熱連軋高鉻鐵工作輥帶熱損傷裂紋上機的探索

供稿|甄海超，蔣春雨，郝冰，張譽昂 / ZHEN Haichao, JIANG Chunyu, HAO Bing,ZHANG Yuang

內容導讀

熱軋工作輥在生產使用的全生命周期內會產生各種類型的裂紋。為保障軋機和軋輥的生產安全，按照生產工藝要求，這些裂紋尤其是機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，同時也會影響軋輥的周轉效率和備輥效率，對生產穩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驗帶熱損傷裂紋上機使用。

熱軋工作輥在使用過程中產生的裂紋主要有3 類，分別是機械裂紋、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。按照生產工藝要求，這些裂紋必須去除，以保障軋機和軋輥的運行安全性[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效率，需要探索精軋高鉻鐵材質工作輥帶熱裂紋上機使用的機理。

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、熱應力等。但是摩擦力、微張力、熱應力相對軋制力而言要小很多，所以在分析精軋工作輥受力情況時，主要考慮軋制力的作用。如圖1 所示，當輥面A處與帶鋼接觸時，近似認為該處受到的正壓力和摩擦力的合力與軋制力相當。該熱連軋線精軋前段機架的最大軋制力為35 MN，一般正常生產時軋制力在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熱損傷裂紋擴展的臨界條件分析

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

按照裂紋在構件中的形態，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。在實驗室內，對高鉻鐵材質軋輥進行斷裂韌性實驗。裂紋尖端附近各點應力的強弱程度與的量有關；即裂紋尖端附近各點的應力，不是隨構件所受拉應力 σ成比例的增長或減少，而是隨成比例的增長或減少。稱為應力強度因子，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，應力強度因子KI也逐漸增加。實驗結果表明，當它達到某一臨界值KIc時，裂紋將發生失穩擴展，導致構件斷裂。KIc稱為短裂紋韌性。即，斷裂強度因子KI低于KIc，構件就不會發生裂紋擴展。

根據日本川崎制鐵水島鋼廠田中史雄工程師，應用斷裂力學判據確定軋輥的使用界限，。由此公式理論計算得出，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工作輥可以正常上機使用。

上機實驗及分析

熱損傷裂紋形態表征及渦流特征

精軋高鉻鐵工作輥卡鋼后，一般會在過鋼區產生一條熱損傷裂紋帶。裂紋的形態一般表現為網格狀（圖3），深度為3～10 mm，下機后輥面異常明顯。軋輥磨削后進行渦流探傷，會發現檢測結果存在對應輥身裂紋部位、沿軋輥軸向的裂紋值帶和軟點值帶（圖4）。渦流裂紋值和軟點值的閥值分別為0.2、0.4，超出的視為異常。

圖3 卡鋼輥面熱裂紋形態

圖4 卡鋼輥面熱裂紋形態

帶裂紋實驗的檢測保障工作

渦流檢測結果反饋熱裂紋變化情況。熱裂紋帶的渦流裂紋值和軟點值整體上變化不大或者持續降低，表明裂紋正在逐漸變弱，同時結合觀察裂紋帶形態（熱裂紋帶軸向和周向上的寬度變窄，裂紋邊界變細等）進行判定，軋輥是否可持續上機使用。

利用斜探頭檢測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和分析熱裂紋擴展情況。雙晶直探頭檢測最為重要，其主要作用是檢查裂紋是否呈現角度擴展。根據縱波的特性，若裂紋垂直于軋輥表面的切面，雙晶探頭檢測不到，只能檢測到結合層的反射波。發生擴展的裂紋，雙晶檢測裂紋波呈現“走波”現象，由淺逐漸加深。

實驗工作及結果

實驗初始，先把裂紋較淺的軋輥作為實驗對象，使用到裂紋正常消除后逐漸實驗裂紋更深的軋輥，并且后續實驗接近報廢直徑的軋輥。結果8 支實驗軋輥全部使用到裂紋正常消除，或者達到帶裂紋正常報廢，這表明精軋前段高速鋼工作輥可以帶熱裂紋安全使用。詳細實驗數據如表1。

表1 精軋前段高鉻鐵工作輥帶熱裂紋上機實驗情況

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

結束語

理論計算和實驗驗證表明：精軋前段高鉻鐵工作輥能夠帶熱損傷裂紋上機使用，并可做到換輥周期和磨削量與正常軋輥一致。裂紋擴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。在使用現場，超聲波雙晶探頭檢測不到裂紋的存在，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，不但減少了高鉻鐵工作輥的異常損失，同時節省了大量砂輪、切削液、人工磨削等成本，而且緩解了現場精軋前段工作輥投入量大、周轉緊張的情況，具有重要意義。