Untersuchung von thermischen Schädigungsrissen an Arbeitswalzen aus warmgewalztem, kontinuierlich gewalztem hochchromhaltigen

Es treten verschiedene Arten von Rissen auf in Warmwalzwerkswalzen während des gesamten Lebenszyklus von Produktion und Nutzung. Um die Produktionssicherheit von Walzwerken und Walzen zu gewährleisten, müssen diese Risse, insbesondere mechanische Aufprallrisse und Herstellungsfehlerrisse, gemäß den Anforderungen des Produktionsprozesses entfernt werden. Walzen sind jedoch die wichtigsten Ersatzteile für den Stahlwalzprozess. Eine große Anzahl von Walzenanomalien führt zwangsläufig zu einer Erhöhung der Stahlwalzkosten. Dies wirkt sich auch auf die Umschlagseffizienz und die Walzenvorbereitungseffizienz der Walzen aus, was sich auf die Produktionsstabilität und -sicherheit auswirkt. Um die oben genannten Probleme zu lösen, wurde an der Maschine ein experimenteller Streifen aus hochchromhaltigen Arbeitswalzen aus Eisen mit thermischen Schadensrissen im vorderen Abschnitt des Fertigwalzens verwendet.

Beim Einsatz von Warmwalzwerkswalzen entstehen drei Haupttypen von Rissen, nämlich mechanische Risse, Ermüdungsrisse und thermische Schäden (verursacht durch Überhitzung von festsitzendem Stahl usw.). Eine bestimmte Warmwalzlinie weist im vorderen Abschnitt des Fertigwalzens (F1~F4) eine hohe Unfallrate auf, hauptsächlich durch Rutschen und Verklemmen in F1, Aufstapeln von Stahl in F1~F4 usw. Dies führt zu einem hohen Verlust an hochchromhaltigen Eisenwerkswalzen im vorderen Abschnitt des Fertigwalzens, durchschnittlich mehr als 60 mm pro Monat, wovon etwa 80% auf thermische Schäden durch Risse entfallen. Gemäß den Anforderungen des Produktionsprozesses müssen diese Risse entfernt werden, um die Betriebssicherheit des Walzwerks und der Walzen zu gewährleisten. Um jedoch die Kosten des Stahlwalzens (Walzenverbrauchskosten und Schleifkosten) zu senken und die Schleifleistung und die Umschlagseffizienz der Walzen zu verbessern, ist es notwendig, den Mechanismus der Verwendung der Arbeitswalzen mit heißen Rissen beim Fertigwalzen von hochchromhaltigem Eisenmaterial zu untersuchen.

Spannungsanalyse von Arbeitswalzen im vorderen Bereich der Fertigwalzung

Neben der Walzkraft erfährt die Fertigwalzarbeitswalze während des Walzvorgangs auch Reibungskraft, Mikrospannung, thermische Spannung usw. Allerdings sind Reibung, Mikrospannung und thermische Spannung viel geringer als die Walzkraft. Daher wird bei der Analyse der Spannung der Fertigwalzarbeitswalze hauptsächlich die Rolle der Walzkraft berücksichtigt. Wie in Abbildung 1 gezeigt, wird, wenn die Walzenoberfläche A mit dem Band in Kontakt steht, ungefähr davon ausgegangen, dass die resultierende Kraft des positiven Drucks und der Reibungskraft dort der Walzkraft entspricht. Die maximale Walzkraft des Fertigwalzvorgerüsts der Warmtandemwalzlinie beträgt 35 MN. Im Allgemeinen beträgt die Walzkraft während der normalen Produktion 15 bis 20 MN.

Abbildung 1 Schematische Darstellung der Beanspruchung beim Walzen von Fertigwalzwerken

Analyse der kritischen Bedingungen für die thermische Rissausbreitung von Hochchromguss-Arbeitswalzen während des Betriebs

In diesem Artikel wird die Verwendung von thermischen Schadensrissen an Arbeitswalzen aus hochchromhaltigem Eisen im frühen Stadium des Fertigwalzens untersucht. Zu diesem Zweck wird das Konzept der Materialbruchkriterien zitiert. Ausgehend von der Gleichung der elastischen Mechanik oder der Gleichung der elastisch-plastischen Mechanik wird der Riss als Zustand betrachtet, das Spannungs-, Dehnungs- und Verschiebungsfeld an der Rissspitze werden berücksichtigt und die kritische Bedingung für die Rissausbreitung – das Bruchkriterium – wird festgelegt.

Je nach Form der Risse in Bauteilen werden diese im Allgemeinen in drei Typen unterteilt: eindringende Risse, Oberflächenrisse und vergrabene Risse, wie in Abbildung 2 dargestellt:

Abbildung 2 Schematische Darstellung verschiedener Rissformen: (a) Durchdringungsriss; (b) Oberflächenriss; (c) vergrabener Riss

Thermische Schadensrisse von Arbeitswalzen aus hochchromhaltigem Eisen im frühen Stadium des Fertigwalzens sind im Allgemeinen Oberflächenrisse. Aus diesem Grund untersuchen wir hauptsächlich die Bruchzähigkeit von Oberflächenrissen. Im Labor wurden Bruchzähigkeitsexperimente an Walzen aus hochchromhaltigem Eisen durchgeführt. Die Spannungsintensität an jedem Punkt in der Nähe der Rissspitze hängt mit der Menge von σ√πa zusammen. Das heißt, die Spannung an jedem Punkt in der Nähe der Rissspitze steigt oder sinkt nicht proportional zur Zugspannung σ auf dem Bauteil, sondern steigt oder sinkt proportional zu σ√πa. σ√πa wird als Spannungsintensitätsfaktor bezeichnet und als KI aufgezeichnet. Die Einheit ist MPa⋅m1/2MPa⋅m1/2, KI =σ√πa, wobei a die Risstiefe ist.

Mit zunehmender Belastung steigt auch der Spannungsintensitätsfaktor KI allmählich an. Versuchsergebnisse zeigen, dass sich der Riss instabil ausbreitet, wenn er einen bestimmten kritischen Wert KIc erreicht, was zum Bruch des Bauteils führt. KIc wird als Kurzrisszähigkeit bezeichnet. Das heißt, wenn der Bruchfestigkeitsfaktor KI niedriger als KIc ist, tritt im Bauteil keine Rissausbreitung auf.

Laut Ingenieur Fumio Tanaka vom Mizushima-Stahlwerk von Kawasaki Steel in Japan wurde das Bruchmechanikkriterium zur Bestimmung der Nutzungsgrenze der Walze verwendet, KI = 1,12σ√πa⩽KIc. Theoretisch berechnet aus dieser Formel können Risse mit einer Tiefe von weniger als 10,59 mm unter der Einwirkung einer Walzkraft von 34 MN normal verwendet werden. Daher können die hochchromhaltigen Eisenarbeitswalzen im vorderen Abschnitt des Fertigwalzens der Walzlinie normal auf der Maschine verwendet werden.

Computerexperimente und -analyse

Charakterisierung der Rissmorphologie und Wirbelstromeigenschaften bei thermischen Schäden

Wenn die Arbeitswalze aus hochchromhaltigem Eisen beim Fertigwalzen blockiert, entsteht im Allgemeinen im Stahldurchgangsbereich eine thermisch beschädigte Risszone. Die Form der Risse ist im Allgemeinen gitterartig (Abbildung 3) mit einer Tiefe von 3 bis 10 mm, und die Walzenoberfläche ist nach dem Entfernen aus der Maschine ungewöhnlich deutlich zu erkennen. Nachdem die Walze geschliffen wurde, wird ein Wirbelstromtest durchgeführt. Es wird festgestellt, dass die Erkennungsergebnisse Risswertbänder und Softpoint-Wertbänder umfassen, die den Rissen auf dem Walzenkörper entlang der axialen Richtung der Walze entsprechen (Abbildung 4). Die Schwellenwerte für den Wirbelstromrisswert und den Softpoint-Wert liegen bei 0,2 bzw. 0,4, und alles, was darüber liegt, wird als ungewöhnlich angesehen.

Abbildung 3 Heißrissmorphologie auf der Oberfläche einer festsitzenden Stahlwalze

Abbildung 4 Heißrissmorphologie auf der Oberfläche einer festsitzenden Stahlwalze

Nachweis- und Gewährleistungsarbeiten bei Versuchen mit Rissen

Die Ergebnisse der Wirbelstromprüfung geben Aufschluss über die Veränderungen bei thermischen Rissen. Der Wirbelstromrisswert und der Softpoint-Wert der Heißrisszone ändern sich im Allgemeinen wenig oder nehmen weiter ab, was darauf hinweist, dass der Riss allmählich schwächer wird. Gleichzeitig wird durch Beobachtung der Form der Risszone (die Breite der Heißrisszone in axialer und Umfangsrichtung wird schmaler, die Rissgrenze wird dünner usw.) bestimmt, ob die Rolle kontinuierlich auf der Maschine verwendet werden kann.

Verwenden Sie Winkelsonden, um Änderungen der Risstiefe zu erkennen und zu analysieren. Nach jedem Schleifen einer Arbeitswalze mit thermischen Rissen kann eine Ultraschall-Schrägsonde verwendet werden, um die Tiefe der Risse zu erkennen. Wenn die von der Schrägsonde erkannte Tiefe allmählich abnimmt, deutet dies darauf hin, dass der Riss allmählich beseitigt wird.

Verwenden Sie gerade Sonden mit zwei Elementen, um das thermische Risswachstum zu erkennen und zu analysieren. Die Erkennung mit geraden Sonden mit zwei Elementen ist am wichtigsten und ihre Hauptfunktion besteht darin, zu prüfen, ob sich der Riss in einem Winkel ausdehnt. Gemäß den Eigenschaften von Längswellen kann die Sonde mit zwei Elementen den Riss nicht erkennen, wenn er senkrecht zum Querschnitt der Walzenoberfläche verläuft, sondern nur die reflektierte Welle der Verbindungsschicht. Wenn sich ein Riss ausbreitet, zeigt die von den Zwillingskristallen erkannte Risswelle ein „Wellenwander“-Phänomen, das sich allmählich von flach zu flach vertieft.

Experimentelle Arbeiten und Ergebnisse

Zu Beginn des Versuchs wurden zunächst die Walzen mit flacheren Rissen als Versuchsobjekte verwendet. Nachdem die Risse normal beseitigt waren, wurden nach und nach Walzen mit tieferen Rissen getestet und anschließende Versuche an Walzen mit einem Durchmesser nahe dem Schrott durchgeführt. Infolgedessen wurden alle acht Versuchswalzen verwendet, bis die Risse normal beseitigt waren oder die Risse normal waren und verschrottet wurden, was zeigt, dass die Schnellarbeitsstahl-Arbeitswalzen im vorderen Abschnitt des Fertigwalzens mit heißen Rissen sicher verwendet werden können. Detaillierte Versuchsdaten sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Tabelle 1 Versuchsbedingungen für Heißrisse an Arbeitswalzen aus hochchromhaltigem Eisen im vorderen Bereich des Fertigwalzens

Dann wird das Nutzungssystem so geändert, dass die Walzen mit thermischen Rissen in der Maschine in den normalen Gebrauch einbezogen werden und die Unfallwalzen mit Rissen in der Maschine, der Walzenaustauschzyklus und die Schleifmenge dieselben sind wie bei normalen Walzen. Nach der Implementierung des Systems wird der Heißriss-Schleifverlust von hochchromhaltigem Eisen um mehr als 40 mm pro Monat reduziert und eine große Menge an Kosten wie Schleifscheiben, Schneidflüssigkeiten und manuelles Schleifen werden eingespart. Es lindert die Situation hoher Investitionen in Arbeitswalzen, großer Kapitalbesetzung und knapper Umschlagshäufigkeit in der Vorphase des Fertigwalzens vor Ort.

Abschluss

Theoretische Berechnungen und experimentelle Überprüfungen zeigen, dass die hochchromhaltigen Eisenarbeitswalzen im vorderen Abschnitt des Fertigwalzens an der Maschine mit thermischen Schadensrissen verwendet werden können und der Walzenwechselzyklus und die Schleifmenge mit normalen Walzen übereinstimmen können. Die Risswachstumsrate ist geringer als die normale Durchmesserreduzierung der Walze, und die thermischen Schadensrisse verschwinden allmählich, während die Walze verwendet wird. Am Einsatzort kann die Ultraschall-Doppelelementsonde das Vorhandensein von Rissen nicht erkennen, d. h. die Richtung der Risse stimmt mit der Richtung der Ultraschallwellen überein und steht senkrecht zur Schnittfläche der Walzenoberfläche.

Die hochchromhaltigen Eisenarbeitswalzen mit thermischen Schadensrissen in der Vorstufe des Fertigwalzens werden auf die Maschine gesetzt, was nicht nur den anormalen Verlust von hochchromhaltigen Eisenarbeitswalzen reduziert, sondern auch viele Kosten wie Schleifscheiben, Schneidflüssigkeiten und manuelles Schleifen spart. Es lindert auch die Situation des hohen Einsatzes von Arbeitswalzen und des knappen Umschlags in der Vorstufe des Fertigwalzens vor Ort, was von großer Bedeutung ist.