考慮碳偏析因素的大鍛件加熱制度優(yōu)化

■ 李姣，王敬禹

寬厚板軋機是軋輥設(shè)備中最大的軋機，也是主力軋機之一，在一定程度上代表著一個國家的裝備水平。我廠4300mm級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，在凝固過程中容易產(chǎn)生成分偏析，導(dǎo)致心部碳含量更高。現(xiàn)場檢測表明，輥身心部局部區(qū)域碳含量可高達1%。根據(jù)相圖原理，碳含量的變化會影響材料相變點，從而影響材料的鍛造溫度范圍。針對這一問題，通過對4300mm支承輥心部和工作層套料試驗檢測，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)部溫度場匹配碳含量變化，在保證鍛造過程中鍛件表面和心部質(zhì)量的同時，防止心部發(fā)生過熱、過燒現(xiàn)象，改善大型鍛造支承輥的鍛造效果。

1. 鋼錠碳偏析計算模型

（1）幾何模型建立 我公司4300mm級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4300mm支承輥心部進行套棒檢測，共套取1#~13#試棒，檢測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)品的制造過程中每一個垂直于軸向的橫截面內(nèi)部材料不向其他橫截面流動，這樣可將鍛件各個部位對應(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，忽略鋼錠中碳的負偏析，最終計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資料，按照圖3所示曲線進行假設(shè)。

圖1 心部套棒取料圖及檢測結(jié)果

YB-50材質(zhì)化學(xué)成分（質(zhì)量分數(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算模型如圖4所示。

（2）材料模型建立 為建立模擬計算用心部高碳區(qū)和外層正常碳區(qū)的材料屬性，需要檢測兩種材料的熱力學(xué)參數(shù)及高溫?zé)嶙冃畏匠?。?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，檢測出兩種材料的熱力學(xué)參數(shù)如圖5所示。

金屬熱變形過程是一個熱激活過程。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，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熱壓縮試驗機進行高溫?zé)釅嚎s變形，試驗方案分別是：高碳材料在1150~1275℃溫度范圍內(nèi)以應(yīng)變速率0.0001~0.1s-1進行變形，壓下量為60%（真實應(yīng)變0.91），試驗方案如圖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進行變形，壓下量為60%（真實應(yīng)變0.91），試驗方案如圖7所示。

對熱壓縮試驗數(shù)據(jù)進行一系列回歸分析，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 碳含量分布計算模型

2. Deform-3D有限元模擬及分析

圖5 熱物性參數(shù)檢測結(jié)果

圖6 高碳材料熱壓縮試驗方案

圖7 正常碳材料熱壓縮試驗方案

（1）分段加熱制度構(gòu)建 我公司4300mm級別支承輥鍛造過程為：壓鉗口→預(yù)拔長→鐓粗→F M壓實→拔長出成品。優(yōu)化工藝前預(yù)拔長、鐓粗、壓實三個主要火次的鍛前加熱制度均為1280℃保溫一定時間，設(shè)計優(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)，固定總的加熱時間，正常保溫按照爐溫1250℃保溫，在距離鍛造前一定時間t1以內(nèi)，提高加熱溫度至1280℃，并保溫至出爐鍛造。時間t2的確定以心部高碳區(qū)溫度達到1280℃為基準(zhǔn)來確定，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)建了有限元計算模型，對三個分區(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)作為過渡區(qū)材料用于計算。但因?qū)嶋H計算過程中收斂性較差，對模型進行簡化處理，將心部高碳區(qū)材料和中間過渡區(qū)做成一體，采用高碳區(qū)材料性能，建立了如圖9所示的兩層簡化復(fù)合結(jié)構(gòu)模型。

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

此外，在模擬計算過程中，爐溫是按照環(huán)境溫度來設(shè)定的，而隨著保溫進行，坯料溫度會自表及里地升至完全等于環(huán)境溫度，而不會出現(xiàn)實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，計算考慮了以下兩個極端情況：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

實際結(jié)果應(yīng)當(dāng)位于兩種計算結(jié)果中間。

預(yù)拔前計算結(jié)果如圖10所示，其中加粗黑線代表1250℃等溫線錠身冒口達到心部高碳區(qū)。從計算結(jié)果來看，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，實際爐溫1280℃階段的保溫時間應(yīng)在11~31h。

鐓粗前的計算結(jié)果如圖11所示。根據(jù)計算結(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，實際爐溫1280℃階段的保溫時間應(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℃時計算結(jié)果

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

圖12 FM前分別設(shè)定環(huán)境溫度恒定為1250℃和1280℃時計算結(jié)果

F M前計算結(jié)果如圖12所示。根據(jù)計算結(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，實際爐溫1280℃階段的保溫時間應(yīng)控制在10~30h。

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

3. 結(jié)語

對于359t鋼錠，1250℃低溫段保溫時間按原工藝執(zhí)行，甚至進一步增加低溫段的保溫時間，1280℃條件下的保溫時間在預(yù)拔、鐓粗、FM三個階段之前的加熱保溫時間在10~30h范圍內(nèi)，是一種可行的預(yù)防過燒的措施。實際應(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)增加時間。

[1] 韓雷，楊志洪. 3500mm寬厚板軋機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驗研究[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)與管理研討會論文集，2014.

[4] 陳海堤，王濤，羅玉立. 400t級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，2012，33(6)：74-79.

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