摘 要:GCr１５鋼連鑄坯開(kāi)坯時(shí)出現(xiàn)了竹節(jié)狀開(kāi)裂現(xiàn)象,通過(guò)化學(xué)成分分析、斷口宏觀分析、金 相檢驗(yàn)、竹節(jié)狀開(kāi)裂鋼坯裂紋位置測(cè)量等方法,對(duì)鋼坯開(kāi)裂原因進(jìn)行了分析.結(jié)果表明:GCr１５鋼 坯加熱初期升溫過(guò)快、熱應(yīng)力過(guò)大,導(dǎo)致鋼坯開(kāi)裂,在水冷梁位置處由于溫差較大,鋼坯更容易開(kāi) 裂,最終導(dǎo)致了 GCr１５鋼坯竹節(jié)狀開(kāi)裂. 

關(guān)鍵詞:GCr１５鋼坯;竹節(jié)狀開(kāi)裂;水冷梁;內(nèi)應(yīng)力 

中圖分類號(hào):TF７７７ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):１００１Ｇ４０１２(２０１８)０７Ｇ０５０８Ｇ０４ 

在 用?４５０ mm GCr１５ 鋼 連 鑄 圓 坯 軋 制 生 產(chǎn) ?１５０mm 圓鋼時(shí),多支鋼坯在開(kāi)坯時(shí)出現(xiàn)了開(kāi)裂的 現(xiàn)象,投入原料４２支,有６支在開(kāi)坯時(shí)開(kāi)裂,開(kāi)裂比 例高達(dá)１４．３％.鋼坯開(kāi)裂均為橫裂,在軋制１~２道 次后就發(fā)現(xiàn)有鋼坯開(kāi)裂現(xiàn)象,如圖１所示,有４支鋼 坯出現(xiàn)多道裂紋,呈竹節(jié)狀斷裂,如圖２和圖３所 示,有２支鋼坯僅在靠近鋼坯端部(一端或兩端)有 開(kāi)裂現(xiàn)象,如圖４所示.

鋼坯軋制生產(chǎn)的工藝流程如下:?４５０mm 粗軋 機(jī)開(kāi)坯→６機(jī)架連軋→入坑緩冷→球化退火→精整 →檢 驗(yàn) 入 庫(kù). 鑄 坯 加 熱 工 藝 參 數(shù) 為:預(yù) 熱 溫 度 ≤６８０ ℃,加熱１段溫度(１０３０±２０)℃,加熱２段 溫度(１２４０±２０)℃,均熱段溫度(１２２０±２０)℃, 總加熱時(shí)間≥８００min. 

為了降低 GCr１５鋼軋廢比例、減少成本損失,筆者對(duì) GCr１５鋼開(kāi)坯時(shí)出現(xiàn)竹節(jié)狀開(kāi)裂的原因進(jìn) 行了分析,并采取措施減少 或 避 免 GCr１５ 鋼 軋 制 開(kāi)裂現(xiàn)象. 

１ 理化檢驗(yàn) 

１．１ 化學(xué)成分分析 

在３支鋼坯的開(kāi)裂處分別取１個(gè)光譜試樣,分 別編號(hào)為１~３號(hào),采用 AIL４４６０型火花源原子發(fā)射光譜儀對(duì)其進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果見(jiàn)表１,可見(jiàn) 主要化學(xué)成分并無(wú)異常.

１．２ 斷口宏觀分析 

有１支鋼坯端部開(kāi)裂情況較嚴(yán)重,吊運(yùn)時(shí)端部 脫落顯現(xiàn)出斷口,如圖５所示,從斷口形貌可知裂紋 源在心部略偏的位置,裂紋由內(nèi)向外擴(kuò)展.

１．３ 金相檢驗(yàn) 

金相試樣取樣位置如圖６所示,其顯微組織為 珠光體＋沿晶網(wǎng)狀碳化物,如圖７所示,斷口附近顯 微組織未見(jiàn)有過(guò)熱、過(guò)燒跡象.鋼坯表面氧化層厚 度約為６３．９０μm,如圖８所示;斷口表面氧化層厚 度約為７７．１５μm,如圖９所示.由于軋制前鋼坯表 面經(jīng)過(guò)了高壓水除磷工序,所以鋼坯表面氧化層厚 度與斷口表面氧化層厚度差異不大.鋼坯表面脫碳 層厚度約為６３３．８０μm,斷口表面脫碳層厚度約為 ８３．６６μm,兩者的差異較大,如圖１０所示.

金相檢驗(yàn)結(jié)果表明,GCr１５鋼坯斷口處脫碳層 較薄,說(shuō) 明 鋼 坯 出 爐 前,裂 紋 處 并 未 完 全 與 外 部 連通. 

１．４ 竹節(jié)狀開(kāi)裂鋼坯裂紋位置測(cè)量 

對(duì)出現(xiàn)竹節(jié)狀裂紋的４支鋼坯裂紋位置進(jìn)行了 測(cè)量,測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表２.可見(jiàn)如果鋼坯兩端都開(kāi)裂, 則 端部開(kāi)裂處裂間距數(shù)值非常接近,考慮軋制延伸因素,端部開(kāi)裂處間距５．７８~５．８０m 與加熱爐寬度 方向兩側(cè)水冷梁的位置間距４．６m 乘以軋制延伸因 子１．２６所得值５．８０m 基本對(duì)應(yīng).

加熱爐中有５根平行的水冷梁(３根靜梁,２根 動(dòng)梁),從加熱爐南側(cè)(對(duì)應(yīng)鋼坯的尾端位置)第１根 水冷梁算起,相鄰水冷梁間距依次為０．８０,１．２５m, １．７５,０．８０m.根據(jù)表２數(shù)據(jù)推算出軋制延伸系數(shù)約為１．２６,可推斷出軋后鋼坯上水冷梁的相對(duì)位置, 相鄰水冷梁對(duì)應(yīng)位置間距依次為１．０１,１．５８,２．２１, １．０１m.表２中加∗值表示鋼坯上開(kāi)裂處與水冷梁 位置能對(duì)應(yīng)上的位置測(cè)量數(shù)值,可見(jiàn)鋼坯上對(duì)應(yīng)兩 側(cè)水冷梁的位置最易發(fā)生開(kāi)裂,中間開(kāi)裂處不一定 全在中間水冷梁的位置,但對(duì)應(yīng)中間水冷梁的位置 處是容易發(fā)生開(kāi)裂的位置.

現(xiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道的 GCr１５鋼坯開(kāi)裂的原因主要 有３類:一 是 冶 煉 質(zhì) 量 差、原 料 鋼 坯 存 在 表 面 缺 陷[１];二是加熱時(shí)過(guò)熱或過(guò)燒[２];三是加熱過(guò)快、熱 應(yīng)力過(guò)大[３Ｇ５].高碳鉻軸承鋼碳含量很高,導(dǎo)熱系數(shù) 較低,對(duì)加熱速度非常敏感,冷坯在加熱過(guò)程中,熱 量的傳導(dǎo)是由表及里的,從鋼坯的表面到中心存在著溫度梯度,相應(yīng)地在鋼坯內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力.熱應(yīng) 力作用的結(jié)果,使鋼坯的表層受到壓應(yīng)力,而鋼坯中 心會(huì)受到拉應(yīng)力.首先鋼坯斷面越大則表里溫差也 越大,水冷梁位置處會(huì)加大這種溫度差,增加熱應(yīng) 力,從而增加開(kāi)裂的傾向;其二鋼坯中心部位是低溶 點(diǎn)組分和雜質(zhì)富集的地方,強(qiáng)度最低,甚至還存在間 斷性的縮孔,鋼坯心部的缺陷還會(huì)造成應(yīng)力集中;其 三鋼坯心部殘余應(yīng)力與熱應(yīng)力同向,冷連鑄坯入爐 加熱初期時(shí),鋼坯的塑性差,加熱過(guò)快極易產(chǎn)生裂 紋.有 研 究 表 明,當(dāng) GCr１５ 鋼 溫 度 升 到 ６００~ ７００ ℃時(shí),其仍處于低塑性區(qū),但其強(qiáng)度已經(jīng)明顯下 降,如圖１１ [６]所示.如果溫度應(yīng)力過(guò)大,導(dǎo)致心部 拉應(yīng)力高于材料的強(qiáng)度,就會(huì)產(chǎn)生心部開(kāi)裂.當(dāng)鋼 坯溫度升到７００℃以上時(shí),材料塑性會(huì)明顯提高,心 部的拉應(yīng)力通過(guò)塑性變形可以得到松弛.因此紅送 鋼坯因其可以直接裝入高溫爐內(nèi)快速加熱而不易產(chǎn) 生心部開(kāi)裂.

該 GCr１５鋼在加熱時(shí)低溫段加熱速度估算約 為１２２ ℃??h－１,加熱速度較快,加熱時(shí)鋼坯內(nèi)部由 于產(chǎn)生了較大的內(nèi)應(yīng)力,已形成內(nèi)部裂紋,這種裂紋 可能尚未擴(kuò)展至表面與外部爐氣連通,但在大壓下 量開(kāi)坯時(shí),鋼坯心部裂紋會(huì)擴(kuò)展到表面,最后造成目 視可見(jiàn)的開(kāi)裂.在升溫速度極快時(shí),有可能在加熱 爐內(nèi)鋼坯心部裂紋即擴(kuò)展至表面,甚至在爐內(nèi)鋼坯 就斷開(kāi). 

根據(jù)該開(kāi)裂 GCr１５鋼的理化檢驗(yàn)結(jié)果推測(cè),該GCr１５鋼坯竹節(jié)狀開(kāi)裂是圓坯在加熱過(guò)程中產(chǎn)生 的,主要是因?yàn)殇撆魅霠t后在加熱初期由于升溫過(guò) 快、熱應(yīng)力過(guò)大.在生產(chǎn)實(shí)踐中 GCr１５鋼坯加熱時(shí) 往往兩端尤其容易開(kāi)裂,這是由于兩端過(guò)預(yù)熱段后 距離火焰近,局部加熱溫度較高、溫差較大導(dǎo)致熱應(yīng) 力較大,因而更容易開(kāi)裂. 

３ 結(jié)論及建議 

GCr１５鋼坯加熱初期升溫過(guò)快、熱應(yīng)力過(guò)大, 導(dǎo)致鋼坯開(kāi)裂,在水冷梁位置處由于溫差較大,鋼坯 更容易開(kāi)裂,最終導(dǎo)致了 GCr１５鋼坯竹節(jié)狀開(kāi)裂. 同時(shí)發(fā)現(xiàn)鋼坯斷面尺寸為?４５０mm 及以上規(guī)格在 ６００~７００ ℃溫度下加熱速度快、水冷梁位置處溫差 大時(shí),鋼坯開(kāi)坯時(shí)更容易開(kāi)裂. 

建議鋼坯盡可能紅送裝爐;降低鋼坯低溫段的 加熱速度(延長(zhǎng)加熱時(shí)間≥１１００min),保證鋼坯在 心部 溫 度 ７００ ℃ 以 下 時(shí) 緩 慢 加 熱 (加 熱 速 度 ≤９０ ℃??h－１),環(huán)境溫度低時(shí)應(yīng)注意降低低溫段的 加熱速度;避免因局部區(qū)域加熱溫度過(guò)高而加大鋼 坯截面溫差,必要時(shí)調(diào)整火焰長(zhǎng)度.因?yàn)榧訜釙r(shí)鋼 坯開(kāi)裂的裂紋源在鋼坯的心部,故應(yīng)加強(qiáng)原料鋼坯 的心部質(zhì)量控制,不能有嚴(yán)重的裂紋、縮孔、疏松等 缺陷. 

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