考慮碳偏析因素的大鍛件加熱制度優化

■ 李姣，王敬禹

寬厚板軋機是軋輥設備中最大的軋機，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，材質為YB-50。因鋼錠尺寸較大，在凝固過程中容易產生成分偏析，導致心部碳含量更高。現場檢測表明，輥身心部局部區域碳含量可高達1%。根據相圖原理，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量的同時，防止心部發生過熱、過燒現象，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為YB-50，其化學成分如附表所示。

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，結果如圖1所示。假設從鋼錠到產品的制造過程中每一個垂直于軸向的橫截面內部材料不向其他橫截面流動，這樣可將鍛件各個部位對應到原始鋼錠的位置，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#區域對應于鋼錠距原錠身冒口側1350mm位置，而6#區域對應于鋼錠距原錠身冒口側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。

圖1 心部套棒取料圖及檢測結果

YB-50材質化學成分（質量分數) (%）

綜合碳含量沿軸向和徑向的分布假設曲線，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和外層正常碳區的材料屬性，需要檢測兩種材料的熱力學參數及高溫熱變形方程。從4300mm支承輥心部高碳區和外層正常碳區分別切取試料，進行了光譜化學成分分析，心部高碳區試樣含碳量0.94，外層正常碳區試樣含碳量0.62，借助同步熱分析儀、激光熱導儀、膨脹儀的檢測，檢測出兩種材料的熱力學參數如圖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力既與材料化學成分有關，又與變形溫度T、應變速率及變形量ε有關。當材料成分確定時，流變應力σ與變形條件之間的關系可用經典的雙曲正弦函數來描述

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熱壓縮變形，試驗方案分別是：高碳材料在1150~1275℃溫度范圍內以應變速率0.0001~0.1s-1進行變形，壓下量為60%（真實應變0.91），試驗方案如圖6所示。正常碳含量材料在850~1280℃溫度內以應變速率0.001~1s-1進行變形，壓下量為60%（真實應變0.91），試驗方案如圖7所示。

對熱壓縮試驗數據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

圖3 碳含量沿半徑方向分布假設

圖4 碳含量分布計算模型

2. Deform-3D有限元模擬及分析

圖5 熱物性參數檢測結果

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）分段加熱制度構建 我公司4300mm級別支承輥鍛造過程為：壓鉗口→預拔長→鐓粗→F M壓實→拔長出成品。優化工藝前預拔長、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，設計優化加熱方案為：采用1250℃+1280℃的分段階梯式加熱制度，以正常加熱工藝為基礎，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，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溫度達到1280℃為基準來確定，方案如圖8所示。

（2）有限元模型構建 根據前述偏析模型構建了有限元計算模型，對三個分區擬采用高碳、低碳，與將兩者算術平均的應力應變與熱物性參數作為過渡區材料用于計算。但因實際計算過程中收斂性較差，對模型進行簡化處理，將心部高碳區材料和中間過渡區做成一體，采用高碳區材料性能，建立了如圖9所示的兩層簡化復合結構模型。

（3）傳熱計算 在計算過程中，設定坯料溫度保持爐溫1250℃恒溫且保溫足夠長時間，此時料溫根據當前鍛造規范認為是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，爐溫是按照環境溫度來設定的，而隨著保溫進行，坯料溫度會自表及里地升至完全等于環境溫度，而不會出現實際料溫和爐溫存在約30℃偏差。因此，模擬中環境溫度和鍛造中爐溫并不完全等同，為獲得理想的模擬結果，計算考慮了以下兩個極端情況：①設定模擬中的環境溫度1250℃，作為模擬爐況較差的情況，即1280℃爐溫只能產生1250℃料溫。②設定模擬中環境溫度1280℃，作為模擬爐況較好的情況，即1280℃爐溫能產生1280℃料溫。

圖8 分段加熱制度方案

圖9 兩層復合模型

實際結果應當位于兩種計算結果中間。

預拔前計算結果如圖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。從計算結果來看，按照環境溫度1250℃設定，需要保溫約31h，按照環境溫度1280℃設定，需要保溫約11h。因此，實際爐溫1280℃階段的保溫時間應在11~31h。

鐓粗前的計算結果如圖11所示。根據計算結果，按照環境溫度1250℃設定，需要保溫約29h，按照環境溫度1280℃設定，需要保溫約11h。因此，實際爐溫1280℃階段的保溫時間應控制在11~29h。

圖10 預拔前分別設定環境溫度恒定為1250℃和1280℃時計算結果

圖11 鐓粗前分別設定環境溫度恒定為1250℃和1280℃時計算結果

圖12 FM前分別設定環境溫度恒定為1250℃和1280℃時計算結果

F M前計算結果如圖12所示。根據計算結果，按照環境溫度1250℃設定，需要保溫約30h，按照環境溫度1280℃設定，需要保溫約10h。因此，實際爐溫1280℃階段的保溫時間應控制在10~30h。

（4）模擬計算結果 綜合上述計算結果，對于359t鋼錠，1280℃高溫條件下的保溫時間在預拔、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。

3. 結語

對于359t鋼錠，1250℃低溫段保溫時間按原工藝執行，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拔、鐓粗、FM三個階段之前的加熱保溫時間在10~30h范圍內，是一種可行的預防過燒的措施。實際應用中可以按照最低限度即10h為參考，根據產品狀況適當增加時間。

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