大圓坯GCr15軸承鋼鳥巢開裂分析

供稿|陳國慶 / CHEN Guo-qing

2013年起，天津榮程聯(lián)合鋼鐵集團(tuán)有限公司(以下簡稱“榮鋼”)開始推進(jìn)棒材軸承鋼產(chǎn)品的生產(chǎn)開發(fā)，但是卻經(jīng)常出現(xiàn)GCr15軸承鋼開坯過程存在鳥巢開裂問題。這是因?yàn)殍T機(jī)的小時(shí)產(chǎn)量與棒材車間的生產(chǎn)節(jié)奏無法實(shí)現(xiàn)完全匹配，加之區(qū)域運(yùn)輸故障、連鑄坯緩冷能力有限等因素，導(dǎo)致部分GCr15軸承鋼連鑄坯無法實(shí)現(xiàn)熱裝，必須下線堆冷。而堆冷的GCr15軸承鋼連鑄坯經(jīng)“預(yù)熱爐預(yù)熱—加熱爐加熱”后，在11道次開坯過程的前3道開坯出現(xiàn)約有30%～50%的橫向、多段鳥巢開裂，嚴(yán)重是會導(dǎo)致整支連鑄坯報(bào)廢。針對這一問題，進(jìn)行現(xiàn)場跟蹤、試樣分析等研究后，結(jié)合預(yù)熱爐的爐況、加熱爐內(nèi)不同鋼種間的加熱要求等因素，重新優(yōu)化了預(yù)熱爐的使用模式，成功軋制4000 t堆冷坯，有效地解決了該問題。

鳥巢開裂形態(tài)

在生產(chǎn)中，由于部分GCr15軸承鋼連鑄坯無法實(shí)現(xiàn)熱裝，必須下線堆冷，而堆冷坯出鋼后，在1~3道次的開坯過程發(fā)現(xiàn)鳥巢開裂，嚴(yán)重時(shí)出鋼即可發(fā)現(xiàn)開裂。經(jīng)過跟蹤，發(fā)現(xiàn)開坯過程首先形成橫向的多處“凹陷”，下一道次開坯后表現(xiàn)為：發(fā)生裂口、斷裂、“凹陷”延伸等不同形式的開裂現(xiàn)象，詳見圖1。

生產(chǎn)工藝參數(shù)

為了深入研究GCr15軸承鋼開坯存在鳥巢開裂問題，沿其工藝流程，參考工藝參數(shù)，進(jìn)行了現(xiàn)場跟蹤研究。首先，GCr15軸承鋼棒材產(chǎn)品的工藝路線為：轉(zhuǎn)爐—LF爐—VD—連鑄大圓坯—連鑄坯熱裝/緩冷/堆冷—預(yù)熱爐/加熱爐—9/11道次開坯—軋制—材緩冷—精整、檢驗(yàn)—包裝、入庫。其次，又詳細(xì)地研究了GCr15軸承鋼棒材熱裝加熱制度，詳見表1。發(fā)現(xiàn)在熱裝連鑄坯軋制過程中發(fā)生鳥巢開裂的現(xiàn)象概率特別低，據(jù)統(tǒng)計(jì)2013年—2014年6月份僅發(fā)生1次1支3道次開裂1處的現(xiàn)象。

同時(shí)，因?yàn)镚Cr15軸承鋼的導(dǎo)熱性較差，及現(xiàn)有生產(chǎn)條件，部分連鑄坯只能下線堆冷，據(jù)統(tǒng)計(jì)2013—2014年，共計(jì)產(chǎn)生4000余t下線堆冷的軸承鋼連鑄坯。為解決堆冷連鑄坯的加熱問題，綜合考慮鋼質(zhì)本身低溫塑性差，導(dǎo)熱性差且坯型較大等因素，結(jié)合預(yù)熱爐的結(jié)構(gòu)，制定堆冷坯的加熱工藝路線為：預(yù)熱爐預(yù)熱，加熱爐加熱。

在預(yù)熱爐結(jié)構(gòu)上，目前棒材車間的預(yù)熱爐為三段步進(jìn)梁式預(yù)熱爐，即預(yù)熱段、加熱段和均熱段。全長40 m，設(shè)置40個(gè)步距。預(yù)熱段13步為無燒嘴，靠加熱段及均熱段燒嘴控溫，步進(jìn)周期為70 s以上，燃燒介質(zhì)為轉(zhuǎn)爐煤氣。預(yù)熱爐出鋼側(cè)與加熱爐的裝鋼側(cè)共用一條運(yùn)輸輥道。

為較好地控制預(yù)熱速度，減少連鑄坯內(nèi)外溫度梯度與內(nèi)外應(yīng)力，我們重新制定了堆冷坯預(yù)熱工藝參數(shù)，以保證連鑄坯預(yù)熱至650℃以上，詳見表2。

圖1 鳥巢開裂現(xiàn)象圖

表1 加熱工藝制度

表2 預(yù)熱工藝制度表

開裂原因分析

針對GCr15軸承鋼開坯存在鳥巢開裂問題，經(jīng)過一系列工藝參數(shù)分析，認(rèn)為這主要是鋼種特性，對加熱速度較為敏感所致。連鑄坯加熱過程的溫度傳遞是由表及里，勢必會在坯料內(nèi)部某一區(qū)域產(chǎn)生一個(gè)應(yīng)力集中區(qū)。加熱的強(qiáng)度越大，應(yīng)力就越大，會對內(nèi)部產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力。當(dāng)其超過材質(zhì)本身的強(qiáng)度塑性或某些異相雜質(zhì)的強(qiáng)度時(shí)，就會導(dǎo)致內(nèi)部裂紋。連鑄坯出爐后，在出鋼輥道顛簸及大壓下量開坯的過程中，不同狀態(tài)的內(nèi)部裂紋擴(kuò)展至表面就會形成斷裂、開口或“凹陷”。為徹底解決鳥巢開裂問題，我們不僅對預(yù)熱及加熱過程進(jìn)行了綜合分析，更輔助以其它試驗(yàn)分析。

加熱過程分析

當(dāng)連鑄坯進(jìn)入預(yù)熱爐的預(yù)熱段后，先在500℃預(yù)熱環(huán)境下預(yù)熱1.7 h后，立即進(jìn)入預(yù)熱爐的加熱段，同時(shí)測加熱段坯溫顯示為200℃左右，并未達(dá)到預(yù)熱段預(yù)熱要求。此時(shí)連鑄坯在心部溫度較低的狀態(tài)下，通過加熱強(qiáng)度大的加熱段及均熱段，連鑄坯表面與心部的溫度梯度進(jìn)一步增加，熱應(yīng)力相應(yīng)增大。如出鋼過程僅表面達(dá)到出鋼要求，預(yù)熱不均的連鑄坯進(jìn)入加熱強(qiáng)度更大的加熱爐一段時(shí)，熱應(yīng)力會進(jìn)一步增大。通過對這一加熱過程的深入分析，發(fā)現(xiàn)連鑄坯在預(yù)熱及加熱過程存在兩個(gè)薄弱環(huán)節(jié)：1)預(yù)熱爐預(yù)熱段未能達(dá)到預(yù)熱目的，預(yù)熱爐加熱及均熱段的熱應(yīng)力會增大；2)預(yù)熱爐出鋼溫度不均時(shí)，在加熱爐一段會形成更大的熱應(yīng)力。

加熱強(qiáng)度模擬

通過300~500℃環(huán)境溫度對連鑄坯的輻射加熱能力的模擬，發(fā)現(xiàn)在該環(huán)境溫度下的輻射能力僅有30~50℃/h。而且當(dāng)表面溫度達(dá)到130℃后，升溫速度會進(jìn)一步降低，達(dá)到200℃后，將不再有溫升。

綜上所述，可以清楚地確定鳥巢開裂的原因，即預(yù)熱爐內(nèi)形成的較大熱應(yīng)力，導(dǎo)致的內(nèi)部裂紋形成，最終導(dǎo)致開坯鳥巢開裂。

加熱工藝優(yōu)化

確定GCr15軸承鋼開坯鳥巢開裂問題的原因后，借鑒國內(nèi)知名特鋼企業(yè)均熱爐的使用模式，將預(yù)熱爐優(yōu)化為半均熱爐的模式。即采取“分步、整體裝鋼，長時(shí)間保溫、提溫保溫的模式”進(jìn)行連鑄坯預(yù)熱。

1) 一次性裝入13支堆冷坯，預(yù)熱段保溫8 h。

2) 12 h后按2 min/步的裝鋼節(jié)奏，繼續(xù)裝入13支堆冷坯，保溫8 h。

3) 24 h后，按此模式繼續(xù)裝入13支堆冷坯后，保溫4 h。

4) 20 h后按照6 min/步的速度出鋼，裝入加熱爐。

優(yōu)化后的工藝模式與原工藝相比，不僅提高了步進(jìn)節(jié)奏，還具有如下優(yōu)點(diǎn)：1)可以實(shí)現(xiàn)預(yù)熱段充分預(yù)熱，預(yù)熱至400℃以上。2)步進(jìn)至加熱段段進(jìn)行中溫保溫加熱，不會產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。3)避免頻繁開啟爐門造成的吸風(fēng)及不能與加熱爐節(jié)奏匹配。4)可實(shí)現(xiàn)良好的預(yù)熱效果。此外，為避免熱應(yīng)力增大，將熱裝連鑄坯的入爐溫度規(guī)定為大于550℃，減少了熱裝溫度過低導(dǎo)致的熱應(yīng)力增大，可以有效降低鳥巢開裂的幾率。

新工藝 試制3次后，未發(fā)生鳥巢開裂問題。同時(shí)在2014年的6月份，成功軋制出積累的4000余t GCr15軸承鋼堆冷坯及部分修磨后的重接坯，均未發(fā)生鳥巢開裂問題。

結(jié)論

通過現(xiàn)場跟蹤、實(shí)驗(yàn)研究及工藝優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)冷裝GCr15軸承鋼連鑄坯的預(yù)熱均勻性對加熱質(zhì)量尤為重要。首次預(yù)熱的預(yù)熱環(huán)境溫度必須控制在500~550℃范圍內(nèi)，溫度過低會造成首次預(yù)熱效果不好或預(yù)熱溫度低，過高會增加預(yù)熱過程產(chǎn)生預(yù)熱應(yīng)力，形成隱患。熱裝的溫度一定大于550℃，過低同樣會在加熱爐的加熱一段產(chǎn)生加熱應(yīng)力，造成隱患。只有實(shí)現(xiàn)良好的預(yù)熱質(zhì)量，才能從根本上解決GCr15軸承鋼開坯鳥巢開裂問題。

[1] 朱立光，路文剛. GCr15軸承鋼高溫力學(xué)性能的研究. 特殊鋼,2007(4): 7-9.

[2] 陳洪. GCr15軸承鋼的生產(chǎn)工藝對其裂紋影響初探. 特鋼技術(shù)，1998(Z1): 27-30.