連鑄輥輥體材料及熱處理工藝的試驗(yàn)研究

謝陸旻

(寶鋼工程技術(shù)集團(tuán)有限公司)

摘要：對連鑄輥輥體材料及熱處理工藝開展試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：03#連鑄輥輥體材料采用新的熱處理工藝可在保證強(qiáng)度的前提下，顯著改善斷裂韌性，提高抗疲勞裂紋擴(kuò)展能力。

關(guān)鍵詞：連鑄輥；輥體材料；熱處理；斷裂韌性

中圖分類號：TG162.6：TG156文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

收稿日期：2014-11-20；返回日期：2014-12-24

作者簡介：謝陸旻(1982-)，男，寶鋼工程技術(shù)集團(tuán)有限公司，工程師，工程碩士。

連鑄輥不僅受到高溫、水冷的交變冷熱循環(huán)作用，而且還受到板坯鼓肚力和靜壓力的交變機(jī)械應(yīng)力作用，以及滯坯與漏鋼等造成的非平衡熱和非平衡應(yīng)力的作用。連鑄輥在使用一段時間后，都會出現(xiàn)不同程度的網(wǎng)狀裂紋、氧化腐蝕、磨損和彎曲變形等問題，尤其是熱裂紋在上述應(yīng)力的作用下會不斷擴(kuò)展，形成沿連鑄輥的軸向和周向的主疲勞裂紋。當(dāng)裂紋的長度超過材料裂紋長度容限時，將發(fā)生失穩(wěn)斷輥事故[1-3]。連鑄輥的使用性能及使用壽命直接影響連鑄生產(chǎn)的作業(yè)率和成本，因此各國對連鑄輥輥體材料和性能的研究都很重視。

國外六、七十年代的輥體材料以普通碳素鋼和普通Cr-Mo鋼為主，八十年代以后由普通Cr-Mo鋼向Cr-Ni-Mo-V低合金鋼發(fā)展，通過增加合金含量改善輥體材料的熱處理性能和斷裂韌性[4]。連鑄輥也由整體鍛造輥發(fā)展到目前的表面堆焊復(fù)合輥[5]。我國連鑄技術(shù)發(fā)展相對較晚，連鑄輥的制造和使用技術(shù)也相對較為落后。

寶鋼一期引進(jìn)了日立造船株式會社的成套連鑄設(shè)備，最初連鑄輥輥體材料采用日本鑄鍛鋼公司的R72，之后調(diào)整為R73[6]，在R73之后未再有新材質(zhì)推出，輥體材料成分如表1所示：

由表1可知：1) R73是在R71和R72基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，R73調(diào)整了R72中Ni、Cr、Mo合金含量，如果滿足R72就基本滿足R73。R73輥體材料實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化后，國內(nèi)特鋼廠為了節(jié)省Ni、Cr等合金元素常采用下公差冶煉，R73鍛坯的最終成分往往與R72差異不大。2) R73比R71和R72更加嚴(yán)格控制了P、S的含量，同時對N和H含量提出了明確的控制要求。3) 輥體材料成分范圍較大，各爐冶煉性能波動大，熱處理后的性能重現(xiàn)性差，無法保證穩(wěn)定的使用特性，容易造成斷輥等事故，直接影響煉鋼生產(chǎn)的安全、順行。

表1　寶鋼連鑄輥輥體材料成分對比(wt.%)

寶鋼從日本引進(jìn)R72和R73連鑄輥輥體材料，配套的調(diào)質(zhì)熱處理工藝為：900 ℃×14 h水冷淬火+650 ℃×12 h空冷回火，多年來基本沒有變化。表2為輥體材料調(diào)質(zhì)熱處理后機(jī)械性能要求與實(shí)物性能的對比[7]。

表2　連鑄輥輥體材料的機(jī)械性能要求與R73實(shí)物輥的性能

由上表可知：輥體的沖擊韌性較低，在高溫工況下使用，連鑄輥容易產(chǎn)生組織脆化，耐疲勞裂紋擴(kuò)展性能較差，易致斷輥失效，因此必須改進(jìn)輥體材料成分和熱處理工藝，以在保證強(qiáng)度前提下，提高輥體的斷裂韌性。

寶鋼連鑄輥的材料和制造工藝主要是消化或仿效已有技術(shù)而制定的，連鑄輥的使用壽命與國外先進(jìn)水平相比仍有一定差距。為了保證連鑄生產(chǎn)安全順行，目前寶鋼現(xiàn)場點(diǎn)檢采用周期管理方式，扇形段連鑄輥每周期使用壽命達(dá)到2000-3000(爐)、水平段達(dá)到4000-6000(爐)即更換下線檢查、修復(fù)。而工況條件與寶鋼相同的新日鐵君津廠每年堆焊修復(fù)連鑄輥不足400根，扇形段連鑄輥的每周期使用壽命達(dá)到7000爐以上、水平段高達(dá)15000爐以上。因此，提高連鑄輥的使用壽命已經(jīng)是寶鋼連鑄生產(chǎn)亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。

本文在R73材質(zhì)的基礎(chǔ)上，開展了連鑄輥輥體材料及熱處理工藝的試驗(yàn)研究，在不降低材料強(qiáng)度的情況下，提高了輥體材料的斷裂韌性。

2試驗(yàn)內(nèi)容

要提高連鑄輥輥體材料的性能應(yīng)從以下幾方面入手：1) 通過調(diào)整輥體材料的成分、增加合金成分的含量，提高淬透性；2) 控制鍛坯冶煉和鍛造質(zhì)量，提高材料的均勻性和純凈度，改善夾雜物形態(tài)，降低有害元素含量；3) 采用能細(xì)化組織及晶粒的熱處理工藝，提高材料的斷裂韌性，降低裂紋擴(kuò)展速度。

2.1　輥體材料成分設(shè)計

小爐冶煉的材料成分如表3所示，為保證一定的強(qiáng)度，規(guī)定了最低含碳量，為增加輥體材料的淬透性，Mn含量選取上限，三爐Ni、Cr含量進(jìn)行了相應(yīng)調(diào)整。其中01#與目前寶鋼使用的R73連鑄輥成分基本一致。

表3　新設(shè)計的輥體材料成分對比(wt.%)

2.2　熔煉方法

三爐原料均采用IF鋼以降低P、S含量，在50 kg感應(yīng)爐中冶煉，鑄成電極棒，然后采用30kg電渣爐進(jìn)行重熔，最終得到?120 mm電渣錠。

2.3　鍛造

將?120 mm電渣錠鍛成?30 mm×400 mm拉伸試樣毛坯、32 mm×32 mm×180 mm沖擊試樣毛坯和40 mm×26 mm×450 mm的J積分試樣毛坯。鍛造毛坯經(jīng)950 ℃正火+650 ℃高溫回火后，機(jī)加工至一定尺寸再進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理。

2.4　調(diào)質(zhì)熱處理

在鹽浴爐中進(jìn)行調(diào)質(zhì)加熱，在井式電爐中進(jìn)行回火處理，爐溫均經(jīng)過校正。調(diào)質(zhì)工藝采用二種方案：

1)900 ℃水冷+690 ℃回火空冷

2)900 ℃空冷+690 ℃回火空冷

最終硬度均要求在連鑄輥輥體材料所規(guī)定的硬度范圍內(nèi)，即32-37HSD，采用900 ℃空冷的目的是：比較在不同熱處理方式下三種成分的連鑄輥輥體內(nèi)部性能和金相組織的差別。

2.5　金相組織及性能測試分析

經(jīng)調(diào)質(zhì)熱處理的試樣測試硬度值后，分別按GB/T 228-2010、GB/T 229-2007和GB/T 21143-2007標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行拉伸、室溫沖擊、J積分試驗(yàn)。三種成分的試驗(yàn)鋼種經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，采用OLYMPUS-BX51金相顯微鏡進(jìn)行微觀組織分析，沖擊斷口形貌采用NOVA NANOSEM 430型掃描電子顯微鏡觀察分析。

3試驗(yàn)結(jié)果分析

小爐冶煉的三爐試驗(yàn)材料實(shí)際成分如表4所示，機(jī)械性能測試結(jié)果如表5所示，03#金相組織及斷口電鏡圖片如圖1、圖2所示：

表4　小爐冶煉的試驗(yàn)輥體材料成分(wt.%)

4結(jié)果討論分析

圖1是03#試樣調(diào)質(zhì)后的金相照片，從圖中可以看出組織由已經(jīng)再結(jié)晶的鐵素體和均勻分布的細(xì)粒狀滲碳體組成，并且滲碳體充分析出，均勻彌散分布，基體呈細(xì)小的等軸狀。因此03#經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，具有較高的強(qiáng)度和硬度，同時具有更好的塑性和韌性，綜合力學(xué)性能優(yōu)異。

圖2是03#沖擊試樣的斷口形貌，從圖中可以看出斷口形貌呈韌窩狀，基本由圓形或者橢圓形的凹坑-韌窩組成，由此可以推斷在沖擊斷裂過程中發(fā)生了明顯的塑性變形，進(jìn)一步說明了 03#的塑性和韌性較好。

由表5結(jié)果可知，在第一種熱處理?xiàng)l件下，03#成分試樣的強(qiáng)度雖然比R73、01#和02#略低，但強(qiáng)度值仍大于700MPa，滿足了使用要求；而韌性指標(biāo)大幅度提高，其中延性斷裂韌度03#比01#提高了48%，沖擊吸收功03#比R73提高了78%，塑性也得到了很大的提高，其中收縮率03#比R73提高了14%，因此03#在水淬和高溫回火的情況下，綜合力學(xué)性能良好。

分析其主要原因在于03#中Ni和Cr的含量較高，部分溶于基體的Ni和Cr的產(chǎn)生了固溶強(qiáng)化，另外部分未溶的Ni和Cr以強(qiáng)化相的形式析出，這樣實(shí)現(xiàn)了既保證強(qiáng)度達(dá)標(biāo)又不降低韌性的目的[8]。斷裂韌度對連鑄輥來說是極重要的指標(biāo)，連鑄輥在惡劣的工況條件下，堆焊層經(jīng)冷熱疲勞最終要產(chǎn)生裂紋，產(chǎn)生的裂紋將向連鑄輥內(nèi)部擴(kuò)展，高的斷裂韌度，裂紋就不容易向輥體內(nèi)部擴(kuò)展，因此提高連鑄輥的關(guān)鍵在于獲得高的斷裂韌性[7]，由此可見03#成分對于防止疲勞裂紋的擴(kuò)展具有重要的意義。

另外在900 ℃空冷狀態(tài)下，經(jīng)高溫回火后，其沖擊功03#成分也比01#、02#高，可預(yù)期連鑄輥內(nèi)部在冷卻速度比表面緩慢的情況下，采用03#成分的連鑄輥塑韌性也要比01#、02#連鑄輥好。

從材料經(jīng)過兩種不同的熱處理工藝后得到的力學(xué)性能上看，水冷和空冷所得的硬度基本一致，但是從強(qiáng)度上看水冷的要稍微低于空冷的，而在塑韌性上，水冷要高于空冷，尤其是沖擊吸收功上，水冷后回火的值要比空冷后回火的高24%以上。而提高連鑄輥使用壽命的關(guān)鍵就在于提高韌性，因此采用水冷后高溫回火工藝更加合適，使用壽命也會有所提高。

從生產(chǎn)效率上看，直接水淬需要的時間更短，效率也更高，因此03#最佳的熱處理工藝是900oC水冷+690oC回火空冷。

5結(jié)論

(1)三種不同成分的輥體材料和不同的熱處理工藝條件下的試驗(yàn)結(jié)果表明， 03#成分經(jīng)調(diào)質(zhì)熱處理后具有較高的強(qiáng)度和塑性，沖擊功和延性斷裂韌度也得到大幅度提高，均有利于阻止裂紋擴(kuò)展和連鑄輥使用壽命的延長。

(2)03#成分合金元素Ni、Cr的含量較高，經(jīng)過試驗(yàn)和計算表明，直接采用900oC水冷+690oC回火空冷的熱處理工藝，可顯著改善其綜合力學(xué)性能，并提高生產(chǎn)效率。

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Experimental study on continuous casting roller

body material and heat treatment technology

XIE Lu-min

Abstract：Experimental study is conducted on the casting roller material and heat treatment process,the results showed:number 3 sample that using the new technique of heat treatment,the continuous casting roller body material could ensured strength,and the fracture toughness improved Significantly,the fatigue crack propagation resistance has im proved.

Key words：Continuous casting roller,Material,Heat treatment,Fracture toughness