出:中間層與芯部過渡區(qū)無明顯貧碳區(qū),由于芯部碳比較高,與中間層石墨鋼混溶后隨含碳量升高,碳化物有一個明顯的聚集區(qū),碳化物大面積析出,隨著碳的減少,緊接著有一個明顯的貧碳區(qū)分布,但從圖12金相上看,不明顯。
從標準金相上來看,圖9結(jié)合情況最好,在結(jié)合部位有一個明顯的貧碳區(qū)分布,而圖10、圖11在貧碳區(qū)存在著大量的碳化物,所以會造成結(jié)合部位強度低,圖12是實際生產(chǎn)軋輥的結(jié)合層情況,基本介于結(jié)合良和結(jié)合差之間,說明結(jié)合不好,回溶過多。
軋輥的熱處理采用低溫退火熱處理,分兩段處理,可以比較完全地削除在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力,通過殘余應(yīng)力分析也可以看出,軋輥的殘余應(yīng)力并不高。
此支軋輥是在使用前期發(fā)生斷裂,剩余軋輥直徑比較大,從斷口情況看,組織良好,無縮松縮孔及夾渣缺陷,排除因存在缺陷造成使用過程中應(yīng)力集中裂紋擴展造成斷裂的可能。查化學成分及現(xiàn)場記錄均無異常,金相組織良好,硬度及抗拉強度指標符合廠家要求。通過對斷裂軋輥切片做實驗室金相,發(fā)現(xiàn)中間層較設(shè)計厚10 mm,設(shè)計40 mm,實際50 mm,中間層對外層回溶較大,達到了30 mm以上,按理論設(shè)計回溶應(yīng)控制在20 mm左右,通過手持式光譜,測外層、中間層、內(nèi)層,確實存在中間層滲Cr過多的情況,通過與標準金相圖譜對比發(fā)現(xiàn),中間結(jié)合部位金相介于圖10與圖11,說明結(jié)合一般,此種接合會造成中間層滲Cr過多,形成大量的碳化物,造成中間層強度的降低,在軋鋼過程中中間層結(jié)合部位由于受到熱應(yīng)力、機械應(yīng)力的作用超過強度極限率先產(chǎn)生裂紋,裂紋擴展后瞬間產(chǎn)生斷開。
圖9 結(jié)合優(yōu)
圖10 結(jié)合良
圖11 結(jié)合差
圖12 軋輥實際結(jié)合情況
1)將填中間層石墨鋼水時間延長5 min;
2)將中間層的澆注溫度降低10℃,控制回溶量。
通過工藝改進,回溶量由過去的30 mm,降低到20 mm左右,芯部滲Cr情況明顯好轉(zhuǎn),通過后期的上機試驗,軋輥強度明顯提高,未出現(xiàn)軋輥斷裂情況。
1)高鉻鐵軋輥斷裂的主要原因是中間層結(jié)合強度低;
2)結(jié)合強度低主要是由于中間層對外層的回溶量過大,造成外層C r向中間層、芯部滲入過多,造成碳化物量偏大,強度有余而韌性不足;
3)在高鉻鐵軋輥生產(chǎn)中應(yīng)嚴格控制回溶量,使其不大于20 mm.