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裂甚至碎裂。
轧槽使用后产生的微观裂纹会使材料强度明显下降。
据资料[1]介绍，1mm深的裂纹使材料强度降至500～300MPa；2mm深的裂纹使强度降至350～250MPa；3mm深的裂纹，则使强度降至300～200MPa。
所以，需要制定合理的额定轧制量。
辊环的修磨也非常重要，要选择适当轧槽修磨量。
如果轧制量过多，裂纹过深，正常修磨后裂纹不能彻底消除，加上其他原因极易造成碎辊。
4.3 冷却水冷却质量不好冷却水压力不足也是造成辊环疲劳裂纹的原因之一。
减少疲劳产生的裂纹，必须用冷却水把辊环从轧件处获得热量带走，从而减少辊环的温升，减少表层金属的热膨胀。
当轧件与辊环表面接触时，辊环表层金属可达500～600℃。
冷却水喷到炽热的辊环表面，会形成一层汽膜，覆盖其下面的轧辊表面，严重地影响了冷却效果。
辊环冷却水系统水压正常情况下要求0.4～0.6MPa，如果水压过高或过低都会影响辊环的冷却效果。
如果水压高于0.6MPa，当水被喷到槽孔后会弹起来，造成对辊环的冷却效果不好，使辊环槽孔的热量没有被及时地带走造成辊环碎辊。
如果水压低于0.4MPa，由于辊环转速较高，辊环冷却水会在辊环槽孔形成一层蒸气层，使辊环冷却水不能冲破在辊环槽孔形成的蒸气层，不能把辊环槽孔的热量及时带走，导致辊环碎辊。
4.4 员工未按工艺要求操作(1) 轧件尺寸过大。
轧件尺寸过大常，常造成对精轧机组第一架轧机辊环冲击力加大，变形量加大，轧制力升高。
同时，也使精轧机组前几架轧制力加大并造成轧件在前几架轧机间抖动加大，最终造成精轧机组前几架轧机的辊环碎辊几率加大。
因此，要严格控制进入精轧机的形状及尺寸使其尽可能接近轧制程序所要求的尺寸。
(2) 轧制温度过低。
轧制温度过低也会造成轧制力加大，容易造成辊环碎裂。
(3) 导卫安装不对中，致使辊环受冲击力过大而碎裂。
(4) 装辊时操作不当。
精轧机辊环的装卸有明确的工艺要求，但生产过程中操作工为了求快，往往忽略这些操作工艺要求，在辊环清洁、锥套清洁、辊轴清洁方面做得不够。
另一方面，操作工装辊时，装辊小车打压的压力掌握不好，由于过压，容易造成轧制过程中辊环的断裂。
再者，操作工在安装辊环时使用铁锤敲击辊环，致使辊环崩裂。
4.5 锥套、轧辊轴磨损严重锥套、轧辊轴在清洗的过程中，由于没有将其表面的氧化铁皮及浮锈、油污、细小颗粒清洗干净，在锥套及轧辊轴上的氧化铁皮、浮锈、细小颗粒会使锥套和轧辊轴的磨损加速。
而残留在锥套、辊环、轧辊轴上的油污会降低锥套、辊环、轧辊轴之间的摩擦力，最终造成辊环脱落或崩辊。
由于锥套、轧辊轴之间残留有氧化铁皮、细小颗粒，在运行一段时间后会造成锥套、轧辊轴的磨损。
而摩根要求锥套与轧辊轴接触面应达到85%以上，否则，就会使锥套与轧辊轴之间接触面接触不好，使锥套退出，导致辊环崩辊。
因此，要定期用蘸蓝粉对锥套及轧辊轴接触面进行检验，以确保锥套与轧辊轴接触面达到以上，避免辊环崩辊情况的发生。
为减少碎辊，辊环内径表面、锥套和：轧辊轴锥头尺寸应符合图纸要求的公差尺寸，确保各接触面接触良好。
4.6 辊环的搬运辊环在吊运到轧制现场时，在吊运过程中辊环会发生相互碰撞，损伤轧槽，即使碰撞表面不能看到明显的碰伤痕迹，也可能会在其内部产生应力集中，在恶劣的工作环境下就可能导致辊环爆裂。
4.7 影响辊环寿命的其它因素除了上述主要几条外，实际生产中可能遇到的影响辊环寿命的其它因素多种多样。
如意外停水、处理废钢时对辊环的保护不当、辊缝调节不当等等。
5 控制措施5.1 正确选择辊环牌号根据WC硬质合金辊环的性能特点，在线材轧制中使用硬质合金辊环，首先要正确选择辊环牌号。
一般而言，预精轧机架及精轧前面机架钢坯尺寸波动大，表面粗糙，轧制减径面积大，因此要求辊环有高的强度和冲击韧性。
与此相反，精轧靠近成品机架上的钢坯尺寸波动小，表面状况好转，减径面积小，因此对辊环的强度要求降低；但由于处于成品前孔或成品孔，要求辊环有较高的耐磨性和抗热龟裂性，以此来保证线材有良好的尺寸公差和表面光洁度。
精轧中间架次的情况介于上述之间[2]。
当然，具体轧线的辊环牌号选择和配置应根据实际轧制环境和条件，实事求是地全面分析，结合各辊环牌号的各项性能综合考虑，慎重选择，并不断及时试用反馈和修正，才能找到合适的辊环。
5.2 改善WC辊环冷却系统冷却是为了降低轧制时高温对轧槽表面的热应力疲劳冲击，从而减少热裂纹的发生，延缓热裂纹的扩展，并降低温度对腐蚀的促进作用，从而降低龟裂程度，提高辊环使用寿命，防止因热裂纹迅速扩展而造成恶性碎辊。
