1、冶金轧辊的缺陷、损伤与失效 1 冶金轧辊的缺陷、损伤与失效 摘要 本讲座从冶金轧辊一般的制造工艺过程入手， 分析了冶金轧辊制造质量与轧辊各类典型缺陷形成机理的关系，并从轧辊残余应力和使用应力的角度，通过对若干轧辊失效案例的分析和讨论，介绍了冶金轧辊的失效的分类、断口特征、相应的检测技术和为防范失效事故的使用改进建议。 关键词 残余应力 疲劳断裂 无损检测 表面波 1 冶金轧辊制造工艺过程简介 考虑到机械加工等冷工艺对轧辊材 料的力学性能和各种低倍及高倍缺陷的影响基本可忽略不计，我们在这里所讨论的冶金轧辊的制造工艺过程是指诸如冶炼、铸造、锻造以及热处理一类的热加工工艺。通过对各种轧辊制造的热工艺
2、的了解，对熟悉轧辊原始冶金质量与各自所特有的缺陷之间的关系，将是很有意义的。 1.1 静态铸造轧辊的热加工工艺过程 1.1.1 单一材质静态铸造轧辊的热加工过程 单一材质的铸钢及铸铁轧辊的铸造通常是采用静态下注法铸造的，参见图片 1-1所示。从浇斗中铸入的铁 (钢 )水经浇铸管切向浇口进入铸型型腔，并形成旋转的金属流，在型腔中上升。铁 (钢 )水升至型腔辊身部位时， 遇到金属型 (冷型 )的激冷冷却作用，形成凝固激冷层和随后向中心发达生长的柱状晶组织，凝固后的这两部分组织细密，具有良好的力学性能和耐磨性，形成辊身的工作层。由于快速激冷凝固，因而轧辊辊身的工作层内很少产生低倍缺陷 (例如气孔、
3、缩松、裂纹、夹砂和夹杂物等 )。另外，由于铸造轧辊凝固冷却的固有特点，其心部将形成较粗大的等轴晶粒区，在进行超声波径向检测时，若采用频率较高的探头，将出现明显的草状波晶粒反射。由于粗大图 1-1.下注法静 态 浇铸单一材质铸铁、 铸钢辊示意。切向浇口浇铸管底座箱金属型冒口箱热 节 辊身中心缩松冒口皮下缩孔冶金轧辊的缺陷、损伤与失效 2 的晶粒引起材料的强度和塑性下降，因此这也是一种缺陷。这种铸造方式所产生的主要铸造缺陷是心部的缩松、疏松。在辊身和辊颈长 /径比较大时，由于凝固收缩量大和补缩困难等因素，图 1-1 中所示的热节区缩松、疏松缺陷会较明显。在极端的情况下，甚至可能在辊身心部形成收缩裂
4、纹 -蘑菇形开裂的问题，参见后面的 3.2.1 和 3.2.2 节。上述收缩形成的低倍缺陷，在铸钢辊中 比较明显；在铸铁辊 (包括无限冷硬铸铁辊、各种球铁辊 )中相对轻一些。 静态铸钢辊和铸铁辊在凝固冷却后开箱 (对于半钢一类材质轧辊通常采用热开箱方式 )，经初检合格后进入粗加工工序。粗加 -撞掉冒口后的半成品进入热处理工序。铸铁辊通常进行中低温除应力退火，部分合金球铁辊可采用高温奥氏体化 -喷雾淬火 (或油淬 )-回火处理；铸钢辊通常进行正火 -回火处理或高温奥氏体化 -喷淬 (或油淬 )-回火处理。 经过热处理的铸铁 (钢 )辊在取样作力学性能检测及无损检测合格后进入精加工工序，直至制成成
5、品辊。一般来说，热处理将提高铸造轧辊的力学性能，另外对轧辊心部的粗大晶粒有有限的细化作用，而对于上述轧辊的低倍铸造缺陷则无法改善。如果热处理的工艺不当还可能造成这些缺陷的扩展甚至直接引起轧辊的断裂。 1.1.2 冲洗法复合铸造轧辊的铸造过程 部分因规格过大而超出离心铸造机械工作能力的复合辊 (例如复合铸钢支承辊、宽厚板复合铸铁工作辊等 )的生产可采用冲洗法工艺来铸造。其工艺步骤概况如下： a. 首先采用下注法向轧辊铸型型腔内铸入 辊身外层材质所需成分的钢(铁 )水，在钢 (铁 )水液面上升到规定高度后， 降低浇速并以小浇速持续铸入至规定的时间。 b. 型腔中的钢 (铁 )水在冷型的激冷冷却作用
6、下凝固至一定厚度，然后换用心部成分的另一包钢 (铁 )水，以大浇速铸入浇铸管。铸入的心部钢(铁 )水将型腔内心部未凝固的外层钢 (铁 )水冲出铸型，并经由流出口流入盛钢包内。 c. 待盛钢包内冲出的钢 (铁 )水达到工艺规定的数量后， 堵上流出口并继冶金轧辊的缺陷、损伤与失效 3 续铸入钢 (铁 )水，直至型腔冒口部位，浇铸完毕。 冲洗法浇铸复合铸钢支承辊的过程见示意图片 1-2。 可以想见，冲洗法复合辊的结合层部 位实际上属于两种不同成分钢 (铁 )水相互熔混的状态，其范围可达几十毫米，它不像通常离心复合辊那样有一个比较分明的界限；在复合浇铸过程中也不加入为保持外层内表面不氧化和帮助内外层熔
7、合的玻璃渣 (Flux)，因此，它不存在结合层夹渣而结合不良的情况，故毋需采用超声波探伤 (UT)来检查复合凝固的外层图 1-2.冲洗法复合铸钢支承辊铸造过程示意图:灰 铸 铁 铸型 :辊 身外 层钢 水 :冲 芯钢 水 :砂型 :凝 固 的 外 层 :凝 固 的辊芯 :部 分熔混的辊 身 及辊芯钢 水图例 电加热装置A 钢包 B 冶金轧辊的缺陷、损伤与失效 4 质量；此外，理论上也无法使用超声波来进行辊身外层的测厚。在某些情况下可以对冲洗法复合铸钢支承辊进行外层的超声测厚。此种情况下，在进行超声波检测时，因为在结 合层部位由于两种钢水的碳 -氧不平衡，从而发生氧化 -还原反应并在该部位析出
8、CO 气泡而产生气泡的回波信号，而气泡的位置基本指示了该处的外层厚度。 冲洗法复合辊的心部材质通常为低碳 钢、优质孕育铸铁。它们有较好的综合机械性能和铸造性能，因而缩松、疏松一类缺陷较少，内裂一般也不易发生。 这在对复合铸钢支承辊作 UT 时可发现其底波反射要比整体铸钢支承辊的强烈。 冲洗法复合铸铁辊的热处理一般为低 温除应力退火；复合铸钢支承辊的热处理为高温奥氏体化喷淬或油淬淬火 -回火，其对轧辊材料性能和原始缺陷的影响与单一材质静态铸造轧辊的相同。 1.2 离心复合铸造轧辊热加工工艺过程 热连轧板带工作辊大多采用耐磨性和强度性能优越的离心铸造工艺生产，离心复合辊是现代冶金轧辊 的代表，我们
9、将给予重点介绍。 1.2.1 离心复合铸铁辊的铸造过程及其质量缺陷 离心复合铸铁辊的铸造方式主要分卧式离心铸造和立式离心铸造两种。其铸造工装模具及浇铸过程参见图片 1-31-5。 目前离心复合铸铁辊的材质组合 (外层芯部 )主要有如下几种： a. 高镍铬无限冷硬铸铁优质孕育 (灰口 )铸铁，代号为 IC-GCI； b. 高镍铬无限冷硬铸铁球墨铸铁，代号为 IC-DCI； 定量包 牛角浇口 端盖 金属型托辊图 1-3.卧式离心铸铁辊工装模具、传动及浇铸系统示意 外层铁水 耐火涂料Flux外层内表面的皮下缩松塞杆和杠杆 冶金轧辊的缺陷、损伤与失效 5 a、 b 两种轧辊常用 ICDP 来表示。 c
10、. 高铬铸铁球墨铸铁，代号为 HCr-DCI； d. 贝氏体合金球铁球墨铸铁，代号为 SGAc DCI。 其中 a、 b、 c 三种主要用于板带热连轧的粗轧和精轧水平工作辊，这三种轧辊的规格较大，使用量也很 大，是本讲座的介绍重点。 d 主要用于棒线材、小型型钢精轧工作辊，目前 d 项轧辊的规格和使用量较小，在本讲座中，我们的讲述从略。 离心复合铸铁辊的热处理分低温除应 力退火处理和高温奥氏体化淬火 -回火处理两种。前者用于 ICDP 辊，后者用于 HCr-DCI 辊。 IC-GCI、 IC-DCI 和 HCr-DCI 三种轧辊的常见质量缺陷如下： 图 1-5.立式离心辊铸造系统结构示意 浇斗
11、及中铸管外筒压盖、 固定销柱及销 上箱金属型辊身外层辊芯及辊颈 下箱托辊电机 传动系统浮起的Flux砂型底砖旋转底盘托辊浇铸 漏斗 上辊颈箱 砂型 上端盖 金属型下端盖砂型 下辊颈箱 浮起的Flux 辊芯及辊颈辊身外层底砖图 1-4.卧式离心辊的合箱及填芯冶金轧辊的缺陷、损伤与失效 6 a. 离心辊结合层的夹渣、结合不良等结合质量问题； b. 因 HCr-DCI 的外层向芯部渗铬而在结合层形成粗大 M3C 型莱氏体碳化物所导致的弱结合问题； c. 外层靠近结合层部位的缩松缺陷问题； d. 离心辊外层在铸造时因震动引起的成分和组织层状偏析问题； e. 离心辊外层厚度控制问题； f. 芯部和辊颈的
12、铸造收缩缺陷问题； g. 芯部 DCI 材质的球化质量问题。 离心铸铁辊的上述质量缺陷对于轧 辊的使用有不同程度的影响，在下面的讲述中将分别举例予以介绍。 1.2.2 离心复合铸钢辊 离心复合铸钢辊通常是指高铬钢 (HCrS)、高速钢 (HSS)和半高速钢(SHSS)为辊身外层材质，芯部为 DCI 的离心复合铸造的铸钢辊，它们主要用作现代板带热连轧的粗轧段、精轧前段和精轧后段的工作辊。其离心铸造工艺过程与离心复合铸铁辊基本相同，但其热处理过程较为复杂， 一般均需经高温奥氏体化 -淬火及两次或两次以上的回火处理。它们的质量缺陷大体上与离心铸铁辊的相似。 1.3 锻造轧辊热加工工艺过程 锻造轧辊基
13、本上为锻钢轧辊，包括锻钢冷轧辊 (工作辊、平整辊、中间辊 )、锻钢支承辊和部分锻钢热轧工作辊 。这里主要以冷轧辊为代表来进行介绍。 1.3.1 钢包精炼锻钢冷轧辊 1.3.2 电渣重熔锻钢冷轧辊 2 热连轧辊的缺陷和失效 2.1 热连轧离心复合工作辊的结合层开裂失效 现代带钢热连轧的水平工作辊基本 上均为复合铸造轧辊，而这些复合辊大多是采用离心铸造方法生产的。因铸造工艺的问题，可能导致铸成的复合辊带有多种质量缺陷。由于工作辊辊身的高硬度是通过合金化、金属型铸造及热处理得到的，因此象高速钢 (HSS)复合辊、无冶金轧辊的缺陷、损伤与失效 7 限冷硬铸铁复合辊 (ICDP)这样的高硬度轧辊的辊身残
14、余应力水平较高，其残余应力状态为轴向、周向的残余压应力和径向的残余拉应力。在这些残余应力、循环轧制应力和辊身内外温差热应力的作用下，因辊身结合层的结合不良、夹渣以及结合层显微组织不当所引起的弱结合问题，将导致复合辊在使用中的早期失效，其主要形式为沿结合层的开裂甚至辊身外层的大剥落。 2.1.1 离心辊结合层夹渣引起的辊身剥落失效 2000 年 9 月 14 日晚 8:30 分， 在宝钢 1580 热连轧 F7 机架的 JX75#工作辊发生辊面大剥落失效。剥落的断口形貌参见图片 2-1 和 2-2。 鉴于在 8 月 1 日宝钢与邢机双方共同确认的 1580 热连轧 F4-7 的JX66#辊存在类
15、似的质量问题 (参见示意图片 2-3) ， 在 JX75#辊事故发生后，宝钢对邢机同批次生产的 JX67 74#共 8 支 F4-7 工作辊进行了全面复查。结果又发现辊身直径已使用至 640.8mm 的 JX74#辊的辊身传动侧 0 260mm 区域存在周向大小约为 100mm， 深度从最大 85mm开始向 66mm 深扩展的结合层分离缺陷 (参见示意图片 2-4)。幸而该辊图 2-1.辊身大剥落的 F4-7 机架 JX75#工作辊。AA图 2-2.JX75#辊剥落部位尺寸及纵截面示意图。DS 图 2-3.经 UT 在 JX66#辊面 检出的结合层分离缺陷区。1MHz 频率下无底波区26010
16、0 无 B 并有多次 F 区，深 66 85DS 侧辊颈图 2-4.经 UT 在 JX74#辊面 检出的结合层分离缺陷区。 冶金轧辊的缺陷、损伤与失效 8 尚未在机架上发生大剥落，当即停用，确认该辊为报废。 邢机同批次生产的离心辊存在如此高 比例的结合层缺陷问题，显然在轧辊制造厂的产品制造和质量控制过程中发生了重大的失误。经查，该批次共 10 支辊在邢机的成品探伤时均判为合格品，其中邢机在JX75#辊成品检测时发现了结合层存在缺陷，但按技术要求验收尚未超标。为何显然是属于超标的如此大面积夹渣缺陷，在邢机 UT 时被判定为合格呢？经查邢机 UT 人员在检测时，为了省事，采用了“探伤 -测厚一体化
17、” 操作方式。 按规定， ICDP 辊结合层探伤时， 应使用 2 2.5MHz频率的纵波探头， 而辊身外层测厚时应使用 4 5MHz 频率的纵波探头。因贪图省事，操作人员违反规定，采用工作频率为 4MHz 的 B4S 探头一次“完成”结合层探伤和外层超声波测厚。我们知道 2MHz 的超声波波长比 4MHz 的大一倍，它们对粗糙表面或界面的反射特性有明显差异。 虽然探伤灵敏度均是采用复合铸铁材质制成的 5 平底孔试块来校定的， 但是 5 平底孔对于各种常用频率超声波来说都是镜面理想圆盘形反射体，而这样校定后的 2MHz 和 4MHz 频率探伤系统在对实际复合辊结合层缺陷探测时，由于结合层夹渣呈参
18、差不齐的粗糙反射界面，因此缺陷反射率存在实际上的巨大差异。结合层夹渣所形成的反射界面对于 2MHz 来说仍有相对良好的光滑表面反射特性而使探头能接收到较强烈的回波信号，而对于 4MHz 超声来说，由于缺陷反射表面的高低不平度与入射超声波波长 ( 1.4mm)相当而产生强烈的散射，反射回探头的声能大大减少，导致结合层大面积夹渣缺陷的回波声压降低而被误判为不超标。制造厂的这 次漏探、误判事故完全是由于 UT操作人员不按规程检测所致。 另一方面，当 JX75#辊发至宝钢 1580 热连轧后宝钢工业检测公司也对其进行了 UT，那为何也没能将该辊的结合层大面积夹杂缺陷检出而放行了呢？事实上对该辊进行 U
19、T 的检测公司人员是按照检测大纲并正确选择探头来进行超声波探查的。 当时也发现了在图 2-1 中辊面剥落部位存在很强的缺陷反射信号，信号的深度为 90mm。检测人员考虑到其他部位的结合层厚度基本在 70mm 左右，遂认为这些缺陷反射信冶金轧辊的缺陷、损伤与失效 9 号来自于复合辊结合层以下的芯部， 因此没有按照结合层缺陷的控制规定判处而判为合格，也造成了误判。我们可以仔细观察图2-2 的左边部分，该辊剥落时辊径为640mm，因此在新品时这些夹渣缺陷的深度恰为 90mm 左右， 该数值相当于原始浇注的外层厚度减去半径方向的机械切削量。 这些夹渣的内容为残余的玻璃渣以及与之混合的离心铸型上脱落的石
20、英砂、 耐火涂料一类高熔点耐材。在离心铸造的填芯阶段，掉落到下辊颈型腔里的石英砂和耐火涂料将浮于芯部铁水表面并随着填芯铁水液面的增高而上升。当夹杂物升至辊身型腔时，将随扩散的铁水流向已凝固的辊身外层内表面并与内表面的玻璃渣相遇， 牢固地黏附于辊身外层内表面。 由于在高温条件下这些混合了玻璃渣的夹杂物具有很高的熔点和粘度， 即使在旋转的铁水冲刷下也难以脱离辊身外层内表面， 这就形成了以后的结合层夹渣 ,参见图片 2-5。高熔点的夹渣将黏附区域的外层内表面覆盖了， 填芯铁水也就无法与该处的外层已凝固材料直接接触，从而该处的外层将不被填芯铁水所熔蚀而具有最大的厚度。在其周围以及其余部位的外层已凝固材
21、料将不同程度地被填芯铁水所熔蚀吃掉，其外层厚度也将比原始浇注厚度有所减薄。 该图景正是图片 2-1 和 2-2 所显示的结合层大块夹渣部位的真实形貌。 通过纵波 UT 所检出的结合层缺陷当量大小与其实际尺寸的关系是我们所关心的。当复合辊的结合层存在夹渣缺陷或未结合时，缺陷的反射面正好与辊面平行，这在纵波探伤时属于理想的反射状态，一浇铸漏斗上辊颈箱金属型下辊颈箱填芯铁水辊身外层图 2-5.离心辊结合层夹渣缺陷的形成示意耐火夹渣或铁水渣Flux铁水流向 冶金轧辊的缺陷、损伤与失效 10 般来说，此时的缺陷平底孔当量与其实际大小最接近。考虑到入射超声波对缺陷内容物的透射作用会一定程度上耗散其反射声能
22、，可以设想缺陷的实际大小将比其当量尺寸略大一些。但对实际存在结合层夹渣缺陷反射信号的轧辊的解剖发现，粗糙表面的结合层夹渣缺陷的平底孔反射当量大小与缺陷的实际尺寸相差甚大，后者可达当量值的 4 倍以上。例如某两个大于 7当量的结合层单个夹渣缺陷，解剖后显示的它们的平面投影总面积分别为 837mm2和1082mm2，尺度分别为 49 25mm2和 5029mm2，它们的大小约为所用超声波探头(B2S)晶片面积的两倍。图 2-6 是某 ICDP 辊解剖后，在结合层显示的两个 7+2dB 当量缺陷实际分布和大小。对此的合理解释是粗糙表面的强烈散射或漫反射效应大大降低了探头所能接收到的信号声压，但是采用
23、半波高法仍可相当准确地在辊面测定缺陷的尺寸和平面投影图形。 从上述分析可以得出以下几点关于离 心辊探伤检测的注意要点： a.选择正确的探头来进行离心辊结合层的探伤， 并可根据不同频率探头的信号反射特性来进行缺陷分析定性； b.对在全辊身外层最厚部位， 特别是在原始浇注厚度的结合层深处发现的缺陷信号回波应十分提高警惕，这些缺陷几乎可以立即确定为结合层的夹渣，并且其深度就是离心辊外层原始浇铸厚度减去辊坯的机械切削量。实际上，在复合辊结合层以下不远深度处是不可能存在“芯部”缺陷的，轧辊芯部的铸造收缩性 缺陷只可能存在于中心区域。 c. 复合辊结合层的大块夹渣将阻断径向探 伤时的超声波传输，因此在对
24、DCI 芯部的径向探伤时将出现局部底波消失并显示多次缺陷波的问题。检查缺陷波部位是否出现径向底波衰减及消失的现象，是对缺陷定性的一个重要方法。 图 2-6.某 ICDP 辊 (灰芯 )结合层两个超标缺陷实际面积和大小。缺陷 A 总面积为 837mm2缺陷 B 总 面积为 1082mm2冶金轧辊的缺陷、损伤与失效 11 d. 离心辊结合层夹渣缺陷可能是大块 单个的、多个密集的，也可能是小至几个毫米大小的密集分布缺陷。由于这些小当量密集夹渣缺陷的声程基本相同， 因而在 UT 时它们的反射声压可能产生迭加而以一个较大缺陷反射波出现在探伤仪的屏幕上。这种密集而单个当量尚未超标的结合层夹渣缺陷应注意考察
25、其密集区指示面积大小。由于夹渣缺陷对于结合层来说其空间形貌为平面，密集分布的小当量夹渣在辊身残余应力、轧制应力和辊面热应力作用下将会发生各自沿结合层的扩展及相邻缺陷的互相连接，以致实际上这种情况同样可能导致结合层的开裂以致辊身大剥落事故，参见后图片 2-7。从图 2-7 所见以及从实物辊解剖得知的密集分布小夹渣缺陷的实际大小从 2 3mm 到十几毫米不等。夹渣的内容物与大块夹渣基本相同，仍为石英砂、耐火涂料、玻璃渣一类非金属夹杂物。 2.1.2 结合层显微组织不当所引起的辊身剥落失效 1985 年邢机从德国 Gontermann-Peipers 引进了立式离心高铬铸铁复合辊的制造技术，在该项技
26、术的轧辊质量控制部分， GP 提出了关于结合层弱结合的概念。 当时邢机参与引进技术和赴 GP 培训学习的人员对此并无深刻的认识，只理解为弱结合是指结合层存在少量夹渣的情况。由于在随后的一系列高铬铸铁复合辊生产中遇到了多支轧辊结合层夹渣而判废的问题，就将夹渣问题作为主要矛盾来解决。他们在生产中为了在不提高填芯温度前提下提高填芯 DCI 铁水流动性，以便有较长时间使填芯铁水将已基本凝 固的辊身高铬铸铁外层内表面的图 2-7.因结合层存在密集较小夹渣而结合不良导致的 IC-DCI 复合辊辊面大剥落。密集分布的小当量夹渣及其引起的结合开裂。冶金轧辊的缺陷、损伤与失效 12 Flux(玻璃渣 )和黏附的
27、一些夹渣冲刷及熔蚀掉，将 GP 工艺规定的碳含量 2.5 2.7%增加到 2.7 3.0。碳含量的增加对解决结合层夹渣问题好像起了作用，高铬复合辊的“合格率”得到了提高，但深层次的问题被掩盖了。在随后给宝钢生产的 2050F1-3 高铬铸铁工作辊的使用中问题终于爆发了。 1995 年 2 月 17 日， 在宝钢 2050 热连轧厂 F1-3 的 4545#辊在使用中发生了辊身大面积剥 落剥落区从辊身一端延伸到了另一端，参见图片 2-8 和 2-9。经邢机与宝钢双方共同对余下的多支邢机高铬铸铁辊超声波检测，将其分类并挑选了一些认为结合层回波较低，复合质量较好的轧辊予以继续使用。后来事态的发展出乎
28、意料，被看好的 4549#辊在使用后不久发生了约占辊面面积 94%的特大剥落事故。 实际上 4545#辊和 4549#辊发生辊身大剥落的机理是完全相同的。邢机改动了的高铬辊铸造工艺将芯部铁水的碳当量提高，使其熔点有所降低，铁水的流动性从而提高。这对于克服离心辊结合层的夹渣问题，是一项有效措施。但是问题的另一面是由于芯部 C 含量的增加和熔点的降低，引起内外层熔结时间延长，根据 GP 方面的意见，这将容图 2-10.2050 热连轧 4545#高铬工作辊结合层部位显微组织形貌 50，左侧为外 层高铬铸铁，右侧为芯部，箭头所指处为结合界面充斥着的大块渗碳体碳化物。 图 2-9.高铬复合辊辊身结合层
29、大剥落断口。A 区为外层撕脱断口， 箭头指处为结合层多处疲劳开裂区，有的已相互连接。 A区图 2-8.4545#高铬复合辊 辊身结合层大剥落断口。 冶金轧辊的缺陷、损伤与失效 13 易导致结合层变厚和含 Cr 量明显增高，结合层部位形成粗大的莱氏体碳化物，参见图片 2-10。这将使结合层机械强度恶化，脆性大，导热性差而形成所谓“弱结合”的结果。这也是 GP 早期生产的高铬辊在使用中曾几次发生大面积的工作层剥落 后，经分析研究认识到的结果。 除了 4545#和 4549#两支发生大剥落的高铬铸铁辊外，其他采用上述修改工艺的高铬铸铁辊的使用情况同样命运多舛。由于结合层的大块粗大 M3C 型碳化物在
30、使用中的疲劳开裂，或早或晚地结合层的缺陷回波越来越多，波高也愈益增大。这实际上是疲劳裂纹的扩展和逐步相连的结果。这种结合层缺陷形貌可参见图片 2-10。图中箭头所指处4545#辊断口上多片较光滑的断裂面正是疲劳断口的特 征。发生结合层缺陷在使用中逐步扩大的高铬铸铁辊只能被早期判废失效。这种高铬铸铁辊的致命质量缺陷，在目前仍未能被一些轧辊厂商所认识和有效地克服。 图片 2-11 和 2-12 是今年我在某厂考察时发现的高铬铸铁辊辊身大剥落的实景。 2.1.3 离心辊外层靠近结合层部位的缩松缺陷问题 在复合辊结合层附近的缺陷检测 中，有一种需要注意对其正确定性。这就是辊身外层离心铸造凝固时在靠近外
31、层筒体内表面的皮下缩松缺陷。由于离心铸造所形成的辊身外层筒体的内孔相当于静态铸锭的上冒口，在强大的离心力作用下铁水 (或钢水 )凝固时，由于筒体内表面与空气接触而凝固较快，其下的铸件尚未完全凝固，因此可能产生补缩不全所形成的皮下缩松、疏松缺陷，参见图片 2-13。这些缩松和图 2-11.某 2250 热连轧高铬工作辊辊身大剥落全景。图 2-12.辊身剥落面细部，断口光滑，并无非金 属 夹渣，显示沿结合层的疲劳开裂特征。冶金轧辊的缺陷、损伤与失效 14 疏松缺陷由于受铸造强大离心力的压迫，要比静态铸造的收缩缺陷轻得多。由于这些收缩缺陷位于筒体内孔皮下近处，在离心辊填芯时，它们可能因芯部铁水熔蚀筒
32、体内表面而被消除，但也可能残留。在超声波探伤时，这些收缩缺陷容易被检出。由于其位置通常在结合层深度附近，因此常被当作结合层夹渣缺陷。这些收缩缺陷的面积可能较大或呈密集状，但其缺陷平底孔当量却不大，通常在 5 左右。由于这些缺陷的形貌为成片的细小孔隙缩松和疏松，其开裂敏感性低，实轧使用也证明，它们不容易形成疲劳开裂源，因此探伤人员不要轻易地将其判废，应对其正确作出定性的判定。需要附加指出的是这类缺陷在卧式离心辊中较多产生而在立式离心辊中较少见到。 2.2 热连轧工作辊的辊身断裂失效 老式的迭轧薄板辊是采用球墨冷硬铸 铁材质制造的，其辊身冷硬层厚度通常大于 8mm 即可。迭轧薄板辊的轧制是在辊身无
33、冷却条件下进行的，甚至辊面还需要预热，辊面温度在使用中通常会上升至 500C以上，因此轧辊轧制时芯部承受的拉应力很大。若由于轧辊材质化学成分原因而导致白口层过厚，芯部材质石墨析出过少，碳化物量过大，则轧辊容易在使用中发生辊身应力断裂失效，这种断口很平直，与轧辊轴线垂直，断口表面常有指向中心的放射状断裂棱。 从迭轧薄板辊的应力断裂我们可回想起宝钢 2050 的一次断辊事故。 2003.4.25 早晨，用于 2050F6 机架 (下 )的一支 F4-7W 新品 ICDP 辊发生断辊，辊号 5802#，参见图 2-14。断口形貌平直，断口上显示的辊图 2-13.离心铸造的 IC 材质辊套，箭头指处为
34、内孔皮下缩松和疏松缺陷，深度约为 15mm。冶金轧辊的缺陷、损伤与失效 15 身外层厚度约为 85mm，参见图片 2-15。 该辊的断裂也是应力断裂，但断裂机 理与前述迭轧薄板辊断辊机理是有差异的。迭轧薄板辊的辊身残余应力水平很低，其辊面无石墨析出而芯部石墨可能较多，从而芯部因石墨膨胀而对辊面产生一些残余拉应力。使用时产生的辊面与芯部的温差热应力作用下，首先是平衡掉一部分芯部所受的压应力，继而在辊面进一步升温时对芯部的拉应力增大，以至导致芯部的垂直于轴线的开裂。芯部的内裂，加上辊面热裂纹和轧制弯曲应力的共同作用，最终发生辊身断裂。与此相比，5802#辊的断裂主要有以下几个因素的作用： a. 辊
35、身外层过厚。 IC 材质的外层基体显微组织为针状组织 (包括铸造马氏体、上下贝氏体 )加 30%左右的游离碳化物和少量厚片状 (蠕虫状 )石墨所构成，因此整个外层存在一定水平的残余压应力。根据应力平衡原理，外层将对芯部产生相应的残余拉应力。外层越厚，所形成的残余压应力区的面积就越大；同时芯部的截面积则相对减小，芯部所承受的总的拉应力水平将上升，这是很不利的。 b. 若芯部铸铁能因析出适量石墨而引 起体积膨胀抵消和松解掉部分外层的拉应力，则对轧辊使用安全是有利的。但从断口芯部的金相检测来看，组织存在大块游离碳化物而石墨很稀少，凝固后芯部收缩量较大，从而进一步提高了芯部承受的残余拉应力水平。参见图
36、片 2-16。 c. 取自辊颈扁头部位的金相试样表明 该辊芯部未球化石墨形态为片状，组织中同样存在多量和大块的碳化物，这大大降低了芯部的力学性能 (包括强度和塑性 )，参见图片 2-17 和 2-18。 图 2-14. 2050 热连轧 5802#ICDP 辊断口形貌。 图 2-15. 5802#辊断口细部，外层厚度约 85mm。冶金轧辊的缺陷、损伤与失效 16 根据上述分析， 该新品辊上机后，在轧制力、辊面受热后膨胀的热应力和综合上述因素共同作用下，发生辊身断裂的严重事故。因此，对于 ICDP 辊 (同样也包括HSS/DCI 辊 )，外层过厚和芯部强度过低将是导致轧辊应力断裂的重要因素， 值
37、得制造和使用方共同警惕。 2.3 热连轧工作辊的带状剥落失效 现代带钢热连轧机所用的工作辊中除 了立辊和少量整体铸造半钢、石墨钢辊外，基本均为复合辊，辊身代表材质为 HSS、 SHSS 和ICDP。这些复合辊在热处理后的硬度均 很高，通常辊面硬度范围为HSD77 88。这些复合辊辊面残余应力具有一定水平，例如 HSS/DCI材质组合的辊面残余压应力常为 -200 -400MPa。随之而来的问题是可能因辊面裂纹缺陷 (主要是机械损伤裂纹 )诱发的带状剥落失效。 我们收集的热连轧工作辊辊面带状剥落的实例可参见图片 2-192-21。 由于形成机理的相似，热连轧工作辊 的带状剥落与冷轧辊的带状剥落特
38、征有很多相似之处： 例如剥落辊的断口上均能找到呈带状 走向的疲劳分离面；疲劳带的扩展方向与轧辊的转动方向相反；疲劳带的源头在于辊面的裂纹缺图 2-16. 5802#辊断口芯部显微组织形貌，100，石墨稀少有多量大块游离碳化物。图 2-17. 5802#辊扁头石墨形貌 100， 石墨未球化，为片状和厚片状。 2-18. 5802#辊扁头显微组织形貌 100，有多量大块游离碳化物，无游离铁素体。冶金轧辊的缺陷、损伤与失效 17 陷；疲劳裂纹从辊面向皮下延伸至一定深度后，即沿大致圆周方向发展，深度基本保持不变，热轧辊的疲劳带通常沿结合层部位扩展，而冷轧辊的大致在淬硬层稍稍下面一点向前扩展等。 热轧辊
39、和冷轧辊的疲劳带形貌略有差 异，例如前者疲劳带的宽度变化较大而后者变化较小；疲劳推进线的间隔前者较宽而后者较细等。 看来这些差异与两者组织的粗细、残 余压力分布的均匀程度、材料断裂韧度的不同有关。 通过对热连轧辊辊面缺陷，特别是事 故辊辊面机械损伤裂纹缺陷的检测和修磨去除，将能防范辊面带状剥落这类恶性事故的发生。几年来的实践证明，采用对在役辊的使用后目视检查 (VT)和轧辊修磨后的自动 ET、 表面波 UT 及 MT 等检查方法， 是对 HSS、 SHSSH 和 ICDP材质等现代热连轧工作辊有效的使用管理措施。 2.4 热连轧工作辊的辊颈断裂失效 热连轧复合工作辊的辊颈材质大多为球墨铸铁 (
40、DCI)，少部分为优2-21. 某热连轧工作辊辊面带状剥落断口形貌，疲劳带疲劳推进线宽度明显。2-19. 某热连轧工作辊辊面带状剥落断口， 箭头所指处为周向走向的疲劳断裂带。2-20. 某 HSS 辊辊面带状剥落断口形貌，箭头所指处为疲劳带，其宽度变化较大。冶金轧辊的缺陷、损伤与失效 18 质孕育灰口铁。对 DCI 来说影响其力学性能的因素较多，除了 DCI 容易产生的显微疏松、缩松及夹灰缺陷外，石墨的球化质量，是一个主要因素。但是对于复合辊芯部的 DCI 而言，容易被忽略的另一个重要因素是组织中的碳化物含量。前述 5802#辊身断裂的实例如此，下面一个高铬铸铁辊辊颈断裂的案例亦如此。 200
41、0 年 9 月 10 日上午 9:30，在 2050F2 下使用的 4394#工作辊发生辊颈扁头扭断的事故。断裂时，该辊辊径为 825.50，是在 F2 机架第一次使用。断裂后经取样化验，辊颈铸铁中含铬量高达 0.87%。该 辊的辊颈金相显示石墨周围无游离 (牛眼状 )铁素体。参见图片 2-22、 2-23和 2-24。 该辊扁头的断裂虽然不能排除承受轧 制冲击扭转载荷的因素，但显微组织不良导致辊颈力学性能明显低下，从而不足以保证轧辊在整个在役过程必须承受频繁冲击扭转载荷的要求。根据国内关于铸铁轧辊的材质合金成分范围，含铬量如此高的球铁基本可以归入碳化物量多、脆性大的低镍铬球铁。这样的材质是不
42、适合用作复合辊芯部的，图 2-23. 4394#扁头心部组织 50，可见大块游离碳化物， 石墨呈团虫状， 无牛眼状铁素体。图 2-24. 4394#扁头表面组织 100，有大块游离碳化物，石墨呈团虫状，无牛眼状铁素体。断裂裂纹走向图 2-22. 4394#辊扁头扭断形貌示意图。冶金轧辊的缺陷、损伤与失效 19 特别不适于用作热连轧工作辊辊颈、扁头等承受大弯矩、大扭矩等部位材质。根据这些考虑，我们对采用中低温除应力退火处理的复合辊球铁辊颈在除了要求复合辊芯部球铁的显微组织中石墨球化良好外，对游离碳化物的含量应该有所控制，特别是要求应该析出牛眼状游离铁素体。只要组织中能出现牛眼状铁素体，芯部成分中
43、碳化物形成元素 (主要为铬 )含量就不会高，其游离渗碳体含量也就不会大。上述显微组织性能表现在力学性能 (硬度 )方面，则是辊颈表面以中低硬度为宜，根据历来的经验，其范围大致为 35 43HSD。 对于采用高温热处理的复合辊辊颈， 高温下组织中游离铁素体将奥氏体化，其附近石墨中的碳元素向奥氏体中扩散，冷却时形成细珠光体，组织中游离铁素体将消失，表面硬度也将较高。此时应重点考察芯部铬含量和游离渗碳体量，以确保辊颈、扁头等部位的使用安全。 2.5 球芯热连轧工作辊辊颈缺陷问题 2.5.1 关于球芯辊辊颈缩松缺陷问题 现代热连轧复合铸造工作辊的芯部材质主要为球墨铸铁 (DCI)。球铁的凝固特性为糊状
44、凝固。DCI 铁水凝固的总收缩量较大，与铸钢材质相似。由于冶金轧辊的直径对于球墨铸铁材料而言属于大型铸件， 因此球芯材质的显微疏松及中心缩松较难消除。特别是对于长 /径比较大的工作辊，例如宝钢 1580F4-7W，其长 /径比达到 8.23，细长的辊形导致轧辊在铸造凝固过程时铸造热节部位的铁水补缩成为难题，从而形成中心缩松及疏松缺陷。这些热节区主要在细长的上辊颈以及下辊颈的轴承安装部位，参见图 2-25 示意。在超声波探伤时，便会发现在轧辊的这些部位存在径向底波衰减以至底波完全消失 (Disappearance)的问题，此时即使采用频率低至 0.5MHz 的探头，也不会改善其径向底波显示。 当
45、这种中心缺陷分布直径范围较小和较冒口皮下缩孔上辊颈缩松区下辊颈热节缩松区轴承安装位置上辊颈加工切割线图 2-25. 球芯离心 辊上下辊颈铸造 热节区位置示意 冶金轧辊的缺陷、损伤与失效 20 短时，不会对轧辊的轴向底波形成明显影响。存在径向底波消失问题的辊颈断口显示的中心缩松和疏松缺陷参见图 2-26。 考虑到这些缺陷的位置处于辊颈的中 心区，对轧辊承受弯矩和扭矩能力没有明显影响，因此只要其轴向底波能清晰显示和确认，轧辊使用方可以允许其存在。 2.5.2 关于球芯辊辊颈球化缺陷问题 球芯辊技术条件规定的辊颈抗拉强度指标通常不低于 396MPa， 硬度应为 HSD35 45。经球化 -孕育处理后
46、的 DCI 铁水的凝固时间较长，因此对填芯的 DCI 来说控制其球化和孕育质量具有相当的难度。常见的辊颈球化缺陷主要是球化和孕育的衰退。表现为辊颈表面、端面出现大小不一的近似圆形的灰斑。在磨光的表面这些灰斑不易察觉，在车削加工表面上， 灰斑就相当明显了。 图 2-27 和 2-28 所示为在 1580F4-7工作辊 WS 辊颈上所发现的 DCI 灰斑缺陷。 切除冒口后显示的中心缩松 图 2-26. 中心黑斑为某球芯辊上辊颈冒口经机加工切槽撞断后显示的缩松和疏松。图 2-27. 某 1580F4-7 工作辊 WS 辊颈大卡环槽车削表面显露的灰斑缺陷。 图 2-28. 左图辊 WS 小扁头表面的
47、灰斑，灰斑区基本延伸至外圆表面。 冶金轧辊的缺陷、损伤与失效 21 在球芯辊辊颈发现灰斑处进行的 金相试验显示灰斑为被游离铁素体包裹的密集的水草状和少量蠕虫状 (厚片状 )石墨， 其周围基体组织为正常的珠光体，参见图 2-29 和 2-30。 在这种辊颈部位进行的 UT 表明，其径向底波良好，无缩松缺陷问题，这是由于组织中大量游离石墨的析出时，石墨膨胀有效地抵消了凝固所造成的体积收缩，缩松缺陷得以避免或减轻。在轴向穿透测试时，底波不够清晰，有时存在底波衰减问题，这是由于灰斑的分布不仅在辊颈部位存在，在辊身芯部也可能存在，且分布直径范围较大，影响了轴向穿透时底波的传输所致。 使用脉冲反射式超声波
48、探伤仪对 灰斑区进行的声速测试显示其纵波声速大约为 5500m/s，排除了仪器测试精度的影响，总起来说灰斑球铁辊颈的声速不低，颇出人意外。众所周知，球铁材质的超声纵波声速可用来评定其球化质量。一般认为球铁纵波声速达到 5500m/s 时可评为球化合格。实际上在带有灰斑问题的球铁中，石墨并不是粗片状的，除了被铁素体包裹的部分水草状石墨外其余部位多数石墨呈现球团状、厚片状，组织中未球化石墨对材料纵波声速的影响并不太大，因此声速测试结果得出了灰斑球铁辊颈球化尚可的印象。 对存在灰斑问题的辊颈取样，进 行了力学性能测试，结果表明其抗拉强度约为正常球铁的 75 80%。单纯从材料强度角度考虑，球芯辊辊颈
49、出现灰斑问题对 1580F4-7 的 WS 辊颈大卡环等部位的使用还没有致命的影响。实际使用也证实这类轧辊尚属可用之列1。 图 2-29. 灰斑部位显微组织 100，左上区为灰斑点，由铁素体包裹水草状石墨所组成图 2-30. 灰斑和基体显微组织， 深色区为片状珠光体 50。 冶金轧辊的缺陷、损伤与失效 22 无论如何，球芯辊球化及孕育不 良所造成的灰斑问题仍是材料的一种缺陷。例如因灰斑问题导致组织中析出多量水草状石墨和包围水草状石墨的多量游离铁素体， 从而使得辊颈硬度明显下降 (通常可能下降至 HSD30 以下 )。这将引起辊颈与轧机配件存在相对滑动部位表面(如扁头平面 )的耐磨性下降，使其因过快磨损而造成配合间隙增大，增大轧辊传动时的冲击震动。考虑到灰斑引起材料的强度和冲击韧度的明显下降，可能导致轧辊扁头特别是可逆式轧机轧辊扁头的扭断事故。例如根据 INI Steel Company(仁川制铁 )对球芯热连轧复合工作辊辊颈的试验研究结果，组织中因多量水草状石墨而存在球化、孕育缺陷的辊颈材料的强度指标为 294 353MPa，而其冲击韧度仅为球化良好材料的 76%。事实上，过去在宝钢已经发现过这种轧辊失效的实例。在1999 年 11 月 20 日，曾因上述辊颈球化孕育缺陷，导致
