厚板およびストリップ工場のワークロールの破損原因の分析

概要：この記事では、ストリップワークロールの破損問題について説明し、破損状態を説明し、破損の原因を分析し、さまざまな理由による破損のメカニズムと機能を説明し、ロール破損を回避するための対策を提案します。

キーワード:ワークロール; 破壊; 残留応力; 構造欠陥

序文

ロール破損はロール損傷の中で最も深刻な形態であり、ロールや圧延材料の損失を引き起こすだけでなく、設備や人の安全に影響を与える可能性があります。事故の処理には長い時間がかかり、設備の稼働率にも影響します。 圧延工場。

ストリップの破損 ワークロール ロール破損は、ロール本体、ロールネック、トランスミッションエンドシャフトヘッドで発生する可能性があります。ロール破損の原因は通常2種類あります。1つはロールの材質または製造品質によるもので、製造後の残留応力が大きすぎる、鋳造欠陥または不適切な熱処理による異常な組織、内部介在物など、ロール自体の固有の欠陥によって引き起こされます。もう1つは、圧延プロセス条件と使用条件に属し、ロール表面の深刻な熱亀裂、過負荷、冷却条件の悪さなど、外部的な原因で応力が増加することです。多くの場合、ロール破損は要因の組み合わせによって引き起こされます。

主な骨折の形態と原因

残留応力と熱衝撃破壊

圧延開始時、ロールは高温の圧延材と接触しており、圧延が進むにつれて温度が徐々に上昇します。このプロセス中、ロールの表面温度は高いですが、中心部はまだ低温であり、温度は半径方向に沿って分布しています。図1に示すように。

図1 ロール径方向温度分布図

温度は半径方向に沿って放物線状に分布し、表面温度が上昇して体積が膨張します。この膨張は低温の中心部によって妨げられ、応力が発生します。発生する熱応力は、軸方向応力（σz）、接線方向応力（σt）、および半径方向応力（σr）の3つの部分に分解できます。3方向の熱応力は、弾性理論に基づいて計算できます。半径方向の引張応力である半径方向応力に加えて、軸方向応力と接線方向応力は表面で圧縮状態にあり、中心部は引張状態にあります。圧延プロセス中の熱応力と残留応力が重なり、中心部に大きな合成引張応力が発生します。合成応力が材料の引張強度を超えると、ロールの中心部に亀裂が発生し、ロールが破損することもあります。ひけ巣、気孔、介在物欠陥がある場合は、ロール破損の発生が悪化します。

硬度の高いロールの中には、残留応力が高いために破裂して多くの破片になるものがあります。ロールの表面下の高残留応力のピークが表面に近すぎると、熱応力や機械的応力によって壊滅的な損傷が発生したり、表面の亀裂や損傷が引張応力領域にまで及んだりします。この種の損傷を促進するその他の要因としては、ロールの動作中にロール構造内の大量の残留オーステナイトが分解し、体積膨張とともに内部応力が増加することがあります。鋼製ローラーの高水素含有量とその有害な影響（脆性亀裂）、特に高引張応力領域に存在する場合の表面下欠陥などがあります。

図2は、直径650mmの熱延タンデム圧延機における高NiCrロールの仕上げ圧延の最終段階での残留応力を測定した結果です。図2からわかるように、ロールコアの軸方向の残留応力は12kg/mm2に達し、極限引張強度σb=19～27kg/mm2です。したがって、熱応力によって生じる縦応力が7～10kg/mm2を超えると、ロールはコアから破壊します。この破壊形態は、熱衝撃破壊とも呼ばれます。

図2 高NiCrロールの残留応力分布図

このような熱衝撃による破損を避けるためには、ロールを製造する際に、収縮孔、多孔性、介在物などの内部欠陥を最小限に抑えて芯材の強度を高め、ロールの芯材の可塑性を高め、応力下での塑性変形を大きくする必要があります。 、熱応力を軽減します。内部構造は十分に黒鉛化されており、高合金材料の外層は可能な限り薄くして、良好な熱伝導性を持たせ、内外の温度差を減らす必要があります。熱処理工程を合理的に定式化し、外層の圧縮応力を一定の範囲内に制御して、芯部の引張応力を軽減します。図3は、過度の内部応力により割れたロールの物理的写真です。

図3 ロール割れの実写真

ロールが圧延を開始すると、ロールの熱間プロセスがあり、いくつかの圧延しやすい品種を圧延し、圧延リズムを制御します。必要に応じて、ロールを取り付ける前にロールを予熱します。良好な冷却条件を確保し、密閉水圧延を厳禁し、内層と外層の間の温度勾配を減らすようにします。通常の鉄製ローラーは、ローラーの残留応力を減らすために、使用前に半年から1年の自然老化期間が必要です。熱間圧延薄板ロールの場合、ロールを予熱するときに制御可能な誘導加熱装置（均一加熱、制御可能な加熱速度）を使用することをお勧めします。予熱温度は380〜420℃で、予熱時間は夏は6〜7時間、冬は10〜12時間です。ロールの予熱は急いで行うことはできません。大きな温度差による過度の内部応力によるロールの破損を防ぐために、十分な保温時間が必要です。実際、ローラーの破損は予熱時間が不十分なために発生することが多く、悪循環を形成しています。同時に、交換したロールは、再生熱応力の発生を回避または弱めるために、直ちに徐冷ピットに入れて徐冷する必要があります。

疲労亀裂の伝播と破壊

圧延工程中、ロールの亀裂は曲げ応力の影響を受けます。亀裂の1つが非常に深くなると、激しい圧延中に除去することはできません。圧延を続けると、交互の熱応力と周期的な曲げ応力の作用により、亀裂は急速に拡大します。同時に、圧延工程中の酸化鉄スケールの埋め込みと冷却水の腐食により、亀裂の拡大が加速されます。亀裂疲労が一定の深さまで拡大すると、ロールの有効直径が小さくなり、ロール破損が発生します。

図4は、積層薄板ロールの環状亀裂の拡大によるロール破損の写真です。図4から、ロール本体の表層の大きな炭化物は脆く、交番熱応力の作用により熱亀裂が発生することがわかります。圧延プロセス中に、疲労が環状亀裂に拡大し、環状亀裂がロール本体の破損を引き起こします。通常の冷間硬化積層薄板ロールの破損ロールの故障特性を観察すると、ロール本体の中央部の外層の亀裂分布は主に垂直方向と軸方向であることがわかりました。これは、ロール本体の中央部の温度が高く、曲げモーメントが最も大きく、圧延プロセス中に曲げ疲労の影響が頻繁に発生するためです。圧延が進むにつれて、このタイプの亀裂は徐々に円周方向に沿って拡大し、環状亀裂を形成し、ロール本体の有効耐荷重断面積を減少させます。

図4 ロールの環状亀裂の拡大によるロール破損 ワークロール

亀裂拡大によるロール破損を防ぐために最も重要なことは、ロールに一定の重量があることを保証し、必要な検出方法を採用することです。着色探傷、磁粉探傷、渦電流探傷などの方法を使用して、ロールの表面処理を強化し、ロールの疲労強度を向上させることもできます。

鋳造欠陥によるロール破損

ロール内部には、ひけ巣、緩み、スラグ介在物、気孔、白斑などの欠陥が存在する場合があります。これらの欠陥は、一方では材料の強度を低下させ、他方では有効荷重支持断面積を減少させます。これらはしばしば亀裂の発生源となり、周期的な応力の作用により徐々に拡大し、最終的にロールの破損を引き起こします。図5は、欠陥源の拡大により破損したロールの物理的写真です。図5からわかるように、断面には介在物と疲労亀裂があり、ロールの強度が低下します。疲労亀裂の拡大は、今度は有効荷重支持断面積の減少を引き起こします。この2つの組み合わせがロールの破損を引き起こします。

図5 欠陥源がロール破損を引き起こす

異常構造によるロール破損

鋳鉄ロールの接種が不十分、成分の分布が不合理、鋳造温度が低すぎる、冷間型コーティングの熱伝導率が高すぎる、コーティングの厚さが薄すぎるなどの理由で、ロールの白層が深くなりすぎたり、断面全体が結晶化したりして、ロールの強度が著しく低下し、ロールが破損する原因となります。

ダクタイル鋳鉄ロールは球状化が不良、または球状化が低下します。マトリックス内の黒鉛が薄片状に存在する場合、金属マトリックスの連続性が著しく破壊され、金属マトリックスの有効断面積が減少し、ロールが応力を受けた後に局所的な応力集中を引き起こします。薄片状黒鉛の破壊効果によって引き起こされる局所応力ピークは、主応力の10〜20倍に達することがあります。薄片状黒鉛の端の曲率半径が小さく長いほど、この値は大きくなります。この場合、ロールマトリックスの強度は30%〜50%でのみ有効に活用できます。通常、ダクタイル鋳鉄の強度は300 MPa以上ですが、高強度ねずみ鋳鉄の強度は270 MPaを超えず、通常のねずみ鋳鉄の強度は200 MPa未満です。

球状化の衰退は、小型および中型のロールではそれほど顕著ではありませんが、大型のダクタイル鋳鉄ロールでは非常に顕著です。溶鉄が長時間滞留すると、ロールの上部ネックの黒鉛は球状化できません。大きなブルーミング黒鉛またはデンドライト黒鉛が現れ（図6を参照）、マトリックス強度が大幅に低下し、鋳鉄ロールの強度が著しく低下します。したがって、ダクタイル鋳鉄ロールの場合、溶鉄の球状化が十分である必要があり、球状化処理後の鎮静時間を適切に短縮する必要があります。これは、ダクタイル鋳鉄の衰退を減らすのに役立ちます。

図6 非球面グラファイト構造

高 NiCr および高 Ni の針状ダクタイル鋳鉄および鍛鋼ロールでは、マルテンサイトまたは残留オーステナイトの量が多すぎると、圧延プロセス中にオーステナイトがマルテンサイトに変態し、ロールの内部応力が増加します。また、ローラーが破損する原因にもなります。

鉄鋼圧延工場で使用されていたΦ880mmの高クロム鉄ロールでロール破損事故が発生し、ロール本体が2つに割れました。このロールの製造時に、炉のせいで熱処理が適切に行われませんでした。ソルバイトの量が明らかに不足しており、マルテンサイト（残留オーステナイト）の量が多すぎました。その結果、ロールの使用中に構造変態応力が増加し、ロールが破損しました。その金属組織を図7に示します。

図7 残留オーステナイト量が過剰な金属組織図

鍛鋼ロールの場合、成分偏析（マクロ偏析とミクロ偏析）は無視できない要素です。偏析により、鋳造組織全体が不均一になります。熱処理と焼入れの過程で、断面に沿った冷却速度の差により、組織の不均一性が強まります。上部ベイナイトはへき開しやすく、脆性破壊が発生する場合があります。フェライトは疲労強度が低く、疲労核になりやすく、炭化物やグラファイトの偏析がひどいと、ロールの強度が著しく低下し、疲労の原因になります。応力が十分に大きいと、ロールが破損します。

ロールネックの品質によるロール破損

ロールネックの材質が不適格です。ロールネックの材質は降伏強度が低く、耐疲労性が悪く、大きな圧延力や交番曲げ応力の作用下でロールネックに疲労亀裂が発生します。鋳造ロールの場合、凝結時の溶鋼供給が不十分なため、ロールネックに収縮穴が形成され、ロールネックの強度が低下します。鋼圧延中の過度のねじりモーメント荷重に耐えられず、ロールネックが破損したり、トルクスヘッドやキー溝が破損したりしやすくなります。このような欠陥を減らすために、化学成分の調整、材料強度の向上、鋳造温度の適切な上昇、スカム容量の増加、逐次凝固などの対策が講じられています。

使用によるローラーの破損

操作ミスによるローラー破損

主な原因は、鋼板圧延の生産工程で、低温鋼や黒皮鋼を圧延したり、操作手順に従って操作しなかったりして、やみくもに圧下量を増やしたり、圧延パス数を減らしたりしたために、圧延圧力が過剰になり、ロールが破損したことです。密閉式水圧延後、冷却水の供給が速すぎるため、熱応力が過剰になり、ロールが破損しました。ロールの取り付けが不適切で、操作中にロールに不均一な応力がかかり、局所的な過負荷とロール破損を引き起こしました。薄板を冷間圧延する場合、ロールの押圧力が大きすぎて、トルクが圧延トルクを超え、圧延機の起動時に軸頭がねじれることがあります。

不適切な設計によるローラー破損

ロールネックの根元に設計されたフィレット半径が小さすぎるため、応力集中と不適切なロール材料の選択が発生し、ロールが破損することになります。

設備上の理由によるローラー破損

圧延機の伝動部の部品が摩耗し、ロールネックとシャフトヘッドに追加の曲げ応力が発生し、ロールネックまたは伝動端が破損します。 ベアリングが箱から出て燃え、ロールネックの温度が高くなりすぎてロールネックが破損します。 高速圧延機では、圧延片の高速噛み込み衝撃により伝動システムにねじり振動が発生し、応力負荷が数倍に増加する可能性があります。 ねじり振動によって発生する応力は、ロールの疲労破壊を引き起こす可能性もあります。 この現象は、圧延機が高速、高出力、マルチアーマチュアモーター駆動に移行するにつれてますます深刻になり、ロール強度の観点から考慮する必要があります。

結論

鋼板工場はロールの選択と使用に十分な注意を払う必要があります。使用品質は生産ラインの稼働率と鋼板の品質に直接関係しており、製造と使用の両方から始める必要があります。ロールの本質的な品質を向上させて異常な廃棄を防ぎ、同時にロールが計画どおりに交換され、合理的に使用されるようにすることで、ロールの耐用年数を延ばし、ロールの消耗を減らします。ロールメーカーとユーザーはコミュニケーションを強化し、経験を絶えず集約して、中厚板の生産ニーズを満たす必要があります。