冷轧辊超声波探伤

锻钢冷轧辊的无损检测

周 鼎 祥

摘 要: 带钢冷轧工作辊的各项高性能指标及严酷的使用条件，使无损检测(NDT)技术在其研制、生产、试验和日常使用管理中得到广泛应用。本文对冷轧工作辊的材质、性能指标、使用条件及检测项目进行了介绍，对冷轧工作辊超声检测(UT)中常见技术问题进行了研讨，文章还对三种主要的表面探伤技术在冷轧工作辊表面缺陷检测中的效能进行了评述。

关键词: 锻钢冷轧工作辊超声波探伤表面波涡流检测旋磁探伤 1 概述

现代带钢冷连轧工作辊及中间辊的材质通常为含Cr2～5％的高碳合金锻钢，近年来已开始使用高速钢及半高速钢材质来制造冷轧工作辊。小规格的森吉米尔多辊轧机(Sendzimir mill)的工作辊及中间辊的材质主要为Cr12系列锻钢及锻造高速钢。

现代冷连轧机的的轧制速度很高，可达每秒数十米。轧辊所承受的轧制力很大，按辊面母线单位长度计算，单位长度轧制压力常在10KN/mm以上。轧制的板宽很宽，板厚越来越薄，钢材的强度日益提高。因轧制极薄板而使轧制事故容易发生，辊面受粘钢及热冲击损伤的几率增加。因此冷轧辊的使用条件极其严酷。由于市场对现代冷轧板的质量要求日益提高，例如对板面要求光滑，不得有辊印、桔皮状糙化等影响板面质量的缺陷；对板形要求平整，对板面中间的瓢形、边部的浪皱及镰形侧弯的控制很严，这就要求轧辊辊面有很高的耐磨性、耐糙化性；由于轧钢生产中可能发生辊面打滑、卡钢、粘钢等事

故，辊面容易受热冲击而产生热裂纹，这些表面细小裂纹在未磨尽的情况下，在随后的使用中将引起裂纹向辊身皮下发展而形成大而深的带状剥落，使轧辊彻底报废。这就要求轧辊兼有良好的耐事故性，即要求辊面有适当的硬度和残余压应力水平。总而言之，既要求轧辊有高的耐磨性，又要求它具有良好的耐事故性。通常轧辊的耐磨性和耐事故性是一对矛盾，过高的耐磨性(硬度)通常伴随着耐事故性的降低，而降低硬度一般可使耐事故性得到提高。所以轧辊的生产者和使用者在轧辊的生产和使用管理中，不仅要根据其使用条件和材质特点选择适当的热处理工艺以获得轧辊的适当的硬度范围和表面残余压应力水平，同时还要在轧辊的修磨过程中加强修磨控制和辊面缺陷检测，这在轧钢生产中卡钢、甩尾、打滑和跑偏等事故较多的情况下，尤为重要。对于一般的中、窄带钢冷轧工作辊来说，使用条件比宽带钢冷连轧辊要相对好一些。但除了轧制速度较慢、单位轧制力较低外，其他对于辊面耐磨性、耐糙化性和耐事故性仍有很高要求。为了满足轧钢生产的使用，冷轧工作辊必须有足够深的辊身淬硬层深度。从 20世纪70年代开始，冷连轧辊的淬硬层深度从≥12mm，逐步增加到20和30mm左右，目前已达到约50mm的水平。由于淬硬层的增厚，辊身淬硬层的残余压应力对轧辊中心区域残余应力的影响，使心部的残余拉应力水平有所增高，拉应力峰值区范围进一步扩大。这就使得对于冷轧工作辊中心区域的缺陷控制要求更加严格。换言之，轧辊制造厂和轧钢厂对于冷轧工作辊内部缺陷超声波检测提出了日益更高的要求。为了满足上述冷连轧机的使用条件，对冷轧辊提出了下

列很高的检测要求：轧辊辊面和辊颈轴承部位的硬度检测为了达到辊面的高耐磨性要求，辊面硬度通常都要求达到HSD93以上，对于平整工作辊硬度更是要求HSD95以上，且要求硬度均匀，辊身硬度均匀度不超出HSD2。为了防止辊身两端部在表面淬火过程中和以后使用时的脱肩事故，在辊身两端要留有一定宽度的淬火过渡区—软带。为了使辊颈轴承部位有良好的耐磨性，在轧辊制造时，通常需要对辊颈轴承部位进行表面高频感应淬火硬化处理—辊颈强化。上述部位均需进行硬度检测。 轧辊的金相检测

为了保证辊面的耐糙化性，防止在很高接触应力使用条件下辊面的滚动接触疲劳所引起的辊面微裂纹和小掉肉，对轧辊的显微组织要求也很高。要求晶粒组织细小均匀；要求高倍夹杂物少，通常要求A系(加工变形)夹杂物(硫化物、硅酸盐)、B系夹杂物(氧化铝)、C系(不 变形氧化物、氮化物等)夹杂物的总量不大于0.04%；要求偏析程度低，防止树枝晶出现。同时对组织中的液析碳化物的大小也有控制要求，一般碳化物的大小应在2μm以下，个别碳化物不应大于3μm。对于夹杂物的定量通常可采用网格法来计算，也可采用图像分析法来定量；对于液析碳化物的大小测量，一般应以在显微镜下测得的液析碳化物块的长轴尺寸为准。 轧辊的表面残余应力测试

为了处理好辊身的耐磨性和耐事故性这一对矛盾，辊身表面应保持适当的热处理残余压应力。这个残余压应力不能太高，也不能太

低。残余压应力较低则反映辊面硬度也较低，耐磨性也较差，但轧辊的抗事故性可能较好，属于耐事故型轧辊；残余压应力较高，则通常辊面硬度很高，辊面的耐磨性高，属于耐磨型轧辊，但在发生辊面打滑、粘钢和烧伤等轧钢事故时，产生的表面裂纹较深，易导致辊面剥落事故。辊面的残余压应力与硬度的关系密切，有资料指出，对于辊身直径在Φ550mm左右的冷轧辊，当辊面残余压应力增大或减小100MPa，则辊面硬度相应增大或减小约0.8HS。辊面的残余应力一般可采用X射线应力检测法进行检测。 轧辊的无损探伤

如果辊身内部存在某些缺陷，则轧辊在预备热处理─调质过程和最终热处理─辊身淬火/回火及辊颈表面强化过程中，在热应力和组织应力的作用下，可能引起缺陷的扩展甚至导致轧辊的断裂事故；如果辊身表面及近表层存在缺陷─疲劳源，将引起轧辊在使用中的掉肉和剥落事故；对于一些需要重复淬火硬化的轧辊，必须防止重淬过程中因轧辊原始内在缺陷诱发的断裂事故。以上种种都对冷轧辊的辊坯、半成品以及成品辊的低倍冶金缺陷提出了很高的检测控制要求。对轧辊内部的低倍缺陷采用超声波纵波探伤法来探测。而对轧辊表面的缺陷，主要包括翻皮、锻造折叠、热处理裂纹、疲劳裂纹及磨削裂纹等，可采用渗透探伤或磁力探伤法进行检测，也可采用超声表面波法来进行检测。在上述诸项检测中，对新辊及在用辊最常用的是无损检测项目，它对于轧辊的安全制造和合理使用管理以及反映其内在质量信息有着重大的意义。

新品冷轧辊的超声检测

2.1 冷轧辊 UT中的若干问题

2.1.1 空心辊的中心缺陷问题

冷轧工作辊有开中心孔的空心辊和不开中心孔的实心辊两种。从使用角度看，有的工厂在轧制前，需要向轧辊的内孔通蒸汽预热轧辊。另外，因为轧辊中心部位在热处理(包括调质及表面淬火)时是拉应力峰值区，因此中心缺陷很有害。通常可加工一个去除这些缺陷的工艺孔。该孔在辊坯整体调质时还可通油冷却，以产生表面残余压应力，使热处理的残余拉应力峰值区不在孔壁上。因此带中心通孔轧辊的UT是一个常见的检测问题。当中心缺陷未能完全去除，特别是残留缺陷在孔壁上显露时，将更具危险性。轧辊使用时，工作辊夹在支承辊之间，在很大的压力下转动。因此，在中心孔壁上产生拉伸和压缩的交变应力。当该应力与残余应力叠加，超过孔壁疲劳极限、特别是由于孔壁上缺陷显露形成应力集中部位时，将由此发生疲劳破坏。日本三喜代三指出，采用感应加热方式进行冷轧辊淬火时，在无法冷却中心孔或冷却能力较差时，一定要避免使用开中心孔的轧辊，这是一条原则。据我国常州冶金机械厂报道，一批开有Φ80mm中心孔的9Cr2MoΦ400×1200mm冷轧辊，在使用中断辊率高达20％。经分析，其原因是辊坯存在中心部位缺陷，中心孔使材料的内在缺陷外露，调质时孔壁氧化脱碳使材料的疲劳强度下降，加上加工刀痕产生应力集中，加速了疲劳裂纹的形成而导致断辊。当针对上述原因采取措施，生产

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