降低支承辊锻件外露夹杂缺陷的措施

赵凯兵

(中国第一重型机械集团股份公司铸锻钢事业部技术质量部，黑龙江161042)

降低支承辊锻件外露夹杂缺陷的措施

赵凯兵

(中国第一重型机械集团股份公司铸锻钢事业部技术质量部，黑龙江161042)

认为A型偏析外露是导致外露夹杂的主要原因。通过提高钢水纯净度，控制钢液结晶，改进锻造工艺，减少钢中的夹杂并让分枝树枝晶区尽量向锭心分布能减少外露夹杂。

支承辊;外露夹杂;A型偏析

目前，用户对支承辊产品的质量要求相当苛刻，甚至很难同意接受辊径有夹杂缺陷的支承辊，外露夹杂已成制约支承辊产品质量的最大瓶颈。普遍认为钢锭固有的A型偏析在机械加工中暴露在表面会产生外露夹杂。本文着重分析导致A型偏析外露的原因，并提出改善外露夹杂的措施。

1 外露夹杂的特征

外露夹杂区域在车削加工时会异常断屑，外露夹杂在精磨时会变黑，容易识别。除少数在粗车时发现的较大块状的白色夹杂能直接确定为精炼渣、石棉绳、耐火材料的混合物外，绝大多数的夹杂一般尺寸较小，在2 mm以内，有点状和条状两种，较小的夹杂借助着色才能目视观察到。统计发现，精加工发现外露夹杂的比率要比粗加工高60%，在辊身及辊身端面外露占16.5%，在辊颈外露占83.5%(其中冒口端辊颈占3.5%)。值得说明的是，在辊身及辊身端面外露的夹杂没有在辊颈处外露的密集。外露的夹杂无论呈点状还是条状在锻件某一外圆表面局部范围内零散分布，或是遍布一周，其轴向都呈条带状零散分布。

2 超声检测

支承辊会在调质前、调质后各进行一次超声检测。由于近表面超声检测时存在盲区，同时一般夹杂本身尺寸较小，加上锻造又将其打碎细化，使夹杂的伤波数量减少、伤波幅度降低，甚至细化到超声检测无法检测出来。在浅表层发现的部分不超标密集缺陷如图1所示。严重的呈环形分布，当量最大能达到∅3 mm，在进一步加工时会造成外露夹杂。这种浅表层缺陷，检测时伤波高低不等，疏密不均，波峰分枝，波头圆钝不清晰，探头游动时伤波此起彼伏、变化迅速。当提高仪器灵敏度时，伤波的数量迅速增加，但伤波的清晰度随着仪器灵敏度的提高而越加模糊。降低仪器灵敏度时，根据伤波幅度下降很快等特征，基本认定为夹杂［1］。通过前期分析，认定夹杂的主要成分是Ca、Si、Mg、F、Al、O等元素，存在着精炼渣成分［2］。

无论一锭出一件还是出两件，这种浅表层缺陷几乎集中对应于钢锭水口端。在一锭一件的锻件中几乎原本不动的保留了钢锭中夹杂的原始分布状态。在一锭两件的锻件中，缺陷的分布与钢锭的水口件或冒口件有关，但对钢锭中缺陷的分布规律不产生根本影响，只是夹杂在锻件中的残存部位发生相应的位置变化。由图1可看出，超声检测确定的浅表层缺陷基本可以认定是在钢锭内原始分布状态呈喇叭状的A形偏析区内的群集夹杂，只不过锻造导致夹杂分布状态的畸变，使夹杂在辊颈e、f、g处的分布产生跳跃，破坏夹杂分布的连续状态，在D部夹杂几乎聚成一体而较难分出呈环形分布。由图1可看出，各圆端面e、f、g、h最容易出现夹杂外露。辊径直径越小、加工余量越大，越容易出现夹杂外露。同时，如果直辊径B、C部机加工成锥辊，会使夹杂外露的几率增大。如果辊身A部工作层存在夹杂，则会减少支承辊的重复磨修次数从而降低其使用寿命。

3 外露夹杂的影响因素

钢锭表面的激冷层因初始钢液有较大的过冷度而迅速凝固，故无偏析，激冷层几乎在锻造高温加热中烧损掉。激冷层形成后，晶粒开始沿着模壁垂直方向发展形成柱状晶，该部分因为在较大的温度梯度下选择结晶凝固，且凝固前沿固相率很低，凝固前沿的溶质富化浓度低，同时也容易被环流冲走，故夹杂物和偏析缺陷较小，可以认为柱状晶是相对纯净的。柱状晶的厚度取决于浇注温度和钢锭尺寸，一般约为50 mm～120 mm［3］。柱状晶往里是分枝树枝晶，其结晶方向偏离柱状晶方向倾斜生长，A型偏析在这一区域形成。分枝树枝晶长到一定阶段后，中心区域的钢液达到同一过冷度而同时凝固，最终形成粗大等轴晶。钢锭底部富集非金属夹杂物的沉积锥，应当产生锻件芯部缺陷，而非浅表层缺陷。从以上分析看出，支承辊夹杂外露是因为钢锭分枝树枝晶区内质量不好的A型偏析暴露在锻件表面，这也与外露的夹杂在轴向都呈条带状零散分布相吻合。

同时结合McDonald和Hunt提出的A型偏析理论，固液相区内由于温度和浓度梯度造成的密度变化，使未凝固的钢液趋于不稳定并驱动钢液环流。环流的钢液流经钢锭中心将逐步加热，环流的熔液可以使局部枝晶重熔，重熔又使液相分数增大，流动阻力减小，使流速进一步增大，加速重熔。这种不稳定现象从而在固液相区内形成一系列细小的管流，当然管流在固相中形成的沟槽越大，流速就越大，熔化速度也越大。一部分沟槽不断扩展，同时得到枝晶间浓度很高的液相的流动补充。环流不可避免地携带大量钢液中的非金属夹杂物，随着温度的下降，钢液粒稠流动不畅，非金属夹杂物堵塞、滞留在分枝树枝晶管流中并进一步集聚而难以在该区域排除，堵塞的管流进行合并而形成A型偏析。从上面分析不难看出，在同一浇注条件下，钢水越纯净，越难产生A型偏析。

根据以上分析，提高钢水纯净度和让分枝树枝晶区尽量向锭心分布能减少夹杂外露。

4 措施

4.1 钢液结晶的控制

钢锭的结晶取决于钢液的选择凝固与结晶速度，因此可以用冷却速度来控制结晶过程。对两年来同锭型、同材质的支承辊进行分析，结果发现注温过于偏低或注速过于偏慢的钢锭外露夹杂的几率最高。这是由于注温高可延长结晶的时间，有助于柱状晶区的发展，使A形偏析向内向上集中远离钢锭表面，同时注温高有利于夹杂上浮及排除。因此，在工艺范围内，注温与注速应避免按下限控制。另外，可以设法增加钢锭模的冷却能力，如采用导热性好与热容量大的钢锭模材料、增加钢锭模的厚度、降低钢锭模温度等。

4.2 提高钢水纯净度

炉料中含P、S量要尽量低，因含量高时会延长冶炼时间，从而使炉衬易受侵蚀，使钢中夹杂物增多。如果氧化期沸腾不好，多数比较细小的脱氧产物难于上浮而残留在钢液中，因此脱碳保证不小于40%，确保脱碳强度，使钢水沸腾以去除夹杂。要保证钢水在钢包中保持一定的镇静时间，以利于夹杂物上浮。整个浇注系统要认真吸尘、吹风，吸吹后应防尘处理，避免钢液卷入耐火材料等非金属夹杂物，同时加强中间包卡渣。

4.3 锻造工艺改进

由于钢锭冒口端直径大于水口端直径，故镦粗时水口端直径的增大无论是依靠水口端接触面的滑动扩大为主，还是依靠侧表面翻至接触面扩大水口端直径为主，越往水口端柱状晶区层拉得越薄。同样在后续的KD拔长、下料出成品过程中，由于金属的迁移，使柱状晶区层在水口端辊径处拉的更薄。因此，制定锻造工艺时，拔长锻比满足3即可，最好不采取镦粗变形或采取小镦粗比。优先选用一锭出一件，最多一锭出两件。另外，镦粗前不采用切除水口锭身弃料，以免A型偏析在镦拔过程中提前在锭身水口端暴露出来。同时尽量减小锻件的加工余量，以免余量过大，车出A型偏析。

5 结束语

通过提高钢水纯净度，控制钢液结晶，改进锻造工艺，能减少支承辊锻件夹杂外露缺陷。

［1］ 牛俊民.钢中缺陷的超声波定性探伤［M］.北京:冶金工业出版社，1990.

［2］ 赵春华，巴钧涛，冯玉合.支承辊外露夹杂原因分析［J］.大型铸锻件，2012，9(5):23-26.

［3］ 康大韬，叶国斌.大型锻件材料及热处理［M］.上海:龙门书局，1998.

编辑 杜青泉

Measures to Reduce Exposed Defects on Backup Roll Forging

Zhao Kaibing

External A-type segregation is considered as the main cause of exposed inclusion.By improving the molten steel purity，controllingmolten steel crystallization，reducing inclusion in steel，and making the branch dendrite asmuch as close to the ingot heart，exposed inclusion can be reduced.

bakckup roll，exposed inclusion，A-type segregation

TG316.1+92

A

2013—05—13

赵凯兵(1987—)，助理工程师，从事锻造过程控制及民品锻件的质量处理工作。