Cr3 材質中厚板軋機支承輥心部鍛造質量優化研究

文／朱騰宇，李姣，何少龍·天津重型裝備工程研究有限公司

張鈺·東北大學

為不斷提升Cr3 材質中厚板軋機支承輥的心部鍛造質量，本研究特選用3000mm 級別中厚板支承輥常用的217t 鋼錠進行有限元模擬對比研究，在對其傳統鍛造工藝進行分析的同時，嘗試通過改變鍛造壓實的工藝方式，對其進行心部鍛造質量優化研究。根據模擬研究結果制定優化后的鍛造工藝，并將其運用在某鋼廠中厚板軋機支承輥的實際生產中，最后通過超聲波探傷對其心部質量進行驗證，進一步證實優化后工藝的優越性，為該類支承輥產品的質量進步打下堅實基礎。

支承輥是金屬軋制設備上的重要部件，其工作條件惡劣，工作中受到各種周期應力的作用，因此工作環境對支承輥的使用性能提出了很高的要求。目前我公司的鋼錠大多數采用“雙真空”冶煉澆鑄方式成形，“雙真空”即指“精煉爐真空脫氣+真空鑄錠芯棒吹氬”，所以鋼錠內部存在疏松及縮孔等孔洞類缺陷。雖然目前冶煉技術一直在提升，但是鋼錠內部的原始缺陷依然存在且無可避免。隨著鋼錠的增大，以往的鍛造方式很難消除鋼錠中存在的缺陷。所以需要應用自由鍛造的方式將鋼錠內部缺陷焊合，以提高鋼錠的綜合力學性能。

對于大部分軸類件的自由鍛工藝來講，鐓粗及壓實拔長火次是相當重要的工序，因為這決定著鍛造工藝能否消除或弱化鋼錠的原始內部缺陷以及支承輥心部質量的優劣。對于Cr3 材質的中厚板支承輥，我公司以往在鐓粗后采用的是上下V 型砧的鍛造輔具進行壓實拔長(以下簡稱“KD 法”)。近年來，通過對支承輥產品鍛造過程中應變狀態以及生產設備進行分析，擬轉換成上平砧下平臺的鍛造輔具來進行壓實拔長(以下簡稱“FM 法”)。本文通過對兩種工藝形式進行宏觀分析，并且以數值模擬的方式對比兩種工藝形式下的鋼錠心部變形狀態，說明了兩種方法在心部壓實效果及使用性能提升上的不同。最后應用探傷手段對使用兩種不同壓實工藝的鍛件成品進行超聲波探傷，并對比分析探傷結果。

KD 壓實法目前存在的問題

壓實鍛造過程中，在保證鍛件心部高溫的前提下，應確保鍛件外部和心部存在一定的溫度梯度。隨著溫度梯度的增大，壓實后鍛件心部的等效應變和等效應力均增大，心部大變形區域亦增大，有利于鍛件心部的壓實。但是在實際生產過程中鍛造設備能夠提供的壓力是有限的，隨著中厚板支承輥尺寸的不同，鋼錠錠型主要分布在165t ～242t 之間。相比于FM 法，KD 法鍛造輔具與鋼錠的接觸面積較大，所以達到同等壓下量所需的壓力要大于FM 法。因此，在鋼錠表面與心部存在溫度差的情況下完成壓實，對水壓機的性能提出了較高的要求。

水壓機壓力一旦出現無法滿足的情況，鋼錠變形速度就會變得極為緩慢，并且隨著時間的推移，鋼錠的溫度場會慢慢變得不再適合鍛造，這便會導致鍛造火次未完成而必須將鋼錠返爐重新加熱的情況。并且目前對于中厚板支承輥的心部探傷要求愈加嚴格，如果壓實效果不夠好則會導致軋輥心部缺陷超標。

模擬結果對比分析

為對比FM 法與KD 法鍛造后的心部質量，制定模擬方案如下：選用Cr3 材質217t 錠型的鋼錠進行先鐓粗再壓實拔長的鍛造火次模擬。為控制變量，將鍛造比同樣設計為3.0，采用同樣的初始溫度、鐓粗輔具及鐓比，并且保證鋼錠初始網格數一致。

坯料內部的等效應變是影響坯料內部孔洞閉合的重要因素，更是衡量坯料內部壓實效果的重要指標。故分別截取KD 法與FM 法壓實后的等效應變分布云圖進行比對分析，如圖1、圖2 所示。從圖中可以看出KD 法壓實后心部的最大等效應變為2.8，FM 法壓實后心部最大等效應變為5.3，遠大于KD 法的模擬結果。說明FM 法更容易彌補鍛合鋼錠心部孔洞缺陷，更加有利于心部組織的再結晶和晶粒細化、提高坯料組織的均勻性以及流動性。

圖1 KD 法壓實后鍛件等效應變分布

圖2 FM 法壓實后鍛件等效應變分布

國內外各類研究表明，在研究孔洞閉合類問題時可以通過Q-Value 法對其進行一定程度的預測，計算公式如(1)所示。

其中σm為靜水壓力，σeq為等效應力，εeq為等效應變。

當累積變形達到一個臨界值Q 時孔洞閉合，因此Q 也稱閉合因子，此時的臨界值即為閉合閥值。通過計算Q 值在模擬中的分布，來預測大型鋼錠中孔洞缺陷的閉合程度。在實際生產中，鋼錠內部孔洞類缺陷無規律可言，更無固定取向性。在多道次均勻變形過程中，當存在互相垂直的變形方式時，為了保證各種形狀、取向的孔洞充分閉合，Q 的臨界值應取0.6。

鑒于理論計算與實際生產的差異，為了以嚴謹的態度預測實際變形，本文中將臨界值作為“趨勢性”評價指標。即當Q 值達到該值后，孔洞類缺陷才存在完全閉合的可能性，超過該數值并且數值越大，缺陷閉合的程度就越高。如圖3 所示，在兩組模擬鋼錠心部軸向同樣位置選取同樣數量的試點。

圖3 鋼錠心部截面試點選取

以點追蹤的方式將各點最終變形后的Q 值進行計算，以折線圖的方式將其大小與各點間變化趨勢進行繪制與對比，如圖4 所示。在圖中可以明顯看出心部Q 值最高，向兩側逐漸減小，整體變化規律與等效應變分布圖相符。FM 法壓實的鋼錠每個試點的Q值都要高于KD 法壓實的鋼錠，說明以FM 法進行鍛造的鋼錠心部孔洞的閉合程度會更高。

圖4 KD 法與FM 法心部變形Q 值對比

為了更加直觀地比較兩種工藝形式的壓實效果，同樣在兩組鋼錠中心處選取數量相等的試點，如圖5所示。試點之間間距400mm，通過追蹤壓實前后各點徑向距離的變化即可更加直觀地將兩種工藝形式的壓實效果進行比較。

圖5 鋼錠心部徑向取點

兩組模擬各點變形結束后的間距如圖6、圖7 及圖8 所示，間距對比如表1 所示。從圖表中可以看出FM 法模擬組的試驗點間距更小，說明心部壓實程度更大，進一步印證了FM 法的優越性。

表1 兩種工藝形式追蹤點間距(mm)

圖6 KD 法鍛造壓實后心部試驗點徑向間距

圖7 FM 法鍛造壓實后心部試驗點徑向間距

圖8 兩組工藝形式試驗點間距

探傷檢測結果

通過在模擬環境下不斷調整工藝參數，本研究設計出了優化的鍛造工藝并且應用于217t 鋼錠進行試制，最終精加工后對支承輥進行探傷，目前支承輥常用的探傷標準為SN322-10-2013 標準，其中規定直徑大于1600mm的支承輥產品心部缺陷尺寸不得超過φ16mm。根據以往的探傷結果，KD 法鍛造的中厚板支承輥心部缺陷當量尺寸基本在φ6mm～φ7mm范圍內居多。

依據本公司質量檢測中心出具的探傷報告，以FM 法進行壓實的支承輥產品心部缺陷當量尺寸維持在φ4mm ～φ5mm 之間，該結果也從實際生產的角度印證了FM 壓實法的可行性及優越性。

結論

通過以上有限元模擬以及實際生產結果，可以得到以下結論：

⑴從等效應變分布的角度來講，心部等效應變相對較大的FM法更有利于鋼錠心部孔洞類缺陷的閉合，有利于提高心部變形質量。

⑵從閉合因子Q 值的計算結果來看，FM 法更加有利于鋼錠心部孔洞類缺陷達到閉合狀態。

⑶從實際探傷結果能看出，FM 法鍛造出的成品支承輥心部殘留缺陷尺寸更小，更能滿足愈加嚴格的探傷要求，也更能保證支承輥在軋機上的安全使用。