考慮碳偏析因素的大鍛件加熱制度優(yōu)化

■ 李姣，王敬禹

寬厚板軋機(jī)是軋輥設(shè)備中最大的軋機(jī)，也是主力軋機(jī)之一，在一定程度上代表著一個(gè)國(guó)家的裝備水平。我廠4300mm級(jí)別大型寬厚板支承輥所用鋼錠為359t，材質(zhì)為YB-50。因鋼錠尺寸較大，在凝固過(guò)程中容易產(chǎn)生成分偏析，導(dǎo)致心部碳含量更高。現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)表明，輥身心部局部區(qū)域碳含量可高達(dá)1%。根據(jù)相圖原理，碳含量的變化會(huì)影響材料相變點(diǎn)，從而影響材料的鍛造溫度范圍。針對(duì)這一問(wèn)題，通過(guò)對(duì)4300mm支承輥心部和工作層套料試驗(yàn)檢測(cè)，建立材料各向異性模型，模擬鋼錠加熱情況，從而確定可以匹配成分偏析的階梯加熱制度，促使鍛件內(nèi)部溫度場(chǎng)匹配碳含量變化，在保證鍛造過(guò)程中鍛件表面和心部質(zhì)量的同時(shí)，防止心部發(fā)生過(guò)熱、過(guò)燒現(xiàn)象，改善大型鍛造支承輥的鍛造效果。

1. 鋼錠碳偏析計(jì)算模型

（1）幾何模型建立 我公司4300mm級(jí)別寬厚板支承輥采用材質(zhì)為YB-50，其化學(xué)成分如附表所示。

對(duì)4300mm支承輥心部進(jìn)行套棒檢測(cè)，共套取1#~13#試棒，檢測(cè)心部各位置碳元素的分布情況，結(jié)果如圖1所示。假設(shè)從鋼錠到產(chǎn)品的制造過(guò)程中每一個(gè)垂直于軸向的橫截面內(nèi)部材料不向其他橫截面流動(dòng)，這樣可將鍛件各個(gè)部位對(duì)應(yīng)到原始鋼錠的位置，從而得到359t鋼錠心部碳偏析隨鋼錠軸線的變化情況。圖1中13#區(qū)域?qū)?yīng)于鋼錠距原錠身冒口側(cè)1350mm位置，而6#區(qū)域?qū)?yīng)于鋼錠距原錠身冒口側(cè)2500mm的位置，忽略鋼錠中碳的負(fù)偏析，最終計(jì)算出碳含量沿鋼錠軸線方向分布如圖2所示。

假設(shè)鋼錠垂直于軸線方向的橫截面上碳含量沿半徑呈中心對(duì)稱，即同一橫截面上同一半徑的圓周方向碳含量保持恒定，而碳含量隨半徑的變化參考文獻(xiàn)資料，按照?qǐng)D3所示曲線進(jìn)行假設(shè)。

圖1 心部套棒取料圖及檢測(cè)結(jié)果

YB-50材質(zhì)化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%）

綜合碳含量沿軸向和徑向的分布假設(shè)曲線，建立碳偏析的鋼錠計(jì)算模型如圖4所示。

（2）材料模型建立 為建立模擬計(jì)算用心部高碳區(qū)和外層正常碳區(qū)的材料屬性，需要檢測(cè)兩種材料的熱力學(xué)參數(shù)及高溫?zé)嶙冃畏匠獭?300mm支承輥心部高碳區(qū)和外層正常碳區(qū)分別切取試料，進(jìn)行了光譜化學(xué)成分分析，心部高碳區(qū)試樣含碳量0.94，外層正常碳區(qū)試樣含碳量0.62，借助同步熱分析儀、激光熱導(dǎo)儀、膨脹儀的檢測(cè)，檢測(cè)出兩種材料的熱力學(xué)參數(shù)如圖5所示。

金屬熱變形過(guò)程是一個(gè)熱激活過(guò)程。金屬材料的高溫流變應(yīng)力既與材料化學(xué)成分有關(guān)，又與變形溫度T、應(yīng)變速率及變形量ε有關(guān)。當(dāng)材料成分確定時(shí)，流變應(yīng)力σ與變形條件之間的關(guān)系可用經(jīng)典的雙曲正弦函數(shù)來(lái)描述

為建立高碳材料和正常碳材料的熱變形方程，需要借助Gleeble熱壓縮試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行高溫?zé)釅嚎s變形，試驗(yàn)方案分別是：高碳材料在1150~1275℃溫度范圍內(nèi)以應(yīng)變速率0.0001~0.1s-1進(jìn)行變形，壓下量為60%（真實(shí)應(yīng)變0.91），試驗(yàn)方案如圖6所示。正常碳含量材料在850~1280℃溫度內(nèi)以應(yīng)變速率0.001~1s-1進(jìn)行變形，壓下量為60%（真實(shí)應(yīng)變0.91），試驗(yàn)方案如圖7所示。

對(duì)熱壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列回歸分析，最終兩種材料的熱變形方程。

高碳材料

正常碳材料

圖2 碳含量沿軸線方向分布假設(shè)

圖3 碳含量沿半徑方向分布假設(shè)

圖4 碳含量分布計(jì)算模型

2. Deform-3D有限元模擬及分析

圖5 熱物性參數(shù)檢測(cè)結(jié)果

圖6 高碳材料熱壓縮試驗(yàn)方案

圖7 正常碳材料熱壓縮試驗(yàn)方案

（1）分段加熱制度構(gòu)建 我公司4300mm級(jí)別支承輥鍛造過(guò)程為：壓鉗口→預(yù)拔長(zhǎng)→鐓粗→F M壓實(shí)→拔長(zhǎng)出成品。優(yōu)化工藝前預(yù)拔長(zhǎng)、鐓粗、壓實(shí)三個(gè)主要火次的鍛前加熱制度均為1280℃保溫一定時(shí)間，設(shè)計(jì)優(yōu)化加熱方案為：采用1250℃+1280℃的分段階梯式加熱制度，以正常加熱工藝為基礎(chǔ)，固定總的加熱時(shí)間，正常保溫按照爐溫1250℃保溫，在距離鍛造前一定時(shí)間t1以內(nèi)，提高加熱溫度至1280℃，并保溫至出爐鍛造。時(shí)間t2的確定以心部高碳區(qū)溫度達(dá)到1280℃為基準(zhǔn)來(lái)確定，方案如圖8所示。

（2）有限元模型構(gòu)建 根據(jù)前述偏析模型構(gòu)建了有限元計(jì)算模型，對(duì)三個(gè)分區(qū)擬采用高碳、低碳，與將兩者算術(shù)平均的應(yīng)力應(yīng)變與熱物性參數(shù)作為過(guò)渡區(qū)材料用于計(jì)算。但因?qū)嶋H計(jì)算過(guò)程中收斂性較差，對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，將心部高碳區(qū)材料和中間過(guò)渡區(qū)做成一體，采用高碳區(qū)材料性能，建立了如圖9所示的兩層簡(jiǎn)化復(fù)合結(jié)構(gòu)模型。

（3）傳熱計(jì)算 在計(jì)算過(guò)程中，設(shè)定坯料溫度保持爐溫1250℃恒溫且保溫足夠長(zhǎng)時(shí)間，此時(shí)料溫根據(jù)當(dāng)前鍛造規(guī)范認(rèn)為是1220℃，之后升溫至爐溫1280℃，后一段加熱的保溫時(shí)間按照鋼錠（不包含鉗口）心部高碳區(qū)溫度達(dá)到1250℃為許可加熱時(shí)間。

此外，在模擬計(jì)算過(guò)程中，爐溫是按照環(huán)境溫度來(lái)設(shè)定的，而隨著保溫進(jìn)行，坯料溫度會(huì)自表及里地升至完全等于環(huán)境溫度，而不會(huì)出現(xiàn)實(shí)際料溫和爐溫存在約30℃偏差。因此，模擬中環(huán)境溫度和鍛造中爐溫并不完全等同，為獲得理想的模擬結(jié)果，計(jì)算考慮了以下兩個(gè)極端情況：①設(shè)定模擬中的環(huán)境溫度1250℃，作為模擬爐況較差的情況，即1280℃爐溫只能產(chǎn)生1250℃料溫。②設(shè)定模擬中環(huán)境溫度1280℃，作為模擬爐況較好的情況，即1280℃爐溫能產(chǎn)生1280℃料溫。

圖8 分段加熱制度方案

圖9 兩層復(fù)合模型

實(shí)際結(jié)果應(yīng)當(dāng)位于兩種計(jì)算結(jié)果中間。

預(yù)拔前計(jì)算結(jié)果如圖10所示，其中加粗黑線代表1250℃等溫線錠身冒口達(dá)到心部高碳區(qū)。從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，按照環(huán)境溫度1250℃設(shè)定，需要保溫約31h，按照環(huán)境溫度1280℃設(shè)定，需要保溫約11h。因此，實(shí)際爐溫1280℃階段的保溫時(shí)間應(yīng)在11~31h。

鐓粗前的計(jì)算結(jié)果如圖11所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，按照環(huán)境溫度1250℃設(shè)定，需要保溫約29h，按照環(huán)境溫度1280℃設(shè)定，需要保溫約11h。因此，實(shí)際爐溫1280℃階段的保溫時(shí)間應(yīng)控制在11~29h。

圖10 預(yù)拔前分別設(shè)定環(huán)境溫度恒定為1250℃和1280℃時(shí)計(jì)算結(jié)果

圖11 鐓粗前分別設(shè)定環(huán)境溫度恒定為1250℃和1280℃時(shí)計(jì)算結(jié)果

圖12 FM前分別設(shè)定環(huán)境溫度恒定為1250℃和1280℃時(shí)計(jì)算結(jié)果

F M前計(jì)算結(jié)果如圖12所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，按照環(huán)境溫度1250℃設(shè)定，需要保溫約30h，按照環(huán)境溫度1280℃設(shè)定，需要保溫約10h。因此，實(shí)際爐溫1280℃階段的保溫時(shí)間應(yīng)控制在10~30h。

（4）模擬計(jì)算結(jié)果 綜合上述計(jì)算結(jié)果，對(duì)于359t鋼錠，1280℃高溫條件下的保溫時(shí)間在預(yù)拔、鐓粗、FM三個(gè)階段之前的加熱過(guò)程中保溫時(shí)間均分布在10~30h范圍內(nèi)。

3. 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于359t鋼錠，1250℃低溫段保溫時(shí)間按原工藝執(zhí)行，甚至進(jìn)一步增加低溫段的保溫時(shí)間，1280℃條件下的保溫時(shí)間在預(yù)拔、鐓粗、FM三個(gè)階段之前的加熱保溫時(shí)間在10~30h范圍內(nèi)，是一種可行的預(yù)防過(guò)燒的措施。實(shí)際應(yīng)用中可以按照最低限度即10h為參考，根據(jù)產(chǎn)品狀況適當(dāng)增加時(shí)間。

[1] 韓雷，楊志洪. 3500mm寬厚板軋機(jī)支承輥鍛造工藝研究[J].大型鑄鍛件，2010(5)：36.

[2] 辛雪倩，謝全勝，梁賢淑，等. 231t超大型鋼錠水冒口解剖實(shí)驗(yàn)研究[J].大型鑄鍛件，2014(5)：36-40.

[3] 王寶忠,高建軍,劉海瀾.超大型鋼錠極端制造的回顧與展望[C]. 2014年鋼錠制造技術(shù)與管理研討會(huì)論文集，2014.

[4] 陳海堤，王濤，羅玉立. 400t級(jí)巨型鋼錠偏析及夾雜物分布研究[J].大型鑄鍛件，2013(1)：9-12.

[5] 康婭雪，蔡大勇，張春玲，等. 微碳鋼的熱變形方程及熱加工圖[J]. 材料熱處理學(xué)報(bào)，2012，33(6)：74-79.

[6] 王忠堂，等. AZ31鎂合金熱變形本構(gòu)方程[J]. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2008，18(11)：1977-1982.