Analyse des causes de rupture des cylindres de travail dans les laminoirs à tôles et à bandes

Résumé : Cet article décrit le problème de fracture du cylindre de travail de la bande, décrit l'état de fracture, analyse les causes de fracture, explique le mécanisme et la fonction de fracture pour diverses raisons et propose des mesures pour éviter la fracture du cylindre.

Mots clés:rouleaux de travail; fracture ; contrainte résiduelle ; défauts structurels

Préface

La rupture de rouleau est la forme la plus grave de dommage de rouleau. Elle entraînera non seulement la perte de rouleaux et de matériaux laminés, mais peut également affecter la sécurité des équipements et des personnes. Il faudra beaucoup de temps pour traiter l'accident et affecter le taux d'exploitation de l'usine. laminoir.

Rupture de la bande rouleau de travail Les ruptures de rouleaux peuvent se produire au niveau du corps du rouleau, du col du rouleau et de la tête de l'arbre d'extrémité de transmission. Il existe généralement deux types de causes de rupture de rouleau : l'une est causée par le matériau du rouleau ou la qualité de fabrication, qui est causée par des défauts inhérents au rouleau lui-même, tels qu'une contrainte résiduelle excessive après la fabrication, des défauts de moulage ou un traitement thermique inapproprié provoquant des structures anormales, des inclusions internes, etc. L'autre type appartient aux conditions du processus de laminage et aux conditions d'utilisation, c'est-à-dire que la contrainte est augmentée en raison de raisons externes, telles que des fissures thermiques sévères sur la surface du rouleau, une surcharge et de mauvaises conditions de refroidissement. Dans de nombreux cas, la rupture du rouleau est causée par une combinaison de facteurs.

Principaux modes et causes de fracture

Rupture par contrainte résiduelle et choc thermique

Au début du laminage, le rouleau est en contact avec le matériau laminé à haute température. Au fur et à mesure que le processus de laminage se déroule, la température augmente progressivement. Au cours de ce processus, la température de surface du rouleau est élevée, mais le noyau est toujours à basse température et la température est répartie dans la direction radiale. Comme le montre la figure 1.

Figure 1 Diagramme de distribution de la température du rouleau le long de la direction radiale

La température est distribuée de manière parabolique dans la direction radiale. La température de surface augmente et le volume se dilate. Cette dilatation est entravée par le noyau à basse température et génère des contraintes. La contrainte thermique générée peut être décomposée en trois parties : contrainte axiale (σz), contrainte tangentielle (σt) et contrainte radiale (σr). La contrainte thermique dans les trois directions peut être calculée sur la base de la théorie élastique. En plus de la contrainte radiale qui est une contrainte de traction dans la direction du rayon, la contrainte axiale et la contrainte tangentielle sont dans un état de compression sur la surface, tandis que le noyau est dans un état de traction. La contrainte thermique et la contrainte résiduelle pendant le processus de laminage se superposent, ce qui entraîne une contrainte de traction synthétique importante au centre. Lorsque la contrainte synthétique dépasse la résistance à la traction du matériau, des fissures se produisent dans le noyau du rouleau et même le rouleau peut se casser. S'il y a des cavités de retrait, de la porosité et des défauts d'inclusion, l'apparition de ruptures de rouleau sera aggravée.

Certains rouleaux à dureté élevée éclatent souvent en plusieurs morceaux en raison de la contrainte résiduelle élevée de ces rouleaux. Si le pic de contrainte résiduelle élevée sous la surface du rouleau est trop proche de la surface, des dommages catastrophiques se produiront en raison de contraintes thermiques et mécaniques, ou des fissures de surface et des dommages s'étendront à la zone de contrainte de traction. D'autres facteurs favorisant ce type de dommages sont : la décomposition d'une grande quantité d'austénite résiduelle dans la structure du rouleau pendant le fonctionnement du rouleau, ce qui augmente la contrainte interne avec l'expansion du volume. Teneur élevée en hydrogène dans les rouleaux en acier et ses effets nocifs (fissuration fragile) ; défauts sous la surface, en particulier lorsqu'ils sont présents dans des zones de contrainte de traction élevée.

Français La contrainte résiduelle au stade final du laminage de finition d'un cylindre à haute teneur en NiCr dans un laminoir tandem à bande chaude d'un diamètre de 650 mm a été mesurée, comme le montre la Figure 2. Comme on peut le voir sur la Figure 2, la contrainte résiduelle dans la direction axiale du noyau du cylindre peut atteindre 12 kg/mm2, et sa résistance à la traction ultime σb=19 ~ 27 kg/mm2. Par conséquent, si la contrainte longitudinale causée par la contrainte thermique est > 7 ~ 10 kg/mm2, le cylindre se fracturera à partir du noyau. Cette forme de fracture est également appelée fracture par choc thermique.

Figure 2 Diagramme de distribution des contraintes résiduelles d'un rouleau à haute teneur en NiCr

Afin d'éviter ce type de fracture par choc thermique, lors de la production de rouleaux, les défauts internes, tels que les trous de retrait, la porosité, les inclusions, etc., doivent être minimisés pour améliorer la résistance du matériau du noyau ; augmenter la plasticité du matériau du noyau du rouleau et augmenter la déformation plastique sous contrainte. , réduire la contrainte thermique ; la structure interne est bien graphitée et la couche extérieure de matériau hautement allié doit être amincie autant que possible pour avoir une bonne conductivité thermique et réduire la différence de température entre l'intérieur et l'extérieur. Formuler raisonnablement le processus de traitement thermique pour contrôler la contrainte de compression de la couche extérieure dans une certaine plage afin de réduire la contrainte de traction du noyau. La figure 3 est une photo physique d'un rouleau fissuré en raison d'une contrainte interne excessive.

Figure 3 Photo réelle de la fissuration du rouleau

Lorsque le rouleau commence à rouler, il doit y avoir un processus de laminage à chaud, laminant plusieurs variétés faciles à laminer et contrôlant le rythme de laminage. Si nécessaire, préchauffez le rouleau avant d'installer le rouleau. Assurez de bonnes conditions de refroidissement, interdisez strictement le laminage à eau fermée et essayez de réduire le gradient de température entre les couches intérieure et extérieure ; les rouleaux en fer ordinaires doivent avoir une période de vieillissement naturel de six mois à un an avant utilisation pour réduire la contrainte résiduelle dans le rouleau. Pour les rouleaux de tôles minces laminés à chaud, il est recommandé d'utiliser un équipement de chauffage par induction contrôlable (chauffage uniforme, vitesse de chauffage contrôlable) lors du préchauffage des rouleaux. La température de préchauffage est de 380 à 420 ℃ et le temps de préchauffage est de 6 à 7 heures en été et de 10 à 12 heures en hiver. Le préchauffage du rouleau ne peut pas être effectué trop hâtivement. Il doit y avoir un temps de conservation de la chaleur suffisant pour éviter la rupture du rouleau due à une contrainte interne excessive causée par de grandes différences de température. En fait, la rupture du rouleau est souvent causée par un temps de préchauffage insuffisant, formant un cercle vicieux. Dans le même temps, le rouleau remplacé doit être immédiatement placé dans une fosse de refroidissement lent pour un refroidissement lent afin d'éviter ou d'affaiblir la génération de contraintes thermiques régénératives.

Propagation de fissures de fatigue et fracture

Pendant le processus de laminage, les fissures sur le rouleau sont affectées par la contrainte de flexion. Si l'une des fissures devient très profonde, elle ne peut pas être éliminée lors du laminage intensif. Lorsque le laminage se poursuit, les fissures se dilatent rapidement sous l'action de la contrainte thermique alternée et de la contrainte de flexion périodique. Dans le même temps, en raison de l'incrustation de calamine et de la corrosion de l'eau de refroidissement pendant le processus de laminage, l'expansion des fissures est accélérée. Lorsque la fatigue des fissures s'étend jusqu'à une certaine profondeur, le diamètre effectif du rouleau diminue et une rupture du rouleau se produit.

La figure 4 est une photo de la rupture du rouleau causée par l'expansion de fissures annulaires dans le rouleau d'une plaque mince empilée. On peut voir sur la figure 4 que les gros carbures dans la couche de surface du corps du rouleau sont cassants et provoquent des fissures thermiques sous l'action d'une contrainte thermique alternée. Pendant le processus de laminage, la fatigue se dilate en fissures annulaires, et les fissures annulaires provoquent la rupture du corps du rouleau. En observant les caractéristiques de défaut des rouleaux cassés de rouleaux ordinaires de plaques minces laminées à froid dures, on a constaté que la distribution des fissures dans la couche extérieure de la partie médiane du corps du rouleau était principalement verticale et axiale. Cela est dû à la température élevée au milieu du corps du rouleau, au moment de flexion le plus important et aux effets fréquents de fatigue par flexion pendant le processus de laminage. Au fur et à mesure du laminage, ce type de fissure s'étend progressivement dans le sens circonférentiel et forme des fissures annulaires, réduisant la section transversale porteuse effective du corps du rouleau.

Figure 4 Fracture de rouleau causée par l'expansion de fissures annulaires dans le rouleau de travail

Pour éviter la rupture du rouleau causée par l'expansion des fissures, le plus important est de s'assurer que le rouleau a un certain poids et d'adopter les méthodes de détection nécessaires. Des méthodes telles que la détection des défauts de coloration, la détection des défauts par particules magnétiques, la détection des défauts par courants de Foucault, etc. peuvent également être utilisées pour renforcer le traitement de surface du rouleau afin d'améliorer la résistance à la fatigue du rouleau.

Rupture de rouleau causée par des défauts de moulage

Il peut y avoir des défauts tels que des cavités de retrait, des relâchements, des inclusions de scories, des pores et des taches blanches à l'intérieur du rouleau. D'une part, ces défauts réduisent la résistance du matériau et, d'autre part, ils réduisent la section transversale porteuse effective. Ils deviennent souvent la source de fissures, qui s'élargissent progressivement sous l'action de contraintes périodiques et finissent par provoquer la rupture du rouleau. La figure 5 est une photo physique d'un rouleau cassé en raison de l'expansion de la source du défaut. Comme on peut le voir sur la figure 5, il y a des inclusions et des fissures de fatigue dans la section transversale, ce qui entraîne une réduction de la résistance du rouleau. L'expansion des fissures de fatigue entraîne à son tour une réduction de la section transversale porteuse effective. La combinaison des deux provoque la rupture du rouleau.

Figure 5 La source du défaut provoque la rupture du rouleau

Rupture de rouleau causée par une structure anormale

Une inoculation insuffisante des cylindres en fonte, une répartition déraisonnable des ingrédients, une température de coulée trop basse, une conductivité thermique trop élevée du revêtement à froid et une épaisseur de revêtement trop fine peuvent entraîner une couche blanche trop profonde du cylindre ou une transcristallisation de toute la section transversale. Cela réduira considérablement la résistance du cylindre et provoquera sa rupture.

Le rouleau en fonte ductile a une faible sphéroïdisation ou un déclin de sphéroïdisation. Lorsque le graphite dans la matrice existe en paillettes, il détruit sérieusement la continuité de la matrice métallique, réduisant ainsi la section transversale efficace de la matrice métallique et provoquant une concentration de contrainte locale après que le rouleau a été sollicité. Le pic de contrainte local provoqué par l'effet destructeur du graphite en paillettes peut atteindre 10 à 20 fois la contrainte principale. Plus le rayon de courbure de l'extrémité du graphite en paillettes est petit et long, plus cette valeur est élevée. Dans ce cas, la résistance de la matrice du rouleau ne peut être utilisée efficacement que par 30% à 50%. Habituellement, la résistance de la fonte ductile est supérieure à 300 MPa, tandis que la résistance de la fonte grise à haute résistance ne dépasse pas 270 MPa et celle de la fonte grise ordinaire est inférieure à 200 MPa.

La récession de sphéroïdisation est moins évidente sur les rouleaux de petite et moyenne taille, mais est assez importante sur les rouleaux en fonte ductile de grande taille. Lorsque la fonte en fusion reste longtemps, le graphite dans le col supérieur du rouleau ne peut pas se sphéroïdiser. De gros graphites en floraison ou graphites dendrites apparaîtront (comme le montre la figure 6), provoquant une perte importante de résistance de la matrice et réduisant considérablement la résistance du rouleau en fonte. Par conséquent, pour les rouleaux en fonte ductile, la sphéroïdisation dans la fonte en fusion doit être suffisante et le temps de sédation après le traitement de sphéroïdisation doit être raccourci de manière appropriée, ce qui est bénéfique pour réduire le déclin de la fonte ductile.

Figure 6 Structure du graphite asphérique

Dans les cylindres en fonte ductile aciculaire et en acier forgé à haute teneur en NiCr et en Ni, si la quantité de martensite ou d'austénite résiduelle est trop élevée, l'austénite se transformera en martensite pendant le processus de laminage, ce qui augmentera la contrainte interne du cylindre. Cela peut également provoquer la rupture du cylindre.

Un accident de rupture de rouleau s'est produit dans un laminoir à acier en fonte à haute teneur en chrome de Φ880 mm, et le corps du rouleau s'est brisé en deux parties. Lors de la production de ce rouleau, le traitement thermique n'a pas été effectué correctement en raison du four. La quantité de sorbite était manifestement insuffisante et la quantité de martensite (austénite retenue) était trop importante. En conséquence, lors de l'utilisation du rouleau, la contrainte de transformation structurelle augmente, provoquant la rupture du rouleau. Sa structure métallographique est illustrée à la figure 7.

Figure 7 Diagramme métallographique avec une quantité excessive d'austénite résiduelle

Pour les rouleaux en acier forgé, la ségrégation des composants (macro-ségrégation et micro-ségrégation) est un facteur qui ne peut être ignoré. La ségrégation rend toute la structure de la pièce moulée non uniforme. Pendant le traitement thermique et la trempe, la différence de vitesse de refroidissement le long de la section transversale intensifie la non-uniformité de la structure. La bainite supérieure est sujette au clivage et une fracture fragile peut se produire. La ferrite a une faible résistance à la fatigue et est sujette à la fatigue des noyaux ; lorsque le carbure ou le graphite est fortement ségrégué, il affaiblira également sérieusement la résistance du rouleau et deviendra une source de fatigue. Lorsque la contrainte est suffisamment importante, elle provoquera la rupture du rouleau.

Rupture de rouleau causée par la qualité du col roulé

Le matériau du col roulé n'est pas qualifié. Le matériau du col roulé a une faible limite d'élasticité et une faible résistance à la fatigue, ce qui provoque des fissures de fatigue dans le col roulé sous l'action d'une force de laminage importante ou d'une contrainte de flexion alternée. Pour les rouleaux de coulée, en raison d'une alimentation insuffisante en acier fondu pendant la condensation, des trous de retrait se forment au niveau du col roulé, ce qui réduit la résistance du col roulé. Il ne peut pas supporter des charges de moment de torsion excessives pendant le laminage de l'acier, et il est facile de casser le col roulé, de casser la tête torx et la rainure de clavette. . Afin de réduire ces défauts, des mesures telles que l'ajustement de la composition chimique, l'augmentation de la résistance du matériau, l'augmentation appropriée de la température de coulée, l'augmentation de la capacité d'écume et la solidification séquentielle ont été prises.

Rupture du rouleau causée par l'utilisation

Rupture du rouleau causée par des erreurs de manipulation

Français Les principales raisons sont les suivantes : pendant le processus de production de laminage de l'acier, le laminage de l'acier à basse température et de l'acier à tête noire ou le non-respect des procédures d'exploitation, l'augmentation aveugle de la quantité de réduction et la réduction du nombre de passes de laminage, ce qui entraîne une pression de laminage excessive, entraînant la rupture du rouleau. Après le laminage à eau fermée, l'eau de refroidissement est fournie trop rapidement, provoquant la rupture du rouleau en raison d'une contrainte thermique excessive. Les rouleaux sont mal installés et les rouleaux sont sollicités de manière inégale pendant le fonctionnement, provoquant une surcharge locale et une rupture du rouleau ; lors du laminage à froid de plaques minces, la force de pression du rouleau est trop importante et le couple est supérieur au couple de laminage, et la tête de l'arbre peut être tordue au démarrage du laminoir.

Rupture du rouleau causée par une conception incorrecte

Le rayon de congé conçu à la racine du col du rouleau est trop petit, ce qui entraîne une concentration de contraintes et une sélection inappropriée du matériau du rouleau, entraînant une rupture du rouleau.

Rupture du rouleau due à des problèmes d'équipement

Les composants de la partie transmission du laminoir sont usés, ce qui entraîne une contrainte de flexion supplémentaire dans le col du rouleau et la tête de l'arbre, ce qui entraîne la rupture du col du rouleau ou de l'extrémité de transmission. Le roulement brûle hors de la boîte, ce qui entraîne une température trop élevée du col du rouleau et la rupture du col du rouleau. Dans les laminoirs à grande vitesse, l'impact de morsure à grande vitesse de la pièce laminée provoque des vibrations de torsion dans le système de transmission, ce qui peut augmenter la charge de contrainte de plusieurs fois. La contrainte générée par les vibrations de torsion peut également provoquer une fracture de fatigue du rouleau. Ce phénomène devient de plus en plus grave à mesure que les laminoirs évoluent vers des entraînements par moteur à grande vitesse, à haute puissance et à plusieurs armatures, et doit être pris en compte en termes de résistance du rouleau.

Conclusion

Les usines de tôles et de feuillards doivent accorder suffisamment d'attention au choix et à l'utilisation des rouleaux. La qualité d'utilisation est directement liée au taux de fonctionnement de la ligne de production et à la qualité des plaques d'acier. Elle doit commencer à la fois par la fabrication et par l'utilisation. Améliorer la qualité intrinsèque des rouleaux pour éviter les mises au rebut anormales, tout en veillant à ce que les rouleaux soient remplacés comme prévu et utilisés de manière rationnelle pour prolonger la durée de vie des rouleaux et réduire la consommation de rouleaux. Les fabricants et les utilisateurs de rouleaux doivent renforcer la communication et résumer en permanence l'expérience pour répondre aux besoins de production de plaques moyennes et épaisses.