鍛鋼冷軋輥工作層夾渣缺陷研究及工藝實(shí)踐

霍振全

(邢臺(tái)德龍機(jī)械軋輥有限公司，河北054001)

根據(jù)GB/T 13314—2008《鍛鋼冷軋工作輥通用技術(shù)條件》對(duì)軋輥區(qū)域進(jìn)行劃分，分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ區(qū)域。其中鍛鋼軋輥的Ⅰ區(qū)對(duì)應(yīng)軋輥的工作層，不僅影響著軋輥在服役期間的使用壽命，同時(shí)也影響著在制造過程中熱處理等工序的正常操作，因此在無損檢測(cè)評(píng)定中明確規(guī)定冷軋輥Ⅰ區(qū)部位在規(guī)定的無損檢測(cè)靈敏度下不允許有缺陷回波。

針對(duì)生產(chǎn)實(shí)踐中鍛鋼冷軋工作輥Ⅰ區(qū)出現(xiàn)的夾渣類無損檢測(cè)缺陷，先從冷軋輥輥坯上切片解剖，進(jìn)行掃描電鏡分析，然后追本溯源。通過對(duì)電極錠鑄造、電渣重熔冶煉及鍛造成形進(jìn)行“電鏡定性+理論分析”的方法，找到夾渣源頭，有針對(duì)性地對(duì)相關(guān)工序制定改進(jìn)預(yù)防措施，達(dá)到預(yù)防和避免冷軋工作輥Ⅰ區(qū)產(chǎn)生夾渣類缺陷。

1 缺陷源頭分析

1.1 問題引入

針對(duì)生產(chǎn)過程中在冷軋輥粗車后，集中出現(xiàn)一批冷軋工作輥Ⅰ區(qū)缺陷質(zhì)量事故，現(xiàn)對(duì)其中典型無損檢測(cè)情況進(jìn)行收集和描述，結(jié)果見表1。

表1 典型無損檢測(cè)缺陷描述Table1 Description of typical NDT defects

通過對(duì)Ⅰ區(qū)缺陷的初步判斷屬于不連續(xù)的夾渣類缺陷，以

1.2 電鏡定性

1.2.1 夾渣缺陷掃描電鏡定性

采用2 MHz探頭對(duì)冷輥輥身缺陷位置定位，然后用鋸床鋸切成20～30 mm試片，再采用線切割制成25 mm×25 mm試樣塊，通過電鏡掃描，選取典型夾渣缺陷進(jìn)行能量掃描，結(jié)果見圖1。

圖1 冷軋輥掃描電鏡能譜Figure 1 The energy spectrum of scanning electron microscope for cold roll

從圖1夾渣能譜圖和SEM照片中可知，夾渣缺陷主要為硅酸鹽氧化物(SiO2，CaO)非金屬夾雜物，這類夾雜物在鍛造過程中發(fā)生了形變。

與經(jīng)電渣重熔過程中產(chǎn)生的典型(Al2O3)非金屬夾雜物不同，該類夾渣缺陷初步斷定來源于電極錠澆注和冶煉工序。采用1 MHz探頭對(duì)同時(shí)期生產(chǎn)的電極錠進(jìn)行無損檢測(cè)，同樣發(fā)現(xiàn)了表層無損檢測(cè)缺陷(見圖2)。為了驗(yàn)證以上觀點(diǎn)，甄選了兩支電極錠，一支進(jìn)行解剖，一支進(jìn)行電渣重熔后進(jìn)行解剖。

圖2 電極錠表層無損檢測(cè)缺陷Figure 2 Nondestructive testing defect of electrode ingot surface

1.2.2 電極錠夾渣掃描電鏡定性

對(duì)電極錠的解剖仍采取“無損檢測(cè)定位+實(shí)物解剖”的方法，在缺陷明顯部位取片后電鏡掃描，選取一個(gè)典型的夾渣點(diǎn)，檢測(cè)結(jié)果見圖3。

圖3 電極錠夾渣點(diǎn)掃描電鏡能譜Figure 3 The energy spectrum of scanning electron microscope for slag inclusion point in electrode ingot

表2 保護(hù)渣的成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 2 Composition of protective slag(mass fraction,%)

從圖3夾渣能譜圖和SEM照片中可知，夾渣缺陷主要為硅酸鹽氧化物(SiO2，CaO)非金屬夾雜物，并伴有Na、K等元素，以及富集的C元素。

通過對(duì)電極錠生產(chǎn)過程中與鋼水接觸緊密的精煉渣和保護(hù)渣成分(見表3)含量進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)與澆注使用的保護(hù)渣具有較大的一致性。同時(shí)再與冷軋輥檢測(cè)出的夾渣電鏡掃描結(jié)果對(duì)比，初步斷定Ⅰ區(qū)缺陷與電極錠表層的夾渣具有一定遺傳性。

為驗(yàn)證電極錠表層的保護(hù)渣的夾渣類缺陷，在經(jīng)過電渣重熔后，是否仍會(huì)存在該類型的缺陷，進(jìn)行了下一步的試驗(yàn)和解剖。

1.2.3 電渣錠解剖電鏡掃描定性

對(duì)甄選出來的無損檢測(cè)表層存在缺陷的電極錠，按照電渣工藝要求，電極錠表面拋丸處理后重熔。脫模后，對(duì)電渣錠進(jìn)行解剖取片，在掃描電鏡下仍然發(fā)現(xiàn)了如圖4所示的缺陷。

從圖4夾渣能譜圖和SEM照片中可知，夾渣缺陷還是以硅酸鹽氧化物(SiO2，CaO)非金屬夾雜物為主。

圖4 電渣錠夾渣點(diǎn)掃描電鏡能譜Figure 4 The energy spectrum of scanning electron microscope for slag inclusion point in electroslag ingot

通過以上的解剖和掃描電鏡定性分析，此批次的冷軋輥在無損檢測(cè)過程中發(fā)現(xiàn)的Ⅰ區(qū)夾渣缺陷的根源是電極錠在澆注過程中的保護(hù)渣卷入表層。

2 相關(guān)冶金過程的分析

通過以上對(duì)Ⅰ區(qū)夾渣缺陷定性分析，確定夾渣的成分和電極錠澆注用的保護(hù)渣存在著顯著的關(guān)聯(lián)性。從電極錠鑄造→電渣重熔→鍛造成形全流程分析，最終鎖定在澆注過程中的保護(hù)渣卷渣和電渣重熔過程中柱狀晶低溫區(qū)渣洗兩個(gè)重要環(huán)節(jié)。

2.1 電極錠澆注過程中的卷渣

冷軋輥所需的電極錠一般采用底注式模注，為了保證電極錠的表面質(zhì)量成型好，現(xiàn)基本采用粉狀發(fā)熱固體渣進(jìn)行澆注過程的保護(hù)[1]。實(shí)踐證實(shí)固體保護(hù)渣的成渣速度和電極錠的澆注速度的匹配很關(guān)鍵：澆注速度過慢，粉狀渣不能充分熔化，會(huì)粘附在電極錠的表面，甚至卷入表層；澆注速度過快，會(huì)造成底部補(bǔ)充的鋼液沖破頂層的渣液面，形成翻卷式進(jìn)入電極錠的表層。

2.2 電渣重熔過程柱狀晶低溫區(qū)渣洗

在結(jié)晶器尺寸固定的條件下，填充比>0.5時(shí)，實(shí)踐和理論[2]證實(shí)電極錠末端形狀為平面(甚至凹面)。電極錠末端端面的液滴在滴落過程中呈雨淋方式，而不是液滴沉至頂端聚集[3]。熔化末端端面的不同，導(dǎo)致液滴的渣洗路徑和時(shí)間的不同。端面呈平面時(shí)，電極錠表層部分經(jīng)過渣層，會(huì)大部分滴落到柱狀晶區(qū)。而電渣錠結(jié)晶凝固區(qū)分表層的細(xì)晶區(qū)、柱狀晶和中心區(qū)[3]，其中由于細(xì)晶區(qū)和柱晶區(qū)由于受到水冷的效果，相對(duì)溫度低。

通過解剖發(fā)現(xiàn)硅酸鹽非金屬夾渣就位于電渣錠的柱晶區(qū)。含有保護(hù)渣的非金屬夾渣，通過渣層的渣洗，吸附回去一部分，而不能及時(shí)吸附的就會(huì)被低溫的柱晶區(qū)捕獲，形成夾渣直接留在電渣的表層。

電極錠的表層質(zhì)量很關(guān)鍵，如果表面拋丸清理不徹底或者電極錠皮下就存在密集的保護(hù)渣的異物，就會(huì)給后續(xù)的生產(chǎn)帶來質(zhì)量隱患。

3 結(jié)語

通過以上冷軋輥Ⅰ區(qū)缺陷的分析，冷軋輥的冶金質(zhì)量是一個(gè)系統(tǒng)工程，從電極錠到電渣錠生產(chǎn)，每道工序都必須嚴(yán)格控制。本次發(fā)生Ⅰ區(qū)的夾渣缺陷，主要是現(xiàn)場(chǎng)對(duì)保護(hù)渣疏于管理造成的。對(duì)此制定了以下措施：

(1)保護(hù)渣管理、使用規(guī)范完善，規(guī)范現(xiàn)場(chǎng)細(xì)節(jié)操作(吊掛方式、吊掛時(shí)間、檢查確認(rèn)時(shí)間等)。

(2)電極錠表面出現(xiàn)夾渣，一方面進(jìn)行扒皮處理，同時(shí)進(jìn)行無損檢測(cè)，對(duì)于異常件進(jìn)行試生產(chǎn)。

(3)電渣重熔前加強(qiáng)電極錠的檢查，對(duì)于不能滿足電極錠表面質(zhì)量要求的不能直接生產(chǎn)。

采取以上措施后，冷軋輥的Ⅰ區(qū)缺陷得到了控制，沒有發(fā)生批量性質(zhì)量問題。