大规格冷轧辊辊径缺陷分析研究

2022-02-13王晓明闫崇榜宫国峰张学美

大型铸锻件 2022年1期

王晓明闫崇榜张帅王刚宫国峰张学美

(天津赛瑞机器设备有限公司，天津300301)

关键字：大规格轧辊；无损检测；碳化物

随着我国高端制造业的发展，冷轧辊也在不断地升级换代。铬含量的提高是高碳铬钼冷轧工作辊发展的基本特征。经过十几年的不断发展，Cr含量为5%～6%的冷轧工作辊成为主流。随着大型冷轧机的不断发展，常用冷轧工作辊的规格也在不断增大。目前，辊身直径在∅450～∅650 mm之间的冷轧工作辊规格最为常见，但是随着产品规格的增大，生产难度也有明显增加。

1 问题描述

冷轧辊在轧机上与轧件直接接触，在轧机工作时要承受非常大的应力，而且工作环境较为恶劣，制造质量要求很高，表面要有很高的强度，同时心部要有较高的韧性，最主要的是不能有超标缺陷。所以，冷轧辊在制造过程中必须进行超声检测，如果发现超标缺陷，必须报废处理。公司生产的某批冷轧工作辊坯在无损检测时发现存在超标缺陷，导致产品最终报废。此批次轧辊辊身规格为∅650 mm，辊径规格∅300 mm。在进行超声检测时发现在辊径中心位置存在大于∅4 mm的连续缺陷。通过超声波波形初步判断，缺陷性质应为裂纹性缺陷。

2 问题分析

出现问题的冷轧工作辊的生产工艺路线为：电渣冶炼→锻造→超声检测→粗加工→热处理→精加工→成品。该缺陷在锻造后进行超声检测时发现，故可判断，缺陷产生在电渣冶炼和锻造这两道工序中。因冷轧工作辊合金含量较高，特别是Cr含量，可以达到6%，在电渣冶炼工序中容易产生成分偏析。同时合金元素的存在，使C曲线右移，在钢锭凝固过程中一次碳化物析出倾向会增大。由于一次碳化物边界较为尖锐，且相较于基体来说较硬。在锻造过程中，一次碳化物的周边容易应力集中，应力达到一定程度后会撕裂基体，锻造后极易出现辊坯内部超声检测超标的情况。另外，钢锭中不可避免地会存在非金属夹杂物，非金属夹杂物在锻造过程中对辊坯基体的影响与一次碳化物类似，可能导致夹杂性裂纹缺陷的产生[1]。为研究产生无损检测缺陷的原因，对报废轧辊进行了解刨，在缺陷位置处取样进行高倍检验，按GB/T 10561—2005中ASTM标准评级图对非金属夹杂物进行评定，按GB/T 1299—2014第二级别图对网状碳化物进行评定，按GB/T 18254—2002标准对液析碳化物进行评定。具体检验评定结果如表1所示。

表1 冷轧工作辊高倍检验数据Table 1 Microscopic test data of cold rolling work roll

通过检验数据可以看出，缺陷处钢锭的纯净度很高，但还是存在非金属夹杂。这是因为电渣冶炼过程虽然通过渣洗，有改善钢锭纯净度的作用，能够使得外来夹杂物的含量降到很低，但钢中的O、N、P、S和其它有害元素在钢锭凝固过程中，难免会形成内生夹杂。由于内生夹杂物是钢的组成部分，冶金和凝固等特性决定了钢锭内部不可避免的存在夹杂物。为了确定缺陷性质，将缺陷处基体切割下来，制成金相试样，使用金相显微镜对缺陷进行分析，缺陷处的形貌如图1所示。通过100倍和500倍的金相观察，可以确定缺陷性质为裂纹性缺陷，裂纹边界处存在一次碳化物及少量的非金属夹杂，具体形貌如图2所示。

图1 低倍缺陷照片Figure 1 The photo of macroscopic test defects

图2 高倍裂纹照片Figure 2 The photo of microscopic crack

由上述结果可知，缺陷性质为裂纹性缺陷，产生裂纹的直接原因为钢中存在一次碳化物和非金属夹杂，一次碳化物和非金属夹杂物对于基体来说是杂质，在锻造过程中不能随着基体材料的变形而变形。辊坯在锻造变形过程中产生应力集中会导致裂纹的产生。但通过高倍检验的数据结果可知，液析碳化物的评级很低，即使产生了裂纹，也不会使无损检测超标，而且研究表明，此类裂纹可以通过高温扩散进行修复[2]。为此，将此批工作辊进行了高温扩散处理，处理后的结果如表2所示。

表2 冷轧工作辊高温扩散前后无损检测情况对比Table 2 Comparison of NDT results before and after high temperature diffusion of cold rolling roll

通过表2无损检测前后数据对比，可以看出，此批工作辊进行高温扩散后，缺陷没有明显变小，特别是编号为3和4的工作辊，缺陷还有变大的趋势。因此判断，导致此批工作辊无损检测缺陷超标的原因可能有一次碳化物和非金属夹杂物对基体的影响，但不是主要的原因，应该还有其他原因。确定了裂纹缺陷产生在锻造阶段，进一步对锻造过程进行分析。

目前各冷轧辊制造厂家的锻造工艺过程大体相同，都是采用镦粗联合拔长的变形工艺。这种工艺通过镦粗能达到较大的锻造比，高温阶段大压下量拔长，压实钢锭中的孔隙性缺陷，同时打碎铸态组织，得到较为细化的基体组织。公司同样使用此种锻造工艺生产冷轧工作辊，具体分析锻造工艺过程对辊坯产生的影响。首先通过缺陷产生的部位进行分析，发现缺陷都产生在工作辊的辊径，辊身上都没有缺陷。辊径所用的料在钢锭的头尾端，钢锭的头尾部的冶金质量不如锭身，一次碳化物和非金属夹杂在此处更容易聚集，高倍检验结果也印证了这个观点。其次，辊身与辊颈的台阶差较大。辊身的直径为650 mm，裂纹端辊颈直径只有300 mm，台阶差350 mm。这会导致变形过程中有两个问题，第一个问题是下圆弧砧的圆弧大，击打辊颈时，近似于平砧，即料侧面未受力。若送进量过大，对于辊颈而言，轴向拔长就变成了径向展宽，即应力状态为轴心径向拉应力，容易在薄弱处产生轴心纵向裂纹，如图3所示；第二个问题是，因辊身与辊颈的台阶差大，操作时压下量过大，造成心部变形量过大。因液析碳化物和非金属夹杂的存在，降低了辊坯的塑性，也会产生微裂纹，加之径向拉应力和锻造应力过大就会导致裂纹的扩展。

图3 辊径锻造过程Figure 3 Forging process of roll diameter

3 控制措施

3.1 在电渣冶炼方面的控制措施

在电渣冶炼方面，应从提高电渣锭头、尾部的冶金质量，即提高钢的纯净度和控制液析碳化物析出的角度出发，改善冶炼条件，提高头尾部的可锻性。具体可从以下几方面入手：

(1)合理控制电渣锭的重熔速度

电渣重熔过程中，自耗电极的熔化速度是重要的目标参数之一，首先，合理的熔化速度，决定着电渣冶炼过程中渣洗的效果，是保证钢纯净度的重要前提。另外，熔化速度间接地影响着熔池形状，从而影响着电渣锭凝固过程中偏析的发生。所以说将电渣过程中的熔速控制在一个平稳且合理的范围，是提高钢水纯净度及减少电渣锭偏析的主要控制方法。

(2)重熔过程平稳性控制

保证电渣重熔过程中的平稳性，也是减少偏析产生的主要手段。所以，在正常冶炼过程中，应尽量减少电流、电压等工艺参数的调整。在保证电流缺陷平稳波动的情况下，本着多观察、少干预的原则进行控制，进而保证电渣冶炼过程的平稳性。

(3)交换电极位置的控制

随着产品规格的不断增加，为了保证钢锭重量，电渣重熔过程交换电极操作是在所难免的。但是交换电极过程需要断电操作，有电流电压的过渡阶段。这样的过程都容易使电渣锭产生偏析。所以，在不能实现单支臂重熔的情况下，应该通过合理计划电极坯料重量，尽量减少电极坯交换电极的次数。将交换电极的位置排在轧辊大身以外，且避开易产生无损检测不合格的位置。进而减少因为交换电极产生偏析导致无损检测不合格情况的发生。