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軋輥失效形式及原因分析

軋機在軋制生産過程中,軋輥處于複雜的應力狀態。熱軋機軋輥的工作環境更爲惡劣:軋輥與軋件接觸加熱、軋輥水冷引起的周期性熱應力,軋制負荷引起的接觸應力、剪切應力以及殘余應力等。如軋輥的選材、設計、制作工藝等不合理,或軋制時卡鋼等造成局部發熱引起熱沖擊等,都易使軋輥失效。 
  軋輥失效主要有剝落、斷裂、裂紋等形式。任何一種失效形式都會直接導致軋輥使用壽命縮短。因此有必要結合軋輥的失效形式,探究其産生的原因,找出延長軋輥使用壽命的有效途徑。 

1 、 軋輥剝落
     軋輥剝落爲首要的損壞形式,現場調查亦表明,剝落是軋輥損壞,甚至早期報廢的主要原因。軋制中局部過載和升溫,使帶鋼焊合在軋輥表面,産生于次表層的裂紋沿徑向擴展進入硬化層並多方向分枝擴展,該裂紋在逆向軋制條件下即造成剝落。 

1.1 支撐輥輥面剝落

支撐輥剝落大多位于軋輥兩端,沿圓周方向擴展,在寬度上呈塊狀或大塊片狀剝落,剝落坑表面較平整。支撐輥和工作輥接觸可看作兩平行圓柱體的接觸,在純滾動情況下,接觸處的接觸應力爲三向壓應力。在離接觸表面深度爲 0.786b 處 ( b 爲接觸面寬度之半 ) 剪切應力最大,隨著表層摩擦力的增大而移向表層。

 疲勞裂紋並不是發生在剪應力最大處,而是更接近于表面,即在 Z 爲 0.5b 的交變剪應力層處。該處剪應力平行于軋輥表面,據剪應力互等定理,與表面垂直的方向同樣存在大小相等的剪應力。此力隨軋輥的轉動而發生大小和方向的改變,是造成接觸疲勞的根源。周期交變的剪切應力是軋輥損壞最常見的致因。在交變剪切應力作用下,反複變形使材料局部弱化,達到疲勞極限時,出現裂紋。另外,軋輥制造工藝造成的材質不均勻和微型缺陷的存在,亦有助于裂紋的産生。若表面冷硬層厚度不均,芯部強度過低,過渡區組織性能變化太大,在接觸應力的作用下,疲勞裂紋就可能在硬化過渡層起源並沿表面向平行方向擴展,而形成表層壓碎剝落。

支撐輥剝落只是位于輥身邊部兩端,而非沿輥身全長,這是由支撐輥的磨損型式決定的。由于服役周期較長,支撐輥中間磨損量大、兩端磨損量小而呈 U 型,使得輥身兩端産生了局部的接觸壓力尖峰、兩端交變剪應力的增大,加快了疲勞破壞。輥身中部的交變剪應力點,在軋輥磨損的推動作用下,逐漸往輥身內部移動至少 0.5mm ,不易形成疲勞裂紋;而軋輥邊部磨損較少,最大交變剪應力點基本不動。在其反複作用下,局部材料弱化,出現裂紋。

軋制過程中,輥面下由接觸疲勞引起的裂紋源,由于尖端存在應力集中現象,從而自尖端以與輥面垂直方向向輥面擴展,或與輥面成小角度以致呈平行的方向擴展。兩者相互作用,隨著裂紋擴展,最終造成剝落。支撐輥剝落主要出現在上遊機架,爲小塊剝落,在軋輥表面産生麻坑或橢球狀凹坑,分布于與軋件接觸的輥身範圍內。有時,在卡鋼等情況下,則出現沿輥身中部軸向長達數百毫米的大塊剝落。 

1.2 工作輥輥面剝落 

工作輥剝落同樣存在裂紋産生和發展的過程,生産中出現的工作輥剝落,多數爲輥面裂紋所致。

工作輥與支撐輥接觸,同樣産生接觸壓應力及相應的交變剪應力。由于工作輥只服役幾個小時即下機進行磨削,故不易産生交變剪應力疲勞裂紋。軋制中,支撐輥與工作輥接觸寬度不到 20mm ,工作輥表面周期性的加熱和冷卻導致了變化的溫度場,從而産生顯著的周期應力。輥面表層受熱疲勞應力的作用,當熱應力超過材料的疲勞極限時,軋輥表面便産生細小的網狀熱裂紋,即通稱的龜裂。

 軋制中發生卡鋼等事故,造成軋輥局部溫度升高而産生熱應力和組織應力。軋件的冷頭、冷尾及冷邊引起的顯著溫差,同樣産生熱應力。當軋輥應力值超過材料強度極限時産生熱沖擊裂紋。

 在軋制過程中,帶鋼出現甩尾、疊軋時,軋件劃傷軋輥,亦可形成新的裂紋源。另外,更換下來的軋輥,尤其上遊機架軋輥,多數輥面上存在裂紋,應在軋輥磨削時全部消除。如軋輥磨削量不夠,裂紋殘留下來,在下一次使用時這些裂紋將成爲疲勞核心。軋輥表面的龜裂等表層裂紋,在工作應力、殘余應力和冷卻引起的氧化等作用下,裂紋尖端的應力急劇增加並超過材料的允許應力而朝軋輥內部擴展。當裂紋發展成與輥面成一定的角度甚至向與輥面平行的方向擴展,則最終造成剝落。

軋輥剝落問題 , 大多數剝落與六類軋機操作和軋輥使用不當有關:如軋制量過高、換輥周期過長、軋輥修磨量不足、沖擊載荷、軋輥工作面壓力分布不均、軋制時停機造成軋輥內部溫度分布不均、熱沖擊等。

前四種情況常與軋輥亞表層赫茲應力有關,應力作用産生的裂紋向內或向外擴展産生剪切破壞,導致剝落。後兩種情況 , 易造成內部裂紋按螺旋方式擴展成表面裂紋,導致大塊剝落。改善軋輥抗剝落性的措施有:提高軋輥的顯微組織及硬度均勻性;保證適當的淬透性;提高軋輥的剪切強度和塑性,降低軋輥殘余應力。

 對中厚板軋機,在輥身邊部時常會遇有掉肩(爛肩)剝落現象發生,避免軋輥邊部剝落措施是支撐輥帶倒角。帶倒角支撐輥是將支撐輥輥身兩端 250mm 寬倒一棱角約 -1mm 。倒角 ( 曲線 ) 量采用仿真計算,其依據是軋制最大板寬時不至發生過大的反凸度,從而避免軋輥邊部産生應力集中和剝落。