Phân tích nguyên nhân gây gãy trục cán trong máy cán tấm và cán dải

Tóm tắt: Bài báo này mô tả vấn đề gãy của lô cán, mô tả trạng thái gãy, phân tích nguyên nhân gây gãy, giải thích cơ chế và chức năng của gãy do nhiều nguyên nhân khác nhau và đề xuất các biện pháp tránh gãy lô cán.

Từ khóa:cuộn làm việc; gãy xương; ứng suất dư; khuyết tật cấu trúc

Lời nói đầu

Gãy lăn là dạng hư hỏng nghiêm trọng nhất của máy cán. Nó không chỉ gây ra tổn thất về con lăn và vật liệu cán mà còn có thể ảnh hưởng đến sự an toàn của thiết bị và con người. Sẽ mất nhiều thời gian để xử lý tai nạn và ảnh hưởng đến tốc độ hoạt động của máy. máy cán.

Sự đứt gãy của dải cuộn công việc có thể xảy ra ở thân cuộn, cổ cuộn và đầu trục truyền động. Thường có hai loại nguyên nhân gây ra gãy cuộn: một là do vật liệu cuộn hoặc chất lượng sản xuất, do các khuyết tật vốn có trong chính cuộn, chẳng hạn như ứng suất dư quá mức sau khi sản xuất, khuyết tật đúc hoặc xử lý nhiệt không đúng cách gây ra các cấu trúc bất thường, tạp chất bên trong, v.v. Loại còn lại thuộc về các điều kiện quy trình cán và điều kiện sử dụng, nghĩa là ứng suất tăng lên do các lý do bên ngoài, chẳng hạn như nứt nhiệt nghiêm trọng trên bề mặt cuộn, quá tải và điều kiện làm mát kém. Trong nhiều trường hợp, gãy cuộn là do sự kết hợp của nhiều yếu tố.

Các chế độ gãy xương chính và nguyên nhân

Ứng suất dư và gãy do sốc nhiệt

Khi bắt đầu cán, con lăn tiếp xúc với vật liệu cán nhiệt độ cao. Khi quá trình cán diễn ra, nhiệt độ tăng dần. Trong quá trình này, nhiệt độ bề mặt của con lăn cao, nhưng lõi vẫn ở nhiệt độ thấp và nhiệt độ được phân phối theo hướng xuyên tâm. Như thể hiện trong Hình 1.

Hình 1 Biểu đồ phân bố nhiệt độ cuộn theo hướng xuyên tâm

Nhiệt độ phân bố theo hình parabol theo hướng xuyên tâm. Nhiệt độ bề mặt tăng lên và thể tích giãn nở. Sự giãn nở này bị cản trở bởi lõi nhiệt độ thấp và tạo ra ứng suất. Ứng suất nhiệt tạo ra có thể phân tích thành ba phần: ứng suất dọc (σz), ứng suất tiếp tuyến (σt) và ứng suất hướng tâm (σr). Ứng suất nhiệt theo ba hướng có thể được tính toán dựa trên lý thuyết đàn hồi. Ngoài ứng suất hướng tâm là ứng suất kéo theo hướng bán kính, ứng suất dọc và ứng suất tiếp tuyến ở trạng thái nén trên bề mặt, trong khi lõi ở trạng thái kéo. Ứng suất nhiệt và ứng suất dư trong quá trình cán chồng lên nhau, tạo ra ứng suất kéo tổng hợp lớn ở tâm. Khi ứng suất tổng hợp vượt quá độ bền kéo của vật liệu, các vết nứt sẽ xảy ra ở lõi của cuộn và thậm chí cuộn có thể bị gãy. Nếu có các lỗ rỗng co ngót, độ xốp và khuyết tật tạp chất, tình trạng vỡ cuộn sẽ trầm trọng hơn.

Một số con lăn có độ cứng cao thường vỡ thành nhiều mảnh vì ứng suất dư của những con lăn này cao. Nếu đỉnh ứng suất dư cao dưới bề mặt con lăn quá gần bề mặt, thiệt hại thảm khốc sẽ xảy ra do ứng suất nhiệt và cơ học, hoặc các vết nứt bề mặt và thiệt hại mở rộng đến vùng ứng suất kéo. Các yếu tố khác thúc đẩy loại thiệt hại này là: sự phân hủy của một lượng lớn austenit dư trong cấu trúc con lăn trong quá trình vận hành con lăn, làm tăng ứng suất bên trong cùng với sự giãn nở thể tích. Hàm lượng hydro cao trong con lăn thép và các tác hại có hại của nó (nứt giòn); các khuyết tật bên dưới bề mặt, đặc biệt là khi chúng có mặt ở các khu vực có ứng suất kéo cao.

Ứng suất dư trong giai đoạn cán hoàn thiện cuối cùng của một cuộn NiCr cao trong một máy cán song song băng nóng có đường kính 650 mm đã được đo, như thể hiện trong Hình 2. Như có thể thấy từ Hình 2, ứng suất dư theo hướng trục của lõi cuộn có thể đạt tới 12 kg/mm2 và độ bền kéo cực đại của nó σb=19 ~27kg/mm2. Do đó, nếu ứng suất dọc do ứng suất nhiệt gây ra là >7 ~ 10 kg/mm2, cuộn sẽ bị gãy bắt đầu từ lõi. Dạng gãy này cũng được gọi là gãy sốc nhiệt.

Hình 2 Biểu đồ phân bố ứng suất dư của cuộn NiCr cao

Để tránh loại gãy do sốc nhiệt này, khi sản xuất các cuộn, các khuyết tật bên trong, chẳng hạn như lỗ co ngót, độ xốp, tạp chất, v.v., nên được giảm thiểu để cải thiện độ bền của vật liệu lõi; tăng độ dẻo của vật liệu lõi của cuộn và tăng biến dạng dẻo dưới ứng suất. , giảm ứng suất nhiệt; cấu trúc bên trong được than hóa tốt và lớp ngoài bằng vật liệu hợp kim cao nên được làm mỏng càng nhiều càng tốt để có độ dẫn nhiệt tốt và giảm chênh lệch nhiệt độ giữa bên trong và bên ngoài. Lập công thức hợp lý cho quy trình xử lý nhiệt để kiểm soát ứng suất nén của lớp ngoài trong một phạm vi nhất định để giảm ứng suất kéo lõi. Hình 3 là ảnh chụp vật lý của một cuộn bị nứt do ứng suất bên trong quá mức.

Hình 3 Ảnh thực tế của vết nứt cuộn

Khi lô bắt đầu cán, phải có quá trình cán nóng, cán nhiều loại dễ cán và kiểm soát nhịp cán. Nếu cần, hãy làm nóng lô trước khi lắp lô. Đảm bảo điều kiện làm mát tốt, nghiêm cấm cán nước kín và cố gắng giảm độ chênh lệch nhiệt độ giữa lớp trong và lớp ngoài; lô sắt thông thường phải có thời gian lão hóa tự nhiên từ nửa năm đến một năm trước khi sử dụng để giảm ứng suất dư trong lô. Đối với lô tấm mỏng cán nóng, nên sử dụng thiết bị gia nhiệt cảm ứng có thể kiểm soát được (gia nhiệt đều, tốc độ gia nhiệt có thể kiểm soát được) khi gia nhiệt trước lô. Nhiệt độ gia nhiệt trước là 380 ~ 420 ℃ và thời gian gia nhiệt trước là 6 ~ 7 giờ vào mùa hè và 10 ~ 12 giờ vào mùa đông. Không thể làm nóng trước lô quá vội vàng. Phải có đủ thời gian giữ nhiệt để tránh vỡ lô do ứng suất bên trong quá mức do chênh lệch nhiệt độ lớn. Trên thực tế, vỡ lô thường do thời gian gia nhiệt trước không đủ, tạo thành một vòng luẩn quẩn. Đồng thời, lô thay thế phải được đưa ngay vào hố làm nguội chậm để tránh hoặc làm suy yếu sự phát sinh ứng suất nhiệt tái sinh.

Sự lan truyền vết nứt do mỏi và gãy xương

Trong quá trình cán, các vết nứt trên lô chịu ảnh hưởng của ứng suất uốn. Nếu một trong các vết nứt trở nên rất sâu, không thể loại bỏ trong quá trình cán nặng. Khi tiếp tục cán, các vết nứt mở rộng nhanh chóng dưới tác động của ứng suất nhiệt xen kẽ và ứng suất uốn định kỳ. Đồng thời, do sự nhúng của lớp oxit sắt và sự ăn mòn của nước làm mát trong quá trình cán, sự mở rộng của các vết nứt được tăng tốc. Khi độ mỏi vết nứt mở rộng đến một độ sâu nhất định, đường kính hiệu dụng của lô trở nên nhỏ hơn và xảy ra hiện tượng vỡ lô.

Hình 4 là ảnh chụp vết nứt cuộn do sự giãn nở của các vết nứt hình khuyên trong cuộn của một tấm mỏng xếp chồng. Có thể thấy từ Hình 4 rằng các cacbua lớn trong lớp bề mặt của thân cuộn giòn và gây ra các vết nứt nhiệt dưới tác động của ứng suất nhiệt xen kẽ. Trong quá trình cán, mỏi giãn nở thành các vết nứt hình khuyên và các vết nứt hình khuyên làm cho thân cuộn bị gãy. Khi quan sát các đặc điểm lỗi của các cuộn bị gãy của các cuộn tấm mỏng cán mỏng cứng lạnh thông thường, người ta thấy rằng sự phân bố vết nứt ở lớp ngoài của phần giữa thân cuộn chủ yếu là theo chiều dọc và theo trục. Điều này là do nhiệt độ cao ở giữa thân cuộn, mômen uốn lớn nhất và các hiệu ứng mỏi uốn thường xuyên trong quá trình cán. Khi cán tiến hành, loại vết nứt này dần dần giãn nở theo hướng chu vi và hình thành các vết nứt hình khuyên, làm giảm tiết diện chịu tải hiệu dụng của thân cuộn.

Hình 4. Gãy lăn do sự mở rộng của các vết nứt hình khuyên trong cuộn công việc

Để ngăn ngừa sự cố vỡ lô do sự giãn nở vết nứt, điều quan trọng nhất là đảm bảo lô có trọng lượng nhất định và áp dụng các phương pháp phát hiện cần thiết. Các phương pháp như phát hiện lỗi màu, phát hiện lỗi hạt từ, phát hiện lỗi dòng điện xoáy, v.v. cũng có thể được sử dụng để tăng cường xử lý bề mặt của lô để cải thiện độ bền mỏi của lô.

Vỡ cuộn do lỗi đúc

Có thể có các khuyết tật như lỗ rỗng co ngót, lỏng lẻo, tạp chất xỉ, lỗ rỗng và đốm trắng bên trong cuộn. Một mặt, các khuyết tật này làm giảm độ bền của vật liệu và mặt khác, chúng làm giảm tiết diện chịu tải hiệu quả. Chúng thường trở thành nguồn gốc của các vết nứt, dần dần mở rộng dưới tác động của ứng suất tuần hoàn và cuối cùng khiến cuộn bị gãy. Hình 5 là ảnh chụp vật lý của một cuộn bị gãy do sự mở rộng của nguồn khuyết tật. Như có thể thấy từ Hình 5, có các tạp chất và vết nứt mỏi trong mặt cắt ngang, dẫn đến giảm độ bền của cuộn. Sự mở rộng của các vết nứt mỏi đến lượt nó làm giảm tiết diện chịu tải hiệu quả. Sự kết hợp của cả hai gây ra sự gãy của cuộn.

Hình 5 Nguồn lỗi gây ra sự cố vỡ cuộn

Cuộn bị vỡ do cấu trúc bất thường

Việc tiêm chủng cho các con lăn gang không đủ, phân phối thành phần không hợp lý, nhiệt độ đúc quá thấp, độ dẫn nhiệt của lớp phủ loại lạnh quá mạnh và độ dày lớp phủ quá mỏng có thể khiến lớp trắng của con lăn quá sâu hoặc toàn bộ mặt cắt ngang trở thành tinh thể xuyên tinh thể. Điều này sẽ làm giảm nghiêm trọng độ bền của con lăn và khiến con lăn bị gãy.

Cuộn gang dẻo có độ cầu hóa hoặc độ cầu hóa giảm kém. Khi than chì trong ma trận tồn tại ở dạng vảy, nó phá hủy nghiêm trọng tính liên tục của ma trận kim loại, do đó làm giảm diện tích mặt cắt ngang hiệu dụng của ma trận kim loại và gây ra sự tập trung ứng suất cục bộ sau khi cuộn chịu ứng suất. Đỉnh ứng suất cục bộ do tác động phá hoại của than chì vảy có thể đạt tới 10 đến 20 lần ứng suất chính. Bán kính cong của đầu than chì vảy càng nhỏ và càng dài thì giá trị này càng lớn. Trong trường hợp này, cường độ của ma trận cuộn chỉ có thể được 30% đến 50% sử dụng hiệu quả. Thông thường, cường độ của gang dẻo là trên 300 MPa, trong khi cường độ của gang xám cường độ cao không vượt quá 270 MPa và cường độ của gang xám thông thường là dưới 200 MPa.

Sự thoái lui hình cầu hóa ít rõ ràng hơn trên các lô vừa và nhỏ, nhưng khá rõ ràng trên các lô gang dẻo lớn. Khi sắt nóng chảy tồn tại trong một thời gian dài, than chì ở cổ trên của lô không thể hình cầu hóa. Than chì nở lớn hoặc than chì dendrite sẽ xuất hiện (như thể hiện trong Hình 6), gây ra sự mất mát lớn về cường độ của nền và làm giảm nghiêm trọng cường độ của lô gang. Do đó, đối với các lô gang dẻo, quá trình hình cầu hóa trong gang nóng chảy phải đủ và thời gian an thần sau khi xử lý hình cầu hóa phải được rút ngắn thích hợp, điều này có lợi cho việc làm giảm sự suy giảm của gang dẻo.

Hình 6 Cấu trúc than chì phi cầu

Trong các cuộn gang dẻo và thép rèn có hàm lượng NiCr và Ni cao, nếu lượng martensite hoặc austenite giữ lại quá cao, austenite sẽ chuyển thành martensite trong quá trình cán, làm tăng ứng suất bên trong của cuộn. Nó cũng có thể khiến con lăn bị gãy.

Một tai nạn gãy trục cán đã xảy ra ở trục cán sắt crôm cao Φ880 mm được sử dụng trong nhà máy cán thép và thân trục cán bị gãy thành hai phần. Khi sản xuất trục cán này, quá trình xử lý nhiệt không được thực hiện đúng cách do lò nung. Rõ ràng là lượng sorbite không đủ và lượng martensit (austenit còn lại) quá lớn. Kết quả là trong quá trình sử dụng trục cán, ứng suất biến dạng cấu trúc tăng lên, khiến trục cán bị gãy. Cấu trúc kim loại của nó được thể hiện trong Hình 7.

Hình 7 Biểu đồ kim loại học với lượng austenit dư thừa quá mức

Đối với các cuộn thép rèn, sự phân tách thành phần (phân tách vĩ mô và phân tách vi mô) là một yếu tố không thể bỏ qua. Sự phân tách làm cho toàn bộ cấu trúc đúc không đồng nhất. Trong quá trình xử lý nhiệt và làm nguội, sự khác biệt về tốc độ làm nguội dọc theo mặt cắt ngang làm tăng cường sự không đồng nhất của cấu trúc. Bainite phía trên dễ bị phân tách và có thể xảy ra gãy giòn. Ferrite có độ bền mỏi thấp và dễ bị lõi mỏi; khi carbide hoặc graphite bị phân tách nghiêm trọng, nó cũng sẽ làm suy yếu nghiêm trọng độ bền của cuộn và trở thành nguồn gây mỏi. Khi ứng suất đủ lớn, nó sẽ khiến cuộn bị gãy.

Vỡ cuộn do chất lượng cổ cuộn

Vật liệu cổ cuộn không đạt tiêu chuẩn. Vật liệu cổ cuộn có giới hạn chảy thấp và khả năng chống mỏi kém, gây ra các vết nứt mỏi ở cổ cuộn dưới tác động của lực cán lớn hoặc ứng suất uốn xen kẽ. Đối với các lô đúc, do không đủ thép nóng chảy trong quá trình ngưng tụ, các lỗ co ngót được hình thành ở cổ cuộn, làm giảm độ bền của cổ cuộn. Nó không thể chịu được tải trọng mô men xoắn quá mức trong quá trình cán thép và dễ gãy cổ cuộn, gãy đầu torx và rãnh then. . Để giảm các khuyết tật như vậy, các biện pháp như điều chỉnh thành phần hóa học, tăng cường độ vật liệu, tăng nhiệt độ đúc thích hợp, tăng khả năng tạo bọt và đông đặc tuần tự đã được thực hiện.

Con lăn bị gãy do sử dụng

Con lăn bị hỏng do lỗi vận hành

Nguyên nhân chủ yếu là: trong quá trình sản xuất cán thép, cán thép nhiệt độ thấp và thép đen hoặc không vận hành theo quy trình vận hành, tăng lượng giảm một cách mù quáng và giảm số lần cán, dẫn đến áp suất cán quá mức, dẫn đến vỡ lô. Sau khi cán nước kín, nước làm mát được cung cấp quá nhanh, khiến lô bị vỡ do ứng suất nhiệt quá mức. Các lô được lắp đặt không đúng cách và các lô bị ứng suất không đều trong quá trình vận hành, gây quá tải cục bộ và vỡ lô; khi cán nguội các tấm mỏng, lực ép lô quá lớn và mô men xoắn lớn hơn mô men xoắn cán, và đầu trục có thể bị xoắn khi khởi động máy cán.

Con lăn bị gãy do thiết kế không đúng cách

Bán kính góc lượn được thiết kế tại gốc cổ cuộn quá nhỏ, gây ra hiện tượng tập trung ứng suất và lựa chọn vật liệu cuộn không phù hợp, dẫn đến vỡ cuộn.

Con lăn bị hỏng do lý do thiết bị

Các thành phần trong bộ phận truyền động của máy cán bị mòn, gây thêm ứng suất uốn ở cổ trục và đầu trục, khiến cổ trục hoặc đầu truyền động bị gãy. Vòng bi bị cháy ra khỏi hộp, khiến nhiệt độ cổ trục quá cao và cổ trục bị gãy. Trong các máy cán tốc độ cao, tác động cắn tốc độ cao của chi tiết cán gây ra rung xoắn trong hệ thống truyền động, có thể làm tăng tải ứng suất lên nhiều lần. Ứng suất do rung xoắn tạo ra cũng có thể gây ra gãy mỏi của trục. Hiện tượng này ngày càng trở nên nghiêm trọng khi các máy cán chuyển sang truyền động động cơ tốc độ cao, công suất cao và nhiều rô-tơ, và cần được xem xét về mặt cường độ cán.

Phần kết luận

Nhà máy thép tấm và thép dải cần chú ý đủ đến việc lựa chọn và sử dụng các con lăn. Chất lượng sử dụng có liên quan trực tiếp đến tốc độ vận hành của dây chuyền sản xuất và chất lượng của các tấm thép. Phải bắt đầu từ cả khâu sản xuất và sử dụng. Cải thiện chất lượng bên trong của các con lăn để ngăn ngừa tình trạng phế liệu bất thường, đồng thời đảm bảo các con lăn được thay thế theo kế hoạch và sử dụng hợp lý để kéo dài tuổi thọ của các con lăn và giảm mức tiêu thụ con lăn. Nhà sản xuất và người sử dụng con lăn nên tăng cường giao tiếp và liên tục tổng hợp kinh nghiệm để đáp ứng nhu cầu sản xuất các tấm vừa và dày.