Исследование трещин термического повреждения на рабочих валках непрерывной горячей прокатки высокохромистого чугуна

Различные типы трещин будут возникать в рабочие валки горячей прокатки в течение всего жизненного цикла производства и использования. Для обеспечения безопасности производства прокатных станов и валков эти трещины, особенно трещины от механического удара и трещины производственных дефектов, должны быть удалены в соответствии с требованиями технологического процесса производства. Однако валки являются основными запасными частями для процесса прокатки стали. Большое количество отклонений валков неизбежно приведет к увеличению затрат на прокатку стали. Это также повлияет на эффективность оборота и эффективность подготовки валков, что повлияет на стабильность и безопасность производства. Для решения вышеуказанных проблем на машине была использована опытная полоса рабочих валков из высокохромистого чугуна с трещинами термического повреждения в передней части чистовой прокатки.

Существует три основных типа трещин, образующихся при использовании рабочих валков горячей прокатки, а именно механические трещины, усталостные трещины и трещины термического повреждения (вызванные перегревом застрявшей стали и т. д.). Определенная линия горячей прокатки имеет высокий уровень аварийности в передней части чистовой прокатки (F1 ~ F4), в основном включая проскальзывание и заклинивание F1, скопление стали F1 ~ F4 и т. д. Это приводит к высоким потерям рабочих валков из высокохромистого железа на передней стадии чистовой прокатки, в среднем более 60 мм в месяц, из которых потери от трещин термического повреждения составляют около 80%. Согласно требованиям производственного процесса, эти трещины должны быть удалены для обеспечения эксплуатационной безопасности прокатного стана и валков. Однако для того, чтобы снизить себестоимость прокатки стали (стоимость расхода валков и стоимость шлифования) и повысить эффективность шлифования и эффективность оборота валков, необходимо изучить механизм использования рабочих валков с горячими трещинами на чистовой прокатке из высокохромистого чугуна.

Анализ напряжений рабочие валки в передней части чистовой прокатки

В дополнение к усилию прокатки рабочий валок чистовой прокатки также испытывает силу трения, микронапряжение, термическое напряжение и т. д. во время процесса прокатки. Однако трение, микронапряжение и термическое напряжение намного меньше, чем усилие прокатки. Поэтому при анализе напряжения рабочего валка чистовой прокатки в основном рассматривается роль усилия прокатки. Как показано на рисунке 1, когда поверхность валика A находится в контакте с полосой, приблизительно считается, что результирующая сила положительного давления и силы трения там эквивалентна усилию прокатки. Максимальное усилие прокатки передней клети чистовой прокатки линии горячей тандемной прокатки составляет 35 МН. Обычно усилие прокатки составляет 15~20 МН при нормальном производстве.

Рисунок 1. Принципиальная схема напряжений в процессе прокатки чистовых прокатных валков

Анализ критических условий распространения трещин термического повреждения Рабочие валки из высокохромистого чугуна во время работы

В данной статье рассматривается использование трещин термического повреждения на рабочих валках из высокохромистого железа на ранней стадии чистовой прокатки. Для этой цели цитируется концепция критериев разрушения материала. Исходя из уравнения упругой механики или уравнения упругопластической механики, трещина рассматривается как состояние, рассматриваются поля напряжений, деформаций и смещений в вершине трещины, и устанавливается критическое условие расширения трещины – критерий разрушения.

По форме трещины в деталях обычно делятся на три типа: сквозные трещины, поверхностные трещины и скрытые трещины, как показано на рисунке 2:

Рисунок 2. Схематическая диаграмма различных форм трещин: (а) проникающая трещина; (б) поверхностная трещина; (в) скрытая трещина

Трещины термического повреждения рабочих валков из высокохромистого железа на ранней стадии чистовой прокатки, как правило, являются поверхностными трещинами. По этой причине мы в основном изучаем вязкость разрушения поверхностных трещин. В лаборатории эксперименты по вязкости разрушения проводились на валках из высокохромистого железа. Интенсивность напряжения в каждой точке вблизи вершины трещины связана с величиной σ√πa. То есть напряжение в каждой точке вблизи вершины трещины не увеличивается и не уменьшается пропорционально растягивающему напряжению σ на компоненте, но увеличивается или уменьшается пропорционально σ√πa. σ√πa называется коэффициентом интенсивности напряжений и записывается как KI. Единица измерения — МПа⋅м1/2МПа⋅м1/2, KI = σ√πa, где a — глубина трещины.

По мере увеличения нагрузки коэффициент интенсивности напряжений KI также постепенно увеличивается. Экспериментальные результаты показывают, что при достижении определенного критического значения KIc трещина будет распространяться нестабильно, что приведет к разрушению компонента. KIc называется кратковременной трещиностойкостью. То есть, если коэффициент прочности на разрыв KI ниже KIc, распространение трещины в компоненте не произойдет.

По словам инженера Фумио Танаки из сталелитейного завода Mizushima компании Kawasaki Steel в Японии, критерий механики разрушения использовался для определения предела использования валка, KI=1,12σ√πa⩽KIc. Теоретически рассчитанные по этой формуле трещины глубиной менее 10,59 мм могут нормально использоваться при воздействии усилия прокатки 34 МН. Следовательно, рабочие валки из высокохромистого железа в передней части чистовой прокатки прокатной линии могут нормально использоваться на машине.

Компьютерные эксперименты и анализ

Характеристика морфологии трещин термического повреждения и характеристик вихревых токов

После того, как рабочий валок из высокохромистого железа в чистовой прокатке заклинивает, в зоне прохождения стали обычно образуется зона трещины термического повреждения. Форма трещин, как правило, сетчатая (рисунок 3), глубиной 3~10 мм, а поверхность валка аномально очевидна после извлечения из машины. После шлифования валка будет проведен вихретоковый контроль. Будет обнаружено, что результаты обнаружения включают полосы значений трещин и полосы значений точек размягчения, соответствующие трещинам на теле валка, вдоль осевого направления валка (рисунок 4). Пороговые значения значений трещин вихревого тока и точек размягчения составляют 0,2 и 0,4 соответственно, и все, что превышает эти значения, считается ненормальным.

Рисунок 3 Морфология горячих трещин на поверхности застрявшего стального ролика

Рисунок 4 Морфология горячих трещин на поверхности застрявшего стального ролика

Обнаружение и гарантийные работы для экспериментов с трещинами

Результаты вихретокового контроля дают обратную связь об изменениях в термических трещинах. Значение вихретокового трещинообразования и значение точки мягкости зоны горячей трещины обычно изменяются мало или продолжают уменьшаться, что указывает на то, что трещина постепенно ослабевает. В то же время, в сочетании с наблюдением за формой зоны трещины (ширина зоны горячей трещины в осевом и окружном направлениях становится уже, граница трещины становится тоньше и т. д.), определяется, может ли рулон непрерывно использоваться на машине.

Используйте угловые зонды для обнаружения и анализа изменений глубины трещин. После каждой шлифовки рабочего валка с термическими трещинами можно использовать ультразвуковой наклонный зонд для обнаружения глубины трещин. Если глубина, обнаруженная наклонным зондом, постепенно уменьшается, это указывает на то, что трещина постепенно устраняется.

Используйте двухэлементные прямые зонды для обнаружения и анализа роста термических трещин. Двухэлементное прямое зондовое обнаружение является наиболее важным, и его основная функция заключается в проверке того, расширяется ли трещина под углом. Согласно характеристикам продольных волн, если трещина перпендикулярна поперечному сечению поверхности валка, двухэлементный зонд не может ее обнаружить и может обнаружить только отраженную волну связующего слоя. Когда трещина распространяется, волна трещины, обнаруженная двойными кристаллами, показывает явление «волнового блуждания», постепенно углубляясь от мелкого к мелкому.

Экспериментальная работа и результаты

В начале эксперимента в качестве экспериментальных объектов сначала использовались валки с более мелкими трещинами. После того, как трещины были устранены нормально, постепенно испытывались валки с более глубокими трещинами, а последующие эксперименты проводились на валках с диаметром, близким к браку. В результате все восемь экспериментальных валков использовались до тех пор, пока трещины не были устранены нормально, или трещины не стали нормальными и не были списаны, что показывает, что рабочие валки из быстрорежущей стали в передней части чистовой прокатки можно безопасно использовать с горячими трещинами. Подробные экспериментальные данные приведены в таблице 1.

Таблица 1 Экспериментальные условия образования горячих трещин на рабочих валках из высокохромистого чугуна в передней части чистовой прокатки

Затем модифицируйте систему использования, чтобы включить валки с термическими трещинами на машине в нормальное использование, а аварийные валки с трещинами на машине, цикл замены валков и количество шлифования такие же, как у обычных валков. После внедрения системы потери шлифования горячих трещин высокохромистого железа сокращаются более чем на 40 мм в месяц, и экономится большое количество затрат, таких как шлифовальные круги, смазочно-охлаждающие жидкости и ручная шлифовка. Это облегчает ситуацию с большими инвестициями в рабочие валки, большой капитальной занятостью и плотным оборотом на переднем этапе чистовой прокатки на месте.

Заключение

Теоретические расчеты и экспериментальная проверка показывают, что рабочие валки из высокохромистого железа в передней части чистовой прокатки могут использоваться на машине с трещинами термического повреждения, а цикл смены валков и количество шлифования могут соответствовать обычным валкам. Скорость роста трещин меньше, чем нормальное уменьшение диаметра валков, а трещины термического повреждения постепенно исчезают по мере использования валков. На месте использования ультразвуковой двухэлементный зонд не может обнаружить наличие трещин, то есть направление трещин соответствует направлению ультразвуковых волн и перпендикулярно поверхности среза поверхности валков.

Рабочие валки из высокохромистого железа с трещинами термического повреждения на начальном этапе чистовой прокатки устанавливаются на машину, что не только снижает аномальные потери рабочих валков из высокохромистого железа, но и экономит много средств, таких как шлифовальные круги, смазочно-охлаждающие жидкости и ручная шлифовка. Это также облегчает ситуацию с большим количеством рабочих валков и плотным оборотом на начальном этапе чистовой прокатки на месте, что имеет большое значение.