大規(guī)格MC3A平整輥坯的研制開(kāi)發(fā)

高宏生，王怡群，薛正國(guó)，王立新，高英麗

(中原特鋼股份有限公司，河南 濟(jì)源 454685)

大規(guī)格MC3A平整輥坯的研制開(kāi)發(fā)

高宏生，王怡群，薛正國(guó)，王立新，高英麗

(中原特鋼股份有限公司，河南 濟(jì)源 454685)

采用電渣重熔+壓實(shí)鍛造+鍛后正火+球化退火方式研制質(zhì)量要求嚴(yán)格的直徑大于1 000 mm的MC3A平整輥輥坯獲得成功.本文著重討論電渣重熔、壓實(shí)鍛造以及鍛后熱處理的工藝控制要點(diǎn).

MC3A;平整輥坯;低氫控制;壓實(shí)鍛造;網(wǎng)狀碳化物

隨著軋制技術(shù)的發(fā)展，軋制產(chǎn)品表面光潔度要求越來(lái)越高，軋制速度不斷提高，軋制負(fù)荷持續(xù)增大，除要求軋輥有足夠的表面硬度及淬透深度以保證耐磨性外，還要求材質(zhì)成分及組織高度均勻，金屬致密，確保軋輥表面硬度均勻以保證軋制產(chǎn)品的表面光潔度［1］.

軋輥工作表面應(yīng)沒(méi)有夾雜、氣孔等宏觀缺陷，消除大塊聚集的非金屬夾雜物，具有致密的金相組織，耐磨性均勻，無(wú)內(nèi)部缺陷及氫脆裂紋，以免導(dǎo)致軋輥在使用中斷裂.

平整輥跟冷軋工作輥的使用工況相當(dāng)，由于承受的負(fù)荷大，輥身硬度要求高，而且輥身直徑大，所以制造技術(shù)難度大.

1 MC3A平整輥坯的制造難點(diǎn)

(1)選用 MC3A 鋼種.按《軸承鋼》［2］一書(shū)提供的公式計(jì)算，MC3A鋼兩相區(qū)溫度差較大，鋼的兩相區(qū)較寬，ΔT=T液－T固=126.5℃，加之鋼導(dǎo)熱性能差，促使凝固過(guò)程碳化物嚴(yán)重偏析，易出現(xiàn)斑點(diǎn)狀偏析.

(2)MC3A鋼是高碳鉻鋼，白點(diǎn)敏感性比中低碳鉻鋼強(qiáng)，屬于白點(diǎn)敏感性較高的鋼種，這類(lèi)鋼的白點(diǎn)臨界氫含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))約為 2.7 ×10－6［3］，鋼錠原始?xì)浜扛撸瑢?duì)鍛件極其有害，所以一定要努力降低鋼錠的原始?xì)浜?，否則對(duì)鍛件將產(chǎn)生致命影響——白點(diǎn).

表1 MC3A鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of MC3A(mass fraction) %

(3)輥身直徑大，探傷要求高，鍛造過(guò)程不易壓實(shí)，易產(chǎn)生低倍疏松、斑點(diǎn)狀偏析等缺陷.

(4)輥身直徑大，鍛后冷卻慢，易沿晶界析出網(wǎng)狀碳化物，網(wǎng)狀碳化物易超標(biāo).

表2 MC3A輥坯探傷缺陷形狀和回波典型特征及規(guī)律Table 2 Ultrasonic flaw detection and typical characters of echo of MC3A roll blank

2 電渣重熔軋輥的優(yōu)勢(shì)

電渣重熔金屬純凈，組織致密，成分均勻，鑄錠表面光潔，特別是枝晶偏析小，從而保證軋輥表面硬度均勻，無(wú)大尺寸夾雜物聚集引起的應(yīng)力集中，抗疲勞性能提高，淬透性提高.國(guó)外統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示:電渣重熔鋼軋輥較真空精煉鋼軋輥的使用壽命提高50% ～150%.美國(guó)、蘇聯(lián)、西歐及日本均致力于發(fā)展電渣軋輥.

表3 采用電渣鋼和真空精煉鋼鍛制支承輥坯的低倍結(jié)果對(duì)比Table 3 Macro structure comparison between ESR roll blank and refining roll blank

某重機(jī)廠采用真空澆注錠鍛了一批70Cr3Mo支承輥，結(jié)果沒(méi)有一個(gè)合格的(見(jiàn)表3).電渣鋼組織致密，低倍結(jié)果較好.為防止出現(xiàn)低倍缺陷，減少?gòu)U品，我們采用電渣重熔鋼生產(chǎn)大規(guī)格MC3A平整輥坯.70Cr3Mo酸侵試片的斑點(diǎn)狀偏析如圖1所示:

3 MC3A平整輥坯用電渣錠的工藝質(zhì)量控制

3.1 電極坯控制

圖1 70Cr3Mo鋼酸浸試片的斑點(diǎn)狀偏析Fig.1 Spot segregation of 70Cr3Mo acid leaching sample

電極坯要控制低氫(w［H］≤2×10－6)、低氧(w［O］≤2.5×10－5)、低氮(w［N］≤6 ×10－5)，同時(shí)電極坯應(yīng)無(wú)縮孔、無(wú)橫裂紋.電極坯若有縮孔和橫裂紋，在重熔時(shí)就可能引起掉塊，導(dǎo)致電渣錠夾渣，探傷不合.電極坯表面的浮銹在重熔前應(yīng)清理干凈，以防增氫.

3.2 低氫控制

電渣重熔過(guò)程沒(méi)有去氫能力，且重熔過(guò)程還易吸氫.氫是大鍛件出現(xiàn)白點(diǎn)而導(dǎo)致報(bào)廢的主要原因，所以必須努力控制w［H］在2×10－6以下.當(dāng)大截面鍛件鋼中氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為(5～6)×10－6時(shí)，就不得不進(jìn)行2 000～3 000 h的擴(kuò)氫退火處理.這使熱處理爐占用時(shí)間達(dá)數(shù)月之久，耗用燃?xì)饬窟_(dá)數(shù)10萬(wàn) m3，耗費(fèi)資金達(dá)數(shù)10萬(wàn)元［4］.

電渣錠中的氫主要來(lái)源于以下幾個(gè)方面:(1)自耗電極原始含氫;(2)自耗電極表面的黃銹和潮氣;(3)渣料中的水份;(4)底水箱、結(jié)晶器和爐蓋等設(shè)備內(nèi)表面的結(jié)露或潮氣;(5)熔煉區(qū)域空氣中的水汽，即爐氣濕度.因此電渣重熔時(shí)，就要進(jìn)行系統(tǒng)的低氫控制，以降低電渣錠的氫含量.

這就會(huì)導(dǎo)致電渣錠增氫，必須防止水汽溶于渣中，即降低水汽分壓(爐氣濕度，吹干空氣保護(hù))和降低渣中自由氧離子濃度(爐渣堿度).重熔采用不含石灰的二元渣或在二元渣的基礎(chǔ)上加一些鎂砂和二氧化硅來(lái)減少重熔過(guò)程吸氫.

通過(guò)系統(tǒng)的低氫控制，電渣錠的 w［H］在(1.55～3.12)×10－6之間.

3.3 低氧控制

圖2 白點(diǎn)的斷口照片(a)、低倍照片(b)Fig.2 Fracture photo(a);Macro structure photo(b)

電渣重熔過(guò)程氧的主要來(lái)源是大氣中的氧和電極表面的氧化皮［5］.電渣重熔時(shí)為防止增氧，需要采取保護(hù)氣氛，更應(yīng)加強(qiáng)脫氧操作.脫氧是在電渣重熔時(shí)向渣中持續(xù)加入脫氧劑，以降低渣中FeO等不穩(wěn)定氧化物的含量，以達(dá)到降低鋼中氧含量的目的.重熔過(guò)程加脫氧劑的目的是為了脫掉進(jìn)入熔渣及鋼中的氧，脫氧劑應(yīng)是能控制鋼中最低氧含量的元素，同時(shí)考慮鋼種對(duì)此脫氧劑含量的要求.合適的脫氧劑用量指所加的脫氧劑剛好把進(jìn)入渣中的氧脫除而自身也全部被氧化.重熔時(shí)應(yīng)沾渣觀渣色，保持白渣，白渣表示熔渣有較好脫氧效果.取渣樣分析渣中的FeO含量，控制w(FeO)≤0.5%.

3.4 低氮控制

氮含量的控制關(guān)鍵在于控制電極坯低氮含量.冶煉電極坯時(shí)，鋼水應(yīng)經(jīng)真空處理，澆注系統(tǒng)及其物料必須干燥，在澆鋼前應(yīng)用氬氣將中柱管、鋼錠模沖洗一下，然后在氬氣保護(hù)下澆鋼，防止在澆鋼過(guò)程中增氫、增氮.

表4中，分子為最小值和最大值，分母為平均值，以下類(lèi)同;從表4可以看出，增氮主要在鋼液的澆注過(guò)程中，應(yīng)做好澆鋼過(guò)程中的氬氣保護(hù).電渣重熔過(guò)程由于有熔渣的覆蓋，氮?dú)饣静蝗塾谌墼?，故重熔過(guò)程增氮較少.

3.5 重熔過(guò)程控制

MC3A碳含量高，有相當(dāng)數(shù)量的碳及碳化物形成元素，固液相間溫度區(qū)間較寬，加之鋼導(dǎo)熱性能差，促使凝固過(guò)程碳化物嚴(yán)重偏析，易出現(xiàn)斑點(diǎn)狀偏析.內(nèi)因是鑄錠結(jié)晶前沿兩相區(qū)樹(shù)枝狀晶晶間鋼液富集溶質(zhì)元素.外因是在重熔過(guò)程中，熔融液體在樹(shù)枝狀晶間強(qiáng)烈運(yùn)動(dòng)及二次熔化［6］.應(yīng)通過(guò)加強(qiáng)脫氧，控制重熔過(guò)程電制度穩(wěn)定，減少重熔過(guò)程吸氣，合理控制熔速，控制金屬熔池淺平，來(lái)降低出現(xiàn)點(diǎn)狀偏析的級(jí)別.重熔30 t以上的電渣錠，熔速控制應(yīng)合理.熔速過(guò)低，表面易出渣溝，熔速過(guò)快，鋼中的碳化物偏析增大.采用同軸電渣爐或雙極串聯(lián)電渣爐，減少雜散磁場(chǎng)的不均勻攪拌，適當(dāng)增加渣量，電極坯嚴(yán)格對(duì)中等方面措施來(lái)防止點(diǎn)狀偏析的出現(xiàn).

表4 電極坯、精煉鋼鍛件、電渣鋼鍛件的氮含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/10－6)比較Table 4 N content comparison of electrode blank，refining forging and ESR forging

MC3A屬高碳鋼、脆性較大，重熔過(guò)程中急冷、急熱會(huì)引起炸裂掉塊，因此，待交替的電極坯應(yīng)預(yù)熱，以防交替電極時(shí)，電極坯急熱炸裂.

3.6 補(bǔ)縮控制

補(bǔ)縮是防止電渣錠的縮孔縮進(jìn)錠身，導(dǎo)致報(bào)廢.補(bǔ)縮前應(yīng)降低熔速，降低熔池深度.補(bǔ)縮應(yīng)留充分的補(bǔ)縮量;補(bǔ)縮期電功率的下降速率要小，一般補(bǔ)縮直徑1 400 mm的電渣錠，電流的下降速率不宜超過(guò)150 A/min.

4 MC3A平整輥坯鍛造過(guò)程的工藝質(zhì)量控制

(1)該鋼種易粗晶，應(yīng)控制加熱溫度，以避免產(chǎn)生過(guò)熱，一旦形成，很難改過(guò)來(lái).這里有個(gè)“閾值”，在高溫下持續(xù)保溫達(dá)某一時(shí)間后，材料晶粒會(huì)突然快速粗化，注意勿長(zhǎng)時(shí)間在高溫區(qū)逗留，同時(shí)要在后續(xù)鍛造中有足夠的變形量，最后一火成形兩端輥頸時(shí)的加熱不能太高.

(2)鍛造上控制壓實(shí)，我們認(rèn)為鍛多大鍛件，用多大的砧寬比較合適.鍛制大規(guī)格平整輥，最好用寬砧，否則壓實(shí)效果不好.鐓粗+WHF強(qiáng)壓，除此外還要控制最后成形一火的臨界變形量，整個(gè)輥身成形后留一定余量，在接近終鍛溫度區(qū)內(nèi)鍛壓，利用外冷內(nèi)熱的材料溫度差壓實(shí)皮下區(qū)域.鍛造時(shí)表面易裂，注意及時(shí)熱態(tài)清理，不要拖，尤其是縱向裂紋，若不及時(shí)清理，會(huì)隨著鍛造變形而擴(kuò)展(這類(lèi)高碳高鉻電渣鋼易產(chǎn)生順著結(jié)晶方向、大概50(°)的開(kāi)口裂紋).

平整輥兩端輥徑為500 mm，鍛比較大，達(dá)到10以上，同時(shí)平整輥鍛造火次均在4火以上，因此在輥徑處取樣檢測(cè)液析結(jié)果較好，均為0級(jí).

5 MC3A平整輥坯鍛后熱處理的工藝控制

平整輥坯鍛后熱處理的主要任務(wù)是消除網(wǎng)狀碳化物，消除應(yīng)力，軟化組織，得到球狀珠光體組織，降低鍛件中氫含量，防止白點(diǎn)產(chǎn)生.此材料的“C”曲線(xiàn)呈雙鼻，上一個(gè)(珠光體區(qū)域)鼻子尖在650℃左右，殘奧區(qū)間窄，輥身外層的殘奧馬上分解，里層的在珠光體中上范圍轉(zhuǎn)變，將沿奧氏體晶界大量析出二次網(wǎng)狀碳化物，尤其在750～850℃時(shí)最為嚴(yán)重.為防止網(wǎng)狀碳化物析出，鍛后熱處理時(shí)重結(jié)晶的奧氏體化溫度可適當(dāng)高些，但很多大直徑鍛件冷卻慢，所以鍛后普通熱處理方式對(duì)大直徑支撐輥內(nèi)部轉(zhuǎn)變很成問(wèn)題，內(nèi)部晶粒較粗(中心取樣的晶粒往往在4級(jí)左右)，草狀波嚴(yán)重(有時(shí)給人疏松的感覺(jué)，因?yàn)槭杷梢灿袊?yán)重的草狀波).大直徑平整輥可強(qiáng)制過(guò)冷，過(guò)冷是使殘奧分解最關(guān)鍵的措施，過(guò)冷保溫時(shí)間長(zhǎng)一點(diǎn)有利殘奧分解，也有利于晶粒細(xì)化.為此，在試制中對(duì)Φ1 000 mm以上大徑輥鍛后采取鍛后強(qiáng)制過(guò)冷［7］，進(jìn)一步消除在鍛后冷卻過(guò)程中已形成的網(wǎng)狀碳化物，確保其級(jí)別≤2.5級(jí).

圖3 MC3A平整輥坯鍛后熱處理曲線(xiàn)Fig.3 Heat treatment curve of MC3A skin pass roll after forging

6 MC3A平整輥坯質(zhì)量檢測(cè)

平整輥坯鍛件探傷有個(gè)別冒口端出現(xiàn)條狀缺陷，系電渣錠縮孔缺陷所致，應(yīng)加強(qiáng)電渣錠的補(bǔ)縮控制，其余的鍛件探傷合格.材上取樣化學(xué)成份、氣體含量、非金屬夾雜物、高低倍檢測(cè)均合格.

表5 材上取樣氣體和低倍結(jié)果(氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的單位是10－6，低倍結(jié)果為評(píng)級(jí))Table 5 Gas content and marco structure

表6 非金屬夾雜物檢測(cè)結(jié)果Table 6 Non－metallic inclusion

表7 高倍檢測(cè)結(jié)果Table 7 Micro structure

7 結(jié)論

(1)電渣重熔鋼適合于制作大直徑的平整輥、支承輥，電渣重熔鋼制作大鍛輥較真空精煉鋼有較大的技術(shù)優(yōu)勢(shì).電渣重熔鋼的低倍結(jié)果優(yōu)于真空精煉鋼.

(2)電渣鋼錠的質(zhì)量控制需要從電極坯的質(zhì)量控制入手，進(jìn)行系統(tǒng)的低氫控制、低氧控制、熔速控制、電制度控制、補(bǔ)縮控制等等，統(tǒng)籌考慮，不能顧此失彼.電渣鋼的氮含量控制關(guān)鍵在于控制電極坯的氮含量.

(3)采用電渣重熔鋼+壓實(shí)鍛造+鍛后正火+球化退火+擴(kuò)氫，可以生產(chǎn)出質(zhì)量符合要求的直徑大于1 000 mm的MC3A平整輥坯.

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Development of the big－size MC3A skin pass roll

GAO Hong-sheng，WANG Yi-qun，XUE Zheng-guo，WANG Li-xin，GAO Ying-li

(Zhongyuan Special Steel Co.，Ltd.，Jiyuan 454685，China)

The process of ESR +solid forging+normalizing after forging+spheroidizing annealing to produce the high quality big－size MC3A skin pass roll with diameter more than 1000mm was designed and developed successfully.In the thesis，the author mainly discusses the key points of technical process control of ESR，solid forging and heat treatment after forging.

MC3A;skin pass roll;low hydrogen content control;solid forging;net carbide

TF142

A

1671-6620(2011)S1-0086-05

2010-10-15.

高宏生 (1970—)，男，河南濟(jì)源人，工程師，E－mail:ghs7456@yahoo.com.cn.