Анализ причин поломки опорных валков прокатного стана Стеккеля 3500 мм

Аннотация: Для анализа поверхности разрушения опорного валка стана Стеккеля диаметром 3500 мм, который претерпел начальный излом, были использованы травление с малым увеличением, металлографическое исследование, сканирующая электронная микроскопия, анализ энергетического спектра и другие методы. Результаты показывают, что большое остаточное напряжение, а также накопление и распределение различных включений и карбидов являются основными причинами разрушения сверхбольшого опорного валка.

Ключевые слова: резервные рулоны; трещина; включение; карбидное агрегирование

Аварийный ролик был опорным роликом Стеккеля диаметром 3500 мм. прокатный стан. Он был установлен на машине во второй раз и был установлен в нижнем положении ролика. Во время процесса отладки подпрыгивания прокатного стана внезапно раздался громкий ненормальный шум, и проверка показала, что нижний опорный ролик был сломан. Усилие прокатки с каждой стороны составляет 26,36 МН, когда он ломается (требуемое значение для отладки подпрыгивания прокатного стана составляет 29,4 МН с каждой стороны). Процесс операции подпрыгивания этого прокатного стана является полностью автоматической рабочей процедурой, и в этой процедуре нет никаких отклонений.

Материал опорного валка 3% CrMoV, размер тела валка 1950мм×3450мм, вес готового изделия 115,25т, вес стального слитка 227т. Готовое изделие прошло ультразвуковой контроль. Для выяснения причины поломки аварийного валка был проведен анатомический анализ оставшегося валка.

1 Макроскопическое наблюдение разрушения аварийного ролика

Опорный ролик сломался примерно в 1315 мм от торца корпуса ролика с рабочей стороны (немаркирующий конец). Поверхность излома почти перпендикулярна оси корпуса ролика, а излом относительно прямой, как показано на рисунке 1. Первоначальный источник излома находится примерно в 305 мм от центра, см. рисунок 2.

2 Процесс производства аварийных роликов

Фактический процесс производства опорного ролика выглядит следующим образом: черновая обработка в электропечи → вакуумная очистка → вакуумное литье → ковка → термообработка после ковки → черновая обработка и ультразвуковой контроль → окончательная термообработка → чистовая обработка и ультразвуковой контроль → упаковка и отправка.

Рисунок 1. Морфология перелома

Рисунок 2. Расстояние между первоначальным источником трещины и центром круга.

3 Анализ анатомического теста несчастного случая на ролике

3.1 Осмотр поперечного сечения с малым увеличением

Используйте часть одного из сломанных роликов, чтобы обработать его в образец для испытаний с малым увеличением толщиной 50 мм для проверки с малым увеличением. Было обнаружено три очевидных дефекта, расположенных соответственно в областях A (и окружающих смежных областях), B (и окружающих смежных областях) и C на рисунке 3.

Рисунок 3. Карта распределения дефектов при малом увеличении

Область A состоит из темных точечных выделений, распределенных в диапазоне от 80 мм до 180 мм от внешнего круга (не ограничиваясь проволочной рамкой, обозначенной A), см. рисунок 4.

Рисунок 4. Темная точечная сегрегация в области А.

Область B представляет собой светлоокрашенную точечную сегрегацию, распределенную в диапазоне от 200 мм до 510 мм от центра круга (не ограничиваясь проволочной рамкой, обозначенной B), см. рисунок 5.

Рисунок 5. Светлая точечная сегрегация в области B.

Область C представляет собой светлую сеть дефектов, распределенных в диапазоне 250 мм от центра круга (в основном распределенных внутри прямоугольника, обозначенного буквой C), см. рисунок 6.

Рисунок 6. Светлые сетевые дефекты в области C.

3.1.1 Результаты осмотра области А при малом увеличении

Анализ энергетического спектра показывает, что в дополнение к неравномерному распределению зернистых карбидов, богатых Cr, Mo и V, в образце с малым увеличением в области A имеется много типов неметаллических включений. Среди них массивный нитрид титана, сульфид марганца, оксид кремния, глинозем и сложный оксидный шлак, богатый C, Al, Mg, Ca, Si, Cr, Na, Cl, Mn, S и т. д. Различий в составе матрицы сплава мало. Объединив анализ ткани и энергетического спектра, можно сказать, что черные пятна в образце с малым увеличением в области A являются неметаллическими включениями, богатыми C, S и Al, Mg, Ca, Si, Cr, Na, Cl и Mn.

3.1.2 Результаты осмотра области B при малом увеличении

С помощью обнаружения с малым увеличением, металлографического микроскопа, сканирующего электронного микроскопа и анализа энергетического спектра. Белая точечная сегрегация представляет собой совокупность мелких гранулированных карбидов, богатых Cr, Mo и V, и крупных гранулированных оксидов, богатых Cr, Si, S и C, сосредоточенных на пузырьках или отверстиях. Более высокое содержание O было обнаружено внутри карбидов и пузырьков и в их матричных структурах.

3.1.3 Результаты осмотра области C при малом увеличении

Определено с помощью обнаружения с малым увеличением, металлографического микроскопа, сканирующего электронного микроскопа и анализа энергетического спектра. Сетчатая сегрегация представляет собой агрегат, состоящий из большого количества белых гранулированных карбидов, богатых Fe, Cr и Mo, и небольшого количества крупных гранулированных оксидов, богатых Fe, Cr и C.

3.2 Анализ происхождения и причин возникновения трещин разрушения

Для экспериментального анализа был взят испытательный стержень из первоначального источника разрушения аварийного ролика.

Металлографическая структура образцов излома была проанализирована. При малом увеличении было обнаружено, что в матричной ткани имеются неравномерно распределенные серо-белые области сегрегации. После увеличения было обнаружено, что на краю одной стороны образца имеется едва заметная линия. Серо-белая ткань тонкая, а матричная ткань толстая, как показано на рисунке 7.

Рисунок 7. Металлографическая структура поверхности излома при малом увеличении.

При большом увеличении серо-белая тонкая структура представляет собой троостит + перлитную матрицу + большое количество зернистых карбидов. Карбид может быть агрегирован или распределен в сетке. Грубая структура матрицы представляет собой троостит + сорбит + перлит, и в матрице трудно найти крупные частицы карбидов. Кроме того, по обе стороны от линии зерна можно увидеть больше неметаллических включений, см. Рисунок 8.

Рисунок 8. Металлографическая структура поверхности излома с большим увеличением.

Наблюдая под сканирующим электронным микроскопом, мы можем более четко видеть включения разных размеров, форм и распределений, а также темные границы зерен. Темные границы зерен представляют собой генерацию перегретых структур, см. Рисунок 9. Наблюдайте включения в разное время в разных частях образца, см. Рисунок 10.

Рисунок 9. Микроструктурная морфология поверхности излома под сканирующим электронным микроскопом.

Рисунок 10 Морфология включений под поверхностью излома, сканирующий электронный микроскоп

При малом увеличении было обнаружено, что на поверхности образца неравномерно распределены черные и белые пятна. При увеличении черные пятна представляют собой шлак, богатый C (65.05%), O (5.39%), Cr (1.82%), Na (1.35%), Cl (0.43%), а остальное — Fe. Белые пятна и белые пятна в области C относятся к одному и тому же типу включений. Согласно анализу энергетического спектра, они богаты включениями оксидов C (21.88%), O (38.81%), Zr (22.26%), Al (7.35%), S (3.54%) и Mn. (2.58%), Mg (1.01%), Fe (1.8%). При большем увеличении вы также можете увидеть более мелкие ярко-белые включения, которые агрегируются и рассеиваются в локальных областях, которые богаты C (19.38%), Na (20.03%), Cl (4.10%), Cr (2.83%), Si (0.62%), остальное - включения Fe. Что касается линий зерна, вокруг них собрано больше неметаллических включений, что может быть вызвано образованием корки во время впрыскивания слитка.

Возьмите образцы из образца разрушения, чтобы получить поверхности разрушения ударных и разрывных образцов. Визуальный осмотр поверхности разрушения показал, что поверхность разрушения при ударе имела равномерный металлический блеск, в то время как поверхность разрушения при растяжении имела неравномерное распределение металлического блеска. Сканирование с малым увеличением показало, что поверхности разрушения при растяжении и ударе были неровными. Сканирование с большим увеличением показало, что все они были хрупкими изломами скола. Кроме того, на поверхности разрушения при ударе были также обнаружены крупные куски включений TiN, как показано на рисунках 11 и 12.

Рисунок 11. Микроструктурная морфология поверхности разрушения сканированного ударного образца.

Рисунок 12. Микроструктурная морфология скана поверхности разрушения образца при растяжении

Подводя итог, структура образца излома представляет собой грубую матричную структуру (троостит + сорбит + перлит) с неравномерно распределенными карбидами. Карбиды либо агрегированы, либо сетчаты, и имеется много неметаллических включений неравномерного распределения, формы и размера.

Локальная агрегация карбидов обусловлена сильной сегрегацией карбидов в исходной структуре слитка. В то же время она не была разрушена в процессе ковки и не была полностью отожжена после ковки. Поэтому сегрегация углерода и легирующих элементов в сырье не была эффективно улучшена. Особенно для первичных карбидов, карбиды не полностью растворяются в процессе нагрева при ковке и послековочной термообработке. Именно из-за наличия нерастворенных карбидов рост зерен аустенита затрудняется, что делает зерна структуры в этой области относительно мелкими. Сетчатые карбиды возникают из-за высокой температуры нагрева и медленной скорости охлаждения при термообработке. В областях с более высоким содержанием углерода карбиды осаждаются вдоль исходных границ зерен аустенита, образуя сетчатые карбиды.

Различные типы неметаллических включений вызваны низкой чистотой литейной жидкости, которая не выходит с поверхности литейной жидкости в процессе охлаждения и кристаллизации и остается в литейном слитке, образуя неметаллические включения. Или это может быть связано с неправильной работой во время заливки слитка (слишком низкая температура заливки, неравномерная скорость заливки, плохое качество пленки слитка и т. д.). Оксидная окалина, плавающая на поверхности расплавленной стали, превратится в расплавленную сталь. Если она не может плавать, она останется в расплавленной стали и образует окалину. Корка является особой формой неметаллических включений. Корка не может быть прокована во время ковки. Если оксид толстый, он отделится от матрицы и образует трещины. Линии, наблюдаемые при металлографической и сканирующей электронной микроскопии, могут быть трещинами, образованными при непроковке корки.

За исключением массивных включений TiN, обнаруженных на поверхности разрушения ударного образца, зернистая вторая фаза и другие типы включений, обнаруженные при наблюдении за металлографической структурой, не появились. Это показывает, что включения в образце металлографической структуры могут быть вызваны неправильной заливкой, в результате чего включения были вовлечены, что привело к более высокому содержанию, большему количеству типов и концентрированному распределению локальных включений в образце. Это неизбежно серьезно снизит общую производительность сплава, а также вызовет большую концентрацию напряжений, становясь источником трещин.

На поверхностях излома обоих образцов можно увидеть кристаллический металлический блеск и неровные поверхности, что указывает на то, что структура грубая и неровная. Эта структурная характеристика снизит пластическую вязкость сплава (что подтверждается его морфологией скола и хрупкого разрушения).

Структура матрицы имеет крупные зерна, неравномерное распределение карбидов и наличие множества неметаллических включений, что снижает прочность и пластичность сплава. В частности, наличие карбидов, областей накопления включений и крупных включений вызовет концентрацию напряжений, что снизит сопротивление разрушению и вызовет возникновение трещин. Крупные зерна также будут оказывать отрицательное влияние на прочность и пластическую вязкость сплава и способствовать расширению трещин. Под действием напряжения из-за плохой пластической вязкости структуры матрицы трещины распространяются и происходит окончательное разрушение.

На основании вышеприведенного анализа можно увидеть, что трещина разрушения аварийного рулона возникла из-за различных неметаллических включений. Из-за грубой структуры матрицы и неравномерного распределения карбидов пластическая вязкость сплава снижается. Под действием напряжения трещины продвигаются и в конечном итоге разрушаются.

4 Анализ причин случайной поломки роликов

На основании вышеприведенного анализа испытаний можно сделать вывод, что поломка роликов в результате несчастного случая в основном связана со следующими аспектами:

(1) Карбиды распределены неравномерно. Это в основном отражается в виде белой пятнистой сегрегации и сетчатой сегрегации при малом увеличении. Это является результатом того, что исходный слиток подвергается влиянию качества плавки, условий разливки и характеристик кристаллизации охлаждения стали в процессе затвердевания. В исходной структуре слитка наблюдается серьезное неравномерное распределение карбидов, а ковка и отжиг после ковки недостаточны, поэтому явление неравномерного карбида не может быть эффективно улучшено. Именно из-за неравномерного карбида распределение размера зерен в матричной структуре неравномерно. В частности, область с низким содержанием углерода склонна к перегреву и образованию грубой структуры.

(2) Неметаллические включения. От поверхности до внутренней части аварийного ролика существует множество различных типов неметаллических включений. Различные типы включений существуют по-разному. На основе анализа энергетического спектра различных образцов основными типами включений внутри аварийного ролика являются: крупные куски TiN, TiC и длинные полосы MnS. Гранулированный шлак с низкой температурой плавления, богатый C, O, Al, Mg, Mn, Zr, Ti, Ca, P, S и т. д. Мелкие частицы оксидов, богатые Mg, Al, Na, Zr, Mn и т. д.; более мелкие белые частицы, богатые C, Na, Cl, Si, Cr, объединяются и включаются. Среди них крупные куски TiN, TiC и длинные полосы MnS присутствуют в различных частях аварийного ролика, то есть от поверхности до внутренней части. За исключением MnS, который обладает определенной пластичностью и существует в виде длинных полос, TiN и TiC существуют в виде крупных кусков с острыми краями; Шлак с низкой температурой плавления в основном существует в виде агрегатов с частицами разного размера. Из-за различных частей аварийного ролика его форма существования также различна. Во внешнем слое аварийного ролика он в основном сопровождается включениями с низкой температурой плавления и существует в виде зернистых скоплений разного размера. При небольшом увеличении он выглядит как черная пятнистая сегрегация на краю. Средний слой и сердцевина внутри аварийного ролика объединены с скоплением зернистых карбидов и смешаны с зернистыми карбидами, оксидами и т. д., образуя агрегаты. При небольшом увеличении они выглядят как белая пятнистая сегрегация и сетевая сегрегация. Большинство оксидов, таких как Mg, Al, Na, Zr, Mn и т. д., прикреплены к поверхности шлака и существуют вместе со шлаком. Некоторые из них являются независимыми оксидами с мелкими частицами, которые собираются вместе с скоплением карбидов, образуя белую пятнистую сегрегацию и сетевую сегрегацию. Частичные включения, богатые C, Na, Cl, Si и Cr, встречаются только на поверхности излома и существуют в виде более мелких агрегатов. Различные типы и формы существования вышеуказанных включений в основном связаны с качеством плавки, условиями заливки и характеристиками кристаллизации исходных сплавов. Особенно для образцов излома, расположенных в источнике излома, не только неравномерность карбидов более серьезная, но также имеется больше различных включений, и их распределение концентрировано. Это в основном связано с неправильной заливкой во время процесса заливки сплава, что приводит к тому, что оксиды, включения с низкой температурой плавления, легко отделяющиеся растворенные элементы, шлак, формовочный шлак и другие включения на поверхности сплава втягиваются в расплавленную сталь и не всплывают. Видно, что излом аварийного ролика произошел из-за включений, вызванных переворачиванием корки.

Благодаря наблюдению и анализу различных поверхностей разрушения, почти все поверхности разрушения происходят из области накопления карбидов и включений. То есть, они происходят из белых пятен и сетчатой сегрегации, видимых невооруженным глазом при небольшом увеличении. Поскольку белые пятна и сетчатая сегрегация представляют собой агрегаты, состоящие из гранулированных карбидов, шлака, включений с низкой температурой плавления, оксидов и т. д., они вызывают чрезвычайное снижение пластической вязкости сплава и создают концентрацию напряжений, что способствует возникновению трещин. Особенно образец разрушения, расположенный в области источника разрушения аварийного ролика, поскольку слиток образовал корку во время заливки, а внутренние включения и накопление карбидов были очень серьезными. Корка не была спрессована вместе во время процесса ковки, а включения и карбидное скопление не были разрушены, чтобы сформировать дисперсное распределение во время процессов ковки и послековочной термообработки, серьезно нарушая непрерывность металлической матрицы и снижая прочность и пластичность сплава. , и создают концентрацию напряжений, что приводит к возникновению очагов разрушения в аварийном ролике.

Будь то область источника трещины или область расширения трещины, морфология разрушения доминирует надломным хрупким разрушением, что указывает на то, что система аварийного ролика является типичным хрупким разрушением. Это подтверждается ее структурными характеристиками грубой матричной структуры, множеством включений и неравномерным распределением карбидов.

(3) Остаточное напряжение. Из-за большого размера аварийного ролика распределение температуры на поверхности и сердечнике неравномерно во время нагрева и охлаждения процесса термообработки, что приводит к термическому напряжению. После термообработки термическое напряжение не устраняется полностью и сохраняется в аварийном ролике как остаточное напряжение. Кроме того, поскольку структура матрицы аварийного ролика сильно отличается в разных областях от поверхности до сердцевины, различные типы, размеры и формы включений и карбидов объединяются и распределяются, а зерна структуры матрицы являются крупными и неравномерными, что неизбежно приведет к концентрации напряжений. В частности, концентрация напряжений является наибольшей в областях, где включения и карбиды серьезно накапливаются. Наложение остаточного термического напряжения аварийного ролика и сложного структурного напряжения привело к тому, что оно превысило сопротивление материала разрушению, поэтому там проросли трещины и стали источником разрушения.

После возникновения трещины она распространяется изнутри наружу. Из-за грубой структуры матрицы, скопления включений и карбидов, различных размеров зерен матрицы и наличия хрупких структур прочность и пластическая вязкость сплава будут серьезно снижены, что приведет к распространению трещин и разрушению по типу хрупкого скола.

5 Заключение

Непосредственной причиной разрушения опорного валка прокатного стана Стеккеля, проанализированного в данной статье, является большое остаточное напряжение внутри опорного валка. Основной причиной является накопление и распределение различных включений и карбидов в структуре опорного валка.