Exploration des fissures dues aux dommages thermiques sur les cylindres de travail des laminoirs à chaud continus de fonte à haute teneur en chrome

Différents types de fissures apparaîtront dans cylindres de travail pour laminage à chaud Pendant tout le cycle de vie de production et d'utilisation. Afin de garantir la sécurité de production des laminoirs et des rouleaux, ces fissures, en particulier les fissures dues aux chocs mécaniques et les fissures dues aux défauts de fabrication, doivent être éliminées conformément aux exigences du processus de production. Cependant, les rouleaux sont les principales pièces de rechange pour le processus de laminage de l'acier. Un grand nombre d'anomalies des rouleaux entraînera inévitablement une augmentation des coûts de laminage de l'acier. Cela affectera également l'efficacité de rotation et l'efficacité de préparation des rouleaux, affectant la stabilité et la sécurité de la production. Afin de résoudre les problèmes ci-dessus, la bande expérimentale de rouleaux de travail en fonte à haute teneur en chrome présentant des fissures dues aux dommages thermiques dans la partie avant du laminage de finition a été utilisée sur la machine.

Français Il existe trois principaux types de fissures générées lors de l'utilisation de cylindres de travail de laminage à chaud, à savoir les fissures mécaniques, les fissures de fatigue et les fissures de dommages thermiques (provoquées par la surchauffe de l'acier coincé, etc.). Une certaine ligne de laminage à chaud a un taux d'accidents élevé dans la section avant du laminage de finition (F1~F4), comprenant principalement le glissement et le blocage F1, l'empilement d'acier F1~F4, etc. Cela entraîne une perte élevée de cylindres de travail en fonte à haute teneur en chrome dans la phase avant du laminage de finition, en moyenne plus de 60 mm par mois, dont les pertes par fissures de dommages thermiques représentent environ 80%. Selon les exigences du processus de production, ces fissures doivent être éliminées pour assurer la sécurité opérationnelle du laminoir et des cylindres. Cependant, afin de réduire le coût du laminage de l'acier (coût de consommation des cylindres et coût de meulage) et d'améliorer l'efficacité de meulage et l'efficacité de rotation des cylindres, il est nécessaire d'explorer le mécanisme d'utilisation des cylindres de travail avec des fissures à chaud sur le matériau en fonte à haute teneur en chrome du laminage de finition.

Analyse des contraintes de rouleaux de travail dans la partie avant du laminage de finition

En plus de la force de laminage, le cylindre de travail de laminage de finition subit également une force de frottement, une micro-tension, une contrainte thermique, etc. pendant le processus de laminage. Cependant, le frottement, la micro-tension et la contrainte thermique sont bien inférieurs à la force de laminage. Par conséquent, lors de l'analyse de la contrainte du cylindre de travail de laminage de finition, le rôle de la force de laminage est principalement pris en compte. Comme le montre la figure 1, lorsque la surface du rouleau A est en contact avec la bande, on considère approximativement que la force résultant de la pression positive et de la force de frottement est équivalente à la force de laminage. La force de laminage maximale du poste de travail de laminage de finition de la ligne de laminage à chaud en tandem est de 35 MN. En général, la force de laminage est de 15 à 20 MN pendant la production normale.

Figure 1 Diagramme schématique des contraintes pendant le processus de laminage des cylindres de travail de finition

Analyse des conditions critiques pour la propagation des fissures dues aux dommages thermiques cylindres de travail en fonte à haute teneur en chrome pendant le fonctionnement

Cet article étudie l'utilisation des fissures dues aux dommages thermiques sur les cylindres de travail en fonte à haute teneur en chrome au début du laminage de finition. À cette fin, le concept de critère de rupture du matériau est cité. À partir de l'équation de la mécanique élastique ou de l'équation de la mécanique élasto-plastique, la fissure est considérée comme une condition, le champ de contrainte, de déformation et de déplacement à la pointe de la fissure est pris en compte et la condition critique pour l'expansion de la fissure - critère de rupture est établie.

Selon la forme des fissures dans les composants, elles sont généralement divisées en trois types : fissures pénétrantes, fissures superficielles et fissures enterrées, comme le montre la figure 2 :

Figure 2 Schéma de différentes formes de fissures : (a) fissure de pénétration ; (b) fissure de surface ; (c) fissure enterrée

Français Les fissures dues aux dommages thermiques des cylindres de travail en fonte à haute teneur en chrome au début du laminage de finition sont généralement des fissures de surface. Pour cette raison, nous étudions principalement la ténacité à la rupture des fissures de surface. En laboratoire, des expériences de ténacité à la rupture ont été menées sur des cylindres en fonte à haute teneur en chrome. L'intensité de la contrainte à chaque point près de la pointe de la fissure est liée à la quantité de σ√πa. C'est-à-dire que la contrainte à chaque point près de la pointe de la fissure n'augmente ou ne diminue pas proportionnellement à la contrainte de traction σ sur le composant, mais augmente ou diminue proportionnellement à σ√πa. σ√πa est appelé facteur d'intensité de contrainte et est enregistré comme KI. L'unité est MPa⋅m1/2MPa⋅m1/2, KI =σ√πa, où a est la profondeur de la fissure.

Au fur et à mesure que la charge augmente, le facteur d'intensité de contrainte KI augmente également progressivement. Les résultats expérimentaux montrent que lorsqu'il atteint une certaine valeur critique KIc, la fissure se propage de manière instable, provoquant la rupture du composant. KIc est appelé ténacité aux fissures courtes. Autrement dit, si le facteur de résistance à la rupture KI est inférieur à KIc, la propagation des fissures ne se produira pas dans le composant.

Selon l'ingénieur Fumio Tanaka de l'usine sidérurgique Mizushima de Kawasaki Steel au Japon, le critère de mécanique de la rupture a été utilisé pour déterminer la limite d'utilisation du rouleau, KI=1,12σ√πa⩽KIc. D'après cette formule, les fissures d'une profondeur inférieure à 10,59 mm peuvent être utilisées normalement sous l'action d'une force de laminage de 34 MN. Par conséquent, les rouleaux de travail en fonte à haute teneur en chrome de la section avant du laminage de finition de la ligne de laminage peuvent être utilisés normalement sur la machine.

Expériences et analyses informatiques

Caractérisation de la morphologie des fissures dues aux dommages thermiques et des caractéristiques des courants de Foucault

Français Après que le cylindre de travail en fonte à haute teneur en chrome dans le laminage de finition est bloqué, une zone de fissure de dommage thermique sera généralement générée dans la zone de passage de l'acier. La forme des fissures est généralement en forme de grille (Figure 3), avec une profondeur de 3 à 10 mm, et la surface du cylindre est anormalement évidente après avoir été retirée de la machine. Une fois le cylindre meulé, un test par courants de Foucault sera effectué. On constatera que les résultats de détection incluent des bandes de valeurs de fissures et des bandes de valeurs de points mous correspondant aux fissures sur le corps du cylindre, le long de la direction axiale du cylindre (Figure 4). Les seuils de valeur de fissure par courants de Foucault et de valeur de points mous sont respectivement de 0,2 et 0,4, et tout dépassement est considéré comme anormal.

Figure 3 Morphologie des fissures à chaud sur la surface d'un rouleau en acier bloqué

Figure 4 Morphologie des fissures à chaud sur la surface d'un rouleau en acier bloqué

Travaux de détection et de garantie pour les expériences avec fissures

Les résultats des essais par courants de Foucault permettent de suivre l'évolution des fissures thermiques. La valeur de la fissure par courants de Foucault et la valeur du point mou de la zone de fissure chaude changent généralement peu ou continuent de diminuer, ce qui indique que la fissure s'affaiblit progressivement. En même temps, en combinant l'observation de la forme de la zone de fissure (la largeur de la zone de fissure chaude dans les directions axiale et circonférentielle devient plus étroite, la limite de fissure devient plus fine, etc.), on détermine si le rouleau peut être utilisé en continu sur la machine.

Utilisez des sondes d'angle pour détecter et analyser les changements de profondeur des fissures. Après chaque meulage d'un cylindre de travail présentant des fissures thermiques, une sonde oblique à ultrasons peut être utilisée pour détecter la profondeur des fissures. Si la profondeur détectée par la sonde oblique diminue progressivement, cela indique que la fissure est progressivement éliminée.

Utilisez des sondes droites à double élément pour détecter et analyser la croissance des fissures thermiques. La détection par sonde droite à double élément est la plus importante et sa fonction principale est de vérifier si la fissure se dilate sous un angle. Selon les caractéristiques des ondes longitudinales, si la fissure est perpendiculaire à la section transversale de la surface du rouleau, la sonde à double élément ne peut pas la détecter et ne peut détecter que l'onde réfléchie de la couche de liaison. Lorsqu'une fissure se propage, l'onde de fissure détectée par les cristaux jumeaux présente un phénomène de « marche d'onde », s'approfondissant progressivement de peu profonde à peu profonde.

Travaux expérimentaux et résultats

Au début de l'expérience, les cylindres présentant des fissures peu profondes ont d'abord été utilisés comme objets expérimentaux. Une fois les fissures éliminées normalement, les cylindres présentant des fissures plus profondes ont été progressivement testés, et des expériences ultérieures ont été menées sur des cylindres dont le diamètre était proche de celui de la ferraille. En conséquence, les huit cylindres expérimentaux ont été utilisés jusqu'à ce que les fissures soient éliminées normalement, ou que les fissures soient normales et mises au rebut, ce qui montre que les cylindres de travail en acier rapide dans la section avant du laminage de finition peuvent être utilisés en toute sécurité avec des fissures à chaud. Les données expérimentales détaillées sont présentées dans le tableau 1.

Tableau 1 Conditions expérimentales des fissures à chaud sur les cylindres de travail en fonte à haute teneur en chrome dans la partie avant du laminage de finition

Ensuite, modifiez le système d'utilisation pour inclure les rouleaux présentant des fissures thermiques sur la machine dans une utilisation normale, et les rouleaux accidentés présentant des fissures sur la machine, le cycle de remplacement des rouleaux et la quantité de meulage sont les mêmes que les rouleaux normaux. Après la mise en œuvre du système, la perte de meulage des fissures à chaud de la fonte à haute teneur en chrome est réduite de plus de 40 mm par mois, et une grande quantité de coûts tels que les meules, les fluides de coupe et le meulage manuel sont économisés. Cela allège la situation d'investissement lourd dans les rouleaux de travail, d'occupation de capital importante et de rotation serrée dans la première étape du laminage de finition sur site.

Conclusion

Les calculs théoriques et les vérifications expérimentales montrent que les cylindres de travail en fonte à haute teneur en chrome de la partie avant du laminage de finition peuvent être utilisés sur la machine présentant des fissures dues aux dommages thermiques, et que le cycle de changement de cylindre et la quantité de meulage peuvent être cohérents avec les cylindres normaux. Le taux de croissance des fissures est inférieur à la réduction normale du diamètre du cylindre et les fissures dues aux dommages thermiques disparaissent progressivement au fur et à mesure de l'utilisation du cylindre. Sur le site d'utilisation, la sonde à double élément à ultrasons ne peut pas détecter l'existence de fissures, c'est-à-dire que la direction des fissures est cohérente avec la direction des ondes ultrasonores et perpendiculaire à la surface de coupe de la surface du cylindre.

Les cylindres de travail en fonte à haute teneur en chrome présentant des fissures dues aux dommages thermiques au stade initial du laminage de finition sont placés sur la machine, ce qui non seulement réduit la perte anormale de cylindres de travail en fonte à haute teneur en chrome, mais permet également d'économiser de nombreux coûts tels que les meules, les fluides de coupe et le meulage manuel. Cela atténue également la situation d'entrée lourde de cylindres de travail et de rotation serrée au stade initial du laminage de finition sur site, ce qui est d'une grande importance.