Analyse der Ursachen für den Bruch von Arbeitswalzen in Blech- und Bandwalzwerken

Zusammenfassung: Dieser Artikel beschreibt das Bruchproblem der Bandarbeitswalze, beschreibt den Bruchzustand, analysiert die Bruchursachen, erläutert den Mechanismus und die Funktion des Bruchs aus verschiedenen Gründen und schlägt Maßnahmen zur Vermeidung von Walzenbrüchen vor.

Schlüsselwörter:Arbeitswalzen; Bruch; Eigenspannung; Strukturdefekte

Vorwort

Rollenbruch ist die schwerwiegendste Form von Rollenschäden. Dies führt nicht nur zum Verlust von Rollen und Rollenmaterial, sondern kann auch die Sicherheit von Geräten und Personen beeinträchtigen. Die Behebung des Unfalls wird lange dauern und die Betriebsgeschwindigkeit des Walzwerk.

Bruch des Streifens Arbeitswalze kann am Walzenkörper, Walzenzapfen und am Wellenkopf am Antriebsende auftreten. Walzenbrüche haben normalerweise zwei Ursachen: Eine Ursache liegt im Walzenmaterial oder in der Fertigungsqualität, was auf inhärente Defekte in der Walze selbst zurückzuführen ist, wie z. B. übermäßige Restspannung nach der Herstellung, Gussfehler oder unsachgemäße Wärmebehandlung, die abnormale Strukturen, innere Einschlüsse usw. verursacht. Die andere Ursache sind die Bedingungen des Walzprozesses und die Nutzungsbedingungen, d. h. die Spannung wird aus externen Gründen erhöht, wie z. B. starke thermische Rissbildung auf der Walzenoberfläche, Überlastung und schlechte Kühlbedingungen. In vielen Fällen wird ein Walzenbruch durch eine Kombination von Faktoren verursacht.

Wichtigste Brucharten und -ursachen

Eigenspannung und Thermoschockbruch

Zu Beginn des Walzens steht die Walze mit dem Walzgut in Kontakt, das eine hohe Temperatur aufweist. Im Verlauf des Walzvorgangs steigt die Temperatur allmählich an. Während dieses Vorgangs ist die Oberflächentemperatur der Walze hoch, der Kern hat jedoch immer noch eine niedrige Temperatur und die Temperatur verteilt sich in radialer Richtung. Wie in Abbildung 1 dargestellt.

Abbildung 1 Diagramm der Walzentemperaturverteilung entlang der radialen Richtung

Die Temperatur verteilt sich parabolisch entlang der radialen Richtung. Die Oberflächentemperatur steigt und das Volumen dehnt sich aus. Diese Ausdehnung wird durch den Kern mit niedriger Temperatur behindert und erzeugt Spannung. Die erzeugte thermische Spannung kann in drei Teile zerlegt werden: axiale Spannung (σz), tangentiale Spannung (σt) und radiale Spannung (σr). Die thermische Spannung in drei Richtungen kann anhand der Elastizitätstheorie berechnet werden. Zusätzlich zur radialen Spannung, die eine Zugspannung in radialer Richtung ist, befinden sich die axiale Spannung und die tangentiale Spannung in einem Druckzustand auf der Oberfläche, während sich der Kern in einem Zugzustand befindet. Die thermische Spannung und die Restspannung während des Walzprozesses überlagern sich, was zu einer großen synthetischen Zugspannung in der Mitte führt. Wenn die synthetische Spannung die Zugfestigkeit des Materials übersteigt, treten Risse im Kern der Rolle auf und die Rolle kann sogar brechen. Wenn Schrumpfungshohlräume, Porosität und Einschlussfehler vorhanden sind, wird das Auftreten von Rollenbrüchen verschlimmert.

Einige Walzen mit hoher Härte zerbersten oft in viele Stücke, da die Restspannung dieser Walzen hoch ist. Wenn der hohe Restspannungspeak unter der Oberfläche der Walze zu nahe an der Oberfläche liegt, kommt es aufgrund der thermischen und mechanischen Belastung zu katastrophalen Schäden, oder Oberflächenrisse und Schäden erstrecken sich bis in die Zugspannungszone. Andere Faktoren, die diese Art von Schäden begünstigen, sind: die Zersetzung einer großen Menge an Restaustenit in der Walzenstruktur während des Betriebs der Walze, was zusammen mit der Volumenausdehnung die innere Spannung erhöht. Hoher Wasserstoffgehalt in Stahlwalzen und seine schädlichen Auswirkungen (Sprödrissbildung); Oberflächendefekte, insbesondere wenn sie in Bereichen mit hoher Zugspannung vorhanden sind.

Die Restspannung im Endstadium des Fertigwalzens einer hoch NiCr-haltigen Walze in einem Warmband-Tandemwalzwerk mit einem Durchmesser von 650 mm wurde gemessen, wie in Abbildung 2 dargestellt. Wie aus Abbildung 2 ersichtlich, kann die Restspannung in axialer Richtung des Walzenkerns 12 kg/mm2 erreichen und seine Zugfestigkeit beträgt σb = 19 ~ 27 kg/mm2. Wenn daher die durch thermische Spannung verursachte Längsspannung > 7 ~ 10 kg/mm2 beträgt, bricht die Walze ausgehend vom Kern. Diese Art des Bruchs wird auch als Thermoschockbruch bezeichnet.

Abbildung 2 Diagramm der Eigenspannungsverteilung einer Walze mit hohem NiCr-Gehalt

Um diese Art von Thermoschockbruch zu vermeiden, sollten bei der Herstellung von Walzen innere Defekte wie Lunker, Porosität, Einschlüsse usw. minimiert werden, um die Festigkeit des Kernmaterials zu verbessern; die Plastizität des Kernmaterials der Walze zu erhöhen und die plastische Verformung unter Belastung zu steigern, um die thermische Belastung zu reduzieren; die innere Struktur sollte gut graphitiert sein und die äußere Schicht aus hochlegiertem Material sollte so dünn wie möglich sein, um eine gute Wärmeleitfähigkeit zu erreichen und den Temperaturunterschied zwischen innen und außen zu reduzieren. Der Wärmebehandlungsprozess sollte sinnvoll gestaltet werden, um die Druckspannung der äußeren Schicht in einem bestimmten Bereich zu halten und so die Zugspannung im Kern zu reduzieren. Abbildung 3 ist ein physisches Foto einer Walze, die aufgrund übermäßiger innerer Spannung gerissen ist.

Abbildung 3 Aktuelles Foto von Walzenrissen

Wenn die Rolle mit dem Rollen beginnt, muss ein Warmwalzprozess durchgeführt werden, bei dem mehrere leicht zu rollende Sorten gewalzt und der Walzrhythmus kontrolliert wird. Falls erforderlich, wärmen Sie die Rolle vor dem Einbau der Rolle vor. Sorgen Sie für gute Kühlbedingungen, verbieten Sie das Walzen in geschlossenem Wasser strikt und versuchen Sie, den Temperaturgradienten zwischen der inneren und äußeren Schicht zu verringern. Gewöhnliche Eisenrollen müssen vor der Verwendung eine natürliche Alterungszeit von einem halben bis einem Jahr haben, um die Restspannung in der Rolle zu verringern. Für warmgewalzte dünne Plattenrollen wird empfohlen, beim Vorwärmen der Rollen eine steuerbare Induktionsheizeinrichtung (gleichmäßige Erwärmung, steuerbare Heizgeschwindigkeit) zu verwenden. Die Vorwärmtemperatur beträgt 380 bis 420 °C und die Vorwärmzeit beträgt im Sommer 6 bis 7 Stunden und im Winter 10 bis 12 Stunden. Das Vorwärmen der Rolle darf nicht zu hastig erfolgen. Es muss ausreichend Wärmeerhaltungszeit vorhanden sein, um ein Brechen der Rolle aufgrund übermäßiger innerer Spannungen aufgrund großer Temperaturunterschiede zu verhindern. Tatsächlich wird ein Rollenbruch häufig durch eine unzureichende Vorwärmzeit verursacht, wodurch ein Teufelskreis entsteht. Gleichzeitig sollte die ausgetauschte Rolle sofort in eine Kühlgrube gelegt werden, um dort langsam abzukühlen und so die Entstehung regenerativer thermischer Spannungen zu vermeiden oder abzuschwächen.

Ermüdungsrissausbreitung und Bruch

Während des Walzvorgangs werden die Risse auf der Walze durch Biegespannungen beeinflusst. Wenn einer der Risse sehr tief wird, kann er beim starken Walzen nicht beseitigt werden. Beim weiteren Walzen dehnen sich die Risse unter der Einwirkung von abwechselnder thermischer Spannung und periodischer Biegespannung schnell aus. Gleichzeitig wird die Rissausbreitung durch die Einbettung von Eisenoxidablagerungen und die Korrosion des Kühlwassers während des Walzvorgangs beschleunigt. Wenn sich die Rissermüdung bis zu einer bestimmten Tiefe ausdehnt, wird der effektive Durchmesser der Walze kleiner und es kommt zu einem Walzenbruch.

Abbildung 4 ist ein Foto des Walzenbruchs, der durch die Ausdehnung ringförmiger Risse in der Walze einer gestapelten dünnen Platte verursacht wurde. In Abbildung 4 ist zu erkennen, dass die großen Carbide in der Oberflächenschicht des Walzenkörpers spröde sind und unter der Einwirkung wechselnder thermischer Spannung thermische Risse verursachen. Während des Walzvorgangs weitet sich die Ermüdung zu ringförmigen Rissen aus, und die ringförmigen Risse führen zum Bruch des Walzenkörpers. Bei der Beobachtung der Fehlereigenschaften der gebrochenen Walzen gewöhnlicher kaltharter laminierter dünner Plattenwalzen wurde festgestellt, dass die Rissverteilung in der äußeren Schicht des mittleren Teils des Walzenkörpers größtenteils vertikal und axial war. Dies ist auf die hohe Temperatur in der Mitte des Walzenkörpers, das größte Biegemoment und die häufigen Biegeermüdungseffekte während des Walzvorgangs zurückzuführen. Während des Walzens weitet sich dieser Risstyp allmählich entlang der Umfangsrichtung aus und bildet ringförmige Risse, wodurch der effektive tragende Querschnitt des Walzenkörpers verringert wird.

Bild 4 Walzenbruch durch Aufweitung ringförmiger Risse im Arbeitswalze

Um einen Walzenbruch durch Rissausbreitung zu verhindern, ist es am wichtigsten, sicherzustellen, dass die Walze ein bestimmtes Gewicht hat, und die erforderlichen Erkennungsmethoden anzuwenden. Methoden wie Farbfehlererkennung, Magnetpulverfehlererkennung, Wirbelstromfehlererkennung usw. können auch verwendet werden, um die Oberflächenbehandlung der Walze zu verstärken und so die Dauerfestigkeit der Walze zu verbessern.

Walzenbruch durch Gussfehler

Im Inneren der Rolle können Defekte wie Schrumpfungshohlräume, Lockerheit, Schlackeneinschlüsse, Poren und weiße Flecken auftreten. Diese Defekte verringern einerseits die Festigkeit des Materials und andererseits den effektiven tragenden Querschnitt. Sie werden häufig zur Quelle von Rissen, die sich unter Einwirkung periodischer Belastung allmählich ausdehnen und schließlich zum Bruch der Rolle führen. Abbildung 5 ist ein physisches Foto einer Rolle, die aufgrund der Ausdehnung der Defektquelle gebrochen ist. Wie aus Abbildung 5 ersichtlich, befinden sich im Querschnitt Einschlüsse und Ermüdungsrisse, die zu einer Verringerung der Festigkeit der Rolle führen. Die Ausdehnung der Ermüdungsrisse führt wiederum zu einer Verringerung des effektiven tragenden Querschnitts. Die Kombination aus beidem führt zum Bruch der Rolle.

Abbildung 5 Fehlerquelle verursacht Rollenbruch

Walzenbruch durch anormale Struktur

Eine unzureichende Impfung von Gusseisenwalzen, eine unangemessene Verteilung der Inhaltsstoffe, eine zu niedrige Gusstemperatur, eine zu starke Wärmeleitfähigkeit der Kaltbeschichtung und eine zu dünne Beschichtungsdicke können dazu führen, dass die weiße Schicht der Walze zu tief ist oder der gesamte Querschnitt transkristallin ist. Dies verringert die Festigkeit der Walze erheblich und führt zum Bruch der Walze.

Die Walze aus duktilem Gusseisen weist eine schlechte Sphäroidisierung oder einen Rückgang der Sphäroidisierung auf. Wenn der Graphit in der Matrix in Flocken vorliegt, zerstört er ernsthaft die Kontinuität der Metallmatrix, wodurch die effektive Querschnittsfläche der Metallmatrix verringert wird und eine lokale Spannungskonzentration verursacht wird, nachdem die Walze belastet wurde. Die lokale Spannungsspitze, die durch die zerstörerische Wirkung von Flockengraphit verursacht wird, kann das 10- bis 20-fache der Hauptspannung erreichen. Je kleiner und länger der Krümmungsradius des Endes des Flockengraphits ist, desto größer ist dieser Wert. In diesem Fall kann die Festigkeit der Walzenmatrix nur durch 30% bis 50% effektiv genutzt werden. Normalerweise liegt die Festigkeit von duktilem Gusseisen über 300 MPa, während die Festigkeit von hochfestem Grauguss 270 MPa nicht überschreitet und die von gewöhnlichem Grauguss unter 200 MPa liegt.

Der Rückgang der Sphäroidisierung ist bei kleinen und mittelgroßen Walzen weniger deutlich, bei großen Walzen aus duktilem Gusseisen jedoch recht deutlich. Wenn das geschmolzene Eisen lange Zeit verbleibt, kann der Graphit im oberen Walzenhals nicht kugelig werden. Es tritt großer, ausgeblühter Graphit oder dendritischer Graphit auf (siehe Abbildung 6), was zu einem großen Verlust der Matrixfestigkeit führt und die Festigkeit der Gusseisenwalze erheblich verringert. Daher muss bei Walzen aus duktilem Gusseisen die Sphäroidisierung im geschmolzenen Eisen ausreichend sein, und die Beruhigungszeit nach der Sphäroidisierungsbehandlung sollte entsprechend verkürzt werden, was der Verringerung des Rückgangs des duktilen Gusseisens förderlich ist.

Abbildung 6 Asphärische Graphitstruktur

Wenn bei Walzen aus nadelförmigem Gusseisen mit hohem NiCr- und Ni-Gehalt und aus geschmiedetem Stahl der Anteil an Martensit oder Restaustenit zu hoch ist, wandelt sich Austenit während des Walzvorgangs in Martensit um, was die innere Spannung der Walze erhöht. Dies kann auch zum Bruch der Walze führen.

Bei einer Φ880 mm Walze aus hochchromhaltigem Eisen, die in einem Stahlwalzwerk verwendet wurde, kam es zu einem Walzenbruch, und der Walzenkörper zerbrach in zwei Teile. Bei der Herstellung dieser Walze wurde die Wärmebehandlung aufgrund des Ofens nicht richtig durchgeführt. Die Menge an Sorbit war offensichtlich unzureichend und die Menge an Martensit (Restaurierter Austenit) war zu groß. Infolgedessen nahm während des Einsatzes der Walze die strukturelle Umwandlungsspannung zu, was zum Bruch der Walze führte. Ihre metallografische Struktur ist in Abbildung 7 dargestellt.

Abbildung 7 Metallografisches Diagramm mit übermäßigem Restaustenitanteil

Bei geschmiedeten Stahlwalzen ist die Komponentenseigerung (Makroseigerung und Mikroseigerung) ein Faktor, der nicht ignoriert werden kann. Durch die Segregation wird die gesamte Gussstruktur ungleichmäßig. Während der Wärmebehandlung und des Abschreckens verstärkt der Unterschied in der Abkühlungsgeschwindigkeit entlang des Querschnitts die Ungleichmäßigkeit der Struktur. Oberer Bainit neigt zur Spaltung und es kann zu Sprödbrüchen kommen. Ferrit hat eine geringe Dauerfestigkeit und neigt zu Ermüdungskernen; wenn Karbid oder Graphit stark segregiert sind, wird die Festigkeit der Walze ebenfalls erheblich geschwächt und es entsteht eine Ermüdungsquelle. Wenn die Spannung groß genug ist, bricht die Walze.

Walzenbruch durch Walzenhalsqualität

Das Walzenhalsmaterial ist nicht geeignet. Das Walzenhalsmaterial weist eine niedrige Streckgrenze und eine schlechte Ermüdungsbeständigkeit auf, was bei Einwirkung großer Walzkräfte oder wechselnder Biegespannung zu Ermüdungsrissen im Walzenhals führt. Bei Gießwalzen bilden sich aufgrund unzureichender Zufuhr von geschmolzenem Stahl während der Kondensation Schrumpfungslöcher am Walzenhals, was die Festigkeit des Walzenhalses verringert. Es kann übermäßigen Torsionsmomentbelastungen beim Stahlwalzen nicht standhalten und es kann leicht zum Bruch des Walzenhalses, des Torxkopfes und der Passfedernut kommen. Um solche Defekte zu reduzieren, wurden Maßnahmen wie die Anpassung der chemischen Zusammensetzung, die Erhöhung der Materialfestigkeit, die entsprechende Erhöhung der Gießtemperatur, die Erhöhung der Schaumkapazität und die sequentielle Erstarrung ergriffen.

Walzenbruch durch Gebrauch

Walzenbruch durch Bedienungsfehler

Die Hauptgründe sind: Während des Stahlwalzprozesses wird Niedertemperaturstahl und Schwarzkopfstahl gewalzt oder es wird nicht gemäß den Betriebsanweisungen gearbeitet, der Reduktionsgrad wird blind erhöht und die Anzahl der Walzdurchgänge verringert, was zu übermäßigem Walzdruck und Walzenbruch führt. Nach dem geschlossenen Wasserwalzen wird das Kühlwasser zu schnell zugeführt, wodurch die Walze aufgrund übermäßiger thermischer Belastung bricht. Die Walzen sind falsch installiert und werden während des Betriebs ungleichmäßig beansprucht, was zu lokaler Überlastung und Walzenbruch führt. Beim Kaltwalzen dünner Platten ist die Walzenpresskraft zu groß und das Drehmoment größer als das Walzdrehmoment, und der Wellenkopf kann beim Starten des Walzwerks verdreht werden.

Walzenbruch durch falsche Konstruktion

Der vorgesehene Rundungsradius an der Walzenzapfenwurzel ist zu klein, was zu Spannungskonzentrationen und einer falschen Walzenmaterialauswahl und damit zu Walzenbrüchen führt.

Walzenbruch aus apparativen Gründen

Die Komponenten im Getriebeteil des Walzwerks sind abgenutzt, was zu zusätzlicher Biegespannung im Walzenzapfen und Wellenkopf führt, was zum Bruch des Walzenzapfens oder des Getriebeendes führt. Das Lager brennt aus dem Gehäuse, wodurch die Walzenzapfentemperatur zu hoch wird und der Walzenzapfen bricht. In Hochgeschwindigkeitswalzwerken verursacht der Hochgeschwindigkeitsbissaufprall des Walzstücks Torsionsschwingungen im Getriebesystem, was die Spannungsbelastung um ein Vielfaches erhöhen kann. Die durch Torsionsschwingungen erzeugte Spannung kann auch zu Ermüdungsbrüchen der Walze führen. Dieses Phänomen wird immer schwerwiegender, da Walzwerke auf Hochgeschwindigkeits-, Hochleistungs- und Mehrankermotorantriebe umsteigen, und sollte hinsichtlich der Walzenfestigkeit berücksichtigt werden.

Abschluss

Blech- und Bandstahlwerke sollten der Auswahl und Verwendung von Walzen genügend Aufmerksamkeit widmen. Die Qualität der Verwendung steht in direktem Zusammenhang mit der Betriebsrate der Produktionslinie und der Qualität der Stahlplatten. Dies muss sowohl bei der Herstellung als auch bei der Verwendung beginnen. Verbessern Sie die intrinsische Qualität der Walzen, um anormale Verschrottung zu verhindern, und stellen Sie gleichzeitig sicher, dass die Walzen wie geplant ausgetauscht und rational verwendet werden, um die Lebensdauer der Walzen zu verlängern und den Walzenverbrauch zu senken. Walzenhersteller und -benutzer sollten die Kommunikation verstärken und ständig Erfahrungen zusammenfassen, um den Produktionsanforderungen für mittlere und dicke Platten gerecht zu werden.