WC合金辊环失效原因分析及控制措施

WC合金辊环失效原因分析及控制措施

摘要：针对WC辊环的性能特点，辊环使用寿命的长短及其最大优势的发挥，取决于辊环的安装、使用、加工、修复、保管等各个操作程序的合理性，分析了WC辊环在使用中失效的主要原因，提出一些控制辊环非正常失效的措施。

关键词：硬质合金；WC辊环；安装及使用；控制措施；高速线材

1 前言

WC硬质合金具有良好的热传导性能，在高温下硬度下降少，耐热疲劳性能好，耐磨性能好，强度高等特点。20世纪60年代末期，碳化钨(WC)硬质合金辊环在轧钢领域线材轧机上开始应用。最初只是应用于成品机架上，以提高轧材产品的尺寸精度和表面质量，由于其卓越的耐磨、耐蚀及单槽轧制寿命，大大提高了设备的有效作业率和产量，使吨钢成本有效降低，负偏差轧制可精确控制，使钢材的表面质量和尺寸精度能保持足够的稳定。因此，以WC为主的硬质合金辊环被广泛地应用于高速线材轧机。

韶钢一高线建于2003年，设计最大轧制速度120m/s，保证速度115m/s，全线由30架轧机组成，其中4架预精轧机、8架精轧机和4架减定径机采用WC辊环。投产七年以来，由于各方面的原因，碳化钨辊环在生产过程中常出现爆裂等失效现象，这些失效现象造成辊环的不正常消耗，影响正常生产，同时也带来生产成本的上升。

2 硬质合金辊环特性

硬质合金辊环作为一种硬质材料，是由硬质相（碳化钨）和金属粘结相（通常为金属钴、镍）以及微量稀有金属元素组成，其性能由粘结金属的含量和碳化物颗粒大小决定。硬质合金辊环的特点有：

(1)、硬度高、耐磨性好常温下硬度可HRA78～95，高温下的红硬性好，600℃时超过高速钢，1000℃时超过碳钢的常温硬度值。

(2)、机械强度高抗压强度可高达6000MN/m2，900℃时抗弯强度仍可有1000MN/m2以上。

(3)、弹性模数高常温下刚性较好，无明显的塑性变形。其杨氏模量为钢的2-3倍。

(4)、耐腐蚀性和抗氧化性好耐酸、耐碱，600～800℃时不发生明显氧化。

(5)、线胀系数小在20～400℃的范围内为钢的0.35～0.65。

(6)、电导率与铁、铁合金相近

(7)、热传导率为钢的1/2,铜的1/3。

(8)、密度高硬质合金辊环的密度远大于钢铁，应用于轧钢领域的硬质合金辊环的粘结剂含量在6%～32%,密度大约在12.6～14.9 g/cm3之间。

3 WC合金辊环的几种失效形式

辊环在生产过程中的损耗可分为正常损耗和异常损耗。正常损耗是轧制过程中因受轧制

力和冲击力时辊环表面的磨损。

3.1正常损耗

3.1.1磨损

辊环轧槽磨损主要有两种形式：磨擦磨损和磨粒磨损。摩擦磨损是由轧件和轧槽之间的相对运动产生的。这种运动产生的摩擦力和粘结力可以导致轧槽表面的小颗粒脱落。磨粒磨损是由线材表面的坚硬氧化物和冷却水中的硬杂质造成的。轧件与辊环之间发生由于相对运动产生的摩擦力以及高速前进的轧件对辊环轧槽的冲击力，是造成辊环磨损最主要的因素，而且这种损耗是不可避免的也是正常的。

3.1.2机械冲击

当轧件进入轧槽时，其对辊环的机械冲击相对正常轧制状况时大很多，即使当时看不到辊环表面有什么明显缺陷，这种冲击往往能在辊环内部产生应力，这样的辊环再次上轧线使用时，这种内应力可能会对辊环产生碎裂性的损耗。这与辊环相互碰撞产生的后果是相似的。

3.2异常损耗

辊环的异常损耗主要指工况环境不能完全达到要求而产生爆裂或外形尺寸损伤使辊环不能再次使用而报废。这些情况可以通过改善工艺，正确使用及维护辊环进行控制。

3.2.1辊环出现槽底裂纹

正常的生产，每个轧槽都可以保证一定的轧制量。若轧槽使用情况如图1所示的状态时，建议此时进行换辊。但有些辊环在轧制过程中，磨损过快或超过额定的轧制量，辊环就已失效。在检查中可以发现，有些辊环的轧槽槽底，会出现多条裂纹联接成较长的裂纹，变宽，变深（见图2）；而有些辊环的轧槽槽底，则会出现龟裂（见图2）。这两种裂纹对辊环来说是比较危险的，如果不及时换辊，裂纹就会扩展，导致辊环报废。

图1 轧制量适中的辊环表面

图2 表面裂纹延伸扩展

图3 龟裂

3.2.2 辊环爆裂

辊环的爆裂，在生产过程中有两种现象，一种是环状断裂（见图4），另一种是径向断裂（见图5）。环状断裂时，裂纹发生在轴环孔槽的槽底，并沿着轧槽成环状；径向断裂时，辊环裂纹沿径向呈放射状。据经验，在生产实践中，超额定轧制量轧制后若裂纹修磨不干净容易发生环裂，冷却效果差时容易发生径向断裂。辊环环状断裂比较少见，多数发生径向断裂。

图4 环裂图5 径向断裂

3.2.3 辊环碎裂

辊环碎裂是辊环失效的另一种主要现

象（见图6），它是轧制过程中发生的较严

重的事故。辊环碎裂危害性极大，因为轧

制过程中，轧机高速运转，爆烈的辊环碎

片，会损伤其它辊环，导致事故的扩大。

辊环碎裂时，碎片经常打伤相邻机架的辊

环，损坏锥套和辊轴以及导卫、集水器等。

图6 碎裂的辊环

3.2.4 辊环表面点蚀

冷却水的PH值是决定辊环腐蚀程度的最重要参数之一，当然其他因素也会产生影响，比如介质的温度、电导率、流量等。为了维持冷却水的PH值，往往会在冷却水中添加一些药剂。这些药剂有可能会增加冷却水中的酸根，在高温轧制过程中，容易使辊环表面裸露的粘结相腐蚀（见图7）。

图7 辊环表面点蚀

3.2.5 辊环受撞击小块崩裂

辊环是一种脆性材料，非常容易碰坏，因此，在开箱后搬运、转移辊环过程中，应注意轻拿轻放。在安装拆卸过程中需要敲击时使用铜锤，不允许铁锤之类的铁器敲击。否则可能会辊环崩裂（见图8、图9）。

图8 辊环内圆崩裂图9 辊环外圆崩裂

4 辊环失效原因分析

4.1 牌号选择不当

各架轧机所承受的轧制力及冲击力是不同的，并且随着轧制道次的增多，辊环的转速也会有较大地提高，对辊环的磨损也会随之增大。因此，在选择各架轧机辊环的材质时就应该将各架所承受的轧制力和冲击力及耐磨性能要充分地考虑进去。否则，由于材质选择不当，会造成精轧内崩辊现象的发生，而且造成崩辊的原因不易被发现。

4.2 热疲劳

轧制过程中，热轧件与轧槽表面接触，使轧辊表面温度升高，这部分金属要产生膨胀，而轧辊深层的金属温度由于温度升高较小，就会对轧辊表面金属产生压应力；反之，当轧辊表层被冷却水急冷后，表层金属收缩，而深层的金属收缩不如表层金属大，就会对表层的金属生产一个拉应力，这种反复交变的热应力极易产生热疲劳裂纹，造成辊环槽底出现微裂纹，若未及时换辊，微裂纹延伸将会使微裂纹变宽变深，或者出现龟裂纹，严重者会造成辊环爆