霍振全 梁素霞

(1. 邢臺德龍機械軋輥有限公司，河北054001；2. 邢臺技師學(xué)院，河北054000)

MC3電渣錠主要用來生產(chǎn)Cr3系列深淬硬層冷軋工作輥，具有改善冷軋輥在制造過程中的淬透性和使用過程中的抗事故性等特點。該系列冷軋工作輥制造對材料的冶金質(zhì)量要求比較嚴格，特別是在電渣重熔鑄錠過程中，任何一個工藝環(huán)節(jié)的疏忽都會影響產(chǎn)品質(zhì)量，甚至產(chǎn)生廢品。

本文運用電渣重熔的應(yīng)力場分布理論，重點對10 t 電渣重熔錠的應(yīng)力狀態(tài)進行初步分析，并對一次MC3電渣錠鍛前加熱斷裂事故進行原因分析。在此基礎(chǔ)上，對10 t MC3電渣錠的重熔工藝、電渣錠退火工藝及鍛前熱處理工藝進行改進優(yōu)化，并對生產(chǎn)實踐進行指導(dǎo)。

1 電渣錠應(yīng)力分布

10 t電渣重熔的特點是邊冶煉邊凝固，溫度場變化造成的熱應(yīng)力、凝固過程中鋼錠收縮造成的收縮應(yīng)力以及鋼錠在凝固過程中組織相變造成的相變應(yīng)力相互交織。

影響電渣錠中應(yīng)力場的因素很多。實踐證明，10 t電渣重熔錠中，熔化速率、冷卻系統(tǒng)及電渣錠組織相變應(yīng)力是影響電渣錠應(yīng)力場的主要因素。

圖1 擺動控制的冶金模型Figure 1 The swing controlled metallurgy model

1.1 10 t MC3電渣重熔中熔化速率對熱應(yīng)力的影響

10 t電渣爐典型的冶金模型如圖1所示[1]：

10 t電渣重熔錠由于面積填充比達到0.75，自耗電極末端由尖錐形過度到準(zhǔn)平面，電渣重熔過程中的溫度場過渡比較均勻。如果金屬熔池為淺平狀，即自耗電極熔化速度與已熔化鋼液結(jié)晶達到平衡，此時電渣錠的凝固組織為理想中的水平發(fā)達柱狀晶。這樣的電渣錠不僅不存在成分偏析，而且因鋼錠溫度梯度造成的應(yīng)力也比較小。

運用ESR鋼錠應(yīng)力場的數(shù)學(xué)模擬[2]，10 t ESR電渣錠應(yīng)力存在如下結(jié)論：

(1)電渣重熔過程中受溫度場影響，應(yīng)力場的分布由上向下、由內(nèi)向外應(yīng)力值逐漸增大。而

斷口形貌 斷口位置圖2 斷口形貌及位置Figure 2 The appearance and position of fracture

從結(jié)晶組織來看，由于底水箱的強制冷卻，組織致密，越往上組織粗大幾率越高。從材料特性角度，根據(jù)Mises屈服準(zhǔn)則，應(yīng)力薄弱環(huán)節(jié)應(yīng)在電渣錠的中下部。

(2)熔化速度是影響電渣錠應(yīng)力場的重要因素。熔化速度越快，應(yīng)力場越大，對電渣錠內(nèi)部質(zhì)量影響也越大。

1.2 10 t MC3電渣錠重熔過程中冷卻水對應(yīng)力的影響

10 t電渣錠在凝固過程中與大型鑄鋼件的凝固有相似的地方。但由于電渣重熔過程中有冷卻水進行強制冷卻，特別是底水箱冷卻，在電渣錠的中下部同結(jié)晶器冷卻共同構(gòu)成一個二維冷卻效果，成為應(yīng)力場比較大的區(qū)域。

數(shù)值模擬顯示[3]：在電渣重熔過程中，隨著冷卻水流量的增加，電渣錠等效應(yīng)力場和軸向應(yīng)力場也隨之增加。若等效應(yīng)力值超過電渣錠材質(zhì)的屈服極限，就會產(chǎn)生鋼錠熱裂缺陷。因此對于電渣重熔冷卻水工藝參數(shù)，應(yīng)從提高生產(chǎn)率和避免鋼錠產(chǎn)生較大殘余應(yīng)力兩方面考慮。

1.3 電渣錠冷卻過程中組織應(yīng)力的影響

MC3是日本20世紀(jì)80年底開發(fā)的Cr3系列冷軋輥材質(zhì)，由于該材質(zhì)Cr、Ni、Mo等合金元素含量高，在電渣重熔凝固過程中易形成液析碳化物和帶狀碳化物[4]。這些組織在電渣錠的冷卻過程中會發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生一定的組織應(yīng)力，形成電渣錠的殘余應(yīng)力。

通過以上三種情況的分析，10 t MC3電渣錠在電渣重熔、緩冷退火過程中存在較復(fù)雜的殘余應(yīng)力或殘余變形。殘余應(yīng)力若不能很好的消除，不僅會影響鍛件最終質(zhì)量和使用壽命，甚至?xí)斐慑懠诠ば蚣庸ぶ挟a(chǎn)生斷裂事故。

因此了解熔鑄鋼錠中殘余應(yīng)力狀況對電渣工藝的優(yōu)化及提高產(chǎn)品質(zhì)量都有重要意義[5]。10 t電渣重熔錠在重熔、凝固及冷卻過程中的熱物理參數(shù)比較復(fù)雜，應(yīng)力狀態(tài)也會隨之錯綜變化，在制定工藝時一定要綜合考慮各方面因素。

表1 MC3冶金質(zhì)量Table 1 The metallurgy quality of MC3

2 10 t MC3電渣錠鍛前熱處理時發(fā)現(xiàn)斷裂情況介紹

2.1 事故現(xiàn)象

(1)電渣錠裝爐前，毛坯檢測合格；

(2)鍛前加熱后，出爐鍛造前發(fā)現(xiàn)電渣錠錠身橫斷，斷口形貌及位置見圖2。鋼錠中上部斷口表面已經(jīng)氧化，不存在嚴重的冶金缺陷(氣孔、夾渣等)，沒有明顯的斷裂起點，斷口部位比較平整。屬于典型的殘余應(yīng)力作用下引起的斷裂特征。

2.2 10 t MC3電渣錠的冶金質(zhì)量

冶金質(zhì)量是影響鍛件質(zhì)量的重要因素，MC3電渣錠冶金質(zhì)量檢驗結(jié)果見表1。

根據(jù)表1數(shù)據(jù)并結(jié)合冷軋工作輥的檢測要求可知，10 t MC3電渣錠的冶金質(zhì)量能夠滿足工作輥制造要求，冶金質(zhì)量不是引起電渣錠斷裂的因素。經(jīng)過分析，最終將事故原因鎖定在電渣重熔的熔速控制、電渣錠退火及鍛前熱處理三個方面。

3 生產(chǎn)實踐的應(yīng)用

通過對10 t電渣錠重熔過程中的應(yīng)力分布進行分析，并結(jié)合10 t MC3電渣錠鍛前加熱過程中發(fā)生斷裂事故的原因分析，對電渣重熔冶煉工藝、電渣重熔退火工藝及后續(xù)鍛造前的鍛前加熱工藝進行優(yōu)化。

表2 10 t MC3電渣冶煉工藝Table 2 The ESR process of 10 t MC3

表3 10 t MC3電渣錠應(yīng)力情況Table 3 The stress situation of 10 t MC3 electroslag ingot

圖3 調(diào)整前的加熱曲線Figure 3 Heating cure before adjustment

圖4 調(diào)整后的加熱曲線Figure 4 Heating cure after adjustment

3.1 電渣重熔的熔速控制

10 t MC3電渣冶煉工藝見表2。

理論分析與生產(chǎn)實踐都證明，如果電渣重熔的熔速與冷卻水流量及分配不匹配，都會給電渣錠帶來一些應(yīng)力隱患。

3.2 電渣錠退火工藝

目前電渣重熔與鍛造工序使用電渣錠熱送工藝，不僅可以減少能源損失，而且可以避免電渣錠冷卻到室溫會產(chǎn)生的脆性轉(zhuǎn)變。

MC3電渣錠冷卻到室溫過程中存在馬氏體分解與碳化物析出的特點，故在電渣錠冷卻到室溫時，工藝必須避開第一脆性溫度轉(zhuǎn)變。

為了比較退火與不經(jīng)過退火電渣錠的應(yīng)力情況，隨機對在線產(chǎn)品進行檢測，見表3。

電渣錠斷裂的主要原因是存在較大的殘余應(yīng)力，因此，在進行下道工序時應(yīng)采取合適的措施消除殘余應(yīng)力。

3.3 電渣錠鍛前加熱工藝

發(fā)生斷裂的電渣錠的鍛前加熱工藝，如圖3所示。

由于沒能有效避開第一脆性轉(zhuǎn)變區(qū)，因此對工藝進行如下優(yōu)化，見圖4。

經(jīng)過工藝調(diào)整后，10 t MC3電渣錠在鍛前熱處理中再未發(fā)生類似斷裂事故。

4 結(jié)論

通過以上分析，10 t MC3電渣錠在生產(chǎn)中應(yīng)注意以下幾個環(huán)節(jié)，以保證產(chǎn)品的最終質(zhì)量。

(1)提高冶煉鑄錠冶金質(zhì)量；

(2)從熔化速度及冷卻水匹配上優(yōu)化MC3電渣重熔工藝；

(3)穩(wěn)定MC3電渣錠的去應(yīng)力退火工藝；

(4)根據(jù)不同的生產(chǎn)情況，優(yōu)化MC3電渣錠的鍛前加熱工藝。

[1] 霍振全，等. 10 t電渣爐冶煉工藝與二次電流擺動控制的應(yīng)用.特殊鋼，2005(6).

[2] 姜周華. 電渣冶金的物理化學(xué)及傳輸現(xiàn)象.東北大學(xué)出版社，2000.

[3] 張磊，等. 電渣熔鑄鋼錠應(yīng)力場的模擬研究.鑄造Foundry， 2009，58(6).

[4] 文鐵錚，郭玉珍.冶金軋輥技術(shù)特性概論.河北科技出版社，1995.

[5] 李正邦. 電渣冶金原理及應(yīng)用.冶金工業(yè)出版社，1996.