Анализ причин поломок рабочих валков листопрокатных станов и полосовых станов

Аннотация: В данной статье описывается проблема разрушения рабочего валка полосы, описывается состояние разрушения, анализируются причины разрушения, объясняется механизм и функция разрушения по различным причинам, а также предлагаются меры по предотвращению разрушения валка.

Ключевые слова:рабочие валки; трещина; остаточное напряжение; структурные дефекты

Предисловие

Разрыв валков является наиболее серьезной формой повреждения валков. Он не только приведет к потере валков и рулонных материалов, но также может повлиять на безопасность оборудования и людей. Для устранения аварии потребуется много времени, и это повлияет на производительность прокатный стан.

Разрыв полосы рабочий рулон может возникнуть на теле валка, шейке валка и головке вала трансмиссии. Обычно существует два типа причин поломок валков: один из них вызван материалом валка или качеством изготовления, что вызвано внутренними дефектами самого валка, такими как чрезмерное остаточное напряжение после изготовления, дефекты литья или неправильная термическая обработка, вызывающая аномальные структуры, внутренние включения и т. д. Другой тип относится к условиям процесса прокатки и условиям эксплуатации, то есть напряжение увеличивается из-за внешних причин, таких как сильное термическое растрескивание на поверхности валка, перегрузка и плохие условия охлаждения. Во многих случаях поломка валка вызвана сочетанием факторов.

Основные виды и причины переломов

Остаточное напряжение и разрушение под действием термического удара

В начале прокатки валок контактирует с высокотемпературным прокатным материалом. По мере продвижения процесса прокатки температура постепенно повышается. Во время этого процесса температура поверхности валка высокая, но сердцевина все еще имеет низкую температуру, и температура распределена вдоль радиального направления. Как показано на рисунке 1.

Рисунок 1. Диаграмма распределения температуры валков в радиальном направлении

Температура распределяется параболически вдоль радиального направления. Температура поверхности повышается, а объем расширяется. Это расширение сдерживается низкотемпературным ядром и создает напряжение. Создаваемое термическое напряжение можно разложить на три части: осевое напряжение (σz), тангенциальное напряжение (σt) и радиальное напряжение (σr). Термическое напряжение в трех направлениях можно рассчитать на основе теории упругости. В дополнение к радиальному напряжению, которое является растягивающим напряжением в радиальном направлении, осевое напряжение и тангенциальное напряжение находятся в сжимающем состоянии на поверхности, в то время как ядро находится в растягивающем состоянии. Термическое напряжение и остаточное напряжение в процессе прокатки накладываются друг на друга, что приводит к большому синтетическому растягивающему напряжению в центре. Когда синтетическое напряжение превышает предел прочности материала на растяжение, в сердечнике рулона возникнут трещины, и даже рулон может сломаться. Если есть усадочные раковины, пористость и дефекты включений, возникновение поломки рулона будет усугубляться.

Некоторые валки с высокой твердостью часто разрываются на множество частей, поскольку остаточное напряжение этих валков велико. Если пик высокого остаточного напряжения под поверхностью валка находится слишком близко к поверхности, из-за термического и механического напряжения возникнут катастрофические повреждения, или поверхностные трещины и повреждения распространятся на зону растягивающего напряжения. Другими факторами, способствующими такому виду повреждений, являются: разложение большого количества остаточного аустенита в структуре валка во время работы валка, что увеличивает внутреннее напряжение вместе с расширением объема. Высокое содержание водорода в стальных валках и его вредное воздействие (хрупкое растрескивание); подповерхностные дефекты, особенно когда они присутствуют в областях высокого растягивающего напряжения.

Остаточное напряжение на заключительном этапе чистовой прокатки высоконикелевого хромового валка на тандемном стане горячей прокатки диаметром 650 мм было измерено, как показано на рисунке 2. Как видно из рисунка 2, остаточное напряжение в осевом направлении сердечника валка может достигать 12 кг/мм2, а его предел прочности на растяжение σb=19 ~27 кг/мм2. Поэтому, если продольное напряжение, вызванное термическим напряжением, составляет >7 ~ 10 кг/мм2, рулон сломается, начиная с сердечника. Такая форма разрушения также называется разрушением при термическом ударе.

Рисунок 2. Диаграмма распределения остаточного напряжения в рулоне с высоким содержанием NiCr

Чтобы избежать такого рода разрушения от теплового удара, при производстве рулонов следует минимизировать внутренние дефекты, такие как усадочные раковины, пористость, включения и т. д., чтобы повысить прочность основного материала рулона; повысить пластичность основного материала рулона и увеличить пластическую деформацию под напряжением. , уменьшить термическое напряжение; внутренняя структура хорошо графитизирована, а внешний слой высоколегированного материала должен быть максимально истончен, чтобы иметь хорошую теплопроводность и уменьшить разницу температур между внутренней и внешней сторонами. Разумно сформулировать процесс термической обработки для управления напряжением сжатия внешнего слоя в определенном диапазоне, чтобы уменьшить напряжение растяжения сердечника. На рисунке 3 представлена физическая фотография рулона, треснувшего из-за чрезмерного внутреннего напряжения.

Рисунок 3. Фактическое фото растрескивания рулона.

Когда рулон начинает прокатываться, должен быть процесс горячего проката, прокатка нескольких легкопрокатываемых сортов и контроль ритма прокатки. При необходимости предварительно нагрейте рулон перед установкой рулона. Обеспечьте хорошие условия охлаждения, строго запретите прокатку в закрытой воде и постарайтесь уменьшить градиент температуры между внутренними и внешними слоями; обычные железные рулоны должны иметь период естественного старения от полугода до одного года перед использованием, чтобы уменьшить остаточное напряжение в рулоне. Для горячекатаных тонких рулонов рекомендуется использовать контролируемое индукционное нагревательное оборудование (равномерный нагрев, контролируемая скорость нагрева) при предварительном нагреве рулонов. Температура предварительного нагрева составляет 380~420 ℃, а время предварительного нагрева составляет 6~7 часов летом и 10~12 часов зимой. Предварительный нагрев рулона нельзя делать слишком поспешно. Должно быть достаточно времени сохранения тепла, чтобы предотвратить поломку рулона из-за чрезмерного внутреннего напряжения, вызванного большой разницей температур. Фактически, поломка ролика часто вызвана недостаточным временем предварительного нагрева, образуя порочный круг. В то же время замененный валок следует немедленно поместить в яму медленного охлаждения для медленного охлаждения, чтобы избежать или ослабить возникновение регенеративного термического напряжения.

Распространение усталостных трещин и разрушение

В процессе прокатки трещины на валке подвергаются воздействию изгибающих напряжений. Если одна из трещин становится очень глубокой, ее невозможно устранить при интенсивной прокатке. При продолжении прокатки трещины быстро расширяются под действием знакопеременных термических напряжений и периодических изгибающих напряжений. В то же время из-за внедрения окалины из оксида железа и коррозии охлаждающей воды в процессе прокатки расширение трещин ускоряется. Когда усталостная трещина расширяется до определенной глубины, эффективный диаметр валка становится меньше и происходит поломка валка.

Рисунок 4 представляет собой фотографию разрушения валка, вызванного расширением кольцевых трещин в валках из сложенной тонкой пластины. Из рисунка 4 видно, что крупные карбиды в поверхностном слое тела валка являются хрупкими и вызывают термические трещины под действием знакопеременных термических напряжений. В процессе прокатки усталость расширяется в кольцевые трещины, а кольцевые трещины вызывают разрушение тела валка. При наблюдении за характеристиками дефектов сломанных валков обычных холоднокатаных твердых ламинированных тонких пластин было обнаружено, что распределение трещин в наружном слое средней части тела валка было в основном вертикальным и осевым. Это связано с высокой температурой в середине тела валка, наибольшим изгибающим моментом и частыми эффектами усталости изгиба в процессе прокатки. По мере прокатки этот тип трещин постепенно расширяется по окружному направлению и образует кольцевые трещины, уменьшая эффективное несущее сечение тела валка.

Рисунок 4. Разрушение валков, вызванное расширением кольцевых трещин в рабочий рулон

Для предотвращения поломки рулона из-за расширения трещины самое главное — обеспечить определенный вес рулона и использовать необходимые методы обнаружения. Такие методы, как дефектоскопия окраской, магнитопорошковая дефектоскопия, вихретоковая дефектоскопия и т. д., также могут использоваться для усиления поверхностной обработки рулона с целью повышения усталостной прочности рулона.

Поломка валков из-за дефектов литья

Внутри рулона могут быть такие дефекты, как усадочные раковины, рыхлость, шлаковые включения, поры и белые пятна. С одной стороны, эти дефекты снижают прочность материала, а с другой стороны, уменьшают эффективное несущее сечение. Они часто становятся источником трещин, которые постепенно расширяются под действием периодического напряжения и в конечном итоге приводят к поломке рулона. На рисунке 5 представлена физическая фотография рулона, сломанного из-за расширения источника дефекта. Как видно из рисунка 5, в поперечном сечении имеются включения и усталостные трещины, что приводит к снижению прочности рулона. Расширение усталостных трещин, в свою очередь, вызывает уменьшение эффективного несущего сечения. Сочетание этих двух факторов приводит к поломке рулона.

Рисунок 5. Источник дефекта, вызывающий поломку рулона

Разрыв рулона, вызванный ненормальной структурой

Недостаточная инокуляция чугунных валков, необоснованное распределение ингредиентов, слишком низкая температура литья, слишком высокая теплопроводность покрытия холодного типа и слишком тонкая толщина покрытия могут привести к тому, что белый слой валка будет слишком глубоким или все поперечное сечение будет транскристаллическим. Это серьезно снизит прочность валка и приведет к его поломке.

Валок из ковкого чугуна имеет плохую сфероидизацию или снижение сфероидизации. Когда графит в матрице существует в виде хлопьев, он серьезно разрушает непрерывность металлической матрицы, тем самым уменьшая эффективную площадь поперечного сечения металлической матрицы и вызывая локальную концентрацию напряжений после того, как валок нагружен. Локальный пик напряжения, вызванный разрушительным действием чешуйчатого графита, может достигать 10-20 раз главного напряжения. Чем меньше и длиннее радиус кривизны конца чешуйчатого графита, тем больше это значение. В этом случае прочность матрицы валка может быть эффективно использована только 30% - 50%. Обычно прочность ковкого чугуна превышает 300 МПа, в то время как прочность высокопрочного серого чугуна не превышает 270 МПа, а обычного серого чугуна - ниже 200 МПа.

Рецессия сфероидизации менее очевидна на валках малого и среднего размера, но довольно заметна на валках большого размера из ковкого чугуна. Когда расплавленный чугун остается в течение длительного времени, графит в верхней шейке валка не может сфероидизироваться. Появится крупный цветущий графит или дендритный графит (как показано на рисунке 6), что приведет к большой потере прочности матрицы и серьезному снижению прочности чугунного валка. Поэтому для валков из ковкого чугуна сфероидизация в расплавленном чугуне должна быть достаточной, а время седации после обработки сфероидизацией должно быть соответствующим образом сокращено, что полезно для снижения убыли ковкого чугуна.

Рисунок 6. Асферическая структура графита

В валках из высоконикелевого и высоконикелевого игольчатого ковкого чугуна и кованой стали, если количество мартенсита или остаточного аустенита слишком велико, аустенит преобразуется в мартенсит в процессе прокатки, что увеличит внутреннее напряжение валка. Это также может привести к поломке ролика.

Произошла авария, связанная с поломкой валка диаметром Φ880 мм из высокохромистого железа, используемого в сталепрокатном стане, и тело валка разломилось на две части. При изготовлении этого валка термическая обработка была проведена ненадлежащим образом из-за печи. Количество сорбита было явно недостаточным, а количество мартенсита (остаточного аустенита) было слишком большим. В результате в процессе эксплуатации валка структурное напряжение превращения увеличивается, что приводит к поломке валка. Его металлографическая структура показана на рисунке 7.

Рисунок 7 Металлографическая диаграмма с избыточным количеством остаточного аустенита

Для кованых стальных валков сегрегация компонентов (макро- и микросегрегация) является фактором, который нельзя игнорировать. Сегрегация делает всю структуру отливки неоднородной. Во время термообработки и закалки разница в скорости охлаждения по сечению усиливает неоднородность структуры. Верхний бейнит склонен к раскалыванию, и может возникнуть хрупкое разрушение. Феррит имеет низкую усталостную прочность и склонен к усталостным ядрам; когда карбид или графит сильно сегрегированы, это также серьезно ослабит прочность валка и станет источником усталости. Когда напряжение достаточно велико, это приведет к поломке валка.

Поломка валков, вызванная качеством шейки валка

Материал шейки валка не соответствует требованиям. Материал шейки валка имеет низкий предел текучести и плохую усталостную прочность, что приводит к появлению усталостных трещин в шейке валка под действием большого усилия прокатки или знакопеременного изгибающего напряжения. Для литейных валков из-за недостаточной подачи расплавленной стали во время конденсации на шейке валка образуются усадочные раковины, что снижает прочность шейки валка. Он не может выдерживать чрезмерные нагрузки крутящего момента во время прокатки стали, и шейка валка легко сломается, сломается головка torx и шпоночный паз. . Для уменьшения таких дефектов были приняты такие меры, как корректировка химического состава, повышение прочности материала, соответствующее повышение температуры литья, увеличение пенеемкости и последовательное затвердевание.

Поломка ролика в результате использования

Поломка ролика из-за ошибок в эксплуатации

Основные причины: в процессе производства прокатки стали, прокатка низкотемпературной стали и стали с черными головками или несоблюдение технологических процедур, слепое увеличение степени обжатия и уменьшение количества проходов прокатки, что приводит к чрезмерному давлению прокатки, что приводит к поломке валков. После прокатки в закрытой воде охлаждающая вода подается слишком быстро, что приводит к поломке валков из-за чрезмерного термического напряжения. Валки установлены неправильно, и валки нагружаются неравномерно во время работы, что приводит к локальной перегрузке и поломке валков; при холодной прокатке тонких листов усилие прижима валков слишком велико, а крутящий момент больше крутящего момента прокатки, и головка вала может быть скручена при запуске прокатного стана.

Поломка ролика из-за неправильной конструкции

Расчетный радиус галтели у основания шейки валка слишком мал, что приводит к концентрации напряжений и неправильному выбору материала валка, что приводит к поломке валка.

Поломка ролика по причинам, связанным с оборудованием

Компоненты в трансмиссионной части прокатного стана изнашиваются, что приводит к дополнительному изгибающему напряжению в шейке валка и головке вала, что приводит к поломке шейки валка или конца трансмиссии. Подшипник выгорает из коробки, что приводит к слишком высокой температуре шейки валка и поломке шейки валка. В высокоскоростных прокатных станах высокоскоростной удар прокатываемой детали вызывает крутильную вибрацию в системе трансмиссии, что может увеличить нагрузку напряжения в несколько раз. Напряжение, создаваемое крутильной вибрацией, также может вызвать усталостное разрушение валка. Это явление становится все более серьезным по мере того, как прокатные станы переходят на высокоскоростные, мощные и многоякорные приводы двигателей, и его следует рассматривать с точки зрения прочности валка.

Заключение

Листовые и полосовые сталепрокатные заводы должны уделять достаточно внимания выбору и использованию валков. Качество использования напрямую связано с производительностью производственной линии и качеством стальных листов. Оно должно начинаться как с производства, так и с использования. Улучшайте внутреннее качество валков, чтобы предотвратить ненормальный слом, обеспечивая при этом плановую замену валков и их рациональное использование, чтобы продлить срок службы валков и снизить расход валков. Производители и пользователи валков должны укреплять связь и постоянно обобщать опыт для удовлетворения производственных потребностей средних и толстых листов.