連鑄輥的失效形式及原因分析

朱小波

摘要：連鑄輥是連鑄機(jī)上最關(guān)鍵的部件，它承擔(dān)著承重、驅(qū)動鋼坯和活動坯模的功能。其失效形式主要表現(xiàn)為輥?zhàn)颖砻娴牧鸭y和小直徑輥的彎曲，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到不能承受外載時，便會發(fā)生斷裂事故。本文通表面過裂紋失效形式的分析，指出了裂紋產(chǎn)生的原因和避免裂紋產(chǎn)生的措施；延長了連鑄輥?zhàn)拥氖褂脡勖岣弋a(chǎn)品質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：連鑄輥；表面裂紋；脫落；堆焊

1.背景

連鑄輥是扇形段的核心構(gòu)成部件，在使用過程中，主要承擔(dān)承載、驅(qū)動鋼坯和活動坯模的功能。它連續(xù)不斷地與內(nèi)部還未凝固的高溫鑄坯接觸，不僅反復(fù)承受著局部高溫加熱和水冷的交變冷熱沖擊循環(huán)作用，而且還受到板坯鼓脹力和靜壓力的交變機(jī)械應(yīng)力的作用，以及滯坯、漏鋼等異常澆鋼情況，工況條件十分惡劣。使用一段時間后，輥體會產(chǎn)生變形，輥面還會出現(xiàn)不同程度的網(wǎng)狀裂紋、氧化腐蝕、磨損等問題。這些問題將會直接導(dǎo)致鋼坯出現(xiàn)質(zhì)量問題，為更好的保障鋼坯的質(zhì)量，降低連鑄輥對鋼坯質(zhì)量影響，提高連鑄輥的使用壽命，有必要對連鑄輥的失效形式進(jìn)行分析。

2.連鑄輥主要失效形式及分析

連鑄輥主要的失效形式為：表面裂紋、輥?zhàn)幽p和輥?zhàn)訌澢?/p>

2.1表面裂紋

連鑄輥由于反復(fù)受到與高溫板坯的接觸和冷卻的影響容易產(chǎn)生熱裂紋（冷熱疲勞裂紋）；輥?zhàn)油Ｖ箷r在輥?zhàn)颖砻娈a(chǎn)生拉應(yīng)力，此反復(fù)的應(yīng)力引起熱裂紋。疲勞裂紋與下列因素有關(guān)：

2.1.1熱負(fù)荷：輥?zhàn)优c炙熱的鑄坯直接接觸而被加熱，繼而又被噴淋水所冷卻，經(jīng)受著強(qiáng)烈的冷熱交變熱負(fù)荷。最大溫度值、接觸時間、冷卻速度、溫度變化的快慢等因素影響著裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展。

2.1.2疲勞：輥?zhàn)颖砻娴乃艿臒嶝?fù)荷和機(jī)械應(yīng)力的交替作用，使輥?zhàn)赢a(chǎn)生疲勞裂紋。

2.1.3腐蝕：輥?zhàn)颖砻娴母g是由于與冷卻水接觸相造成的。冷卻水成分因環(huán)境的變化，酸性過大導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕和晶間腐蝕發(fā)生，增大表面裂紋的產(chǎn)生。冷卻水在裂紋內(nèi)汽化還會產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象。

2.1.4摩擦：輥坯表面易產(chǎn)生氧化鐵皮。輥?zhàn)优c輥坯上下表面間的摩擦?xí)疠^強(qiáng)的磨損。

2.1.5沖刷：在輥?zhàn)颖砻媾c鑄坯接觸面之間，冷卻水產(chǎn)生汽化，具有很高的壓力，引起水氣流與輥?zhàn)颖砻娴母咚倥鲎捕纬蓻_刷作用。

2.2輥?zhàn)拥哪p

高溫氧化、水、冷卻液對輥?zhàn)拥母g，鑄坯與輥?zhàn)又g的摩擦及氧化皮與輥?zhàn)拥幕瑒赢a(chǎn)生的磨損。

2.3輥?zhàn)訌澢?/p>

輥?zhàn)訌澢鹜蛊?，增大輥?zhàn)拥呢?fù)荷，也促進(jìn)裂紋的發(fā)展。為此，需要使用抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度較高，線膨脹系數(shù)較小的輥?zhàn)幽覆?，盡量將殘余應(yīng)力控制于較低的水平。

3.表面裂紋分析

3.1宏觀觀察

對連鑄輥堆焊層開裂部位宏觀觀察發(fā)現(xiàn)，裂紋基本上發(fā)生在靠近堆焊層的熱影響區(qū)（HAZ），少數(shù)二次裂紋擴(kuò)展進(jìn)入堆焊層中。在嚴(yán)重開裂部位，堆焊層沿母材HAZ呈剝殼狀分離。

3.2硬度測定

對連鑄輥堆焊層及母材各部位硬度測定結(jié)果如表1所示。可知，靠近堆焊層的HAZ硬度最高，中心區(qū)硬度最低。

3.3金相分析：

通過實(shí)驗(yàn)觀察連鑄輥母材中心區(qū)試樣的金相組織。分析可知，晶粒較粗大，顯微組織為珠光體和沿晶斷續(xù)分布的鐵素體，說明母材鍛后未經(jīng)正火處理。

實(shí)驗(yàn)觀察連鑄輥堆焊層的金相組織。其中堆焊層表層組織為細(xì)小樹枝晶+少量碳化物，熔合區(qū)組織為樹枝晶+細(xì)小針狀馬氏體。堆焊層的層與層之間未產(chǎn)生裂紋，這是因?yàn)椴捎煤覆臑榈吞甲员Ｗo(hù)藥芯合金焊絲，在進(jìn)行多層堆焊時，層與層之間相當(dāng)于進(jìn)行了一次焊前預(yù)熱和焊后緩冷過程，沒有很大淬硬傾向，同時殘留的焊接應(yīng)力較小。而連鑄輥的輥表面第一層堆焊屬于異種材料的焊接。由于母材的含碳量較高，焊材含碳量很低，在堆焊的過程中，由于兩者熔合有一定的稀釋作用，因此熔合區(qū)形成少量細(xì)小針狀低碳馬氏體組織。但在HAZ的過熱區(qū)，由于堆焊時采用焊接線能量較大，使得母材受熱溫度較高，經(jīng)焊接熱循環(huán)的作用，一方面形成的奧氏體晶粒要進(jìn)一步長大，另一方面由于鋼中碳化物的分解和溶解，使奧氏體不但要溶入大量碳，同時合金元素Cr、Mo的溶解，使得鋼的C曲線右移，在隨后的快速冷卻過程中，將會形成大量的粗大高碳馬氏體組織，晶格發(fā)生強(qiáng)烈畸變，表現(xiàn)為硬度很高（見表1）。綜合作用結(jié)果，導(dǎo)致裂紋首先在HAZ的過熱區(qū)形成，隨后沿堆焊層與母材交界面快速發(fā)展，是造成堆焊層開裂與母材分離的主要原因。

4.解決措施與建議

鑒于以上分析，我們主要從以下幾個方面來預(yù)防連鑄輥?zhàn)颖砻媪鸭y的產(chǎn)生，從而提高連鑄輥?zhàn)拥氖褂脡勖?/p>

4.1優(yōu)化焊接工藝，采用合理焊接設(shè)備及焊接方式，根據(jù)連鑄輥的材質(zhì)的不同，選擇相應(yīng)的過渡層和合金層材料。

4.2輥芯基體材料選擇35CrMo或42CrMo調(diào)質(zhì)硬度260—280HB。

4.3堆焊前，對輥芯內(nèi)部和表面分別進(jìn)行探傷，確保不存在內(nèi)部缺陷和表面缺陷；焊前對連鑄輥?zhàn)幽覆倪M(jìn)行適當(dāng)預(yù)熱。

4.4改進(jìn)過程控制溫控手段，堆焊后，應(yīng)及時進(jìn)行緩冷處理，保證焊接材料的物理性能?？筛鶕?jù)降溫要求采用不同的保溫方法，使之緩慢冷卻。

4.5將緩慢冷卻后的連鑄輥進(jìn)行粗加工，用肉眼檢查一下表面是否有裂紋、氣孔等焊接缺陷，然后探傷儀檢測輥?zhàn)邮欠裼泻附尤毕莸拇嬖凇?/p>

4.6將噴淋水冷卻改為水霧冷卻，提高冷卻效率，降低輥?zhàn)颖砻鏈囟龋馆佔(zhàn)觾?nèi)部的熱應(yīng)力與熱疲勞保持在較低狀態(tài)。

4.7日常的設(shè)備維護(hù)中，加強(qiáng)連鑄輥?zhàn)拥臐櫥?，確保輥?zhàn)愚D(zhuǎn)動靈活。