CSP連鑄輥套毛坯成型與熱處理工藝研究

張志學(xué)，孟 輝

（邯鄲鋼鐵集團(tuán)設(shè)備制造安裝有限公司，河北 邯鄲 056000）

全球有60多條CSP薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)線，國內(nèi)約有10條，其具有流程緊湊、投資少、能耗低等優(yōu)勢，而且生產(chǎn)效率也是比較高的。此類生產(chǎn)線中的連鑄機(jī)多采用立彎式薄板坯連鑄機(jī)，其中連鑄輥采用輥套加芯軸模式，輥套采用2Cr13馬氏體不銹鋼制造，具有一定的耐熱性和耐磨性。一般制造工藝過程，連鑄輥輥套多采用2Cr13軋制圓鋼或鍛圓鋼掏孔加工制造，材料浪費(fèi)，加工較長、費(fèi)用較高[1]。

1 CSP連鑄輥毛坯成型工藝方案

1.1 毛坯成型工藝方案的比較與確定

由于CSP連鑄輥輥套是空心筒型結(jié)構(gòu)，毛坯成型方式可以分為三種，即鍛軋圓鋼加工成型、離心鑄造加工成型和厚壁無縫管加工成型，這三種成型方法各有特點(diǎn)，分析如下。

圖1 φ170輥其中一節(jié)粗加工毛坯圖

（1）三種毛坯成型工藝的成本比較。通過表1成本構(gòu)成分析來看，2Cr13厚壁無縫管粗加工成型方式成本明顯高于其他兩種粗加工成型方式，而且離心鑄造成型方式是成本最低的，從成本角度來分析是優(yōu)選方案[2]。

（2）三種毛坯成型工藝的加工效率比較。從批量成型和采購角度分析，鍛軋圓鋼和無縫管的制造效率較高，可以進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)，而離心鑄造成型方式適應(yīng)面較窄，需要定制化小批量制造，大規(guī)模生產(chǎn)難以實(shí)現(xiàn)。但是，對于連鑄輥套這項(xiàng)產(chǎn)品制造而言，屬于定制化小批量產(chǎn)品，離心鑄造成型是比較適合的[3]。

（3）三種毛坯成型工藝的性能比較。鍛軋圓鋼毛坯成型方式，尤其是鍛圓鋼毛坯加工成型，并通過機(jī)加工去除中心偏析和缺陷易發(fā)生區(qū)域，從經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)數(shù)據(jù)分析，性能是比較可靠的，優(yōu)于教科書與手冊的指導(dǎo)方案。

無縫管毛坯成型方式需要簡要分析一下。厚壁無縫管的制造，一般采用圓坯或圓鋼加熱，經(jīng)過頂孔軋制而成。圓坯或圓鋼的生產(chǎn)，由于連鑄和冷卻結(jié)晶等復(fù)雜過程，芯部容易產(chǎn)生缺陷。

離心鑄造毛坯成型方式，特點(diǎn)一，在很高的重力倍數(shù)下，液態(tài)金屬受到很大的離心力作用，增加管坯的致密度；特點(diǎn)二，在離心力的作用下，由于氣體和夾雜的比重較小，所以更有利于氣體和夾雜物的排出；特點(diǎn)三，離心澆注的過程中，鋼液在高速旋轉(zhuǎn)的型腔中徑向分布均勻；特點(diǎn)四，結(jié)晶方向由外向內(nèi)，沒有鍛造流線，適宜輥面承受壓力和高溫磨損。歸結(jié)到內(nèi)壁的夾雜等危害性缺陷可以集中、快捷去除。

1.2 CSP連鑄輥套離心鑄造毛坯成型基本工藝方案

①離心鑄造管坯，鑒于2Cr13屬于馬氏體不銹鋼，要求鑄后管坯采用及時(shí)控溫緩冷。②管坯完全退火，消除鑄造不良組織、細(xì)化晶粒，并達(dá)到軟化易加工的硬度狀態(tài)。③管坯粗加工，并進(jìn)行成分復(fù)檢、硬度檢驗(yàn)、外觀目測檢驗(yàn)和超聲波粗探。④整體調(diào)質(zhì)處理，硬度控制在HB235～255，熱處理后逐件檢測硬度，鑄件進(jìn)行超聲波探傷檢驗(yàn)。⑤每20套連鑄輥套，跟隨制造一套檢測試樣，同規(guī)格離心鑄管（300mm長）。

1.3 CSP連鑄輥套離心鑄造毛坯成型過程中發(fā)生的問題及解決方案

（1）鑄后管坯開裂現(xiàn)象較多，分析原因，一是鑄前管模預(yù)熱不到位，鑄造成型冷卻過快；二是鑄后冷卻較快，組織應(yīng)力和熱應(yīng)力較大，致使管坯冷卻開裂。解決辦法，預(yù)熱管模150℃～200℃，并控制生產(chǎn)節(jié)奏，保持工藝參數(shù)的符合性。再者，采用鑄后迅速放入緩冷坑，覆蓋保溫棉，降低組織應(yīng)力和熱應(yīng)力。

（2）依據(jù)前期經(jīng)驗(yàn)，檢驗(yàn)鑄造CSP連鑄輥套的化學(xué)成分，Cr含量在14%，屬于上限，其他成分均在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的中限左右，認(rèn)為合格。經(jīng)過多次反復(fù)熱處理試驗(yàn)，高溫1050℃、低溫950℃加熱，空冷、水冷均都進(jìn)行了嘗試，淬火硬度均在HRC30～35。經(jīng)過調(diào)整驗(yàn)證，最后，Cr的含量控制在10.5%～12%，Mn含量控制在中上限，熱處理硬度和晶粒度恢復(fù)正常。

2 2Cr13連鑄輥的熱處理改進(jìn)工藝

在熱處理手冊等權(quán)威資料中，2Cr13類產(chǎn)品的調(diào)質(zhì)淬火加熱溫度980℃～1050℃，冷卻介質(zhì)油和空氣。從能耗、生產(chǎn)效率和熱處理效果來看，油淬和空氣淬火，對于連鑄輥套都不是較好的選擇?；诖丝紤]，并結(jié)合離心鑄造的特點(diǎn)，編訂改進(jìn)的熱處理工藝曲線，進(jìn)行了工藝試驗(yàn)。

（1）淬火加熱采用臺階式升溫保溫，基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，淬火保溫溫度設(shè)定在900℃，淬火冷卻方式采用水冷到室溫。測定淬火硬度，45HRC～50HRC，相對于高溫空冷淬火，硬度提高5HRC左右，硬度均勻性也有所提高。

（2）回火采用650℃保溫，回火時(shí)間相對高溫空冷調(diào)質(zhì)工藝延長1小時(shí)～1.5小時(shí)，充分釋放淬火應(yīng)力，保障回火組織完全轉(zhuǎn)變。測定最終調(diào)質(zhì)硬度，235HB～255HB，達(dá)到目標(biāo)要求。

（3）經(jīng)超聲波探傷檢驗(yàn)，透聲性提升非常明顯，軸向縱深方向直探頭能夠完全穿透，底波清晰；壁厚方向，采用斜探頭檢測，透聲性同樣滿足要求。

表1 2Cr13連鑄輥輥身鍛圓鋼、離心鑄管和厚壁無縫鋼管成型費(fèi)用比較

通過130套（390節(jié)）的檢測，能夠達(dá)到Y(jié)B/T036-1992 超聲波Ⅱ級和JB/T5000.14-1998滲透Ⅰ級標(biāo)準(zhǔn)的，達(dá)到98.7%。

3 質(zhì)量檢驗(yàn)與在線使用效果

（1）質(zhì)量檢驗(yàn)。按照規(guī)范進(jìn)行取樣檢測，共抽檢3個批次，每批試樣抽檢1組，檢測數(shù)據(jù)如下表。

表2 質(zhì)量檢測分析

（2）在線使用效果。對離心鑄造和熱處理改進(jìn)工藝的φ170連鑄輥的在線使用跟蹤，跟蹤批量130根，與2Cr13鍛軋圓鋼加工的連鑄輥全部正常上機(jī)使用，在線盲測，沒有出現(xiàn)任何異常情況，使用壽命等同。經(jīng)測試，平均使用壽命可以達(dá)到3600爐，過鋼量42萬噸。

4 結(jié)論

①CSP連鑄機(jī)φ170連鑄輥套可以采用2Cr13離心鑄造方案加工成型，經(jīng)濟(jì)性、加工效率有明顯優(yōu)勢。②2Cr13在成分上應(yīng)嚴(yán)格控制，Cr含量直接影響淬火硬度，而且Cr的含量應(yīng)該在中下限控制，即10.5%～12%，高于此上限，淬火硬度明顯不足，馬氏體含量急劇下降。③2Cr13采用900℃批量水冷淬火完全可以滿足調(diào)質(zhì)要求，而且淬火硬度及均勻性，均優(yōu)于高溫空冷淬火，可以推廣應(yīng)用。