大規格MC3A平整輥坯的研制開發

高宏生，王怡群，薛正國，王立新，高英麗

(中原特鋼股份有限公司，河南 濟源 454685)

大規格MC3A平整輥坯的研制開發

高宏生，王怡群，薛正國，王立新，高英麗

(中原特鋼股份有限公司，河南 濟源 454685)

采用電渣重熔+壓實鍛造+鍛后正火+球化退火方式研制質量要求嚴格的直徑大于1 000 mm的MC3A平整輥輥坯獲得成功.本文著重討論電渣重熔、壓實鍛造以及鍛后熱處理的工藝控制要點.

MC3A;平整輥坯;低氫控制;壓實鍛造;網狀碳化物

隨著軋制技術的發展，軋制產品表面光潔度要求越來越高，軋制速度不斷提高，軋制負荷持續增大，除要求軋輥有足夠的表面硬度及淬透深度以保證耐磨性外，還要求材質成分及組織高度均勻，金屬致密，確保軋輥表面硬度均勻以保證軋制產品的表面光潔度［1］.

軋輥工作表面應沒有夾雜、氣孔等宏觀缺陷，消除大塊聚集的非金屬夾雜物，具有致密的金相組織，耐磨性均勻，無內部缺陷及氫脆裂紋，以免導致軋輥在使用中斷裂.

平整輥跟冷軋工作輥的使用工況相當，由于承受的負荷大，輥身硬度要求高，而且輥身直徑大，所以制造技術難度大.

1 MC3A平整輥坯的制造難點

(1)選用 MC3A 鋼種.按《軸承鋼》［2］一書提供的公式計算，MC3A鋼兩相區溫度差較大，鋼的兩相區較寬，ΔT=T液－T固=126.5℃，加之鋼導熱性能差，促使凝固過程碳化物嚴重偏析，易出現斑點狀偏析.

(2)MC3A鋼是高碳鉻鋼，白點敏感性比中低碳鉻鋼強，屬于白點敏感性較高的鋼種，這類鋼的白點臨界氫含量(質量分數)約為 2.7 ×10－6［3］，鋼錠原始氫含量高，對鍛件極其有害，所以一定要努力降低鋼錠的原始氫含量，否則對鍛件將產生致命影響——白點.

表1 MC3A鋼的化學成分(質量分數)Table 1 Chemical composition of MC3A(mass fraction) %

(3)輥身直徑大，探傷要求高，鍛造過程不易壓實，易產生低倍疏松、斑點狀偏析等缺陷.

(4)輥身直徑大，鍛后冷卻慢，易沿晶界析出網狀碳化物，網狀碳化物易超標.

表2 MC3A輥坯探傷缺陷形狀和回波典型特征及規律Table 2 Ultrasonic flaw detection and typical characters of echo of MC3A roll blank

2 電渣重熔軋輥的優勢

電渣重熔金屬純凈，組織致密，成分均勻，鑄錠表面光潔，特別是枝晶偏析小，從而保證軋輥表面硬度均勻，無大尺寸夾雜物聚集引起的應力集中，抗疲勞性能提高，淬透性提高.國外統計數據顯示:電渣重熔鋼軋輥較真空精煉鋼軋輥的使用壽命提高50% ～150%.美國、蘇聯、西歐及日本均致力于發展電渣軋輥.

表3 采用電渣鋼和真空精煉鋼鍛制支承輥坯的低倍結果對比Table 3 Macro structure comparison between ESR roll blank and refining roll blank

某重機廠采用真空澆注錠鍛了一批70Cr3Mo支承輥，結果沒有一個合格的(見表3).電渣鋼組織致密，低倍結果較好.為防止出現低倍缺陷，減少廢品，我們采用電渣重熔鋼生產大規格MC3A平整輥坯.70Cr3Mo酸侵試片的斑點狀偏析如圖1所示:

3 MC3A平整輥坯用電渣錠的工藝質量控制

3.1 電極坯控制

圖1 70Cr3Mo鋼酸浸試片的斑點狀偏析Fig.1 Spot segregation of 70Cr3Mo acid leaching sample

電極坯要控制低氫(w［H］≤2×10－6)、低氧(w［O］≤2.5×10－5)、低氮(w［N］≤6 ×10－5)，同時電極坯應無縮孔、無橫裂紋.電極坯若有縮孔和橫裂紋，在重熔時就可能引起掉塊，導致電渣錠夾渣，探傷不合.電極坯表面的浮銹在重熔前應清理干凈，以防增氫.

3.2 低氫控制

電渣重熔過程沒有去氫能力，且重熔過程還易吸氫.氫是大鍛件出現白點而導致報廢的主要原因，所以必須努力控制w［H］在2×10－6以下.當大截面鍛件鋼中氫的質量分數為(5～6)×10－6時，就不得不進行2 000～3 000 h的擴氫退火處理.這使熱處理爐占用時間達數月之久，耗用燃氣量達數10萬 m3，耗費資金達數10萬元［4］.

電渣錠中的氫主要來源于以下幾個方面:(1)自耗電極原始含氫;(2)自耗電極表面的黃銹和潮氣;(3)渣料中的水份;(4)底水箱、結晶器和爐蓋等設備內表面的結露或潮氣;(5)熔煉區域空氣中的水汽，即爐氣濕度.因此電渣重熔時，就要進行系統的低氫控制，以降低電渣錠的氫含量.

這就會導致電渣錠增氫，必須防止水汽溶于渣中，即降低水汽分壓(爐氣濕度，吹干空氣保護)和降低渣中自由氧離子濃度(爐渣堿度).重熔采用不含石灰的二元渣或在二元渣的基礎上加一些鎂砂和二氧化硅來減少重熔過程吸氫.

通過系統的低氫控制，電渣錠的 w［H］在(1.55～3.12)×10－6之間.

3.3 低氧控制

圖2 白點的斷口照片(a)、低倍照片(b)Fig.2 Fracture photo(a);Macro structure photo(b)

電渣重熔過程氧的主要來源是大氣中的氧和電極表面的氧化皮［5］.電渣重熔時為防止增氧，需要采取保護氣氛，更應加強脫氧操作.脫氧是在電渣重熔時向渣中持續加入脫氧劑，以降低渣中FeO等不穩定氧化物的含量，以達到降低鋼中氧含量的目的.重熔過程加脫氧劑的目的是為了脫掉進入熔渣及鋼中的氧，脫氧劑應是能控制鋼中最低氧含量的元素，同時考慮鋼種對此脫氧劑含量的要求.合適的脫氧劑用量指所加的脫氧劑剛好把進入渣中的氧脫除而自身也全部被氧化.重熔時應沾渣觀渣色，保持白渣，白渣表示熔渣有較好脫氧效果.取渣樣分析渣中的FeO含量，控制w(FeO)≤0.5%.

3.4 低氮控制

氮含量的控制關鍵在于控制電極坯低氮含量.冶煉電極坯時，鋼水應經真空處理，澆注系統及其物料必須干燥，在澆鋼前應用氬氣將中柱管、鋼錠模沖洗一下，然后在氬氣保護下澆鋼，防止在澆鋼過程中增氫、增氮.

表4中，分子為最小值和最大值，分母為平均值，以下類同;從表4可以看出，增氮主要在鋼液的澆注過程中，應做好澆鋼過程中的氬氣保護.電渣重熔過程由于有熔渣的覆蓋，氮氣基本不熔于熔渣，故重熔過程增氮較少.

3.5 重熔過程控制

MC3A碳含量高，有相當數量的碳及碳化物形成元素，固液相間溫度區間較寬，加之鋼導熱性能差，促使凝固過程碳化物嚴重偏析，易出現斑點狀偏析.內因是鑄錠結晶前沿兩相區樹枝狀晶晶間鋼液富集溶質元素.外因是在重熔過程中，熔融液體在樹枝狀晶間強烈運動及二次熔化［6］.應通過加強脫氧，控制重熔過程電制度穩定，減少重熔過程吸氣，合理控制熔速，控制金屬熔池淺平，來降低出現點狀偏析的級別.重熔30 t以上的電渣錠，熔速控制應合理.熔速過低，表面易出渣溝，熔速過快，鋼中的碳化物偏析增大.采用同軸電渣爐或雙極串聯電渣爐，減少雜散磁場的不均勻攪拌，適當增加渣量，電極坯嚴格對中等方面措施來防止點狀偏析的出現.

表4 電極坯、精煉鋼鍛件、電渣鋼鍛件的氮含量(質量分數/10－6)比較Table 4 N content comparison of electrode blank，refining forging and ESR forging

MC3A屬高碳鋼、脆性較大，重熔過程中急冷、急熱會引起炸裂掉塊，因此，待交替的電極坯應預熱，以防交替電極時，電極坯急熱炸裂.

3.6 補縮控制

補縮是防止電渣錠的縮孔縮進錠身，導致報廢.補縮前應降低熔速，降低熔池深度.補縮應留充分的補縮量;補縮期電功率的下降速率要小，一般補縮直徑1 400 mm的電渣錠，電流的下降速率不宜超過150 A/min.

4 MC3A平整輥坯鍛造過程的工藝質量控制

(1)該鋼種易粗晶，應控制加熱溫度，以避免產生過熱，一旦形成，很難改過來.這里有個“閾值”，在高溫下持續保溫達某一時間后，材料晶粒會突然快速粗化，注意勿長時間在高溫區逗留，同時要在后續鍛造中有足夠的變形量，最后一火成形兩端輥頸時的加熱不能太高.

(2)鍛造上控制壓實，我們認為鍛多大鍛件，用多大的砧寬比較合適.鍛制大規格平整輥，最好用寬砧，否則壓實效果不好.鐓粗+WHF強壓，除此外還要控制最后成形一火的臨界變形量，整個輥身成形后留一定余量，在接近終鍛溫度區內鍛壓，利用外冷內熱的材料溫度差壓實皮下區域.鍛造時表面易裂，注意及時熱態清理，不要拖，尤其是縱向裂紋，若不及時清理，會隨著鍛造變形而擴展(這類高碳高鉻電渣鋼易產生順著結晶方向、大概50(°)的開口裂紋).

平整輥兩端輥徑為500 mm，鍛比較大，達到10以上，同時平整輥鍛造火次均在4火以上，因此在輥徑處取樣檢測液析結果較好，均為0級.

5 MC3A平整輥坯鍛后熱處理的工藝控制

平整輥坯鍛后熱處理的主要任務是消除網狀碳化物，消除應力，軟化組織，得到球狀珠光體組織，降低鍛件中氫含量，防止白點產生.此材料的“C”曲線呈雙鼻，上一個(珠光體區域)鼻子尖在650℃左右，殘奧區間窄，輥身外層的殘奧馬上分解，里層的在珠光體中上范圍轉變，將沿奧氏體晶界大量析出二次網狀碳化物，尤其在750～850℃時最為嚴重.為防止網狀碳化物析出，鍛后熱處理時重結晶的奧氏體化溫度可適當高些，但很多大直徑鍛件冷卻慢，所以鍛后普通熱處理方式對大直徑支撐輥內部轉變很成問題，內部晶粒較粗(中心取樣的晶粒往往在4級左右)，草狀波嚴重(有時給人疏松的感覺，因為疏松也有嚴重的草狀波).大直徑平整輥可強制過冷，過冷是使殘奧分解最關鍵的措施，過冷保溫時間長一點有利殘奧分解，也有利于晶粒細化.為此，在試制中對Φ1 000 mm以上大徑輥鍛后采取鍛后強制過冷［7］，進一步消除在鍛后冷卻過程中已形成的網狀碳化物，確保其級別≤2.5級.

圖3 MC3A平整輥坯鍛后熱處理曲線Fig.3 Heat treatment curve of MC3A skin pass roll after forging

6 MC3A平整輥坯質量檢測

平整輥坯鍛件探傷有個別冒口端出現條狀缺陷，系電渣錠縮孔缺陷所致，應加強電渣錠的補縮控制，其余的鍛件探傷合格.材上取樣化學成份、氣體含量、非金屬夾雜物、高低倍檢測均合格.

表5 材上取樣氣體和低倍結果(氣體質量分數的單位是10－6，低倍結果為評級)Table 5 Gas content and marco structure

表6 非金屬夾雜物檢測結果Table 6 Non－metallic inclusion

表7 高倍檢測結果Table 7 Micro structure

7 結論

(1)電渣重熔鋼適合于制作大直徑的平整輥、支承輥，電渣重熔鋼制作大鍛輥較真空精煉鋼有較大的技術優勢.電渣重熔鋼的低倍結果優于真空精煉鋼.

(2)電渣鋼錠的質量控制需要從電極坯的質量控制入手，進行系統的低氫控制、低氧控制、熔速控制、電制度控制、補縮控制等等，統籌考慮，不能顧此失彼.電渣鋼的氮含量控制關鍵在于控制電極坯的氮含量.

(3)采用電渣重熔鋼+壓實鍛造+鍛后正火+球化退火+擴氫，可以生產出質量符合要求的直徑大于1 000 mm的MC3A平整輥坯.

［1］李正邦.電渣重熔譯文集2［M］.北京:冶金工業出版社，1990:86－92.

［2］王昌生.軸承鋼［M］.北京:冶金工業出版社，2002:230.

［3］康大韜、葉國斌.大型鍛件材料及熱處理［M］.北京:龍門書局，1998:135.

［4］向大林.200噸電渣爐的低氫控制及氫的行為［J］.鋼鐵，1991(7):22－25.

［5］朱覺.電渣重熔大型鋼錠脫氧制度的選擇［C］//電渣冶金專輯.黃石:特殊鋼雜志編輯部，1987:30－33.

［6］姚鳳祥.電渣重熔輥坯用鋼點狀偏析形成過程及其過程控制［J］.大型鑄鍛件，2010(2):12－14.

［7］韓光武.提高精鍛機鍛造大規格高碳鉻軸承鋼的合格率［J］.大型鑄鍛件，2006(3):27 －29.

Development of the big－size MC3A skin pass roll

GAO Hong-sheng，WANG Yi-qun，XUE Zheng-guo，WANG Li-xin，GAO Ying-li

(Zhongyuan Special Steel Co.，Ltd.，Jiyuan 454685，China)

The process of ESR +solid forging+normalizing after forging+spheroidizing annealing to produce the high quality big－size MC3A skin pass roll with diameter more than 1000mm was designed and developed successfully.In the thesis，the author mainly discusses the key points of technical process control of ESR，solid forging and heat treatment after forging.

MC3A;skin pass roll;low hydrogen content control;solid forging;net carbide

TF142

A

1671-6620(2011)S1-0086-05

2010-10-15.

高宏生 (1970—)，男，河南濟源人，工程師，E－mail:ghs7456@yahoo.com.cn.