基于ProCAST數(shù)值模擬的高鉻鋼復(fù)合軋輥結(jié)合層夾渣成因分析

魯素玲 張秀照 郭志紅 王麗娟 韓鵬彪

摘要：為解決高鉻鋼復(fù)合軋輥離心復(fù)合鑄造生產(chǎn)中的結(jié)合層夾渣問題，以復(fù)合鑄造過程數(shù)值模擬與夾渣物XRD分析相結(jié)合，分析了該夾渣成分及分布原因。首先，通過宏觀檢查并利用XRD實(shí)驗(yàn)定性分析了夾渣物的組成，初步確定了夾渣物為生產(chǎn)中高溫反應(yīng)生成的非金屬夾渣，且集中分布于輥身冒口端。其次，采用數(shù)值模擬的方法分析了高鉻鋼軋輥復(fù)合鑄造的生產(chǎn)過程，對比研究了離心鑄造和重力鑄造2個階段輥身冒口端與底端的高溫金屬流動與溫度場演變差異。模擬結(jié)果表明：芯部重力鑄造時，芯部高溫金屬液對軋輥外層沖刷作用的差異是夾渣物主要分布于輥身冒口端的重要原因。通過復(fù)合鑄造過程流場與溫度場的模擬結(jié)果，對高鉻鋼復(fù)合軋輥結(jié)合層夾渣物的產(chǎn)生和分布原因進(jìn)行分析，對于改善離心鑄造軋輥缺陷的產(chǎn)生具有借鑒意義。

關(guān)鍵詞：材料的組織、結(jié)構(gòu)、缺陷與性能;夾渣;結(jié)合層;高鉻鋼復(fù)合軋輥;復(fù)合鑄造;數(shù)值模擬

中圖分類號：TG333.17;TP311文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.7535/hbgykj.2019yx03004

文章編號：1008-1534（2019）03-0170-06

目前，高鉻鋼復(fù)合軋輥?zhàn)鳛闊彳垘т撨B軋機(jī)組粗軋機(jī)架工作輥應(yīng)用廣泛，其外層一般采用含鉻量為8%～14%，含碳量為0.7%～1.4%，以及其他少量的鉬、鎳、釩等合金元素的高鉻鋼;芯部和輥頸采用球墨鑄鐵[1-2]。高鉻鋼復(fù)合軋輥一般采用離心復(fù)合鑄造工藝生產(chǎn)，其中外層采用離心鑄造方法生產(chǎn)，外層金屬凝固后迅速調(diào)整并與底箱和冒口箱組裝，然后通過重力鑄造方法澆注芯部和輥頸金屬，使芯部與外層通過冶金結(jié)合形成復(fù)合軋輥[3]。

離心復(fù)合鑄造方法生產(chǎn)高鉻鋼復(fù)合軋輥具有外層組織致密、綜合力學(xué)性能好、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)，但高鉻鋼離心復(fù)合軋輥在生產(chǎn)中容易產(chǎn)生各種夾渣缺陷，且夾渣物種類、空間位置、發(fā)現(xiàn)時間、深度等均有不確定性[4-6]。其中結(jié)合層夾渣為離心復(fù)合鑄造軋輥常見的缺陷之一[7-11]，也是造成高鉻復(fù)合軋輥報廢的重要原因。本文針對邢臺正錕機(jī)械軋輥廠高鉻鋼復(fù)合軋輥的結(jié)合層夾渣問題，通過夾渣成分定性分析XRD結(jié)果與數(shù)值模擬相結(jié)合，系統(tǒng)分析高鉻鋼復(fù)合軋輥結(jié)合層夾渣的形成原因，并給出預(yù)防措施。

1高鉻鋼復(fù)合軋輥結(jié)合層夾渣概況

1.1夾渣分布及形貌

采用離心復(fù)合鑄造方法試制Φ810*1950型號高鉻鋼復(fù)合軋輥過程中，在鑄造后粗加工過程時，軋輥輥身冒口端出現(xiàn)工作層裂紋如圖1所示。使用探傷儀對輥身進(jìn)行全面探傷，在裂紋下方結(jié)合層部位出現(xiàn)界面波，根據(jù)界面波出現(xiàn)范圍和波形初步判定裂紋下方存在結(jié)合層夾渣[12]。為進(jìn)一步分析該區(qū)域的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對該區(qū)域進(jìn)行剖切觀察，在結(jié)合層處發(fā)現(xiàn)夾渣物，夾渣物與外層和芯部幾乎沒有結(jié)合，夾渣物剝離取樣后宏觀形貌如圖2所示。觀察夾渣物的物理形態(tài)為黑灰色凝固態(tài)片狀物，比較硬而脆，該夾渣分布于輥身冒口端的結(jié)合層，與文獻(xiàn)[13]中離心鑄造復(fù)合軋輥結(jié)合層夾渣主要分布在輥身冒口端，在輥身中部及底端相對較少的規(guī)律相同。

1.2夾渣XRD檢測

將夾渣物制粉后利用XRD進(jìn)行檢測，結(jié)果見圖3。從XRD結(jié)果可以看出衍射強(qiáng)度噪音很大，應(yīng)為夾渣物雜質(zhì)較多，但非金屬Na7.11（Al7.2Si8.8O32）和Ca（Al2Si2O8）的主峰非常明顯，因此依據(jù)檢測結(jié)果基本可以判定結(jié)合層夾渣屬非金屬夾渣，主要成分為Na7.11（Al7.2Si8.8O32）（鈉長石）和Ca（Al2Si2O8）（鈣長石）。鈉長石的熔點(diǎn)約為1100℃，熔融液黏度高[14];鈣長石為高溫反應(yīng)產(chǎn)物，熔點(diǎn)高達(dá)1553℃[15]，兩種均屬長石。長石的導(dǎo)熱性較差，其中鈉長石熱擴(kuò)散系數(shù)的壓力系數(shù)較其他硅酸鹽要高[16]。結(jié)合層內(nèi)表面形成以鈉長石與鈣長石為主的固溶體，具有較高熔點(diǎn)，且導(dǎo)熱性能較差，在鑄造過程中很難熔融，從而在軋輥結(jié)合層形成非金屬夾渣，導(dǎo)致軋輥報廢。

1.3結(jié)合層夾渣物來源分析

軋輥結(jié)合層非金屬夾渣物的來源一般有：1）外層鋼水熔煉時形成的脫氧產(chǎn)物;2）澆注系統(tǒng)及離心裝備內(nèi)表面涂層及耐火材料;3）為了保證復(fù)合軋輥外層與芯部之間實(shí)現(xiàn)良好的冶金結(jié)合，在離心澆注外層鋼水時，隨流或待外層鋼水澆注完畢后加入的防氧化保護(hù)劑[17]。物理形態(tài)及XRD檢測結(jié)果表明夾渣物主要由鈉長石與鈣長石組成的熔融凝固物，并不是來源于以上3種途徑。依據(jù)鈉長石與鈣長石的成因分析[18]，結(jié)合離心復(fù)合鑄造工藝，初步認(rèn)為夾渣物為防氧化保護(hù)劑中較多的SiO2和Na2O，與端蓋耐火材料含有的硫鋁酸鈣和硅酸二鈣在離心過程的高溫金屬作用下化學(xué)反應(yīng)生成。

另一方面，鑄造過程輥身冒口端與底端的工裝完全相同，夾渣物卻集中分布于輥身冒口端（離心澆注時遠(yuǎn)澆口端）的結(jié)合層，而輥身中下部分布較少。通過分析認(rèn)為夾渣生成和分布不僅與工裝和防氧化保護(hù)劑有關(guān)，與冒口端和底端的工況條件差異也密切相關(guān)。為了進(jìn)一步分析夾渣形成與分布的原因，對比冒口端與底端的工況條件，本文采用ProCAST軟件對高鉻軋輥復(fù)合鑄造過程進(jìn)行了建模和模擬。

2高鉻鋼軋輥復(fù)合鑄造過程數(shù)值模擬

2.1FEM模型

高鉻鋼軋輥復(fù)合鑄造過程的幾何模型和有限元模型如圖4所示，包含離心鑄造和重力鑄造工藝的12個幾何體。在離心鑄造工藝模擬時，軋輥芯部材料設(shè)置為空，重力鑄造工藝的裝備（冒口箱、冒口砂、底箱和底箱砂）與環(huán)境和接觸幾何體間的換熱條件均設(shè)置為絕熱，離心鑄造工藝的裝備（冷型、上/下端蓋、上/下端蓋砂和涂層）外表面與軋輥外層的內(nèi)表面設(shè)置強(qiáng)制對流換熱系數(shù)。離心工藝結(jié)束后，修改離心裝備外側(cè)及軋輥外層內(nèi)表面的換熱條件，繼續(xù)模擬中間調(diào)整和組裝工序。重力鑄造工藝開始后，所有裸露的模具外表面設(shè)置為自然對流換熱系數(shù)，其他幾何體間的接觸面根據(jù)接觸材料的不同設(shè)置接觸換熱，設(shè)置芯部重力澆注的澆口，續(xù)算重力澆注過程。

2.2離心鑄造模擬結(jié)果分析

圖5為離心過程模擬結(jié)果。從圖5a）和圖5b）可以明顯看出，軋輥外層金屬在離心充填開始階段，高溫金屬先螺旋流向遠(yuǎn)澆口端，即軋輥輥身的冒口端，因摩擦及溫度降低造成的充填流動阻力影響，逐漸擴(kuò)展充填近澆口端，即軋輥輥身的底端。圖5c）可以看出，高溫熔體在離心充填過程對遠(yuǎn)澆口端蓋砂和冷型涂層均有一定的沖刷作用，近澆口端由于充填速度較低而沖刷作用較弱。因此，遠(yuǎn)澆口端端蓋砂材料因高溫熔體的沖刷作用而脫落的可能性更大，并在后續(xù)離心鑄造過程的離心力作用下而浮于軋輥外層的內(nèi)表面，并與防氧化劑發(fā)生反應(yīng)生成夾渣物。另一方面，采用隨流加入的防氧化保護(hù)劑與高溫金屬一起沖刷遠(yuǎn)澆口端蓋耐火材料，防氧化保護(hù)劑與端蓋耐火材料沖刷接觸時，高溫下防氧化保護(hù)劑中的SiO2，Na2O與端蓋砂中硫鋁酸鈣和硅酸二鈣也會發(fā)生反應(yīng)生成夾渣物。由于高溫金屬及防氧化保護(hù)劑對遠(yuǎn)澆口端的較大沖刷作用，因此在遠(yuǎn)澆口端生成夾渣物的可能性及數(shù)量均較大。由于離心力作用，密度較小而浮于外層內(nèi)表面的夾渣物與防氧化保護(hù)劑，因擴(kuò)散阻力，兩端生成的夾渣物很難均勻分布，多聚集于接近輥身兩端，尤其是遠(yuǎn)澆口端。

圖5d）為離心開始639s時旋轉(zhuǎn)裝備與軋輥外層的溫度場分布圖。由圖5可以看出，旋轉(zhuǎn)裝備與軋輥外層溫度呈兩端對稱分布，這主要是由于離心充填過程的時間僅為60s，充填流動過程的不對稱性對離心裝備及軋輥外層的溫度影響較小所造成。由圖5可以看出軋輥外層金屬內(nèi)表面中段溫度高兩端溫度較低，兩端因沖刷產(chǎn)生的較多夾渣物溫度較低，離心冷卻后清除和重熔也更困難，因此在輥身的兩端容易出現(xiàn)夾渣缺陷。

2.3芯部重力鑄造模擬結(jié)果分析

圖6所示為芯部重力充型的溫度場和流場模擬結(jié)果。由圖6a）—c）可以看出，由于軋輥長度約為7m，在輥身底端芯部充填時，由頂部澆入的金屬液需經(jīng)過近5m的重力加速流動，才能接近下輥頸已有的自由液面。經(jīng)過重力加速的金屬以較高流速不斷沖擊已有的自由液面（下輥頸），使自由液面產(chǎn)生巨大的上下波動，這種波動使芯部高溫金屬對離心外層內(nèi)表面產(chǎn)生上下反復(fù)沖刷作用（如圖6c）），同時水平方向也產(chǎn)生一定的流動如圖6d）和圖6e）。這樣可有效剝落離心外層內(nèi)表面的夾渣物，并在重力作用下隨芯部金屬液上浮，進(jìn)入冒口部位被去除，因此軋輥外層下端與芯部的結(jié)合層部位不容易產(chǎn)生夾渣。由圖6f）—h）可以看出，輥身近冒口端芯部金屬充填時，由頂部澆入的金屬液距離自由液面較近，芯部高溫金屬對已有自由液面的沖擊作用也較弱（如圖6h）），已有液面的水平流動也減弱（如圖6i）和圖6j）），最終造成芯部高溫金屬對離心外層內(nèi)表面的沖刷作用而下降。離心外層內(nèi)表面冒口端（遠(yuǎn)澆口端）的夾渣物較多，在較弱的沖刷作用下，不容易與外層金屬分離，因此軋輥外層冒口端與芯部的結(jié)合部位更容易產(chǎn)生夾渣。

在后續(xù)的冷卻過程中，從溫度場模擬結(jié)果來看，雖然芯部金屬澆注后，外層內(nèi)表面溫度會迅速升高，最高可能達(dá)到1300℃以上，然后溫度逐漸下降，如圖7所示。由圖7可見，在后續(xù)的冷卻過程中，輥身兩端的溫度差異很小，因此重力冷卻過程對結(jié)合層夾渣生成和分布影響較小。

通過復(fù)合鑄造過程流場與溫度場的模擬結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：1）離心鑄造過程中金屬流動和凝固冷卻，容易引起軋輥外層內(nèi)表面兩端尤其是遠(yuǎn)澆口端，形成富含鈉長石和鈣長石的非金屬氧化物;2）芯部重力澆注過程中，高溫金屬對輥身兩端外層內(nèi)表面的沖刷作用不同，是造成輥身底端結(jié)合層夾渣較少，輥身冒口端結(jié)合層夾渣較多的主要原因。為消除輥身冒口端（離心遠(yuǎn)澆口）的結(jié)合層夾渣，應(yīng)增加芯部重力澆注時自由液面接近輥身冒口端時波動幅度。

3結(jié)語

依據(jù)XRD檢測結(jié)果與數(shù)值模擬分析結(jié)果，提出防止此類夾渣的工藝措施有以下途徑：1）更換端蓋砂或防氧化保溫材料，防止其發(fā)生反應(yīng)，生成熔點(diǎn)較高的長石類固溶體;2）調(diào)整離心澆注系統(tǒng)，減少高溫金屬及防氧化保溫材料對端蓋砂的沖刷作用;3）在芯部重力澆注工序前，增加除渣工序，有效清理離心外層內(nèi)表面的固態(tài)非金屬保護(hù)層，防止內(nèi)表面被氧化;4）嚴(yán)格控制芯部重力澆注前外層內(nèi)表面的溫度;5）控制芯部重力澆注過程中芯部高溫金屬對外層的沖刷作用。通過實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，嚴(yán)格遵循上述措施，將邢臺正錕機(jī)械軋輥廠的高鉻鋼復(fù)合軋輥的離心鑄造的成品率提高到85%。

本研究將軋輥復(fù)合鑄造過程數(shù)值模擬與夾渣物XRD分析相結(jié)合，用于分析軋輥結(jié)合層夾渣成分和分布的原因，具有創(chuàng)新性，但對結(jié)合層非金屬夾渣物生成的化學(xué)反應(yīng)還需進(jìn)一步論證。

致謝：感謝中國科學(xué)院金屬所在軟件方面的幫助。

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