環(huán)形鍛件超聲檢測(cè)缺陷分析

謝云飛 葉成立 郭 建 楊先芝 王鵬剛 羅世樹

(1. 二重(德陽(yáng))重型裝備有限公司，四川618013；2. 中廣核工程有限公司，廣東518124)

1 問題描述

近期，我廠生產(chǎn)了兩爐環(huán)形鍛件產(chǎn)品，均采用了58 t錠型，一錠出3件鍛件產(chǎn)品。其中爐次A生產(chǎn)的3支環(huán)形鍛件質(zhì)量狀況良好，超聲檢測(cè)均未發(fā)現(xiàn)超過?1 mm的缺陷，而爐次B生產(chǎn)的環(huán)形鍛件因存在較嚴(yán)重的缺陷而報(bào)廢(見圖1)。兩爐環(huán)形鍛件在生產(chǎn)時(shí)采用相同的工藝、設(shè)備及操作人員，但產(chǎn)生了不同的質(zhì)量結(jié)果(見表1)。為了找出產(chǎn)生質(zhì)量問題的原因，我們針對(duì)缺陷產(chǎn)品進(jìn)行了詳細(xì)分析，對(duì)兩爐環(huán)形鍛件產(chǎn)品的冶煉澆注生產(chǎn)過程進(jìn)行了詳細(xì)對(duì)比。

2 缺陷分析

由于爐號(hào)B的冒口件產(chǎn)品部分缺陷已經(jīng)在加工過程中暴露出來，通過肉眼觀察，可以看出缺陷分布面積較大，顏色為白色，大小約為1～4 mm，缺陷形狀規(guī)律性不強(qiáng)，屬于冶煉或澆注過程產(chǎn)生的非金屬外來夾雜物。

2.1 夾雜物來源分析

為了弄清該件環(huán)形鍛件夾雜物的來源，我們?cè)谠摴ぜ┞兜娜毕莶课惶兹×?個(gè)小試片(見圖2)，并對(duì)試片進(jìn)行了掃描電鏡和能譜分析。能譜分析時(shí)在每塊試片上隨機(jī)選取一處夾雜物，再對(duì)所選取的夾雜物進(jìn)行小區(qū)域的面掃描，最終發(fā)現(xiàn)3件試片上的夾雜物均含有Ca、Si、Al、Mg、Fe、O、F和C元素。圖3是夾雜物掃描電鏡和能譜分析結(jié)果。

根據(jù)日本鑄鍛鋼公司T.Haraduchi[1]等人的研究可知，真空滴流脫氣澆注的大型鋼錠中外來夾雜物主要來源為中間包浮渣。

圖1 爐號(hào)B冒口件肉眼可見缺陷Figure 1 Visual defects of heat B at riser end

爐次工件超聲情況工件在鋼錠中位置A123未發(fā)現(xiàn)超過?1 mm當(dāng)量的缺陷未發(fā)現(xiàn)超過?1 mm當(dāng)量的缺陷未發(fā)現(xiàn)超過?1 mm當(dāng)量的缺陷冒口件中間件水口件B456工件表面有大量肉眼可見缺陷,局部?2 mm當(dāng)量的密集缺陷局部?2 mm當(dāng)量的密集缺陷局部?2 mm當(dāng)量的密集缺陷冒口件中間件水口件

圖2 缺陷部位試片F(xiàn)igure 2 Defect site test piece

圖3 夾雜物掃描電鏡及能譜分析結(jié)果Figure 3 Scanning electron microscope and energy spectrum analysis results of inclusions

爐渣種類CaOSiO2Al2O3MgOCaF2FeO+MnO鋼包爐精煉爐渣中間包浮渣夾雜物1夾雜物2夾雜物345～6020～4033.939.919.910～2510～2014.915.414.85～1515～3019.119.623.25～102～103.436.46～125～1512.714.923.3≤15～2014.22.71.6

因此，為了更好的說明本環(huán)形鍛件中夾雜物來源，我們將能譜掃描結(jié)果中的Ca、Si、Al、Mg、Fe、O、F和C元素原子比，按全部結(jié)合成同類氧化物分子，換算成較常見的熔渣成分后，與鋼包爐精煉爐渣以及中間包浮渣成分進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見表2。鋼包精煉爐的主要造渣材料為石灰，因此表2中鋼包精煉爐渣中CaO含量較高，一般高達(dá)50%左右；再加上鋼包爐長(zhǎng)時(shí)間的脫氧和白渣精煉后，爐渣中O含量(FeO+MnO)極低，一般小于1%。該爐鋼的脫氧和渣中O含量從后期該工件本體上取樣可以證明，O含量均小于7×10-6。綜上所述，可以得出，該工件上暴露出的夾雜物成分與中間包浮渣成分更相近。

2.2 爐次B中間包浮渣卷入鋼錠內(nèi)部機(jī)理分析

中間包浮渣主要由鋼水對(duì)中間包耐火材料的燒蝕、澆注操作中空氣引起的氧化和鋼包爐兌中間包時(shí)流入的爐渣三部分組成。中間包浮渣在澆注過程中會(huì)浮在鋼液面上，隨著澆注過程的進(jìn)行，會(huì)逐漸增多。但在澆注末期，中間包中鋼水總量減少，鋼液面低于臨界高度后，會(huì)在澆注水口附近產(chǎn)生匯流漩渦[2]，最終鋼渣混入鋼錠模。匯流漩渦是由于中間包在澆注末期液面直降至臨界高度時(shí)產(chǎn)生的，澆注末期是否發(fā)生卷渣現(xiàn)象，與中間包剩余鋼水量的臨界高度值相關(guān)，若中間包剩余鋼水量高度高于臨界高度則不會(huì)發(fā)生卷渣現(xiàn)象，反之，則會(huì)發(fā)生卷渣現(xiàn)象。

在中間包浮渣進(jìn)入鋼錠模之后，形成錠模浮渣的主要來源。在真空澆注過程中，鋼錠模內(nèi)的鋼液面由于C+O→CO而沸騰，強(qiáng)烈地沸騰引起部分錠模浮渣混入鋼水，在鋼錠凝固過程中未完全上浮至冒口而被留在鋼錠中。

對(duì)于發(fā)生中間包卷渣的臨界高度，金楊等人[2]前期進(jìn)行過模擬研究。研究結(jié)果建議在當(dāng)前的工藝模式下，應(yīng)至少預(yù)留80 mm高度的中間包鋼水以防止中間包浮渣卷入鋼錠模。因此，加上工藝保險(xiǎn)系數(shù)，按我廠長(zhǎng)期的生產(chǎn)控制經(jīng)驗(yàn)，中間包單包澆注時(shí)，中間包內(nèi)富余鋼水量達(dá)到2.5 t以上可有效避免澆注末期的水口卷渣現(xiàn)象。

2.3 冶煉澆注過程分析

由于鋼水在1580℃左右的高溫中澆注入中間包，加之大鋼包兌完鋼水后會(huì)加入稻殼為中間包鋼水保溫，同時(shí)出于對(duì)操作者人身安全考慮，人無法從中間包上口來觀察鋼液面高度。現(xiàn)在行業(yè)內(nèi)通行的控制中間包余水的方法是：中間包內(nèi)余水量等于精煉包內(nèi)總鋼水量減去鋼錠實(shí)際重量。本次生產(chǎn)環(huán)形鍛件用鋼錠錠型為58 t，實(shí)際生產(chǎn)時(shí)兩爐環(huán)形鍛件粗水均為60 t，加上合金1.4 t，總鋼水量均為61.4 t。鋼錠實(shí)際重量的控制主要采用人工肉眼觀察來確定：在澆注末期由班長(zhǎng)從圖4中的窺視孔觀察保溫帽內(nèi)鋼液高度，達(dá)到工藝要求時(shí)停止?jié)沧?，而操作者?duì)于澆注終點(diǎn)高度的觀察存在一定的人為誤差。通過檢查澆注記錄，發(fā)現(xiàn)兩支鋼錠的實(shí)際澆注高度不一致，爐次B鋼錠冒口實(shí)高1050 mm，爐次A冒口實(shí)高為1000 mm。因此，兩爐鋼錠的實(shí)際重量也不一樣，導(dǎo)致爐次B中間包內(nèi)余水偏少(具體鋼水量情況見表3)，實(shí)際預(yù)留鋼水高度低于臨界值，發(fā)生了中間包卷渣現(xiàn)象，而爐次A實(shí)際預(yù)留鋼水高度高于臨界值，未發(fā)生卷渣現(xiàn)象。

1—受鋼鋼水包 2—中間包 3—窺視孔 4—真空蓋5—導(dǎo)流管 6—真空室 7—鋼錠模 8—密封橡皮圈圖4 真空澆注示意圖Figure 4 Vacuum casting schematic

爐次總鋼水量t冒口實(shí)高mm錠模內(nèi)鋼水量t中間包內(nèi)剩余鋼水t中間包余水高度mmAB61.461.41000105058.959.52.51.99471

綜上所述，因控制澆注終點(diǎn)冒口高度的人為操作誤差，未能在中間包內(nèi)留夠足量鋼水，使中間包的浮渣進(jìn)入鋼錠模是造成該環(huán)形鍛件出現(xiàn)大量夾雜物缺陷的原因。

3 結(jié)論

針對(duì)中間包浮渣進(jìn)入鋼錠模內(nèi)而引起超聲檢測(cè)不合格的問題，我們準(zhǔn)備調(diào)大保險(xiǎn)系數(shù)，在計(jì)算環(huán)形鍛件真空鋼錠配料時(shí)，調(diào)整總鋼水量，避免在澆注末期因人為觀察判斷誤差導(dǎo)致中間包內(nèi)剩余鋼水偏少，浮渣卷入錠模的事故發(fā)生。