2.2.1 支承辊

【案例5】支承辊外露夹杂

1.案例描述

某锻件供应商在2010年1月到4月生产的轧辊中，共发现34只表面外露夹杂缺陷。主要出现在材料为60CrMnMo轧辊中，同时还涉及其他材料的轧辊4只。据统计，在60CrMnMo中发现22只，占总数的64.71%；在YB-70中发生8只，占23.53%；在YB-65中发生2只，占5.88%；在60CrNiMo与70Cr3Mo中分别发生1只，各占2.94%。从分析可以看出，60CrMnMo是外露夹杂易发材料。此类情况在以往也有发生，但没有2010年出现的数量大。

2008年7080197炉次发现外露夹杂，材料YB-70，40t钢锭出1件。

2009年发现外露夹杂有6件：7090392，YB-70，33t钢锭出1件；6090323，70Cr3Mo，97t钢锭出2件；6090488，YB-70，114t钢锭出2件；6090698，YB-70，83t钢锭出1件。

支承辊外露夹杂材料分布情况如图2-23所示。

支承辊冶炼总炉数与外露夹杂炉数的锭型分布情况如图2-24所示。

由图2-24可见外露夹杂出现在114t以下的锭型上，出现缺陷频率较高的锭型有44t、63t、97t。

2.原因分析

1）取样。对锭重为63t的YB-70钢支承辊进行了取样。此锻件分三火锻成，始锻温度1100～1150℃，终锻温度830～840℃。经粗加工探伤后发现，在辊径外表面局部有大量密集型夹杂缺陷。为确定缺陷性质，在该部位切取了试样，取样部位如图2-25所示。

2）检验方法和结果。

①低倍检验。经酸洗后检验，类似多条短而细小的宏观裂纹更加清晰可见（见图2-26）。

②断口检验。纵向断口的宏观形貌为典型的木纹状断口，堆积在一起呈条带状分布的外来夹杂（夹渣）随处可见（见图2-27）。

③高倍检验。纵向夹杂物检验结果为：硫化物细系0.5级，氧化铝细系1级，硅酸盐粗系大于5级，球状细系0.5级，横向夹杂物的C类夹杂也同样大于5级。其分布特征为纵向呈条带状分布（见图2-28），横向呈密集型分布，50倍下观察面积之大含量之高的外来夹杂实属少见（见图2-29）。

④扫描电镜能谱检验。根据扫描电镜能谱检验，堆积在条带处的密集型夹杂以Ca、Si、Mg、F、Al、O为主的元素质量分数较高，其形貌特征多数为沿纵向断口呈密集型长条状分布（见图2-30～图2-33）。

3）外露夹杂的分析。外露夹杂多发生在一锭出多个锻件上，如44t和63t钢锭出5件，而48t和53t钢锭出1件或2件的则很少或没有出现外露夹杂的情况。据此分析外露夹杂和锻件的拔长比有关系，即拔长比大，钢锭中固有的A型偏析向表面移动，在随后的机械加工中容易暴露在表面。这是产生外露夹杂的外部原因。内部原因则是钢锭的纯净度差，若钢液纯净则不会出现如此严重的外露夹杂。

97t钢锭虽然1锭只出2件，但也出现了比较严重的外露夹杂，可能和此锭型的设计有关，待进一步分析。

69t钢锭虽然也是一锭出6件，但几乎没有出现外露夹杂现象，也需进一步分析。

影响钢液纯净度的原因分析：锻件出现外露夹杂，锻造工艺是外因，钢液质量是内因，因此若要从根本上解决外露夹杂的问题，还要从提高钢液纯净度上去分析并采取有效措施。影响钢液纯净度的因素如下：

从备料到浇注整个炼钢过程各个工序，都存在着能引起钢锭夹杂物的因素，但最直接、影响因素最多的环节就是铸锭工序。

铸锭工序是炼钢生产的最后一道工序，也是钢液直接与大气、耐火材料接触的工序，中间包中的钢液，存在着源于注流的二次氧化、耐火材料侵蚀产物和在后期精炼包中进入的精炼渣，这些杂质在中间包浇注过程中任何时候都有直接进入钢锭的可能性，若进入钢锭则很少有时间使其上浮去除，特别是小型的钢锭。因此，即便在精炼结束后所得到的是非常纯净的钢液，如果在铸锭工序没有有效的预防措施，浇注出来的钢锭质量也未必能达到理想状态。

为此，着重针对铸锭过程可导致夹杂物产生的因素进行分析。铸锭工序可导致钢锭夹杂物产生的因素如图2-34所示。

①冒口。冒口砖材用黏土质工作层，此种砖只能使用2～3炉，抗钢液冲刷及耐侵蚀能力较差，特别是渣线部位侵蚀严重。在冒口连续使用时，有一些黏渣很难清理，而在浇注过程中，有可能被冲刷进钢锭污染钢液，如在浇注后不能上浮，将形成锭内夹杂物。

②钢锭模、加高圈。钢锭模由于和钢液直接接触，且接触后钢液直接凝固形成激冷层。若钢锭模或加高圈表面存在残渣、残钢、铁锈等没有清除干净，则会造成钢锭表面夹杂或裂纹等缺陷。

③底盘。底盘在使用前正常情况下是用钢液点浇的，但如果没有用钢液点浇底盘的专用设备，也可采用钢板直接垫在砖上面，周围用石棉绳和铁豆围缝，如石棉绳围得不紧，有可能浮起造成夹杂。因此，可用钢板盖进行底盘保护，但有钢板盖的底盘不用砖砌，钢板切割尺寸必须同底盘尺寸相同，缝隙不能过大，尽量不要围石棉绳；而对于缝隙大必须用石棉绳围的，石棉绳只能转一圈，且要挤紧；对于缝隙超过10mm的钢板，建议不要使用。

④中间包。中间包是浇注过程中产生夹杂物的最为关键环节，其耐火材料的抗冲刷、抗侵蚀能力，中间包使用前黏渣的清理情况、吸风情况、氩气保护、包底、水口等工作状态都是非常重要的。

中间包耐火材料目前使用的共有三类，即叶蜡石质、高铝砖质及进口高铝砖。叶蜡石质中间包由于具有不黏渣、清理方便的优点，操作者喜欢使用。但由于其属酸性材料，不抗冲刷，易造成钢液夹杂物超标。高铝砖虽然抗冲刷性能良好，但包壁、包底易黏渣，黏渣后极难清理，清理重了易损坏砖层表面，否则黏渣清理不掉。进口中间包砖相对既耐冲刷又不易黏渣，但由于成本高，目前只在重点产品上使用。

中间包水口方砖经常炸裂，在处理时，用镁砂砸平，但在浇注后，镁砂基本都被冲刷掉；同样，砸包底用的刚玉浇注料在浇注后也大多被冲刷掉，进入钢锭。

中间包铝锆碳水口由于抗冲刷性能较好，被指定用在单、双包浇注的重点钢种上，但有时水口内壁存在的制造时挤出的专用泥无法清理，浇注时亦被冲刷进钢液中。

此外，还有中间包塞杆在浇注过程中发生的飘移、折断、掉塞头等事故，都会造成钢液污染。

浇注前中间包吸风也是很重要的。

中间包是钢液与炉渣直接混合的容器，由于钢液注流的冲击，被钢液冲刷掉和各种耐火材料形成的钢渣被带入中间包液面以下，与钢液形成完全混合状态。在浇注过程中，有很大一部分钢渣被卷入钢锭模内，在钢锭冷却凝固过程中浮不上来，就会形成夹杂物。另外，在中间包浇注后期，钢液上面的混合渣系直接进入到钢锭中，虽然从理论上讲，最后浇入的钢渣相对体积质量轻，一般会漂浮在液面之上，但是由于钢液的剧烈搅拌，液面处的钢渣仍然有卷入钢锭底部的可能。因此，钢锭浇注后期大量钢渣的混入，是钢锭底部产生夹杂的较大隐患，不可忽视。

为了防止钢锭浇注后期大量钢渣的混入，需要大力推广使用异型中间包进行浇注，但是后期钢渣的控制也必须引起重视，因此浇注最后卡渣必须严格执行。

⑤真空室。在浇注系统中，真空室的清洁同样至关重要，包括真空室内的清洁及真空盖内衬的清洁，特别是真空盖内衬的二层隔内的残渣，既难清理又非常关键，如果清理不好，在扣盖及浇注过程中的振动作用下，上面的残渣将掉入钢锭模中。

另外，在制作45t中间包时发现，各真空室上方的中间包定位销的定位不够精确，当中间包固定好后，中间包水口中心不能保证与导流管中心对齐，偏差可达30mm以上，如果中间包固定得不正，就会造成钢液在真空浇注时偏流，冲击导流管耐火材料，并造成真空扩散不好，脱气、去夹杂效果受到影响。

⑥导流管。导流管有两种：一种是高铝硅线石材料的普通砌筑导流管，另一种是整体式进口导流管。前者抗冲刷能力较差，使用过钢量只能达300～400t，且使用后的清理非常困难。进口导流管抗钢液冲刷性能较好，过钢量可达1000t以上，清理方便，但是进口导流管也存在结瘤现象，浇注过程瘤子多次掉入钢锭模内，使用发现瘤子较薄，可能不会影响钢锭质量。为了提高导流管的抗冲刷能力，且不易结瘤，需要采购高质量的整体导流管。

⑦浇注操作过程对夹杂物的影响。浇注操作过程对夹杂物的产生有着很重要的影响，浇注工艺参数的控制（主要是注温与注速）、注流的保护（防止钢液二次氧化）、精炼包及时卡渣、中间包氩气置换等都是关键因素。

⑧浇注后。浇注后的钢锭必须保证冒口内液面的稳定，若浇后冒口液面发生振动，冒口表面先期产生的很薄一层凝壳（一定混有钢渣）就会破碎，由于密度差的原因就会沉入钢锭底部形成水口端夹杂物。因此，破坏真空后的发热剂、保温剂的加入必须保证是以散状、慢速加入。

⑨中间包浇注温度工艺参数对比。YB-70的中间包浇注温度在2008年4月以前，工艺规定为1535～1545℃，从2008年4月开始调整为1520～1540℃。2008年中间包浇注温度从4月开始有所下降，2008年平均温度浇注为1537℃，2009年平均浇注温度为1530℃，2010年平均浇注温度为1528℃，浇注温度有所下调。浇注温度低，可能对夹杂上浮有一定影响。

3.对策

1）由于外露夹杂物都是出现在一锭出多件产品中，且锭型主要集中在97t、63t、44t上。因此，在编制锻造工艺时，应尽量减小锭型采用一锭出1件的生产方式，尽可能采用下注钢锭生产支承辊，同时在锻造工序增加扩氢退火。

2）经电镜分析结果看出，外露夹杂中主要成分含Al、Ca、F、O等元素，从成分上分析，是钢渣混入的结果。因此，重点是控制钢渣的混入。措施是：①采用“异型包”；②中间包最后要“卡渣”。

3）为了提高浇注后模内钢液温度，使得浇注后的夹杂物充分上浮，可考虑将小型钢锭的浇注温度适当上调。

4）从锻造工序采取措施。

①采用平面镦粗盖板（见图2-35）代替球面镦粗盖板（见图2-36），以保证水口端心部坯料不凸起（见图2-37），避免钢锭在采用球面镦粗盖板镦粗时水口端心部坯料因反挤压而凸起（见图2-38）。由于水口端部成品直径小，凸起部分坯料在拔长时会因为变形量大而造成钢锭心部坯料外翻，如果钢锭内部一定深度夹杂严重，在支承辊加工时就会出现外露夹杂。

②液压机在执行支承辊KD法拔长时均采用较窄的上、下V形砧（见图2-39）。在KD法拔长时，若坯料与V形砧接触面积大（见图2-40），则坯料在长度方向变形时受到的外部摩擦力会增大，由于压下量达到坯料高度20%，钢锭心部受到压应力的作用而长度方向为自由端，这样心部的坯料在长度方向长大速度要快于外表面，使得钢锭心部坯料会被挤压到端部，表现为端部出现凸起，在出成品时会出现心部坯料外翻，受钢锭质量的影响易出现外露夹杂。

③在钢锭经过KD法拔长后采用上平下V形砧出成品时，在水口端采用多半砧布锤，目的是先形成小台阶，锁定坯料端面形成刚性端，在压锭身时由于受到端面刚性端的限制，钢锭心部坯料不能被挤压到外部（见图2-41），从而保证钢锭心部夹杂不外露。若端部采用满砧布锤，则在锻造锭身时心部夹杂将外露（见图2-42），压小台阶的长度依据砧宽比设定，如砧宽比小于3会出现端面凹心，影响锻件质量。

④支承辊的拔长比按2.5控制，减少变形量，降低钢锭心部夹杂的外露概率。日本室兰工艺规程对支承辊的拔长比规定为2.5（见图2-43），对避免外露夹杂应该有借鉴意义。 mi9N2ZoA9xomRFdgBWuJrykRDXg6cqBieKqNV7CuHNDPrb1asv4JUs1f9pFhE5Bg