半鋼輥環(huán)外圓花斑問題淺析與解決

王國(guó)菊，白思諾，馬曉龍，劉秋全，王滟偉，王保宏

（1.軋輥復(fù)合材料國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，河北邢臺(tái) 054025；2.邢臺(tái)軋輥異型輥有限公司，河北邢臺(tái) 054025）

1 背景

半鋼材質(zhì)含碳量為1.3%～2.2%，碳含量大于1.8%時(shí)，又稱之為高碳半鋼，半鋼是一種碳含量介于鑄鐵和鑄鋼之間的軋輥新材料。半鋼軋輥不僅具有鑄鋼軋輥的高強(qiáng)度和韌性，又具有鑄鐵軋輥良好的耐磨性能。通常用于生產(chǎn)熱軋帶連軋機(jī)組的粗軋機(jī)架和精軋前段，廣泛用于生產(chǎn)型鋼、線材和棒材的粗軋機(jī)架。碳和鉻是半鋼軋輥中形成碳化物的重要元素，是提高軋輥耐磨性的重要元素。但在實(shí)際生產(chǎn)過程中容易發(fā)生外圓花斑缺陷。我公司生產(chǎn)的半鋼輥環(huán)主要用于H 型鋼生產(chǎn)線的萬能軋機(jī)上，見圖1。外圓作為工作面使用，直接與軋材接觸，外圓面的質(zhì)量不僅影響軋制的質(zhì)量，也決定了軋輥的性能。此缺陷在型材軋制過程中易形成掉塊，對(duì)軋材造成影響，軋輥也將提前失效報(bào)廢，見圖2～4。

圖1 軋輥使用示意圖

圖2 輥環(huán)花斑軋制后軋材質(zhì)量

圖3 輥環(huán)外圓花斑

圖4 花斑位置局部

為解決上述弊端，一種解決半鋼輥環(huán)外圓花斑問題方法的研究，已經(jīng)迫在眉睫亟待研究。

2 花斑問題檢測(cè)

為解決輥環(huán)外圓花斑問題，找到形成花斑問題的真正原因，我們對(duì)外圓花斑從宏觀硬度、微觀組織、電鏡分析進(jìn)行系統(tǒng)檢測(cè)，現(xiàn)將結(jié)果匯總?cè)缦隆?/p>

2.1 硬度檢測(cè)

對(duì)輥環(huán)外圓正常處與缺陷處進(jìn)行表面硬度檢測(cè)，確認(rèn)表面硬度如下：

正常處：HSD60.2，HSD59.9，HSD63.1，HSD 62.3，HSD57.7；

缺陷處：HSD67，HSD66，HSD68，HSD69，HSD 75.4，HSD68；

通過對(duì)表面硬度進(jìn)行檢測(cè)分析，標(biāo)準(zhǔn)要求：HSD57～63，形成花斑缺陷位置處硬度偏高，較正常位置高HSD10～15，明顯高于正常位置。

2.2 微觀組織檢測(cè)

2.2.1 金相檢測(cè)

我們對(duì)輥環(huán)正常處與缺陷處進(jìn)行金相檢測(cè)，組織均為珠光體+碳化物。正常處金相組織碳化物均勻分布于基體中，而缺陷處金相組織碳化物在部分位置形成聚集，大量碳化物形成聚集。其金相組織照片如圖5、6 所示。

2.2.2 電鏡掃描檢測(cè)

我公司采用掃描電鏡型號(hào)為S-3700N，其特點(diǎn)為用于研究較大、較重、較高的樣品，最大樣品直徑可達(dá)300mm,觀察范圍203mm，高度110mm樣品進(jìn)行觀察和能譜分析，對(duì)缺陷位置取樣進(jìn)行電競(jìng)掃描檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果為缺陷處疏松并有碳化物聚集現(xiàn)象。

圖6 花斑（異常）處金相

圖7 缺陷處進(jìn)行電鏡掃描

經(jīng)過金相檢測(cè)與電鏡發(fā)現(xiàn)缺陷處出現(xiàn)疏松，并且有碳化物聚集。

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2.3 電鏡成分含量評(píng)價(jià)分析

通過表1 確認(rèn)：存在花斑處檢測(cè)結(jié)果C、Cr 含量較正常處偏高。

表1 電鏡檢測(cè)成分元素定量

正常處C 含量6.87%，Cr 含量4.22%，而花斑處C 含量7.16%～8.4%，Cr 含量5.12%～7.13%，超過正常處含量較多。

2.4 綜合檢測(cè)分析

通過上述檢測(cè)，綜合分析認(rèn)為由于元素C、Cr的不均勻分布，在凝固過程中Cr 的碳化物在局部聚集是造成的半鋼輥環(huán)外圓花斑的主要原因。

3 輥環(huán)外圓花斑問題形成原因機(jī)理分析

通過上述檢測(cè)分析，在輥環(huán)外圓處形成花斑的主要原因?yàn)?元素C、Cr 的不均勻分布，在凝固過程中Cr 的碳化物在局部聚集。查閱相關(guān)材料，造成元素C、Cr 不均勻分布的原因如下。

3.1 原始成分不均勻

通過對(duì)花斑位置進(jìn)行電鏡檢測(cè)分析（表1 所示），化學(xué)元素存在著明顯的偏析。由此分析，鐵液在熔煉過程中，合金加入存在攪拌或過熱不完全，各元素未能均勻分布在鐵液中。

3.2 鐵液的紊流

紊流將影響液體金屬中異相質(zhì)點(diǎn)的正常浮沉，使溫度不同或重度不同的組分隨液體金屬做紊亂運(yùn)動(dòng)，如果鑄型中液體金屬在做層流運(yùn)動(dòng)時(shí)降溫較快，使得后一股金屬流在覆蓋前一股的表面時(shí)，兩者不能很好地熔融在一起。這樣各液層均按各自條件進(jìn)行凝固，因而各層的金屬組織、組元的分布也會(huì)有所不同。鐵液澆注過程中，鐵液流不穩(wěn)，忽大忽小或鐵液流斷續(xù)，都會(huì)加重鐵液在鑄型內(nèi)的紊流。

3.3 離心機(jī)的震動(dòng)

離心澆注時(shí)，不僅液體金屬與鑄型之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，而且液體金屬由內(nèi)向外的層與層之間也有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。在相對(duì)運(yùn)動(dòng)過程中，液體金屬也同時(shí)由外層向內(nèi)層進(jìn)行結(jié)晶。離心機(jī)的震動(dòng)恰恰打亂了這種運(yùn)動(dòng)和結(jié)晶的模式。鑄型震動(dòng)時(shí)，鑄型的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速會(huì)隨著震動(dòng)的頻率和震動(dòng)的幅度而發(fā)生變化。導(dǎo)致鑄型中的鐵液紊流程度加劇，層流發(fā)生在鑄件的斷面上形成奇特的白口與灰口或細(xì)小石墨與粗大石墨相對(duì)交互的層狀偏析組織。而鑄型震動(dòng)改變了層狀組織的圓周分布，形成了特殊的不規(guī)則的層狀組織分布。

4 輥環(huán)外圓花斑解決方案

4.1 解決化學(xué)成分不均勻

針對(duì)熔煉過程中化學(xué)成分不均勻，制定兩項(xiàng)措施，保證出爐鐵水的均勻性。

（1）精準(zhǔn)配料，對(duì)入爐料進(jìn)行詳細(xì)分類，從8種入爐料，詳細(xì)分為32 種爐料，確保入爐料成分的準(zhǔn)確性，即使熔清樣成分接近成品成分，減少熔清后期合金調(diào)整。

（2）制定高溫熔煉過程規(guī)范，熔清后加入合金微調(diào)成分后，增加高溫熔煉過程，在高溫1600℃以上保溫30min 以上，既可使高熔點(diǎn)雜質(zhì)有充足時(shí)間上浮形成浮渣挑出，又可使鐵水成分熔化均勻分布。

4.2 解決鐵液的紊流

為穩(wěn)定鐵液流的澆注速度，我公司徹底改進(jìn)了澆注方法，由原來的鐵水澆注包人工翻包改為自動(dòng)澆注控制，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化澆注，提高了鐵水澆注的穩(wěn)定性，降低了工人的操作強(qiáng)度。

4.3 解決離心機(jī)的震動(dòng)問題

在離心機(jī)與工裝座機(jī)前對(duì)工裝和離心機(jī)設(shè)備進(jìn)行清理，清理掉配合面位置的凸起等異物，確保配合面的平整；工裝與離心機(jī)配合完成后對(duì)工作進(jìn)行打表檢測(cè)跳動(dòng)，符合要求可進(jìn)行生產(chǎn)，否則進(jìn)行加工解決跳動(dòng)大、離心機(jī)震動(dòng)大的問題，確保層狀組織的均勻分布。

4.4 改進(jìn)效果

通過三項(xiàng)措施（熔煉過程規(guī)范、自動(dòng)澆注措施實(shí)施、離心機(jī)減少震動(dòng)）的全面實(shí)施，徹底解決了外圓花斑問題。實(shí)施完成后未再出現(xiàn)花斑問題。

5 結(jié)論

（1）導(dǎo)致半鋼輥環(huán)出現(xiàn)外圓花斑的因素有很多，必須多方面考慮。

（2）問題的解決過程是一個(gè)繁瑣的過程，需要大量的試驗(yàn)與數(shù)據(jù)，需要對(duì)數(shù)據(jù)的全面分析，從數(shù)據(jù)中找突破、找線索。

（3）目前半鋼輥環(huán)通過熔煉高溫、澆速穩(wěn)定、離心機(jī)降低震動(dòng)，有效地解決了半鋼輥環(huán)外圓花斑問題。