胡玲娟

秦皇島秦冶重工有限公司 河北秦皇島 066318

1 序言

高爐爐頂布料溜槽托架（見(jiàn)圖1）是布料器的重要部件，其性能對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)、布料起著重要的作用。托架上部通過(guò)銷(xiāo)軸安裝在旋轉(zhuǎn)套筒上，下部通過(guò)定位卡掛溜槽（見(jiàn)圖2），系統(tǒng)作業(yè)時(shí)托架和溜槽一起做水平旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和垂直方向上下運(yùn)動(dòng)[1]。托架一方面承受來(lái)自溜槽的壓力，另一方面承受物料下料時(shí)的強(qiáng)烈沖擊，以及高溫輻射、煤氣等復(fù)雜氣氛侵蝕等。爐頂溫度一般在300～600℃，有些廠(chǎng)家爐溫在800℃[2]。由于托架在惡劣環(huán)境下使用，因此對(duì)其組織性能的研究具有一定的意義。

圖1 托架

圖2 布料溜槽和托架裝配

2 存在的問(wèn)題

溜槽托架材質(zhì)主要為ZG42CrMoV、ZG35CrMoV，具有較高的熱強(qiáng)性、熱疲勞強(qiáng)度、高溫塑性和韌性等綜合力學(xué)性能。設(shè)計(jì)要求托架進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，調(diào)質(zhì)組織為回火索氏體。在實(shí)際生產(chǎn)中托架的質(zhì)量一直不穩(wěn)定，其制造過(guò)程中常出現(xiàn)貝氏體組織。貝氏體分為上貝氏體和下貝氏體。

上貝氏體組織是過(guò)冷奧氏體在350～550℃溫區(qū)形成的一種組織，由鐵素體和滲碳體組成。鐵素體呈平行板條狀分布，板條間分布有不連續(xù)的短棒狀或串珠狀碳化物，其硬度為35～45HRC。上貝氏體組織是一種脆性組織，表現(xiàn)為強(qiáng)度、硬度高，沖擊韌度較低，整體力學(xué)性能較差，使用價(jià)值不大。

下貝氏體組織是過(guò)冷奧氏體在350℃以下、Ms點(diǎn)以上形成的組織，由鐵素體和滲碳體組成。鐵素體呈平行板條狀分布，碳化物沉淀在鐵素體內(nèi)，并與鐵素體片的長(zhǎng)軸呈55°～60°。下貝氏體具有較高的強(qiáng)度和韌性，應(yīng)用較廣。

3 案例

2019年，我公司為某鋼廠(chǎng)生產(chǎn)的布料器溜槽托架，材質(zhì)為ZG42CrMoV，技術(shù)要求鑄件粗加工后進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，硬度270～320HBW，連體試樣和托架同爐調(diào)質(zhì)處理，并對(duì)鑄件的連體試樣和托架本體上精加工下來(lái)的花鍵塊進(jìn)行金相組織和力學(xué)性能檢測(cè)。

3.1 試驗(yàn)檢測(cè)

按照技術(shù)要求對(duì)鑄件的連體試樣和花鍵試樣分別進(jìn)行化學(xué)成分、力學(xué)性能檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表1、表2。金相組織檢測(cè)結(jié)果如圖3、圖4所示。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

從表1可看出，連體試樣和花鍵塊試樣材質(zhì)化學(xué)成分滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。從表2可看出，連體試樣抗拉強(qiáng)度高于標(biāo)準(zhǔn)值，伸長(zhǎng)率、沖擊吸收能量低于標(biāo)準(zhǔn)值。花鍵試樣沖擊吸收能量低于標(biāo)準(zhǔn)值；金相組織，連體試樣調(diào)質(zhì)金相組織為回火索氏體+先共析鐵素體+上貝氏體組織（見(jiàn)圖3），花鍵試樣調(diào)質(zhì)金相組織為上貝氏體＋少量下貝氏體（見(jiàn)圖4）。

圖3 連體試樣金相組織

圖4 花鍵試樣金相組織

表1 ZG42CrMoV溜槽托架化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 ZG42CrMoV溜槽托架力學(xué)性能

ZG42CrMoV是中碳珠光體耐熱鋼，含有Cr、Mo、V等元素，大截面鑄件調(diào)質(zhì)時(shí)除了生成回火索氏體外，還易形成貝氏體，生成貝氏體的原因和零件的合金元素種類(lèi)、含量及構(gòu)件尺寸有關(guān)[3]。托架零件截面尺寸大，冷卻溫度、速度不易控制，故生成貝氏體。

關(guān)于上貝氏體，一般認(rèn)為力學(xué)性能差，使用價(jià)值不大。但是，貝氏體的亞結(jié)構(gòu)為高密度位錯(cuò)和孿晶，能夠減緩碳化物和合金元素的擴(kuò)散。托架可以利用貝氏體的這種特點(diǎn)。上例中，上貝氏體組織強(qiáng)度較高、塑韌性低，使材料呈現(xiàn)脆性。材料在低溫下使用，若沖擊吸收能量值較低即脆性大，易發(fā)生脆性斷裂。而托架用在300～800℃下，上貝氏組織所表現(xiàn)的高強(qiáng)度、低韌性性能可用。

3.3 托架服役結(jié)果驗(yàn)證

托架質(zhì)保期為一年，2019年9月，上例托架上線(xiàn)運(yùn)行，2020年10月，布料器含托架回廠(chǎng)返修，使用了13個(gè)月，鋼廠(chǎng)高爐溫度在700～800℃。對(duì)于返廠(chǎng)舊件取樣，分析其性能和組織變化。舊件外觀如圖5、圖6所示。

圖5 托架舊件

圖6 托架舊件局部放大

對(duì)舊件取樣進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表3，金相組織檢測(cè)結(jié)果如圖7、圖8所示。

表3 舊件力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果

托架在使用13個(gè)月后，發(fā)生疲勞、蠕變，長(zhǎng)度伸長(zhǎng)超100mm，表面龜裂、燒損、失效。從舊件取樣結(jié)果分析可知，強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、沖擊吸收能量等力學(xué)性能均下降，且大大低于標(biāo)準(zhǔn)值，對(duì)比使用前各項(xiàng)性能指標(biāo)下降很多。從圖7、圖8可看出，金相組織為鐵素體基體上分布著球粒狀碳化物，而托架使用前的組織為上貝氏體。

圖7 舊件金相組織

圖8 舊件金相組織放大

托架長(zhǎng)期在高溫條件下運(yùn)行，其組織的穩(wěn)定性和熱強(qiáng)性變差。材料中的碳化物析出、球化、長(zhǎng)大，相當(dāng)于對(duì)托架進(jìn)行了球化退火處理。托架材料發(fā)生高溫蠕變，強(qiáng)度、塑形、韌性下降至不合格。爐頂高溫氣氛中的腐蝕性元素O、S、Cl等氣體對(duì)托架表面氧化、腐蝕嚴(yán)重，導(dǎo)致表面脫碳、龜裂。因此，長(zhǎng)期疲勞、高溫蠕變和高爐氣體腐蝕的共同累積作用造成了材料失效。

4 結(jié)束語(yǔ)

1）ZG42CrMoV 托架長(zhǎng)期在高溫條件下運(yùn)行，組織發(fā)生變化，鐵素體基體中碳化物析出、球化、長(zhǎng)大。材料發(fā)生高溫蠕變，組織的穩(wěn)定性和熱強(qiáng)性變差，力學(xué)性能變差。高溫氣體腐蝕，材料表面氧化、脫碳、龜裂失效。

2）一般認(rèn)為上貝氏體的力學(xué)性能較差，使用價(jià)值不大。但是，貝氏體的亞結(jié)構(gòu)為高密度位錯(cuò)和孿晶，能夠減緩碳化物和合金元素的擴(kuò)散，在高溫下使用的溜槽托架可以利用貝氏體的這種特點(diǎn)。