Phân tích nguyên nhân gây gãy trục dự phòng trong máy cán Steckel 3500 mm

Tóm tắt: Tẩy rửa phóng đại thấp, kiểm tra kim loại, kính hiển vi điện tử quét, phân tích phổ năng lượng và các phương pháp khác đã được sử dụng để phân tích bề mặt gãy của trục dự phòng Steckel Mill 3500 mm bị gãy ban đầu. Kết quả cho thấy ứng suất dư lớn và sự tích tụ và phân bố của nhiều tạp chất và cacbua là những lý do chính gây ra gãy của trục hỗ trợ cực lớn.

Từ khóa: cuộn dự phòng; gãy; bao gồm; kết tụ cacbua

Con lăn tai nạn là con lăn hỗ trợ của Steckel 3500 mm máy cán. Nó được lắp đặt trên máy lần thứ hai và được lắp đặt ở vị trí con lăn dưới. Trong quá trình gỡ lỗi máy cán nảy, đột nhiên phát ra tiếng ồn bất thường lớn và kiểm tra phát hiện ra rằng con lăn đỡ dưới bị hỏng. Lực lăn ở mỗi bên là 26,36 MN khi nó bị hỏng (giá trị yêu cầu để gỡ lỗi máy cán nảy là 29,4 MN ở mỗi bên). Quy trình vận hành nảy của máy cán này là quy trình vận hành hoàn toàn tự động và không có bất thường nào trong quy trình.

Vật liệu cuộn dự phòng là 3% CrMoV, kích thước thân con lăn là 1950mm×3450mm, thành phẩm nặng 115,25 tấn, phôi thép nặng 227 tấn. Thành phẩm đã vượt qua thử nghiệm siêu âm. Để tìm ra nguyên nhân gây ra sự cố vỡ con lăn, đã tiến hành phân tích giải phẫu trên con lăn còn lại.

1 Quan sát gãy vỡ vĩ mô của con lăn tai nạn

Con lăn dự phòng bị gãy ở khoảng cách 1315 mm từ mặt cuối của thân con lăn ở phía vận hành (đầu không đánh dấu). Bề mặt gãy gần như vuông góc với trục của thân con lăn và vết gãy tương đối thẳng, như thể hiện trong Hình 1. Nguồn gãy ban đầu cách tâm khoảng 305 mm, xem Hình 2.

2 Quy trình sản xuất con lăn tai nạn

Quy trình sản xuất thực tế của con lăn dự phòng là: gia công thô bằng lò điện → tinh chế chân không → đúc chân không → rèn → xử lý nhiệt sau rèn → gia công thô và thử nghiệm siêu âm → xử lý nhiệt cuối cùng → hoàn thiện và thử nghiệm siêu âm → đóng gói và vận chuyển.

Hình 1 Hình thái gãy xương

Hình 2 Khoảng cách giữa nguồn gãy ban đầu và tâm của vòng tròn

3 Phân tích thử nghiệm giải phẫu của con lăn tai nạn

3.1 Kiểm tra mặt cắt ngang với độ phóng đại thấp

Sử dụng phần của một trong những con lăn bị hỏng để xử lý thành một mẫu thử có độ phóng đại thấp với độ dày 50 mm để kiểm tra độ phóng đại thấp. Ba khuyết tật rõ ràng đã được tìm thấy, lần lượt nằm ở các khu vực A (và các khu vực lân cận xung quanh), B (và các khu vực lân cận xung quanh) và C trong Hình 3.

Hình 3 Bản đồ phân bố khuyết tật có độ phóng đại thấp

Khu vực A bao gồm sự phân tách giống như điểm tối phân bố trong phạm vi từ 80 mm đến 180 mm tính từ vòng tròn bên ngoài (không giới hạn ở khung dây được đánh dấu A), xem Hình 4.

Hình 4 Sự phân chia chấm đen ở vùng A

Vùng B là điểm phân cách màu sáng phân bố trong phạm vi từ 200 mm đến 510 mm tính từ tâm vòng tròn (không giới hạn ở khung dây được đánh dấu B), xem Hình 5.

Hình 5 Sự phân chia giống như điểm sáng màu ở khu vực B

Khu vực C là mạng lưới các khuyết tật màu sáng phân bố trong phạm vi 250 mm tính từ tâm vòng tròn (về cơ bản phân bố trong hộp được đánh dấu C), xem Hình 6.

Hình 6 Các khiếm khuyết mạng màu sáng ở khu vực C

3.1.1 Kết quả kiểm tra độ phóng đại thấp của khu vực A

Phân tích phổ năng lượng cho thấy ngoài sự phân bố không đồng đều của các hạt cacbua giàu Cr, Mo và V, còn có nhiều loại tạp chất phi kim loại trong mẫu có độ phóng đại thấp ở khu vực A. Trong số đó có titan nitride khối, mangan sulfide, silic oxit, alumina và xỉ oxit phức hợp giàu C, Al, Mg, Ca, Si, Cr, Na, Cl, Mn, S, v.v. Có rất ít sự khác biệt trong thành phần ma trận hợp kim. Kết hợp phân tích phổ năng lượng và mô, các đốm đen trong mẫu có độ phóng đại thấp ở khu vực A là các tạp chất phi kim loại giàu C, S và Al, Mg, Ca, Si, Cr, Na, Cl và Mn.

3.1.2 Kết quả kiểm tra độ phóng đại thấp của khu vực B

Thông qua phát hiện độ phóng đại thấp, kính hiển vi kim loại, kính hiển vi điện tử quét và phân tích phổ năng lượng. Sự phân tách giống như đốm trắng là sự kết tụ của các hạt cacbua nhỏ giàu Cr, Mo và V và các oxit hạt lớn giàu Cr, Si, S và C tập trung vào các bong bóng hoặc lỗ. Hàm lượng O cao hơn được phát hiện bên trong các hạt cacbua và bong bóng và trong cấu trúc ma trận của chúng.

3.1.3 Kết quả kiểm tra độ phóng đại thấp của khu vực C

Được xác định thông qua phát hiện độ phóng đại thấp, kính hiển vi kim loại, kính hiển vi điện tử quét và phân tích phổ năng lượng. Phân tách mạng là một tập hợp bao gồm một số lượng lớn các cacbua hạt trắng giàu Fe, Cr và Mo và một lượng nhỏ các oxit hạt lớn giàu Fe, Cr và C.

3.2 Phân tích nguồn gốc và nguyên nhân gây nứt gãy

Một thanh thử nghiệm được lấy từ vị trí gãy ban đầu của con lăn tai nạn để phân tích thực nghiệm.

Cấu trúc kim loại của mẫu gãy đã được phân tích. Dưới độ phóng đại thấp, thấy rằng có các vùng phân tách màu trắng xám phân bố không đều trong mô nền. Sau khi phóng đại, thấy rằng có một đường mờ nhạt có thể nhìn thấy ở mép một bên của mẫu. Mô màu trắng xám mịn và mô nền dày, như thể hiện trong Hình 7.

Hình 7 Cấu trúc kim loại phóng đại thấp của bề mặt gãy

Quan sát dưới độ phóng đại cao, cấu trúc mịn màu trắng xám là troostite + ma trận pearlite + một số lượng lớn các carbide dạng hạt. Carbide có thể được kết tụ hoặc phân bố trong một mạng lưới. Cấu trúc ma trận thô là troostite + sorbite + pearlite và rất khó để tìm thấy các hạt carbide lớn trong ma trận. Ngoài ra, có thể thấy nhiều tạp chất phi kim loại hơn ở gần cả hai bên của đường vân, xem Hình 8.

Hình 8 Cấu trúc kim loại phóng đại cao của bề mặt gãy

Khi quan sát dưới kính hiển vi điện tử quét, chúng ta có thể thấy rõ hơn các tạp chất có kích thước, hình dạng và phân bố khác nhau, cũng như ranh giới hạt tối. Ranh giới hạt tối biểu thị sự tạo ra các cấu trúc quá nhiệt, xem Hình 9. Quan sát các tạp chất tại các thời điểm khác nhau ở các phần khác nhau của mẫu, xem Hình 10.

Hình 9 Hình thái cấu trúc vi mô của bề mặt gãy dưới kính hiển vi điện tử quét

Hình 10 Hình thái bao thể dưới kính hiển vi điện tử quét bề mặt gãy

Dưới độ phóng đại thấp, người ta thấy rằng có những đốm đen và đốm trắng phân bố không đều trên bề mặt mẫu. Khi phóng đại, các đốm đen là xỉ giàu C (65,05%), O (5,39%), Cr (1,82%), Na (1,35%), Cl (0,43%) và phần còn lại là Fe. Các đốm trắng và các đốm trắng trong vùng C thuộc cùng một loại tạp chất. Theo phân tích phổ năng lượng, chúng giàu C (21,88%), O (38,81%), Zr (22,26%), Al (7,35%), S (3,54%) và Mn. (2,58%), Mg (1,01%), Fe (1,8%) tạp chất oxit. Ở độ phóng đại cao hơn, bạn cũng có thể thấy các tạp chất trắng sáng nhỏ hơn được tập hợp và phân tán ở các khu vực cục bộ, giàu C (19,38%), Na (20,03%), Cl (4,10%), Cr (2,83%), Si (0,62%), phần còn lại là tạp chất Fe. Đối với các đường vân, có nhiều tạp chất phi kim loại tập trung xung quanh chúng, có thể là do bong tróc trong quá trình tiêm thỏi.

Lấy mẫu từ mẫu gãy để thu được bề mặt gãy của mẫu va chạm và mẫu kéo. Kiểm tra trực quan bề mặt gãy cho thấy bề mặt gãy va chạm có độ bóng kim loại đồng đều, trong khi bề mặt gãy kéo có độ bóng kim loại phân bố không đều. Quét độ phóng đại thấp cho thấy bề mặt gãy kéo và gãy va chạm không đồng đều. Quét công suất cao cho thấy tất cả chúng đều là gãy giòn do tách. Ngoài ra, người ta cũng tìm thấy những mảnh lớn tạp chất TiN trên bề mặt gãy va chạm, như thể hiện trong Hình 11 và 12.

Hình 11 Hình thái cấu trúc vi mô của bề mặt gãy của mẫu va chạm được quét

Hình 12 Hình thái cấu trúc vi mô của bề mặt gãy mẫu kéo

Tóm lại, cấu trúc của mẫu nứt là cấu trúc ma trận thô (troostite + sorbite + pearlite) với các carbide phân bố không đều. Các carbide được kết tụ hoặc dạng lưới, và có nhiều tạp chất phi kim loại có sự phân bố, hình dạng và kích thước không đều.

Sự kết tụ cacbua cục bộ là do sự phân tách cacbua nghiêm trọng trong cấu trúc thỏi ban đầu. Đồng thời, nó không bị phá vỡ trong quá trình rèn và không được ủ hoàn toàn sau khi rèn. Do đó, sự phân tách của các nguyên tố cacbon và hợp kim trong nguyên liệu thô không được cải thiện hiệu quả. Đặc biệt đối với các cacbua sơ cấp, các cacbua không được hòa tan hoàn toàn trong quá trình gia nhiệt của quá trình rèn và xử lý nhiệt sau khi rèn. Chính vì sự hiện diện của các cacbua không hòa tan đã cản trở sự phát triển của các hạt austenit, làm cho các hạt cấu trúc trong vùng này tương đối mịn. Các cacbua mạng là do nhiệt độ gia nhiệt cao và tốc độ làm nguội chậm của quá trình xử lý nhiệt. Ở những khu vực có hàm lượng cacbon cao hơn, các cacbua kết tủa dọc theo ranh giới hạt austenit ban đầu để tạo thành các cacbua mạng.

Nhiều loại tạp chất phi kim loại khác nhau là do độ tinh khiết thấp của chất lỏng hợp kim, không thoát ra khỏi bề mặt chất lỏng hợp kim trong quá trình làm mát và kết tinh và vẫn nằm trong thỏi hợp kim, tạo thành tạp chất phi kim loại. Hoặc có thể do thao tác không đúng trong quá trình rót thỏi (nhiệt độ rót quá thấp, tốc độ rót không đều, chất lượng màng thỏi kém, v.v.). Vảy oxit nổi trên bề mặt thép nóng chảy sẽ chuyển thành thép nóng chảy. Nếu không thể nổi, nó sẽ nằm trong thép nóng chảy và tạo thành vảy. Lớp vỏ là một dạng tạp chất phi kim loại đặc biệt. Lớp vỏ không thể được rèn trong quá trình rèn. Nếu oxit dày, nó sẽ tách khỏi ma trận và tạo thành các vết nứt. Các đường quan sát được dưới kính hiển vi điện tử quét và kim loại học có thể là các vết nứt hình thành do không rèn lớp vỏ.

Ngoại trừ các tạp chất TiN khối lượng lớn được tìm thấy trong bề mặt gãy của mẫu va chạm, pha thứ hai dạng hạt và các loại tạp chất khác được tìm thấy trong quá trình quan sát cấu trúc kim loại học không xuất hiện. Điều này cho thấy các tạp chất trong mẫu cấu trúc kim loại học có thể là do quá trình rót không đúng cách, khiến các tạp chất bị liên quan, dẫn đến hàm lượng cao hơn, nhiều loại hơn và phân bố tập trung các tạp chất cục bộ trong mẫu. Điều này chắc chắn sẽ làm giảm nghiêm trọng hiệu suất tổng thể của hợp kim và cũng sẽ gây ra sự tập trung ứng suất lớn hơn, trở thành nguồn gốc của các vết nứt.

Có thể thấy độ bóng kim loại dạng tinh thể và bề mặt không bằng phẳng trên bề mặt gãy của cả hai mẫu, cho thấy cấu trúc thô và không bằng phẳng. Đặc điểm cấu trúc này sẽ làm giảm độ dẻo dai của hợp kim (được xác nhận bởi hình thái gãy giòn và phân cắt của nó).

Cấu trúc ma trận có hạt thô, phân bố không đều các cacbua và sự hiện diện của nhiều tạp chất phi kim loại, sẽ làm giảm độ bền và độ dẻo của hợp kim. Đặc biệt, sự hiện diện của các cacbua, vùng tích tụ tạp chất và tạp chất lớn sẽ gây ra sự tập trung ứng suất, làm giảm khả năng chống gãy và gây ra sự khởi đầu của vết nứt. Các hạt thô cũng sẽ có tác động xấu đến độ bền và độ dẻo của hợp kim và thúc đẩy sự mở rộng vết nứt. Dưới tác động của ứng suất, do độ dẻo kém của cấu trúc ma trận, các vết nứt lan rộng và xảy ra gãy cuối cùng.

Dựa trên phân tích trên, có thể thấy rằng vết nứt gãy của con lăn tai nạn có nguồn gốc từ các tạp chất phi kim loại khác nhau. Do cấu trúc ma trận thô và phân bố không đều của các cacbua, độ dẻo dai của hợp kim bị giảm. Dưới tác động của ứng suất, các vết nứt được thúc đẩy và cuối cùng bị gãy.

4 Phân tích nguyên nhân gây ra sự cố gãy con lăn

Dựa trên phân tích thử nghiệm trên, sự cố vỡ con lăn chủ yếu liên quan đến các khía cạnh sau:

(1) Các cacbua phân bố không đều. Nó chủ yếu được phản ánh trong sự phân tách giống như đốm trắng và sự phân tách mạng dưới độ phóng đại thấp. Đây là kết quả của việc thỏi ban đầu bị ảnh hưởng bởi chất lượng nấu chảy, điều kiện rót và đặc tính kết tinh làm mát của thép trong quá trình đông đặc. Có sự phân bố không đều nghiêm trọng của các cacbua trong cấu trúc thỏi ban đầu và quá trình rèn và ủ sau rèn không đủ, do đó hiện tượng cacbua không đều không thể cải thiện hiệu quả. Chính vì cacbua không đều nên sự phân bố kích thước hạt của cấu trúc ma trận không đồng đều. Đặc biệt, khu vực nghèo cacbon dễ bị quá nhiệt và hình thành cấu trúc thô.

(2) Tạp chất phi kim loại. Từ bề mặt đến bên trong con lăn tai nạn, có nhiều loại tạp chất phi kim loại khác nhau. Các loại tạp chất khác nhau tồn tại theo những cách khác nhau. Dựa trên phân tích phổ năng lượng của các mẫu khác nhau, các loại tạp chất chính bên trong con lăn tai nạn là: các mảnh lớn TiN, TiC và các dải dài MnS. Xỉ hạt có điểm nóng chảy thấp giàu C, O, Al, Mg, Mn, Zr, Ti, Ca, P, S, v.v. Các oxit hạt nhỏ giàu Mg, Al, Na, Zr, Mn, v.v.; các hạt nhỏ hơn màu trắng giàu C, Na, Cl, Si, Cr được kết tụ và bao gồm. Trong số đó, các mảnh lớn TiN, TiC và các dải dài MnS có mặt ở các phần khác nhau của con lăn tai nạn, tức là từ bề mặt đến bên trong. Ngoại trừ MnS có độ dẻo nhất định và tồn tại dưới dạng các dải dài, TiN và TiC đều tồn tại dưới dạng các khối lớn có cạnh sắc; xỉ có điểm nóng chảy thấp chủ yếu tồn tại dưới dạng các tập hợp có kích thước hạt khác nhau. Do các bộ phận khác nhau của con lăn tai nạn, hình thức tồn tại của nó cũng khác nhau. Ở lớp ngoài của con lăn tai nạn, nó chủ yếu đi kèm với các tạp chất có điểm nóng chảy thấp và tồn tại dưới dạng tập hợp hạt có kích thước khác nhau. Dưới độ phóng đại thấp, nó xuất hiện dưới dạng phân tách giống như đốm đen ở rìa. Lớp giữa và lõi bên trong con lăn tai nạn được tập hợp với sự tập hợp của các cacbua hạt và được trộn với các cacbua hạt, oxit, v.v. để tạo thành các tập hợp. Dưới độ phóng đại thấp, chúng xuất hiện dưới dạng phân tách giống như đốm trắng và phân tách mạng. Hầu hết các oxit như Mg, Al, Na, Zr, Mn, v.v. đều bám vào bề mặt của xỉ và tồn tại cùng với xỉ. Một số trong số chúng là các oxit hạt nhỏ độc lập tập hợp lại với nhau với sự tập hợp của các cacbua, tạo thành phân tách giống như đốm trắng và phân tách mạng. Các tạp chất dạng hạt giàu C, Na, Cl, Si và Cr chỉ được tìm thấy ở bề mặt vết nứt và chúng tồn tại trong các tập hợp nhỏ hơn. Các loại và dạng tồn tại khác nhau của các tạp chất trên chủ yếu liên quan đến chất lượng nấu chảy, điều kiện rót và đặc điểm kết tinh của hợp kim nguyên liệu. Đặc biệt đối với các mẫu vết nứt nằm ở nguồn vết nứt, không chỉ độ không đồng đều của các cacbua nghiêm trọng hơn mà còn có nhiều tạp chất đa dạng hơn và sự phân bố của chúng bị tập trung. Điều này chủ yếu là do rót không đúng cách trong quá trình rót hợp kim, khiến các oxit, tạp chất có điểm nóng chảy thấp, các nguyên tố chất tan dễ bị phân tách, xỉ, xỉ đúc và các tạp chất khác trên bề mặt hợp kim bị kéo vào thép nóng chảy và không nổi. Có thể thấy rằng vết nứt của con lăn tai nạn bắt nguồn từ các tạp chất do lật qua lớp da.

Qua quan sát và phân tích các bề mặt gãy khác nhau, hầu như tất cả các bề mặt gãy đều bắt nguồn từ vùng tích tụ của carbide và tạp chất. Nghĩa là, nó bắt nguồn từ các đốm trắng và sự phân tách mạng có thể nhìn thấy bằng mắt thường dưới độ phóng đại thấp. Vì các đốm trắng và sự phân tách mạng là các tập hợp bao gồm carbide dạng hạt, xỉ, tạp chất có điểm nóng chảy thấp, oxit, v.v., chúng làm giảm cực độ độ dẻo dai của hợp kim và tạo ra sự tập trung ứng suất, thúc đẩy sự khởi đầu của các vết nứt. Đặc biệt là mẫu gãy nằm trong vùng nguồn gãy của con lăn tai nạn, vì thỏi tạo thành lớp vỏ trong quá trình rót, và sự tích tụ của các tạp chất bên trong và carbide rất nghiêm trọng. Lớp vỏ không được ép lại với nhau trong quá trình rèn, và các tạp chất và sự kết tụ carbide không bị phá vỡ để tạo thành sự phân bố phân tán trong quá trình rèn và xử lý nhiệt sau rèn, làm cắt đứt nghiêm trọng tính liên tục của ma trận kim loại và làm giảm độ bền và độ dẻo của hợp kim. , và tạo ra sự tập trung ứng suất, dẫn đến sự xuất hiện của các nguồn gãy trong con lăn tai nạn.

Cho dù là vùng nguồn nứt hay vùng mở rộng nứt, hình thái gãy xương chủ yếu là gãy giòn do tách, cho thấy hệ thống con lăn tai nạn là gãy giòn điển hình. Điều này được xác nhận bởi đặc điểm cấu trúc của cấu trúc ma trận thô, nhiều tạp chất và phân bố không đều của các cacbua.

(3) Ứng suất dư. Do kích thước lớn của con lăn tai nạn, sự phân bố nhiệt độ trên bề mặt và lõi không đồng đều trong quá trình gia nhiệt và làm mát của quá trình xử lý nhiệt, dẫn đến ứng suất nhiệt. Sau khi xử lý nhiệt, ứng suất nhiệt không được loại bỏ hoàn toàn và được lưu trữ trong con lăn tai nạn dưới dạng ứng suất dư. Ngoài ra, do cấu trúc ma trận của con lăn tai nạn rất khác nhau ở các khu vực khác nhau từ bề mặt đến lõi, các loại, kích thước và hình dạng khác nhau của tạp chất và cacbua được kết tụ và phân bố, và các hạt cấu trúc ma trận thô và không đồng đều, điều này tất yếu sẽ tạo ra sự tập trung ứng suất. Đặc biệt, sự tập trung ứng suất là lớn nhất ở những khu vực mà tạp chất và cacbua tích tụ nghiêm trọng. Sự chồng chất của ứng suất nhiệt dư của con lăn tai nạn và ứng suất cấu trúc phức tạp khiến nó vượt quá khả năng chống gãy của vật liệu, do đó các vết nứt nảy sinh ở đó và trở thành nguồn gốc của gãy.

Một khi vết nứt bắt đầu, nó lan truyền từ trong ra ngoài. Do cấu trúc ma trận thô, sự kết tụ của tạp chất và cacbua, kích thước hạt ma trận khác nhau và sự tồn tại của các cấu trúc giòn, độ bền và độ dẻo dai của hợp kim sẽ bị giảm nghiêm trọng, khiến các vết nứt lan truyền và gãy theo cách giòn-cắt.

5 Kết luận

Nguyên nhân trực tiếp gây ra gãy trục dự phòng của Nhà máy cán Steckel được phân tích trong bài viết này là ứng suất dư lớn bên trong trục dự phòng. Nguyên nhân chính là sự tích tụ và phân bố của nhiều tạp chất và cacbua khác nhau trong cấu trúc của trục dự phòng.