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【案例4】5m支承辊偏析
1.案例描述
偏析是钢液选分结晶和钢锭凝固过程的必然结果，钢锭越大，偏析、缩孔等缺陷越严重。某锻件供应商在生产5m支承辊时，发生了断辊（见图2-12）及UT检测超标等情况，损失巨大。
图2-11 完善工艺后的高低压联合转子低压侧金相组织（100×）
2.原因分析
第1只5m支承辊中心严重疏松，但基本符合JB/T 4120—2017规定，联检合格。第2只5m支承辊辊身及非字端辊颈发现多处断续裂纹（后置裂纹），如图2-12所示。第3只5m支承辊按图2-13所示探伤， C 部距非字端800～4000mm范围内发现裂纹，深度距中心约 φ 900mm。在气割辊身的断口可见明显裂纹（见图2-14）。
图2-12 支承辊断裂的宏观断口
a）横剖面 b）中心区域
图2-13 第3只5 m支承辊探伤区域分布图
第4只5m支承辊探伤区域分布如图2-15所示，外圆探伤距非字端约6000mm范围内发现缩孔或锻造缩孔引发的裂纹，辊身深度中心约 φ 600mm。缩孔端面可见。缩孔波形单一并无明显疏松显示及偏析夹杂类缺陷。
经对图2-12断裂部位进行深入分析发现，材料牌号为YW-50（碳的质量分数为0.62%），二次缩孔严重，冒口下部碳的质量分数竟高达1.16%，接近正常情况的2倍，由此造成钢锭在锻造期间发生心部开裂。
针对5m支承辊发生的断辊情况，采用Procast软件对459t钢锭进行了疏松缩孔及碳偏析情况模拟（见图2-16）。模拟结果表明：钢锭心部的疏松缩孔情况比较严重。图中色标表示Niyama判据值，数值越小表示缩孔疏松产生的倾向越大。
图2-14 第3只5 m支承辊辊身气割面
图2-15 第4只5 m支承辊探伤区域分布图
图2-16 459t钢锭疏松缩孔及碳偏析情况模拟结果
3.对策
为了解决这一难题，发明了钢锭二次补浇技术，成功制造出5m/5.5m支承辊用超大型钢锭。
图2-17所示是采用二次补浇和不采用二次补浇钢锭的碳偏析的模拟，可以看出，采用二次补浇可以有效改善钢锭心部偏析。
图2-17 二次补浇与非二次补浇的碳偏析情况对比模拟
1—无冒口补浇 2—冒口用碳的质量分数为0.4%的钢液补浇
图2-18所示是二次补浇保护渣流动情况模拟结果。从图2-18可以看出，随着补浇的时间增加，液面下的气相、渣相运动从深度上看，由浅到深再变浅；从宽度上看，逐步变宽。液流呈液滴下落，对液面下的钢液影响较小，保护渣不易被卷入并有利于其上浮。
图2-18 二次补浇保护渣流动情况模拟结果
在后续的超大型支承辊制造中采用了超大型钢锭二次补浇技术，锻件经一系列检测，均满足技术要求，锻件冒口碳的质量分数由过去的1.16%减少到0.85%，偏析程度降低明显，疏松、缩孔亦得到明显改善，应用该技术制造的5m支承辊合格率达到100%，并成功制造出国内最大的5.5m支承辊。