Analyse des causes de rupture des rouleaux de support dans le laminoir Steckel de 3500 mm

Résumé : Le décapage à faible grossissement, l'examen métallographique, la microscopie électronique à balayage, l'analyse du spectre énergétique et d'autres méthodes ont été utilisés pour analyser la surface de fracture du rouleau de support de 3 500 mm du broyeur Steckel qui a subi une fracture initiale. Les résultats montrent que la contrainte résiduelle importante et l'accumulation et la distribution de diverses inclusions et carbures sont les principales raisons de la fracture du rouleau de support extra-large.

Mots clés: rouleaux de sauvegarde; fracture; inclusion; agrégation de carbure

Le rouleau d'accident était un rouleau de support d'un Steckel de 3500 mm laminoirIl a été installé sur la machine pour la deuxième fois et a été installé dans la position du rouleau inférieur. Pendant le processus de débogage du rebond du laminoir, un bruit anormal fort s'est soudainement produit et l'inspection a révélé que le rouleau de support inférieur était cassé. La force de laminage de chaque côté est de 26,36 MN lorsqu'il se brise (la valeur requise pour le débogage du rebond du laminoir est de 29,4 MN de chaque côté). Le processus d'opération de rebond de ce laminoir est une procédure d'opération entièrement automatique et il n'y a aucune anomalie dans la procédure.

Le matériau du rouleau de support est le 3% CrMoV, la taille du corps du rouleau est de 1950 mm × 3450 mm, le produit fini pèse 115,25 t et le lingot d'acier pèse 227 t. Le produit fini a réussi le test par ultrasons. Afin de déterminer la cause de la rupture du rouleau accidentel, une analyse anatomique a été réalisée sur le rouleau restant.

1 Observation macroscopique de la fracture du rouleau accidenté

Le rouleau de support s'est cassé à environ 1 315 mm de la face d'extrémité du corps du rouleau côté fonctionnement (extrémité non marquante). La surface de rupture est presque perpendiculaire à l'axe du corps du rouleau et la fracture est relativement droite, comme illustré à la figure 1. La source de fracture initiale se trouve à environ 305 mm du centre, voir la figure 2.

2 Processus de production de rouleaux accidentés

Le processus de production réel du rouleau de secours est le suivant : ébauche au four électrique → raffinage sous vide → moulage sous vide → forgeage → traitement thermique après forgeage → usinage grossier et contrôle par ultrasons → traitement thermique final → finition et contrôle par ultrasons → emballage et expédition.

Figure 1 Morphologie de la fracture

Figure 2 La distance entre la source de fracture d'origine et le centre du cercle

3 Analyse du test anatomique du rouleau d'accident

3.1 Inspection à faible grossissement de la section transversale

Utiliser la section d'un des rouleaux cassés pour la transformer en une pièce d'essai à faible grossissement d'une épaisseur de 50 mm pour une inspection à faible grossissement. Trois défauts évidents ont été trouvés, respectivement situés dans les zones A (et les zones adjacentes environnantes), B (et les zones adjacentes environnantes) et C sur la figure 3.

Figure 3 Carte de distribution des défauts à faible grossissement

La zone A est constituée d'une ségrégation ponctuelle sombre répartie dans une plage de 80 à 180 mm à partir du cercle extérieur (non limité au cadre métallique marqué A), voir la figure 4.

Figure 4 Ségrégation ponctuée sombre dans la zone A

La zone B est une ségrégation ponctuelle de couleur claire distribuée dans une plage de 200 mm à 510 mm à partir du centre du cercle (non limitée au cadre filaire marqué B), voir la figure 5.

Figure 5 Ségrégation ponctuelle de couleur claire dans la zone B

La zone C est un réseau de défauts de couleur claire répartis dans un rayon de 250 mm à partir du centre du cercle (essentiellement répartis dans la zone marquée C), voir Figure 6.

Figure 6 Défauts de réseau de couleur claire dans la zone C

3.1.1 Résultats de l'inspection à faible grossissement de la zone A

Français L'analyse du spectre d'énergie montre qu'en plus de la distribution inégale des carbures granulaires riches en Cr, Mo et V, il existe de nombreux types d'inclusions non métalliques dans l'échantillon à faible grossissement de la zone A. Parmi elles se trouvent du nitrure de titane massif, du sulfure de manganèse, de l'oxyde de silicium, de l'alumine et des scories d'oxydes complexes riches en C, Al, Mg, Ca, Si, Cr, Na, Cl, Mn, S, etc. Il y a peu de différence dans la composition de la matrice d'alliage. En combinant l'analyse des tissus et du spectre d'énergie, les points noirs dans l'échantillon à faible grossissement de la zone A sont des inclusions non métalliques riches en C, S et Al, Mg, Ca, Si, Cr, Na, Cl et Mn.

3.1.2 Résultats de l'inspection à faible grossissement de la zone B

Par détection à faible grossissement, microscope métallographique, microscope électronique à balayage et analyse du spectre énergétique. La ségrégation en forme de tache blanche est un agrégat de petits carbures granulaires riches en Cr, Mo et V et de gros oxydes granulaires riches en Cr, Si, S et C centrés sur des bulles ou des trous. Une teneur plus élevée en O a été détectée à l'intérieur des carbures et des bulles et dans leurs structures matricielles.

3.1.3 Résultats de l'inspection à faible grossissement de la zone C

Déterminé par détection à faible grossissement, microscope métallographique, microscope électronique à balayage et analyse du spectre d'énergie. La ségrégation en réseau est un agrégat composé d'un grand nombre de carbures granulaires blancs riches en Fe, Cr et Mo et d'une petite quantité de gros oxydes granulaires riches en Fe, Cr et C.

3.2 Analyse de l'origine et des causes des fissures de fracture

Une tige d'essai a été prélevée à la source de fracture d'origine du rouleau accidenté pour une analyse expérimentale.

La structure métallographique des échantillons de fracture a été analysée. Sous faible grossissement, on a constaté la présence de zones de ségrégation gris-blanc inégalement réparties dans le tissu matriciel. Après grossissement, on a constaté la présence d'une ligne à peine visible sur le bord d'un côté de l'échantillon. Le tissu gris-blanc est fin et le tissu matriciel est épais, comme le montre la figure 7.

Figure 7 Structure métallographique à faible grossissement de la surface de fracture

Observée sous un fort grossissement, la structure fine gris-blanc est constituée de troostite + matrice de perlite + un grand nombre de carbures granulaires. Les carbures peuvent être agrégés ou distribués en réseau. La structure grossière de la matrice est constituée de troostite + sorbite + perlite, et il est difficile de trouver de grosses particules de carbures dans la matrice. De plus, des inclusions non métalliques supplémentaires peuvent être observées près des deux côtés de la ligne de grain, voir la figure 8.

Figure 8 Structure métallographique à fort grossissement de la surface de fracture

En observant au microscope électronique à balayage, nous pouvons voir plus clairement des inclusions de différentes tailles, formes et distributions, ainsi que des joints de grains sombres. Les joints de grains sombres représentent la génération de structures surchauffées, voir la figure 9. Observez les inclusions à différents moments dans différentes parties de l'échantillon, voir la figure 10.

Figure 9 Morphologie de la microstructure de la surface de fracture au microscope électronique à balayage

Figure 10 Morphologie des inclusions sous microscope électronique à balayage de la surface de fracture

Français Sous un faible grossissement, on a constaté qu'il y avait des taches noires et des taches blanches inégalement réparties sur la surface de l'échantillon. En l'agrandissant, on constate que les taches noires sont des scories riches en C (65,05%), O (5,39%), Cr (1,82%), Na (1,35%), Cl (0,43%), et le reste est du Fe. Les taches blanches et les taches blanches dans la zone C appartiennent au même type d'inclusions. Selon l'analyse du spectre énergétique, elles sont riches en inclusions d'oxydes C (21,88%), O (38,81%), Zr (22,26%), Al (7,35%), S (3,54%) et Mn. (2,58%), Mg (1,01%), Fe (1,8%). À des grossissements plus élevés, vous pouvez également voir des inclusions blanches plus petites qui sont agrégées et dispersées dans des zones locales, qui sont riches en C (19,38%), Na (20,03%), Cl (4,10%), Cr (2,83%), Si (0,62%), le reste étant des inclusions de Fe. Quant aux lignes de grain, il y a plus d'inclusions non métalliques rassemblées autour d'elles, ce qui peut être causé par un pelage lors de l'injection du lingot.

Prélevez des échantillons de l'échantillon de fracture pour obtenir les surfaces de fracture des échantillons d'impact et de traction. L'inspection visuelle de la surface de fracture a révélé que la surface de fracture d'impact avait un éclat métallique uniforme, tandis que la surface de fracture de traction avait une distribution inégale de l'éclat métallique. Un balayage à faible grossissement a révélé que les surfaces de fracture de traction et d'impact étaient inégales. Un balayage à haute puissance a révélé qu'il s'agissait toutes de fractures fragiles par clivage. De plus, de gros morceaux d'inclusions de TiN ont également été trouvés sur la surface de fracture d'impact, comme le montrent les figures 11 et 12.

Figure 11 Morphologie de la microstructure de la surface de fracture de l'échantillon d'impact scanné

Figure 12 Morphologie de la microstructure de l'échantillon de traction, analyse de la surface de fracture

En résumé, la structure de l'échantillon de fracture est une structure matricielle grossière (troostite + sorbite + perlite) avec des carbures inégalement répartis. Les carbures sont soit agrégés soit réticulés, et il existe de nombreuses inclusions non métalliques de distribution, de formes et de tailles inégales.

L'agrégation locale de carbure est due à la forte ségrégation de carbure dans la structure d'origine du lingot. En même temps, il n'a pas été cassé pendant le processus de forgeage et n'a pas été complètement recuit après le forgeage. Par conséquent, la ségrégation des éléments de carbone et d'alliage dans la matière première n'a pas été efficacement améliorée. En particulier pour les carbures primaires, les carbures ne sont pas complètement dissous pendant le processus de chauffage du forgeage et le traitement thermique après forgeage. C'est précisément à cause de la présence de carbures non dissous qui entrave la croissance des grains d'austénite, ce qui rend les grains de structure dans cette région relativement fins. Les carbures en réseau sont dus à la température de chauffage élevée et à la vitesse de refroidissement lente du traitement thermique. Dans les zones à teneur en carbone plus élevée, les carbures précipitent le long des joints de grains d'austénite d'origine pour former des carbures en réseau.

Français Différents types d'inclusions non métalliques sont causés par la faible pureté du liquide d'alliage, qui ne parvient pas à émerger de la surface du liquide d'alliage pendant le processus de refroidissement et de cristallisation et reste dans le lingot d'alliage, formant des inclusions non métalliques. Ou cela peut être dû à une opération incorrecte pendant la coulée du lingot (température de coulée trop basse, vitesse de coulée inégale, qualité du film du lingot médiocre, etc.). Le tartre d'oxyde flottant à la surface de l'acier en fusion se transformera en acier en fusion. S'il ne peut pas flotter, il restera dans l'acier en fusion et formera du tartre. La peau est une forme spéciale d'inclusions non métalliques. La peau ne peut pas être forgée pendant le forgeage. Si l'oxyde est épais, il se séparera de la matrice et formera des fissures. Les lignes observées sous microscopie métallographique et électronique à balayage peuvent être des fissures formées par le non-forgeage de la peau.

À l'exception des inclusions massives de TiN trouvées dans la surface de fracture de l'échantillon d'impact, la deuxième phase granulaire et les autres types d'inclusions trouvées dans l'observation de la structure métallographique n'apparaissent pas. Cela montre que les inclusions dans l'échantillon de structure métallographique peuvent être causées par un coulage incorrect, ce qui entraîne l'implication des inclusions, ce qui entraîne une teneur plus élevée, davantage de types et une distribution concentrée des inclusions locales dans l'échantillon. Cela réduira inévitablement sérieusement les performances globales de l'alliage et entraînera également une plus grande concentration de contraintes, devenant ainsi l'origine de fissures.

Un éclat métallique cristallin et des surfaces irrégulières sont visibles sur les surfaces de fracture des deux échantillons, ce qui indique que la structure est grossière et irrégulière. Cette caractéristique structurelle réduira la ténacité plastique de l'alliage (ce qui est confirmé par sa morphologie de clivage et de fracture fragile).

La structure de la matrice présente des grains grossiers, une répartition inégale des carbures et la présence de nombreuses inclusions non métalliques, ce qui réduira la résistance et la plasticité de l'alliage. En particulier, la présence de carbures, de zones d'accumulation d'inclusions et de grosses inclusions entraînera une concentration de contraintes, ce qui réduira la résistance à la fracture et provoquera l'initiation de fissures. Les grains grossiers auront également un effet négatif sur la résistance et la ténacité plastique de l'alliage et favoriseront l'expansion des fissures. Sous l'action de la contrainte, en raison de la faible ténacité plastique de la structure de la matrice, les fissures se propagent et une fracture finale se produit.

Sur la base de l'analyse ci-dessus, on peut voir que la fissure de fracture du rouleau accidenté provient de diverses inclusions non métalliques. En raison de la structure grossière de la matrice et de la répartition inégale des carbures, la ténacité plastique de l'alliage est réduite. Sous l'action de la contrainte, les fissures sont favorisées et finissent par se fracturer.

4 Analyse des causes de rupture accidentelle des rouleaux

Sur la base de l'analyse des tests ci-dessus, la rupture du rouleau accidentel est principalement liée aux aspects suivants :

(1) Les carbures sont inégalement répartis. Cela se reflète principalement dans une ségrégation en forme de points blancs et une ségrégation en réseau sous faible grossissement. Cela résulte du fait que le lingot d'origine est affecté par la qualité de fusion, les conditions de coulée et les caractéristiques de cristallisation par refroidissement de l'acier pendant le processus de solidification. Il existe une répartition inégale importante des carbures dans la structure du lingot d'origine, et le forgeage et le recuit post-forgeage sont insuffisants, de sorte que le phénomène de carbure inégal ne peut pas être efficacement amélioré. C'est précisément à cause du carbure inégal que la distribution granulométrique de la structure de la matrice est inégale. En particulier, la zone pauvre en carbone est sujette à la surchauffe et à la formation d'une structure grossière.

(2) Inclusions non métalliques. De la surface à l'intérieur du rouleau accidenté, il existe de nombreux types différents d'inclusions non métalliques. Différents types d'inclusions existent de différentes manières. Sur la base de l'analyse du spectre énergétique de différents échantillons, les principaux types d'inclusions à l'intérieur du rouleau accidenté sont : de gros morceaux de TiN, TiC et de longues bandes de MnS. Scories granulaires à bas point de fusion riches en C, O, Al, Mg, Mn, Zr, Ti, Ca, P, S, etc. Oxydes à petites particules riches en Mg, Al, Na, Zr, Mn, etc. ; de plus petites particules blanches riches en C, Na, Cl, Si, Cr sont agrégées et incluses. Parmi elles, de gros morceaux de TiN, TiC et de longues bandes de MnS sont présents dans différentes parties du rouleau accidenté, c'est-à-dire de la surface vers l'intérieur. À l'exception du MnS, qui a une certaine plasticité et existe sous forme de longues bandes, TiN et TiC existent tous deux sous forme de gros morceaux aux bords tranchants ; Les scories à bas point de fusion se présentent principalement sous forme d'agrégats de différentes tailles de particules. En raison des différentes parties du rouleau accidenté, sa forme d'existence est également différente. Dans la couche extérieure du rouleau accidenté, elle est principalement accompagnée d'inclusions à bas point de fusion et existe sous forme d'agrégats granulaires de différentes tailles. Sous un faible grossissement, elle apparaît comme une ségrégation en forme de point noir sur le bord. La couche intermédiaire et le noyau à l'intérieur du rouleau accidenté sont agrégés avec l'agrégation de carbures granulaires et sont mélangés avec des carbures granulaires, des oxydes, etc. pour former des agrégats. Sous un faible grossissement, ils apparaissent comme une ségrégation en forme de point blanc et une ségrégation en réseau. La plupart des oxydes tels que Mg, Al, Na, Zr, Mn, etc. sont attachés à la surface du laitier et existent avec le laitier. Certains d'entre eux sont des oxydes à petites particules indépendants qui se rassemblent avec l'agrégation de carbures, formant une ségrégation en forme de point blanc et une ségrégation en réseau. Les inclusions particulaires riches en C, Na, Cl, Si et Cr ne se trouvent que dans la surface de fracture et existent en plus petits agrégats. Les différents types et formes d'existence des inclusions ci-dessus sont principalement liés à la qualité de la fusion, aux conditions de coulée et aux caractéristiques de cristallisation des alliages de matières premières. En particulier pour les échantillons de fracture situés à la source de fracture, non seulement l'irrégularité des carbures est plus grave, mais il y a aussi plus d'inclusions diverses et leur distribution est concentrée. Cela est principalement dû à une mauvaise coulée pendant le processus de coulée de l'alliage, ce qui fait que les oxydes, les inclusions à bas point de fusion, les éléments solutés facilement ségrégés, les scories, les scories de moulage et d'autres inclusions sur la surface de l'alliage sont entraînés dans l'acier en fusion et ne parviennent pas à flotter. On peut voir que la fracture du rouleau accidenté est due aux inclusions causées par le retournement de la peau.

L'observation et l'analyse de différentes surfaces de fracture ont révélé que presque toutes les surfaces de fracture proviennent de la zone d'accumulation de carbures et d'inclusions. C'est-à-dire qu'elles proviennent de taches blanches et de ségrégations en réseau visibles à l'œil nu sous un faible grossissement. Étant donné que les taches blanches et la ségrégation en réseau sont des agrégats composés de carbures granulaires, de scories, d'inclusions à bas point de fusion, d'oxydes, etc., ils entraînent une réduction extrême de la ténacité plastique de l'alliage et produisent une concentration de contraintes, ce qui favorise l'apparition de fissures. En particulier, l'échantillon de fracture situé dans la zone source de fracture du rouleau accidenté, car le lingot a formé une peau pendant la coulée, et les inclusions internes et l'accumulation de carbure étaient très graves. La peau n'a pas été pressée ensemble pendant le processus de forgeage, et les inclusions et l'agrégation de carbure n'ont pas été brisées pour former une distribution dispersée pendant les processus de forgeage et de traitement thermique après forgeage, ce qui a gravement rompu la continuité de la matrice métallique et réduit la résistance et la plasticité de l'alliage. , et produisent une concentration de contraintes, ce qui conduit à l'apparition de sources de fracture dans le rouleau accidenté.

Qu'il s'agisse de la zone source de la fissure ou de la zone d'expansion de la fissure, la morphologie de la fracture est dominée par une fracture fragile par clivage, ce qui indique que le système de rouleaux accidentés est une fracture fragile typique. Ceci est corroboré par ses caractéristiques structurelles de structure matricielle grossière, de nombreuses inclusions et une répartition inégale des carbures.

(3) Contrainte résiduelle. En raison de la grande taille du rouleau accidenté, la répartition de la température sur la surface et le noyau est inégale pendant le processus de chauffage et de refroidissement du traitement thermique, ce qui entraîne une contrainte thermique. Après le traitement thermique, la contrainte thermique n'est pas complètement éliminée et est stockée dans le rouleau accidenté sous forme de contrainte résiduelle. De plus, comme la structure matricielle du rouleau accidenté est très différente dans différentes zones de la surface au noyau, différents types, tailles et formes d'inclusions et de carbures sont agrégés et répartis, et les grains de la structure matricielle sont grossiers et inégaux, ce qui produira inévitablement une concentration de contrainte. En particulier, la concentration de contrainte est la plus élevée dans les zones où les inclusions et les carbures s'accumulent sérieusement. La superposition de la contrainte thermique résiduelle du rouleau accidenté et de la contrainte structurelle complexe l'a fait dépasser la résistance à la rupture du matériau, de sorte que des fissures y ont germé et sont devenues la source de la fracture.

Une fois qu'une fissure se forme, elle se propage de l'intérieur vers l'extérieur. En raison de la structure grossière de la matrice, de l'agrégation d'inclusions et de carbures, des différentes tailles de grains de la matrice et de l'existence de structures cassantes, la résistance et la ténacité plastique de l'alliage seront sérieusement réduites, ce qui entraînera la propagation des fissures et leur rupture de manière cassante par clivage.

5 Conclusion

La cause directe de la rupture du cylindre de support du laminoir Steckel analysée dans cet article est la grande contrainte résiduelle à l'intérieur du cylindre de support. La principale raison est l'accumulation et la distribution de diverses inclusions et carbures dans la structure du cylindre de support.