Khảo sát vết nứt do nhiệt trên lô cán liên tục thép có hàm lượng crom cao

Nhiều loại vết nứt sẽ xảy ra trong cuộn cán nóng trong toàn bộ vòng đời sản xuất và sử dụng. Để đảm bảo an toàn sản xuất của máy cán và lô, các vết nứt này, đặc biệt là vết nứt do va đập cơ học và vết nứt do lỗi sản xuất, phải được loại bỏ theo yêu cầu của quy trình sản xuất. Tuy nhiên, lô là phụ tùng thay thế chính cho quy trình cán thép. Số lượng lớn các bất thường của lô chắc chắn sẽ dẫn đến tăng chi phí cán thép. Nó cũng sẽ ảnh hưởng đến hiệu quả luân chuyển và hiệu quả chuẩn bị lô của lô, ảnh hưởng đến tính ổn định và an toàn của sản xuất. Để giải quyết các vấn đề trên, dải lô làm việc bằng sắt crom cao thử nghiệm có vết nứt hư hỏng do nhiệt ở phần trước của quá trình cán hoàn thiện đã được sử dụng trên máy.

Có ba loại vết nứt chính phát sinh trong quá trình sử dụng lô cán nóng, cụ thể là vết nứt cơ học, vết nứt mỏi và vết nứt hư hỏng nhiệt (do thép bị kẹt quá nhiệt, v.v.). Một dây chuyền cán nóng nhất định có tỷ lệ tai nạn cao ở phần đầu của quá trình cán hoàn thiện (F1 ~ F4), chủ yếu bao gồm trượt và kẹt F1, chồng thép F1 ~ F4, v.v. Điều này dẫn đến tổn thất lớn đối với lô cán sắt có hàm lượng crom cao ở giai đoạn cán hoàn thiện phía trước, trung bình hơn 60 mm mỗi tháng, trong đó tổn thất do vết nứt hư hỏng nhiệt chiếm khoảng 80%. Theo yêu cầu của quy trình sản xuất, các vết nứt này phải được loại bỏ để đảm bảo an toàn vận hành của máy cán và lô. Tuy nhiên, để giảm chi phí cán thép (chi phí tiêu thụ lô và chi phí nghiền) và cải thiện hiệu suất nghiền và hiệu suất luân chuyển của lô, cần phải khám phá cơ chế sử dụng lô cán có vết nứt nóng trên vật liệu sắt có hàm lượng crom cao của quá trình cán hoàn thiện.

Phân tích ứng suất của cuộn làm việc ở phần trước của quá trình cán hoàn thiện

Ngoài lực lăn, lô cán hoàn thiện còn chịu lực ma sát, lực căng vi mô, ứng suất nhiệt, v.v. trong quá trình cán. Tuy nhiên, lực ma sát, lực căng vi mô và ứng suất nhiệt nhỏ hơn nhiều so với lực cán. Do đó, khi phân tích ứng suất của lô cán hoàn thiện, vai trò của lực cán chủ yếu được xem xét. Như thể hiện trong Hình 1, khi bề mặt lô A tiếp xúc với dải, có thể coi gần đúng rằng lực tổng hợp của áp suất dương và lực ma sát ở đó tương đương với lực cán. Lực cán tối đa của giá đỡ đầu cán hoàn thiện của dây chuyền cán nóng song song là 35 MN. Nhìn chung, lực cán là 15~20 MN trong quá trình sản xuất bình thường.

Hình 1 Sơ đồ ứng suất trong quá trình cán của các lô cán hoàn thiện

Phân tích các điều kiện quan trọng cho sự lan truyền vết nứt hư hỏng do nhiệt của cuộn làm việc bằng sắt có hàm lượng crom cao trong quá trình hoạt động

Bài viết này khám phá việc sử dụng các vết nứt do nhiệt trên các lô cán sắt có hàm lượng crom cao trong giai đoạn đầu của quá trình cán hoàn thiện. Với mục đích này, khái niệm về tiêu chí gãy vật liệu được trích dẫn. Bắt đầu từ phương trình cơ học đàn hồi hoặc phương trình cơ học đàn hồi-dẻo, vết nứt được coi là một điều kiện, ứng suất, biến dạng và trường dịch chuyển tại đầu vết nứt được xem xét và điều kiện quan trọng cho sự giãn nở của vết nứt – tiêu chí gãy được thiết lập.

Theo hình dạng vết nứt trong cấu kiện, chúng thường được chia thành ba loại: vết nứt xuyên thấu, vết nứt bề mặt và vết nứt chôn vùi, như thể hiện trong Hình 2:

Hình 2 Sơ đồ các hình dạng vết nứt khác nhau: (a) vết nứt xuyên thấu; (b) vết nứt bề mặt; (c) vết nứt chôn vùi

Các vết nứt hư hỏng do nhiệt của các lô làm việc bằng sắt có hàm lượng crom cao trong giai đoạn đầu của quá trình cán hoàn thiện thường là các vết nứt bề mặt. Vì lý do này, chúng tôi chủ yếu nghiên cứu độ dẻo dai gãy của các vết nứt bề mặt. Trong phòng thí nghiệm, các thí nghiệm về độ dẻo dai gãy đã được tiến hành trên các lô làm bằng sắt có hàm lượng crom cao. Cường độ ứng suất tại mỗi điểm gần đầu vết nứt có liên quan đến lượng σ√πa. Nghĩa là, ứng suất tại mỗi điểm gần đầu vết nứt không tăng hoặc giảm theo tỷ lệ ứng suất kéo σ trên chi tiết, mà tăng hoặc giảm theo tỷ lệ σ√πa. σ√πa được gọi là hệ số cường độ ứng suất và được ghi là KI. Đơn vị là MPa⋅m1/2MPa⋅m1/2, KI =σ√πa, trong đó a là độ sâu vết nứt.

Khi tải trọng tăng, hệ số cường độ ứng suất KI cũng tăng dần. Kết quả thực nghiệm cho thấy khi đạt đến một giá trị tới hạn KIc nào đó, vết nứt sẽ lan truyền không ổn định, khiến cấu kiện bị gãy. KIc được gọi là độ dai nứt ngắn. Nghĩa là nếu hệ số cường độ gãy KI thấp hơn KIc, sự lan truyền vết nứt sẽ không xảy ra trong cấu kiện.

Theo Kỹ sư Fumio Tanaka của Nhà máy thép Mizushima thuộc Kawasaki Steel tại Nhật Bản, tiêu chuẩn cơ học gãy đã được sử dụng để xác định giới hạn sử dụng của lô, KI = 1,12σ√πa⩽KIc. Về mặt lý thuyết, tính toán từ công thức này, các vết nứt có độ sâu nhỏ hơn 10,59 mm có thể được sử dụng bình thường dưới tác động của lực cán là 34 MN. Do đó, các lô làm việc bằng sắt có hàm lượng crom cao ở phần trước của quá trình cán hoàn thiện của dây chuyền cán có thể được sử dụng bình thường trên máy.

Thí nghiệm và phân tích máy tính

Đặc điểm hình thái vết nứt hư hỏng do nhiệt và đặc điểm dòng điện xoáy

Sau khi lô làm việc bằng sắt crom cao trong quá trình cán hoàn thiện bị kẹt, vùng nứt do nhiệt thường sẽ được tạo ra ở vùng thép đi qua. Hình dạng của các vết nứt thường giống như lưới (Hình 3), với độ sâu từ 3 ~ 10 mm và bề mặt lô trở nên rõ ràng bất thường sau khi được lấy ra khỏi máy. Sau khi lô được mài, sẽ tiến hành thử nghiệm dòng điện xoáy. Sẽ thấy rằng kết quả phát hiện bao gồm các dải giá trị vết nứt và các dải giá trị điểm mềm tương ứng với các vết nứt trên thân lô, dọc theo hướng trục của lô (Hình 4). Ngưỡng của giá trị vết nứt dòng điện xoáy và giá trị điểm mềm lần lượt là 0,2 và 0,4 và bất kỳ giá trị nào vượt quá đều được coi là bất thường.

Hình 3 Hình thái vết nứt nóng trên bề mặt con lăn thép bị kẹt

Hình 4 Hình thái vết nứt nóng trên bề mặt con lăn thép bị kẹt

Phát hiện và đảm bảo công việc cho các thí nghiệm có vết nứt

Kết quả thử nghiệm dòng điện xoáy phản hồi lại những thay đổi trong vết nứt nhiệt. Giá trị vết nứt dòng điện xoáy và giá trị điểm mềm của vùng vết nứt nóng nói chung ít thay đổi hoặc tiếp tục giảm, cho thấy vết nứt đang dần yếu đi. Đồng thời, kết hợp với việc quan sát hình dạng của vùng vết nứt (chiều rộng của vùng vết nứt nóng theo hướng trục và chu vi hẹp hơn, ranh giới vết nứt mỏng hơn, v.v.) có thể xác định được liệu trục có thể tiếp tục sử dụng trên máy hay không.

Sử dụng đầu dò góc để phát hiện và phân tích những thay đổi về độ sâu vết nứt. Sau mỗi lần mài trục cán có vết nứt do nhiệt, có thể sử dụng đầu dò xiên siêu âm để phát hiện độ sâu của vết nứt. Nếu độ sâu mà đầu dò xiên phát hiện giảm dần, điều đó cho biết vết nứt đã dần được loại bỏ.

Sử dụng đầu dò thẳng hai phần tử để phát hiện và phân tích sự phát triển của vết nứt nhiệt. Phát hiện đầu dò thẳng hai phần tử là quan trọng nhất và chức năng chính của nó là kiểm tra xem vết nứt có đang mở rộng theo một góc hay không. Theo đặc điểm của sóng dọc, nếu vết nứt vuông góc với mặt cắt ngang của bề mặt cuộn, đầu dò hai phần tử không thể phát hiện ra và chỉ có thể phát hiện sóng phản xạ của lớp liên kết. Khi vết nứt lan truyền, sóng vết nứt do tinh thể đôi phát hiện cho thấy hiện tượng "sóng đi bộ", dần dần sâu hơn từ nông đến nông.

Công việc thực nghiệm và kết quả

Vào đầu thí nghiệm, các lô có vết nứt nông hơn được sử dụng làm đối tượng thí nghiệm đầu tiên. Sau khi các vết nứt được loại bỏ bình thường, các lô có vết nứt sâu hơn được thử nghiệm dần dần và các thí nghiệm tiếp theo được thực hiện trên các lô có đường kính gần với phế liệu. Kết quả là, tất cả tám lô thí nghiệm đều được sử dụng cho đến khi các vết nứt được loại bỏ bình thường hoặc các vết nứt trở lại bình thường và bị loại bỏ, điều này cho thấy các lô gia công thép tốc độ cao ở phần trước của quá trình cán hoàn thiện có thể được sử dụng an toàn với các vết nứt nóng. Dữ liệu thí nghiệm chi tiết được thể hiện trong Bảng 1.

Bảng 1 Điều kiện thực nghiệm của các vết nứt nóng trên các lô cán sắt có hàm lượng crom cao ở phần trước của quá trình cán hoàn thiện

Sau đó sửa đổi hệ thống sử dụng để đưa các lô có vết nứt nhiệt trên máy vào sử dụng bình thường, và các lô tai nạn có vết nứt trên máy, chu kỳ thay thế lô và lượng nghiền giống như các lô thông thường. Sau khi triển khai hệ thống, tổn thất nghiền nứt nóng của sắt crom cao giảm hơn 40 mm mỗi tháng và tiết kiệm được một lượng lớn chi phí như đá mài, chất lỏng cắt và mài thủ công. Nó làm giảm tình trạng đầu tư lớn vào các lô làm việc, chiếm dụng vốn lớn và luân chuyển chặt chẽ trong giai đoạn đầu của quá trình cán hoàn thiện tại chỗ.

Phần kết luận

Tính toán lý thuyết và kiểm chứng thực nghiệm cho thấy các lô làm việc bằng sắt có hàm lượng crom cao ở phần trước của quá trình cán hoàn thiện có thể được sử dụng trên máy có vết nứt do hư hỏng nhiệt, và chu kỳ thay lô và lượng nghiền có thể phù hợp với các lô thông thường. Tốc độ phát triển vết nứt nhỏ hơn so với độ giảm đường kính thông thường của lô và các vết nứt do hư hỏng nhiệt dần biến mất khi lô được sử dụng. Tại nơi sử dụng, đầu dò siêu âm hai phần tử không thể phát hiện ra sự tồn tại của vết nứt, nghĩa là hướng của vết nứt phù hợp với hướng của sóng siêu âm và vuông góc với bề mặt cắt của bề mặt lô.

Các lô cán thép hợp kim crom cao có vết nứt do nhiệt ở giai đoạn đầu cán hoàn thiện được đưa vào máy, không chỉ làm giảm tổn thất bất thường của lô cán thép hợp kim crom cao mà còn tiết kiệm rất nhiều chi phí như đá mài, chất lỏng cắt và mài thủ công. Nó cũng làm giảm tình trạng đầu vào lô cán nặng và tình trạng luân chuyển chặt chẽ ở giai đoạn đầu cán hoàn thiện tại chỗ, điều này có ý nghĩa rất lớn.