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      連鑄坯表面缺陷在圓鋼軋制過(guò)程中的演變規(guī)律研究

      2021-05-17 09:51:56劉明遠(yuǎn)
      山東冶金 2021年2期
      關(guān)鍵詞:結(jié)疤圓鋼鋼坯

      劉明遠(yuǎn)

      (河鋼宣鋼技術(shù)中心,河北 張家口075100)

      1 前 言

      河北鋼鐵集團(tuán)宣鋼公司2014年建成投產(chǎn)一條高速棒材生產(chǎn)線(xiàn),產(chǎn)品規(guī)格為Φ20~70 mm,使用坯料尺寸為165 mm×165 mm×12 000 mm,鋼種包括碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、軸承鋼、齒輪鋼等。對(duì)于優(yōu)特鋼圓鋼產(chǎn)品,下游用戶(hù)加工工藝多樣,對(duì)產(chǎn)品表面質(zhì)量要求較為嚴(yán)格,圓鋼表面缺陷將直接導(dǎo)致鍛造開(kāi)裂、車(chē)削裂紋及穿管外折等。圓鋼產(chǎn)品表面缺陷形成原因復(fù)雜,經(jīng)過(guò)近年來(lái)質(zhì)量提升攻關(guān)及相應(yīng)研究表明,產(chǎn)品表面缺陷主要來(lái)源于鋼坯。鋼坯表面常見(jiàn)的缺陷有裂紋、結(jié)疤、渣溝、劃傷等,若鑄坯表面缺陷較為嚴(yán)重,軋制后有可能遺傳到圓鋼產(chǎn)品表面,影響產(chǎn)品質(zhì)量。為了合理確定鋼坯檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),控制圓鋼產(chǎn)品表面質(zhì)量,因此十分有必要對(duì)鑄坯表面缺陷在圓鋼軋制過(guò)程的演變規(guī)律進(jìn)行研究。

      2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

      2.1 鑄坯劃傷、渣溝及結(jié)疤試驗(yàn)

      對(duì)鑄坯表面缺陷進(jìn)行分類(lèi)、確認(rèn),測(cè)量缺陷深度、寬度、長(zhǎng)度以及其位置,軋后利用體積守恒定理計(jì)算缺陷對(duì)應(yīng)位置,取樣后進(jìn)行酸洗、頂鍛及金相檢測(cè),以跟蹤缺陷在軋后產(chǎn)品表現(xiàn)的形貌,從而得出鑄坯各類(lèi)表面缺陷在現(xiàn)有軋制工藝下的演變規(guī)律,制定新的鑄坯檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。選定10 支斷面尺寸為165 mm×165 mm 的表面缺陷方坯,涉及鋼種包括GCr15、9SiCr、45#,軋制規(guī)格為Φ20、Φ40、Φ60 mm,主要缺陷類(lèi)型包括劃傷、渣溝、結(jié)疤,其缺陷類(lèi)型及尺寸如表1所示。

      2.2 鑄坯裂紋試驗(yàn)設(shè)計(jì)

      選取45#鋼連鑄方坯2支,斷面尺寸為165 mm×165 mm。利用修磨機(jī)對(duì)鋼坯表面進(jìn)行修磨,確認(rèn)試驗(yàn)鋼坯表面質(zhì)量良好后,在其中1支方坯尾部0.5 m處人工預(yù)制縱裂紋1條,寬度1 mm、深度5 mm;距頭部2 m處預(yù)制寬度1 mm、深度2 mm縱裂紋1條。在另一支鋼坯尾部0.5 m處人工預(yù)制橫裂紋1條,寬度1 mm、深度5 mm;距頭部2 m處預(yù)制寬度1 mm、深度2 mm橫裂紋1條。將鋼坯在加熱爐加熱后,經(jīng)高壓水除磷、粗軋、中軋和精軋軋制,最終軋制成Φ40 mm規(guī)格圓鋼。按照提前計(jì)算好的缺陷位置做好倍尺成品標(biāo)記并取樣,檢測(cè)裂紋形貌和深度變化。

      表1 方坯缺陷類(lèi)型及尺寸

      3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

      3.1 劃傷缺陷分析

      本次選定劃傷鋼坯按照深度可分為兩類(lèi):深度<2 mm;深度≥2 mm。按照理論計(jì)算的缺陷位置進(jìn)行取樣、酸洗、頂鍛試驗(yàn),試樣a1、a4 未發(fā)現(xiàn)表面缺陷;a2試樣酸洗后表面存在淺裂紋,頂鍛后未開(kāi)裂;a3、a5 試樣酸洗后表面可見(jiàn)淺裂紋,頂鍛后試樣表面開(kāi)裂深度較淺;a6 酸洗試樣表面可見(jiàn)明顯裂紋,頂鍛后試樣裂紋呈開(kāi)口狀,且具有一定深度,如圖1所示。

      由圖2可看出,兩類(lèi)鑄坯劃傷經(jīng)軋制后存在較明顯的區(qū)別:劃傷深度<2 mm 沒(méi)有導(dǎo)致明顯的圓鋼表面裂紋,這是由于鑄坯表面在加熱爐內(nèi)被氧化,經(jīng)高壓水除鱗后使得部分缺陷被消除,同時(shí)在后序的軋制變形過(guò)程中逐漸軋合消除,不會(huì)對(duì)后續(xù)加工造成明顯的影響;劃傷深度>2 mm 會(huì)導(dǎo)致圓鋼表面出現(xiàn)裂紋,對(duì)試樣進(jìn)行1/3頂鍛后,試樣出現(xiàn)開(kāi)裂,且隨著規(guī)格增大,開(kāi)裂越明顯,同時(shí)對(duì)酸洗試樣進(jìn)行進(jìn)項(xiàng)檢測(cè),裂紋形貌如圖2所示。

      圖1 鑄坯劃傷對(duì)應(yīng)的圓鋼表面缺陷

      圖2 圓鋼表面裂紋的金相組織100×

      在100 倍顯微鏡下觀測(cè),裂紋處存在脫碳現(xiàn)象,無(wú)延伸,底部較為圓鈍。

      通過(guò)跟蹤劃傷鑄坯在軋制過(guò)程中的變化,結(jié)合不同規(guī)格圓鋼表面形貌變化,連鑄坯劃傷缺陷在軋制過(guò)程中變化規(guī)律如圖3所示。

      圖3 軋制過(guò)程中劃傷變化規(guī)律示意圖

      通過(guò)高溫氧化和后續(xù)的軋機(jī)平-立交替軋制,軋件的截面積逐漸減小,缺陷深度也隨之降低,最終劃傷缺陷暴露在軋材表面,初始深度<2 mm 的劃傷缺陷會(huì)消失在鋼材表面。

      3.2 渣溝缺陷分析

      選取2支表面渣溝深度不同的鋼坯進(jìn)行軋制。9SiCr 缺陷鑄坯,渣溝長(zhǎng)度約為2 m,深度最深處約為5 mm。GCr15缺陷鑄坯,深度1 mm,長(zhǎng)度約1 m。同樣軋制Φ60 mm 規(guī)格穿管用鋼,對(duì)成品及穿管效果進(jìn)行跟蹤。成品酸洗后發(fā)現(xiàn)試樣存在缺陷如圖4所示。取缺陷部位進(jìn)行電鏡、金相分析,結(jié)果如圖5所示。

      圖4 鑄坯渣溝對(duì)應(yīng)的圓鋼表面缺陷

      圖5 渣溝坯圓鋼表面裂紋電鏡、金相分析

      渣溝鑄坯軋制后裂紋內(nèi)部殘留有氧化鐵皮及大量夾雜物,脫碳嚴(yán)重,且向鋼材基體延伸。有研究表明[1-4],鑄坯渣溝缺陷必然伴生裂紋及夾雜,鑄坯軋制后由于產(chǎn)品表面氧化鐵皮覆蓋不易發(fā)現(xiàn),出廠后造成用戶(hù)穿管外折缺陷,影響正常使用,因此必須進(jìn)行鑄坯修磨后方可軋制。

      3.3 表面結(jié)疤分析

      選取形貌較為類(lèi)似的結(jié)疤缺陷鋼坯2支,分別軋制Φ20、Φ60 mm規(guī)格圓鋼,從理論計(jì)算位置截取試樣,并進(jìn)行頂鍛、酸洗、金相檢測(cè)。從圖6、圖7金相分析表明,裂紋處無(wú)夾雜,裂紋底部無(wú)延伸,但因軋制規(guī)格存在差異,導(dǎo)致裂紋深度不同。對(duì)于內(nèi)部無(wú)夾雜的鑄坯表面結(jié)疤在軋制過(guò)程中變化規(guī)律如圖8所示,缺陷在軋制過(guò)程中沿軋制方向上逐漸被拉長(zhǎng),深度變淺,隨著軋制道次增多,結(jié)疤底部被軋制表面,直至消失。

      圖6 c1鑄坯缺陷對(duì)應(yīng)圓鋼缺陷

      圖7 c2鑄坯缺陷對(duì)應(yīng)圓鋼缺陷

      圖8 軋制過(guò)程中鑄坯表面結(jié)疤變化規(guī)律

      3.4 鑄坯裂紋分析

      試驗(yàn)鑄坯軋制后在成品對(duì)應(yīng)位置進(jìn)行取樣,未發(fā)現(xiàn)鑄坯頭部預(yù)制裂紋對(duì)應(yīng)缺陷,鑄坯尾部對(duì)應(yīng)成品表面可見(jiàn)明顯裂紋存在。經(jīng)過(guò)觀察確認(rèn)為,5 mm深預(yù)制裂紋經(jīng)軋制后遺傳裂紋,其形貌見(jiàn)圖9。

      圖9 鑄坯深裂紋對(duì)應(yīng)的圓鋼表面缺陷

      將以上試樣制成金相試樣并觀測(cè)微觀形貌(見(jiàn)圖10),縱裂紋和表面呈接近垂直狀態(tài),根部尖銳,趨于閉合;橫裂紋與表面呈一定角度,底部不規(guī)則,內(nèi)部存在氧化鐵皮;兩處裂紋均在加熱過(guò)程發(fā)生脫碳現(xiàn)象并遺傳至成品。

      圖10 鑄坯深裂紋對(duì)應(yīng)的圓鋼表面缺陷微觀形貌100×

      喻海良等認(rèn)為裂紋在軋制過(guò)程中同時(shí)受到拉應(yīng)力和壓應(yīng)力作用,壓應(yīng)力使裂紋趨于閉合,拉應(yīng)力導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展[5]。軋制過(guò)程中鑄坯表面裂紋情況分為以下3種情況:

      ①軋制時(shí),裂紋處金屬處于壓應(yīng)力狀況,裂紋會(huì)逐漸閉合,裂紋邊部發(fā)生接觸,當(dāng)裂紋邊部未發(fā)生氧化時(shí),在高溫下產(chǎn)生原子遷移,實(shí)現(xiàn)了局部區(qū)域的裂紋軋合,隨著軋制道次的增多,裂紋會(huì)完全閉合,如圖11a 所示。②若在壓應(yīng)力狀態(tài)下,裂紋末端只發(fā)生了部分冶金結(jié)合,而未閉合部分裂紋軋制過(guò)程中被“拉開(kāi)”,隨著軋制道次增多,裂紋表面演變?yōu)檐埐谋砻?,而裂紋末端則發(fā)生冶金結(jié)合,這兩種情況都可使裂紋發(fā)生軋合,如圖11b 所示。③若裂紋表面所受的拉應(yīng)力將裂紋完全拉開(kāi),隨著軋制道次的增加,裂紋有可能完全演變?yōu)檐埐谋砻?,或進(jìn)一步擴(kuò)展,保留在成品上,影響產(chǎn)品質(zhì)量,如圖11c所示[6]。

      圖11 軋制過(guò)程中鑄坯表面裂紋演變機(jī)制

      4 結(jié) 論

      4.1 鑄坯表面劃傷的深度遺傳性較強(qiáng),而寬度影響則不明顯,劃傷缺陷在加熱時(shí)會(huì)被氧化消失,危害程度減輕;劃傷深度一定時(shí),成品表面裂紋會(huì)隨著變形量的增加而減小。劃傷深度>2 mm時(shí)會(huì)在圓鋼表面留下一定深度的裂紋。

      4.2 鑄坯渣溝缺陷遺傳性較強(qiáng),同時(shí)渣溝處會(huì)伴生內(nèi)部裂紋及夾雜物,軋制后形成折疊缺陷,被氧化鐵皮覆蓋后不易檢驗(yàn),影響下游用戶(hù)加工,需清除缺陷后軋制。

      4.3 對(duì)于內(nèi)部無(wú)夾雜的表面結(jié)疤,在軋制過(guò)程中缺陷在軋制方向上逐漸被拉長(zhǎng),隨著軋制道次增多,結(jié)疤深度變淺。軋制不同規(guī)格圓鋼時(shí)對(duì)鑄坯表面結(jié)疤深度要求不同,軋制規(guī)格越大,對(duì)鑄坯表面質(zhì)量要求越嚴(yán)格。

      4.4 鑄坯裂紋會(huì)在圓鋼軋制過(guò)程產(chǎn)生對(duì)應(yīng)缺陷,但裂紋深度<2 mm時(shí)會(huì)被氧化消失。深度裂紋根據(jù)其氧化及受力情況其演變機(jī)制不同。

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