高铬复合铸铁轧辊断辊失效分析

付志云 何国赛 陈 良 汪素娟

（1.武钢股份公司设备管理部 湖北 武汉：430083；2.武钢股份公司条材总厂CSP分厂 湖北 武汉：430083）

1 事故起因

某机组在正常生产中，第四架下辊发生了一起断辊事故。失效轧辊属于改进型高铬复合铸铁轧辊。轧辊工作层为高铬铸铁材质，芯部为无限冷硬球墨铸铁。轧辊工作层使用范围为：Φ660～750mm，事故直径为Φ689mm。

事故造成了该生产线的钢水断浇，对生产造成了严重影响。

2 现场调查

2.1 事故轧辊断口与残块

失效轧辊在断辊事故中存在两处断口（I和II），将轧辊断裂成A、B、C三部分（如图1所示）。

图1 失效断辊示意图

其中：断口I位于轧辊辊身处，距辊身靠近传动侧端约300～310mm；

断口II位于轧辊操作侧辊颈部位。

三部分残块分别是：

残块A——轧辊操作侧辊颈部分；

残块B——轧辊辊身大部至操作侧辊颈残余；

残块C——轧辊辊身残余与传动侧辊颈全部。

2.2 断口I观察

在图2中，可以观察到残块B的辊身断口I断面状况。

图2 残块B辊身断口图

辊身断口I垂直于轧辊轴向。断口边缘存在多处锯齿状碎片。断口断面呈圆弧状，中心突起部分朝向轧辊传动侧。弧型边缘存在扩展条纹，表明有周向剪切应力作用，扭断特征明显。

断面表明，轧辊工作层厚度基本均匀，过渡层结合状况良好。工作层、过渡层及芯部组织外观良好。

断口外缘辊面存在一处轴向撕开痕。

2.3 断口II观察

图3为残块B上操作侧辊颈断面的外貌。断面与轧辊轴向垂直，断面在断裂前未发生塑性变形，断裂后其断口齐平，整个断面呈现出发亮的晶粒组织，脆性断裂特征十分明显。

断口位于操作侧辊颈处，断口外缘周向存在U型凹槽，为轧辊轴承油槽部位，此处为轧辊辊颈最小截面部位。垂直于U型槽有一条进油孔，进油孔恰好与辊颈断口在同一断面。

图3 残块B辊劲断口图

2.4 金相组织

在现场调查中，分别对轧辊辊身和轧辊辊颈部位的金相组织检测（见图4、图5）。

图4 辊颈金相组织（100×）

图5 辊身金相组织（100×）

图4展示的取样部位为轧辊辊颈外表面区域。辊颈部位材质与轧辊芯部材质相同，为无限冷硬球墨铸铁材质。

检测发现，基体组织为珠光体＋少量牛眼铁素体＋少量碳化物，石墨表现为球团状，分布较均匀，芯部组织球化及碳化物级别符合标准要求。

图6的检测部位为轧辊工作层区域。该部位材质为高铬铸铁材质。

辊身金相为：回火马氏体＋回火屈氏体＋30%左右碳化物＋少量残奥。

根据轧辊的出厂检测报告，失效轧辊辊身残奥小于1%，残余应力－320±62MPa。

2.5 其它检测

轧辊硬度检测：

辊身硬度要求为：73－78HSD，实际为73－75HSD；辊颈要求为：35～45HSD，实际为40－43HSD。

辊颈抗拉强度（MPa）：σb≥400MPa

其它相关检测基本上满足技术条件要求。

3 原因分析

首先查看了现场影象资料。资料表明操作侧辊颈断口首先出现：轧辊的操作侧首先出现异常，带钢在轧机操作侧出现异常波形，并由小到大。与此同时，传动侧保持平直状态。带钢摆幅越来越大直至带钢断带发生。

随后，检查了轧机记录图表见图6。记录图表在另一个角度验证了上述结论：

记录图表（见图6）由两个部分组分，上图记录了作用在工作辊辊颈部位的轧机弯辊力；下图为作用在轧机支承辊辊颈上轧制力。由上图弯辊力可见，操作侧首先失去弯辊力，传动侧弯辊力由于承载着负荷，次于前者下降。

由此确定，首先发生断裂的是操作侧端辊颈部位。

辊颈部位的断裂主要由三种因素构成：

（1）辊颈截面积最小，属薄弱部位。由于在辊颈该部位加工出了轴承油槽，使得此处截面积最小。

（2）该部位加工出的加油孔，承受了较大剪切应力。轧辊在转动中承受着较大的扭矩力。对于完整截面上，扭矩力以周向剪切应力的方式作用在整个周向断面上。进油孔的存在，使得进油孔周向孔壁承受了剪切应力的集中作用。

（3）辊颈部位采用的材质是球墨铸铁材质，其断裂韧性在较大程度上决定于材料本身及球化热处理过程。

由于上述因素的共同作用，导致轧辊在该部位发生脆性断裂（见图7）。

图6 轧机运行图表

图7 断口II受力示意图

辊身断裂属于次生断裂。在轧辊辊颈发生断裂事故之后，轧辊在操作侧失去约束及控制，导致辊身断裂。轧辊圆弧状断口，放射状裂纹扩展痕及外缘边部撕裂痕进一步予以了确认。

4 结论

高铬复合轧辊的断裂首先在辊颈部位产生，表现为脆性断裂；辊身断裂是在辊颈断裂后发生的次生断裂。辊颈断裂与辊颈截面积小，辊颈材料及轴承进油孔有关。

改进措施：

（1）改进轧辊轴承进油孔设计，减少辊颈薄弱部位所承受的剪应力影响；

（2）在进油孔加工中提高操作水平，避免裂纹源的产生；

（3）提高轧辊芯部的球化处理工艺，可有效防止此类轧辊事故的发生。

［1］付志云，陈光明，张 倩.510＃冷轧中间辊失效成因研究［J］.武汉科技大学学报，2011，（12）：40－43.

［2］付志云，薛铁，舒 展.5013＃冷轧失效工作辊残块解剖及次表面层研究［J］.武汉科技大学学报，2011，（12）：20－24.

［3］付志云.支承辊边部缺陷及控制技术［J］.大型铸锻件，2011，（2）：12－14.