霍振全 梁素霞

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

MC3電渣錠主要用來(lái)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(guò)程中的淬透性和使用過(guò)程中的抗事故性等特點(diǎn)。該系列冷軋工作輥制造對(duì)材料的冶金質(zhì)量要求比較嚴(yán)格，特別是在電渣重熔鑄錠過(guò)程中，任何一個(gè)工藝環(huán)節(jié)的疏忽都會(huì)影響產(chǎn)品質(zhì)量，甚至產(chǎn)生廢品。

本文運(yùn)用電渣重熔的應(yīng)力場(chǎng)分布理論，重點(diǎn)對(duì)10 t 電渣重熔錠的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行初步分析，并對(duì)一次MC3電渣錠鍛前加熱斷裂事故進(jìn)行原因分析。在此基礎(chǔ)上，對(duì)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(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，并對(duì)生產(chǎn)實(shí)踐進(jìn)行指導(dǎo)。

1 電渣錠應(yīng)力分布

10 t電渣重熔的特點(diǎn)是邊冶煉邊凝固，溫度場(chǎng)變化造成的熱應(yīng)力、凝固過(guò)程中鋼錠收縮造成的收縮應(yīng)力以及鋼錠在凝固過(guò)程中組織相變?cè)斐傻南嘧儜?yīng)力相互交織。

影響電渣錠中應(yīng)力場(chǎng)的因素很多。實(shí)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(chǎng)的主要因素。

圖1 擺動(dòng)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(duì)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(dá)到0.75，自耗電極末端由尖錐形過(guò)度到準(zhǔn)平面，電渣重熔過(guò)程中的溫度場(chǎng)過(guò)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(dá)到平衡，此時(shí)電渣錠的凝固組織為理想中的水平發(fā)達(dá)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(yùn)用ESR鋼錠應(yīng)力場(chǎng)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(guò)程中受溫度場(chǎng)影響，應(yīng)力場(chǎng)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(lái)看，由于底水箱的強(qiáng)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(chǎng)的重要因素。熔化速度越快，應(yīng)力場(chǎng)越大，對(duì)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(guò)程中冷卻水對(duì)應(yīng)力的影響

10 t電渣錠在凝固過(guò)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(guò)程中有冷卻水進(jìn)行強(qiáng)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(gè)二維冷卻效果，成為應(yīng)力場(chǎng)比較大的區(qū)域。

數(shù)值模擬顯示[3]：在電渣重熔過(guò)程中，隨著冷卻水流量的增加，電渣錠等效應(yīng)力場(chǎng)和軸向應(yīng)力場(chǎng)也隨之增加。若等效應(yīng)力值超過(guò)電渣錠材質(zhì)的屈服極限，就會(huì)產(chǎn)生鋼錠熱裂缺陷。因此對(duì)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(guò)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(guò)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(guò)程中會(huì)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(guò)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(guò)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(huì)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(duì)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(guò)程中的熱物理參數(shù)比較復(fù)雜，應(yīng)力狀態(tài)也會(huì)隨之錯(cuò)綜變化，在制定工藝時(shí)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(shí)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(cè)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(jiàn)圖2。鋼錠中上部斷口表面已經(jīng)氧化，不存在嚴(yán)重的冶金缺陷(氣孔、夾渣等)，沒(méi)有明顯的斷裂起點(diǎn)，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(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

根據(jù)表1數(shù)據(jù)并結(jié)合冷軋工作輥的檢測(cè)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(guò)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(gè)方面。

3 生產(chǎn)實(shí)踐的應(yīng)用

通過(guò)對(duì)10 t電渣錠重熔過(guò)程中的應(yīng)力分布進(jìn)行分析，并結(jié)合10 t MC3電渣錠鍛前加熱過(guò)程中發(fā)生斷裂事故的原因分析，對(duì)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(jìn)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(jiàn)表2。

理論分析與生產(chǎn)實(shí)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(huì)給電渣錠帶來(lái)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(huì)產(chǎn)生的脆性轉(zhuǎn)變。

MC3電渣錠冷卻到室溫過(guò)程中存在馬氏體分解與碳化物析出的特點(diǎn)，故在電渣錠冷卻到室溫時(shí)，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(guò)退火電渣錠的應(yīng)力情況，隨機(jī)對(duì)在線產(chǎn)品進(jìn)行檢測(cè)，見(jiàn)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(jìn)行下道工序時(shí)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(méi)能有效避開第一脆性轉(zhuǎn)變區(qū)，因此對(duì)工藝進(jìn)行如下優(yōu)化，見(jiàn)圖4。

經(jīng)過(guò)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(guò)以上分析，10 t MC3電渣錠在生產(chǎn)中應(yīng)注意以下幾個(gè)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(dòng)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(chǎng)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.