连铸辊的失效形式及原因分析

朱小波

摘要：连铸辊是连铸机上最关键的部件，它承担着承重、驱动钢坯和活动坯模的功能。其失效形式主要表现为辊子表面的裂纹和小直径辊的弯曲，当裂纹扩展到不能承受外载时，便会发生断裂事故。本文通表面过裂纹失效形式的分析，指出了裂纹产生的原因和避免裂纹产生的措施；延长了连铸辊子的使用寿命，提高产品质量。

关键词：连铸辊；表面裂纹；脱落；堆焊

1.背景

连铸辊是扇形段的核心构成部件，在使用过程中，主要承担承载、驱动钢坯和活动坯模的功能。它连续不断地与内部还未凝固的高温铸坯接触，不仅反复承受着局部高温加热和水冷的交变冷热冲击循环作用，而且还受到板坯鼓胀力和静压力的交变机械应力的作用，以及滞坯、漏钢等异常浇钢情况，工况条件十分恶劣。使用一段时间后，辊体会产生变形，辊面还会出现不同程度的网状裂纹、氧化腐蚀、磨损等问题。这些问题将会直接导致钢坯出现质量问题，为更好的保障钢坯的质量，降低连铸辊对钢坯质量影响，提高连铸辊的使用寿命，有必要对连铸辊的失效形式进行分析。

2.连铸辊主要失效形式及分析

连铸辊主要的失效形式为：表面裂纹、辊子磨损和辊子弯曲。

2.1表面裂纹

连铸辊由于反复受到与高温板坯的接触和冷却的影响容易产生热裂纹（冷热疲劳裂纹）；辊子停止时在辊子表面产生拉应力，此反复的应力引起热裂纹。疲劳裂纹与下列因素有关：

2.1.1热负荷：辊子与炙热的铸坯直接接触而被加热，继而又被喷淋水所冷却，经受着强烈的冷热交变热负荷。最大温度值、接触时间、冷却速度、温度变化的快慢等因素影响着裂纹的产生和扩展。

2.1.2疲劳：辊子表面的所受的热负荷和机械应力的交替作用，使辊子产生疲劳裂纹。

2.1.3腐蚀：辊子表面的腐蚀是由于与冷却水接触相造成的。冷却水成分因环境的变化，酸性过大导致应力腐蚀和晶间腐蚀发生，增大表面裂纹的产生。冷却水在裂纹内汽化还会产生气蚀现象。

2.1.4摩擦：辊坯表面易产生氧化铁皮。辊子与辊坯上下表面间的摩擦会引起较强的磨损。

2.1.5冲刷：在辊子表面与铸坯接触面之间，冷却水产生汽化，具有很高的压力，引起水气流与辊子表面的高速碰撞而形成冲刷作用。

2.2辊子的磨损

高温氧化、水、冷却液对辊子的腐蚀，铸坯与辊子之间的摩擦及氧化皮与辊子的滑动产生的磨损。

2.3辊子弯曲

辊子弯曲引起凸起，增大辊子的负荷，也促进裂纹的发展。为此，需要使用抗拉强度和屈服强度较高，线膨胀系数较小的辊子母材，尽量将残余应力控制于较低的水平。

3.表面裂纹分析

3.1宏观观察

对连铸辊堆焊层开裂部位宏观观察发现，裂纹基本上发生在靠近堆焊层的热影响区（HAZ），少数二次裂纹扩展进入堆焊层中。在严重开裂部位，堆焊层沿母材HAZ呈剥壳状分离。

3.2硬度测定

对连铸辊堆焊层及母材各部位硬度测定结果如表1所示。可知，靠近堆焊层的HAZ硬度最高，中心区硬度最低。

3.3金相分析：

通过实验观察连铸辊母材中心区试样的金相组织。分析可知，晶粒较粗大，显微组织为珠光体和沿晶断续分布的铁素体，说明母材锻后未经正火处理。

实验观察连铸辊堆焊层的金相组织。其中堆焊层表层组织为细小树枝晶+少量碳化物，熔合区组织为树枝晶+细小针状马氏体。堆焊层的层与层之间未产生裂纹，这是因为采用焊材为低碳自保护药芯合金焊丝，在进行多层堆焊时，层与层之间相当于进行了一次焊前预热和焊后缓冷过程，没有很大淬硬倾向，同时残留的焊接应力较小。而连铸辊的辊表面第一层堆焊属于异种材料的焊接。由于母材的含碳量较高，焊材含碳量很低，在堆焊的过程中，由于两者熔合有一定的稀释作用，因此熔合区形成少量细小针状低碳马氏体组织。但在HAZ的过热区，由于堆焊时采用焊接线能量较大，使得母材受热温度较高，经焊接热循环的作用，一方面形成的奥氏体晶粒要进一步长大，另一方面由于钢中碳化物的分解和溶解，使奥氏体不但要溶入大量碳，同时合金元素Cr、Mo的溶解，使得钢的C曲线右移，在随后的快速冷却过程中，将会形成大量的粗大高碳马氏体组织，晶格发生强烈畸变，表现为硬度很高（见表1）。综合作用结果，导致裂纹首先在HAZ的过热区形成，随后沿堆焊层与母材交界面快速发展，是造成堆焊层开裂与母材分离的主要原因。

4.解决措施与建议

鉴于以上分析，我们主要从以下几个方面来预防连铸辊子表面裂纹的产生，从而提高连铸辊子的使用寿命：

4.1优化焊接工艺，采用合理焊接设备及焊接方式，根据连铸辊的材质的不同，选择相应的过渡层和合金层材料。

4.2辊芯基体材料选择35CrMo或42CrMo调质硬度260—280HB。

4.3堆焊前，对辊芯内部和表面分别进行探伤，确保不存在内部缺陷和表面缺陷；焊前对连铸辊子母材进行适当预热。

4.4改进过程控制温控手段，堆焊后，应及时进行缓冷处理，保证焊接材料的物理性能。可根据降温要求采用不同的保温方法，使之缓慢冷却。

4.5将缓慢冷却后的连铸辊进行粗加工，用肉眼检查一下表面是否有裂纹、气孔等焊接缺陷，然后探伤仪检测辊子是否有焊接缺陷的存在。

4.6将喷淋水冷却改为水雾冷却，提高冷却效率，降低辊子表面温度，使辊子内部的热应力与热疲劳保持在较低状态。

4.7日常的设备维护中，加强连铸辊子的润滑，确保辊子转动灵活。