连铸机叉形臂断裂原因分析

吴文祥　李强　夏志伟　颜景林

【摘 要】通过断口形貌分析、金相组织分析、力学性能及化学成分检测等方法对一起连铸机叉形臂断裂事故原因进行了分析。结果发现，叉形臂在长期交变应力的作用下，在焊趾处形成了疲劳裂纹，疲劳裂纹在巨大冲击性载荷作用下发生快速扩展，导致叉形臂发生瞬时冲击断裂。此外，钢板中心存在分层缺陷和材质屈服强度偏低，降低了钢板的抗疲劳能力和抗冲击能力，加快了裂纹扩展。

【关键词】疲劳裂纹 冲击断裂 焊趾 分层缺陷

【Abstract】A fracture accident of caster fork armwas analyzedby means ofthe morphology analysis of fracture， metallographic analysis， mechanical properties and chemical composition testing. The results show that the fatigue crack is formed on the surface at the weld toe under the effect of long-term alternating stress. The fatigue crack shows rapid expansion under huge impact load，resulting in instantaneous impact fracture of the fork arm. In addition， due to the layered defects in the center of the steel plate and the low yield strength of the material， the anti fatigue capability and the impact resistance of the steel plate are reduced， which accelerate the crack propagation.

【Key words】Fatigue crack； impact fracture； weld toe； layered defect

某钢铁企业发生一起连铸机钢水包叉形臂断裂事故。事故发生时，板坯连铸机钢水包回转台在进行座包作业，座包完成后在板钩脱挂钩的过程中板钩未能正常脱出，钢水包的吊耳被板钩的钩头吊起约200mm高度后，钢水包滑脱落到回转台的叉形臂上，巨大的钢水包下坠冲击，导致叉形臂断裂，钢水包跌落到地面上。为查明叉形臂断裂原因，对叉形臂断裂件进行了综合分析。

1 检查结果

1.1 断口检查

图1、图2所示为叉形臂断裂处的外观形貌及断口宏观形貌。可以看出，断裂部位两侧断口的外观形状相似，两侧断口上部邻近上表面处均存在焊接痕迹，均有一小部分区域较平整，且该部位存在肉眼可见的疲劳辉纹，而其余大部分区域的断口表面凹凸不平，且存在放射状条纹。图3所示为叉形臂断口裂纹扩展区微观形貌。可以看出，该部位断口存在明显的解理台阶，具备典型的解理断裂特征。由此可知，上部较平整的区域为疲劳区，而其余部位为裂纹快速扩展区，裂纹起源于叉形臂断口上表面，并向下扩展。此外，从图2还可以看出，断口中心部位存在一条沿纵向分布的线状缺陷。

1.2 化学成分检查

对断口附近区域钢板材质进行化学成分检测，检测结果如表1所示。可以看出，叉形臂钢板化学成分符合GB 6654-1996《压力容器用钢板》中对16MnR的成分要求。

1.3 力学性能检查

对断口附近区域钢板进行拉伸性能和冲击性能试验。拉伸性能试验结果表明，钢板的抗拉强度、断后伸长率符合GB 6654-1996《压力容器用钢板》中对16MnR的要求，但其屈服强度略低于标准要求（表2）。冲击性能试验结果表明，钢板的冲击吸收功为54J，符合GB 6654-1996《压力容器用钢板》中16MnR冲击吸收功不小于31J的要求。

1.4 金相检查

对断口附近区域钢板进行金相检查，如图4所示。钢板显微组织为铁素体+珠光体的带状组织，未见异常。采用线切割方法，在裂纹起始部位，既垂直于断口表面，又垂直于焊缝表面将断口试样切开，磨制横截面金相试样，以确定裂纹起始的确切位置，检查结果如图5所示。可以看出，裂纹起始于焊趾处，即裂纹起源位置位于焊接熔合区与未熔合区（热影响区）的交界处。

1.5 低倍检查

对钢板取样进行横截面低倍组织缺陷检查，发现钢板中心部位存在分层现象，如图6所示。这与图2中所见的沿纵向分布的线状缺陷相吻合。

2 分析与讨论

断口分析结果表明，叉形臂断口明显分为两个区域：陈旧性开裂区和瞬时冲击断裂区。陈旧性开裂区位于叉形臂钢板上表面，该区狭窄，断口平齐，其前沿由几个曲率半径较大的弧形条纹构成，断口表面存在明显的宏观疲劳条纹。分析认为，该陈旧性开裂区是叉形臂在频繁的连铸作业过程中在交变应力作用下发生的疲劳开裂。在焊接结构件上，焊趾为焊缝的应力集中区域，一些表面裂纹可能在焊趾上成核、扩展，最终贯穿板厚。合理的焊接顺序能够极大地减少焊缝中的残余应力和变形，避免焊趾裂纹的产生[1]。连铸机叉形臂焊趾部位受到高应力的作用，同时还受到附加弯矩的作用，这是该处产生疲劳裂纹的主要原因，这也说明此处的焊接对整个叉形臂的使用性能造成了较大的影响。叉形臂的主断口是在冲击性载荷作用下发生的瞬时冲击断裂。根据断口表面放射状条纹的走向，叉形臂的断裂是在受到从上向下的巨大冲击力时断裂的。钢水包座包时操作不当导致板钩脱钩形成巨大的冲击载荷，是促使叉形臂突然断裂的主要外因。由钢板横截面低倍检查可知，钢板心部存在分层现象。钢板分层是中厚板生产过程中常见的缺陷之一。分层缺陷可导致钢板力学性能恶化，特别是沿厚度方向的力学性能显著降低，抗冲击、抗疲劳能力减弱，易发生层状撕裂，是一种易造成钢板降级改判、严重时判废的钢板内部缺陷[2]。钢锭内的气泡、大块的非金属夹杂物、未完全切除的残余缩孔或发生折叠，均可能引起钢材的分层，而不太合理的轧制压下规程又可能使分层加剧[3]。因此，本案例中钢板中存在分层缺陷和材质屈服强度偏低，降低了钢板的抗疲劳能力和抗冲击能力，加快了叉形臂的裂纹扩展。

3 结语

（1）叉形臂断裂钢板化学成分、抗拉强度、断后伸长率、冲击性能均符合GB 6654-1996《压力容器用钢板》标准中16MnR的规定。叉形臂断裂钢板显微组织未见异常。（2）叉形臂在长期交变应力的作用下，在焊趾处形成了疲劳裂纹，疲劳裂纹在巨大冲击性载荷作用下发生快速扩展，导致叉形臂发生瞬时冲击断裂。此外，钢板中心存在分层缺陷和材质屈服强度偏低，降低了钢板的抗疲劳能力和抗冲击能力，加快了裂纹扩展。

参考文献：

[1] 杨永强，常志国，杨光 等.合理焊接顺序在避免焊趾裂纹中的应用实例[J].电焊机，2015（2）：89-91.

[2] 李为缪.钢中非金属夹杂物[M].北京：冶金工业出版社，1998.

[3] 臧晓俊，程军，段双霞.钢板分层原因分析及改进措施[J].山西冶金，2009（1）：53-54.

作者简介：吴文祥（1980—），男，浙江衢州人，博士，工程师，主要从事金属构件失效分析研究。E-mail：wwx985@163.com。