半鋼輥環外圓花斑問題淺析與解決

王國菊，白思諾，馬曉龍，劉秋全，王滟偉，王保宏

（1.軋輥復合材料國家重點試驗室，河北邢臺 054025；2.邢臺軋輥異型輥有限公司，河北邢臺 054025）

1 背景

半鋼材質含碳量為1.3%～2.2%，碳含量大于1.8%時，又稱之為高碳半鋼，半鋼是一種碳含量介于鑄鐵和鑄鋼之間的軋輥新材料。半鋼軋輥不僅具有鑄鋼軋輥的高強度和韌性，又具有鑄鐵軋輥良好的耐磨性能。通常用于生產熱軋帶連軋機組的粗軋機架和精軋前段，廣泛用于生產型鋼、線材和棒材的粗軋機架。碳和鉻是半鋼軋輥中形成碳化物的重要元素，是提高軋輥耐磨性的重要元素。但在實際生產過程中容易發生外圓花斑缺陷。我公司生產的半鋼輥環主要用于H 型鋼生產線的萬能軋機上，見圖1。外圓作為工作面使用，直接與軋材接觸，外圓面的質量不僅影響軋制的質量，也決定了軋輥的性能。此缺陷在型材軋制過程中易形成掉塊，對軋材造成影響，軋輥也將提前失效報廢，見圖2～4。

圖1 軋輥使用示意圖

圖2 輥環花斑軋制后軋材質量

圖3 輥環外圓花斑

圖4 花斑位置局部

為解決上述弊端，一種解決半鋼輥環外圓花斑問題方法的研究，已經迫在眉睫亟待研究。

2 花斑問題檢測

為解決輥環外圓花斑問題，找到形成花斑問題的真正原因，我們對外圓花斑從宏觀硬度、微觀組織、電鏡分析進行系統檢測，現將結果匯總如下。

2.1 硬度檢測

對輥環外圓正常處與缺陷處進行表面硬度檢測，確認表面硬度如下：

正常處：HSD60.2，HSD59.9，HSD63.1，HSD 62.3，HSD57.7；

缺陷處：HSD67，HSD66，HSD68，HSD69，HSD 75.4，HSD68；

通過對表面硬度進行檢測分析，標準要求：HSD57～63，形成花斑缺陷位置處硬度偏高，較正常位置高HSD10～15，明顯高于正常位置。

2.2 微觀組織檢測

2.2.1 金相檢測

我們對輥環正常處與缺陷處進行金相檢測，組織均為珠光體+碳化物。正常處金相組織碳化物均勻分布于基體中，而缺陷處金相組織碳化物在部分位置形成聚集，大量碳化物形成聚集。其金相組織照片如圖5、6 所示。

2.2.2 電鏡掃描檢測

我公司采用掃描電鏡型號為S-3700N，其特點為用于研究較大、較重、較高的樣品，最大樣品直徑可達300mm,觀察范圍203mm，高度110mm樣品進行觀察和能譜分析，對缺陷位置取樣進行電競掃描檢測，檢測結果為缺陷處疏松并有碳化物聚集現象。

圖6 花斑（異常）處金相

圖7 缺陷處進行電鏡掃描

經過金相檢測與電鏡發現缺陷處出現疏松，并且有碳化物聚集。

食品添加劑行業的發展決定了“食品添加劑”的課程教學必須突出學生的主體性，轉變傳統以直接傳授理論知識為主的教學模式，從社會和行業所關注的熱點問題入手，以問題為核心，讓學生有興趣去了解食品添加劑，有興趣去探索食品添加劑同百姓生活、行業發展的關聯。將課堂教學與課外自主學習相結合，使學生喜歡并善于運用食品添加劑的基本知識去分析問題、解決問題并培養創新思維能力。基于問題的學習（PBL）理論能夠很好地指導“食品添加劑”教學方法的革新。

2.3 電鏡成分含量評價分析

通過表1 確認：存在花斑處檢測結果C、Cr 含量較正常處偏高。

表1 電鏡檢測成分元素定量

正常處C 含量6.87%，Cr 含量4.22%，而花斑處C 含量7.16%～8.4%，Cr 含量5.12%～7.13%，超過正常處含量較多。

2.4 綜合檢測分析

通過上述檢測，綜合分析認為由于元素C、Cr的不均勻分布，在凝固過程中Cr 的碳化物在局部聚集是造成的半鋼輥環外圓花斑的主要原因。

3 輥環外圓花斑問題形成原因機理分析

通過上述檢測分析，在輥環外圓處形成花斑的主要原因為:元素C、Cr 的不均勻分布，在凝固過程中Cr 的碳化物在局部聚集。查閱相關材料，造成元素C、Cr 不均勻分布的原因如下。

3.1 原始成分不均勻

通過對花斑位置進行電鏡檢測分析（表1 所示），化學元素存在著明顯的偏析。由此分析，鐵液在熔煉過程中，合金加入存在攪拌或過熱不完全，各元素未能均勻分布在鐵液中。

3.2 鐵液的紊流

紊流將影響液體金屬中異相質點的正常浮沉，使溫度不同或重度不同的組分隨液體金屬做紊亂運動，如果鑄型中液體金屬在做層流運動時降溫較快，使得后一股金屬流在覆蓋前一股的表面時，兩者不能很好地熔融在一起。這樣各液層均按各自條件進行凝固，因而各層的金屬組織、組元的分布也會有所不同。鐵液澆注過程中，鐵液流不穩，忽大忽小或鐵液流斷續，都會加重鐵液在鑄型內的紊流。

3.3 離心機的震動

離心澆注時，不僅液體金屬與鑄型之間有相對運動，而且液體金屬由內向外的層與層之間也有相對運動。在相對運動過程中，液體金屬也同時由外層向內層進行結晶。離心機的震動恰恰打亂了這種運動和結晶的模式。鑄型震動時，鑄型的瞬時轉速會隨著震動的頻率和震動的幅度而發生變化。導致鑄型中的鐵液紊流程度加劇，層流發生在鑄件的斷面上形成奇特的白口與灰口或細小石墨與粗大石墨相對交互的層狀偏析組織。而鑄型震動改變了層狀組織的圓周分布，形成了特殊的不規則的層狀組織分布。

4 輥環外圓花斑解決方案

4.1 解決化學成分不均勻

針對熔煉過程中化學成分不均勻，制定兩項措施，保證出爐鐵水的均勻性。

（1）精準配料，對入爐料進行詳細分類，從8種入爐料，詳細分為32 種爐料，確保入爐料成分的準確性，即使熔清樣成分接近成品成分，減少熔清后期合金調整。

（2）制定高溫熔煉過程規范，熔清后加入合金微調成分后，增加高溫熔煉過程，在高溫1600℃以上保溫30min 以上，既可使高熔點雜質有充足時間上浮形成浮渣挑出，又可使鐵水成分熔化均勻分布。

4.2 解決鐵液的紊流

為穩定鐵液流的澆注速度，我公司徹底改進了澆注方法，由原來的鐵水澆注包人工翻包改為自動澆注控制，實現了自動化澆注，提高了鐵水澆注的穩定性，降低了工人的操作強度。

4.3 解決離心機的震動問題

在離心機與工裝座機前對工裝和離心機設備進行清理，清理掉配合面位置的凸起等異物，確保配合面的平整；工裝與離心機配合完成后對工作進行打表檢測跳動，符合要求可進行生產，否則進行加工解決跳動大、離心機震動大的問題，確保層狀組織的均勻分布。

4.4 改進效果

通過三項措施（熔煉過程規范、自動澆注措施實施、離心機減少震動）的全面實施，徹底解決了外圓花斑問題。實施完成后未再出現花斑問題。

5 結論

（1）導致半鋼輥環出現外圓花斑的因素有很多，必須多方面考慮。

（2）問題的解決過程是一個繁瑣的過程，需要大量的試驗與數據，需要對數據的全面分析，從數據中找突破、找線索。

（3）目前半鋼輥環通過熔煉高溫、澆速穩定、離心機降低震動，有效地解決了半鋼輥環外圓花斑問題。