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谈锻钢支承辊热锻裂纹原因与质量控制

2019/11/11 阅读:

摘要:结合锻钢支承辊生产工艺流程对造成热锻裂纹的影响因素进行了分析,并结合生产经验提出了质量控制措施。

关键词:锻钢支承辊;锻造裂纹;质量控制

大型锻钢支承辊是轧机的重要组成部件,其单件造价高且属于消耗品,其质量的优劣直接影响着轧制产品的产量和质量。经过多年的工艺和设备改进,目前国内大锻件锻造工艺水平基本可以按照JBT4120—2017《大型锻造合金钢支承辊技术条件》的要求保证连轧、中板及宽厚板支承辊产品心部无损检测质量,但是锻造工艺过程中经常会出现以锻造裂纹为主的表面问题,严重影响工艺执行,甚至导致产品报废[1-4]。本文主要从锻钢支承辊生产工艺环节和实施方面分析裂纹产生原因,并探讨有效的防控措施。

1锻钢支承辊制造工艺流程

目前,大型锻造合金钢支承辊一般均采用真空钢锭[5]。锻造工序一般按照锻造规范进行3火次~8火次的锻造生产,完成最终毛坯锻件的生产。锻造工序结束后,锻件毛坯需要经过锻后热处理、调质、差温等一系列热处理工艺及粗、精加工等工序最终获得支承辊零件。本文只讨论锻造工艺过程中的裂纹问题,对后续热处理及加工不作讨论。

2锻钢支承辊锻造裂纹影响因素分析

2.1钢锭裂纹

钢锭表面裂纹是指在钢锭未进入锻造工序就已发现的表面裂纹。对于常见的24棱、16棱、8棱钢锭,这种裂纹多数位于钢锭相邻棱之间的钢锭表面上,以横纹为主,也存在顺纹或者斜纹。但沿钢锭棱出现的顺纹较为少见。大型锻造合金钢支承辊一般采用铸造钢锭,目前国内普遍以中碳Cr系合金钢为主。浇铸工艺如果控制不合理或者工艺执行出现波动,在降温过程中有可能产生很强的宏观热应力,造成表层出现激冷裂纹。钢锭模的表面质量也会影响钢锭的局部应力分布,一旦出现粘连,也会产生较强的局部应力集中,从而诱发裂纹出现。此外,钢锭模设计成多棱结构,在棱角部分会存在较多的夹杂物沉积,使该部分的强度减弱,在热锻初期开坯阶段可能局部开裂,通常对棱角比较明显的8棱钢锭进行锻前倒角有助于避免出现此类开裂。

2.2始锻裂纹

始锻裂纹由于在从冶炼工序转锻造工序前不存在或者没有被观察到,在锻造工序又基本上没有大尺度变形,因此对于其成因一直存在争议。一种观点认为此类裂纹在钢锭凝固过程形成,温差造成的宏观应力和钢锭局部材料存在的偏析缺陷使钢锭局部处于开裂或临界开裂状态,由于表层氧化皮覆盖和检测手段有限,难以在进入锻造工序前发现,因此只有在开始锻造变形后,局部才会以开裂方式明显的表现出来。对于这种观点,首先钢锭脱模后表面偶尔能够观察到的表面裂纹,反映出钢锭确实存在进锻造工序前即已存在局部裂纹的可能;其次,此类裂纹,锻造工序在第一火次,表面轻压即可观察到裂纹,由此推断裂纹产生和锻造变形无关。另一种观点认为此类裂纹是在转序阶段形成。目前国内大型装备制造厂,熔炼和锻造车间转序,总是要涉及到钢锭在炉外移动,这个过程中必然伴随着快速的温降,特别是在环境温度较低和湿度较大的时候,这个温降速度会更快,这样会导致钢锭表面形成一个低温壳层,并在周向形成拉应力,诱发裂纹产生。针对此类观点,可以通过加盖保温罩,加强工序协调,减少转运时间等措施减少转序过程中的环境因素影响,但实际生产经验表明,这些质量控制措施实际效果一般,这个因素并不是导致此类裂纹的主要原因。此外,还有一种观点认为此类裂纹和锻前加热有关。由于钢锭脱模后通常温度较低,难以满足直接锻造需求,因此需要转序后进加热炉加热,如果升温过快或者保温温度过高,那么有可能导致局部裂纹问题。根据实际生产经验反馈,由于支承辊类材质大部分属于2%Cr~5%Cr的中碳合金钢,目前大锻件常用的台车式天然气或煤气加热炉的升温速度不至于导致支承辊加热过程中因传热不均开裂,而且此类合金钢的液相点一般都在1350℃以上,实际锻造首火次加热温度一般略高于1200℃,达不到过热过烧的程度。总体而言,上述三种观点第一种可能性最大,第三种可能性最小,但由于客观条件限制,目前很难给出彻底的评判依据,特别是锻造首火次裂纹往往成批出现,且在一定时间段集中发生,因此原材料控制、生产管理、设备稳定性等因素也可能在其中有重要影响,制造企业宜加强质量监控,注意积累数据,用经验性的制度管理来避免问题发生。

2.3锻造过程中的横、顺纹

大型锻钢支承辊在锻造过程中出现的裂纹集中表现为两类[6-7],一类是裂纹方向沿毛坯轴线方向,称为顺纹,另一类是裂纹方向垂直于毛坯轴线,称为横纹,图1给出了锻造过程中横纹与顺纹出现的形态与位置。结合生产实际情况,横纹的危害远小于顺纹的危害。横纹出现后,在进一步变形过程中一般不会随着变形加剧而不断扩大,甚至在锻造过程中,裂纹面逐渐张开,成为锻件毛坯的新表面。相对而言,顺纹一旦出现,如不及时清理,随着锻造进行,裂纹会向心部扩展,而且由于支承辊是轴类件,顺纹一旦位于最终成品的台阶处,将极易导致产品尺寸不够而报废。由于两类裂纹性质和危害有较大差别,一般出现横纹后可以视情况局部加大尺寸、清伤或在位置合适的时候将横纹锻造为一个台阶,但对于顺纹,需要及时清伤,清伤过程中还要务求彻底,成品阶段出现顺纹需要注意加大工艺尺寸量,避免废品出现。

2.4折伤裂纹

折伤裂纹也是大型锻造合金钢支承辊锻造阶段一种重要的裂纹形式。图2(a)给出了折伤裂纹形成的过程,图2(b)给出了在实际锻造过程中形成的折伤裂纹。目前折伤裂纹的成因比较明确,为了压实钢锭心部铸态组织,必然要求锻造过程中进行大变形。在拔长压实阶段,由于砧宽通常比坯料轴向长度短,需要分段锻造,相邻砧搭接处会形成折痕,严重时折痕处材料撕裂,导致大横纹出现。对于此类裂纹,可以通过相邻砧预留搭接量以及在砧宽侧边倒圆弧角的方式尽可能减少裂纹的出现,但是由于心部质量更为关键,需要优先保证压下量,确保心部压实。对于已经出现的折伤裂纹,通常可以通过吹氧或烧剥的方式将裂纹熔开或剥离成平面,有可能影响生产进度,但一般不会造成质量问题。

3质量控制措施

3.1钢锭质量控制

杂质化学元素的控制和去除对于降低支承辊锻造热裂有着重要影响,如C、Mn元素会显著降低支承辊的热抗力,Cu、Sn、Pb、As等元素及其化合物在晶界富集后会降低晶界强度,从而诱发裂纹产生。因此需从原料纯度和工艺上对钢水成分进行控制,首先精选Ni、Mo废钢和优质生铁严格控制残余元素含量,精选萤石、石灰等造渣材料,改善渣-金合金反应界面的结构和形态,促进脱氧夹杂物的聚合和长大,有效提高造渣效果;其次严格控制冶炼中氧化期的脱P脱C和还原期的脱O脱S。最后限制钢中加铝量,抑制氮化铝沿晶界的析出。因此只有严格控制化学成分、有效去除有害元素,尽可能的采用真空精炼法和电渣重熔法,避免硫化物、硅酸盐、氧化物等内生夹杂的产生和炉体材料进入钢水造成的外生夹杂的产生,最大限度地提高钢锭的纯净度,在源头上避免钢锭锻造开裂。

3.2辅具及工艺细节优化

钢锭模自身结构的完整性对钢锭的表面质量有着较为重要的影响,实践中发现钢锭模内部有缺陷,或者新钢锭模预热处理不当,导致沿钢锭纵向出现纵向裂纹[8]。所以在钢锭模日常使用时浇前要做好清理打磨工作保持尺寸和结构的完整性并及时淘汰旧钢锭模。浇铸钢锭的操作和工艺规范对钢锭的质量和降低支承辊锻造开裂几率起着重要的作用。浇注产生的缺陷会间隔基体组织的连续性,大大减低钢锭的热变形塑性。钢锭在浇铸过程中产生裂纹的原因十分复杂,其根本原因在于钢锭在凝固和冷却过程中受到钢水的静压力、热应力、组织应力及其它应力的作用,当作用在钢锭上的应力超过了本身的强度极限及塑性变形的临界值,就会在钢锭薄弱处产生裂纹。因此浇铸钢锭时应采取以下有效措施:(1)严格控制吊包温度;(2)控制浇注温度;(3)选择适宜的浇注速度;(4)浇注温度高时采取慢注,浇注温度低时应快速浇注[3]。脱模对钢锭的表面质量的影响同样不可忽略。钢锭凝固后,表面组织已转变完成,体积按正常冷却过程收缩,而内部正发生组织转变,体积发生膨胀,膨胀的内层必然给表面层一个明显的拉应力,当三个应力之和超过晶界强度,就会导致钢锭产生裂纹,而这些裂纹会隐藏在钢锭的铁皮下,锻造时就会扩展,因此钢锭要避免过早脱模,通过缓冷消除钢锭冷却温度下降时体积收缩造成的热应力和组织转变引起的组织应力。

3.3吹氧、烧剥清伤

实际中仍会有少量钢锭的过程控制出现纰漏,导致少数钢锭在锻前和锻后出现裂纹,一般会选用吹氧和烧剥的方式进行物理性的材料去除,实现裂纹的清理。吹氧和烧剥技术的好坏对裂纹的有效清理有着重要的影响。在吹氧和烧剥的工艺上要采取重视和优先顺纹的清理,优化不同人员清伤操作的规范性和一致性,保证清伤部位清理完为平面或凸面,避免出现凹面。在过程管理上要做到成品火次前完成清伤处理,转序前做好转序沟通,转序中注意保温,转序后尽快入炉并做好检查记录。

3.4生产质量联合管控

由于支承辊锻造属于一个多生产工序的协调生产过程,工序多、周期长,多生产工序就会产生多种随机因素从而导致锻造裂纹的出现时间、出现形态以及形成的原因不同。支承辊生产工艺和生产组织的规范性对降低锻造裂纹的产生有积极的作用。在生产过程中要严格按照工艺进行,确保生产操作的规范性和可追溯性,提高锻造过程中的问题监控,有效避免工序间的推诿。

4结论

大型锻造合金钢支承辊的热锻裂纹问题是一个非常复杂的系统问题,不仅涉及到材质的可锻性、锻造工艺参数、生产质量管控,还涉及到大型钢锭冶炼和毛坯料转序质量控制,很难找到一劳永逸的解决方案。通过前述讨论的质量预防和控制措施能够减少锻造裂纹的出现和有效控制锻造裂纹的影响,但是在制造过程中,还应结合生产实际状况不断针对性的加强和规范质量控制,避免裂纹的出现,控制裂纹的影响。

参考文献

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[2]辛向阳,刘方红,邓蜀宁.大锻件锻造方法综述[J].大型铸锻件,1999(1):43-48.

[3]刘助柏,王连东.敏粗工艺理论与技术的进展[J].燕山大学学报,1998,22(1):27-31.

[4]任运来,裁绍巧,牛龙汀,等.大截面锻材锻造拔长新工艺[J].机械工程学报,2007,43(11):224-228.

[5]韩雷,杨志洪.3500mm宽厚板轧机支承辊锻造工艺研究[J].大型铸锻件,2010(5):36-41.

[6]林荣.大型锻件中常见的缺陷与对策[J].科学实践,2008(13):222.

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[8]胡亚明.锻造工艺过程及模具设计[M].北京:北京大学出版社,2006:50-62.

作者:周京 苏越 周树银 李扬 马绪鹏 单位:天津轻工职业技术学院

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