Mesures visant à réduire les fissures de forgeage dans les lingots d'acier de laminage de secours

Résumé : Compte tenu du sérieux problème de fissures de forgeage qui se produit dans les lingots d'acier laminés de secours, les facteurs affectant la qualité de surface du lingot d'acier et les causes des fissures de forgeage sont analysés sous l'angle de la composition, de la fusion, de la coulée des lingots, du démoulage, de l'alimentation à chaud, du chauffage et du forgeage. Des mesures visant à réduire les fissures de forgeage dans les lingots d'acier ont également été proposées.

Mots clés: Rouleau de sauvegarde Lingot d'acier; Fissure de forgeage; Contrainte

Pendant le processus de forgeage de rouleau de sauvegarde Les fissures visibles sur la surface des lingots d'acier ont toujours été un problème qui a perturbé les techniciens. Si les défauts de fissure sont mineurs, ils peuvent être évités par soufflage d'oxygène ou par pelage à la flamme. Si le défaut de fissure est grave, il sera mis au rebut directement, entraînant de graves pertes économiques. Cet article effectue une analyse préliminaire des facteurs conduisant aux fissures de surface sur le lingot d'acier du rouleau de secours d'un point de vue théorique et recherche des méthodes de contrôle efficaces.

Aperçu des fissures

Les lingots d'acier à rouleaux de support présentent souvent des fissures lisses lors du refoulement, des fissures transversales se produisent pendant le KD et même des fissures apparaissent lorsque le pincement est pressé. Étant donné que le processus de chanfreinage des grands lingots d'acier a été annulé, le corps du lingot n'a pas encore été forgé avant le refoulement. Afin de déterminer si les fissures étaient causées par le lingot d'acier lui-même ou par le forgeage ou le chauffage, nous avons soigneusement inspecté la qualité de surface du lingot d'acier pendant tout le processus, du démoulage au forgeage, en passant par le transport à chaud. Il a été constaté que certains lingots d'acier présentaient de fines fissures transversales ou des fissures lisses à la surface après avoir été démoulés. Certains lingots d'acier qui n'avaient pas de fissures de surface avant d'entrer dans le four de chauffage présentaient de fines lignes droites ou de fines fissures horizontales à la surface du corps du lingot lorsque le pincement était pressé. Il peut être déterminé que certaines des fissures qui se sont produites pendant le processus de forgeage des lingots d'acier existent dans les lingots d'acier eux-mêmes, mais n'ont pas été découvertes. En raison de l'absence de chanfrein, la plupart des fissures présentes au niveau de l'ouverture de la presse sont cachées sous la couche d'oxyde. En même temps, certaines fissures sont fines et courtes, ce qui rend leur confirmation difficile.

Il est certain que les formes et les moments d'apparition des fissures sont différents et que les causes doivent être différentes. Les facteurs affectant la qualité de surface des lingots d'acier et les causes des fissures de forgeage sont analysés un par un à partir de la composition, de la fusion, de la coulée des lingots, du démoulage, de l'alimentation à chaud, du chauffage et du forgeage, et des mesures pour réduire les fissures de forgeage dans les lingots d'acier sont proposées.

Analyse du processus de fabrication

Composition chimique

Français Dans des conditions de production de masse, les fissures sont concentrées sur les lingots d'acier de laminage de secours en YB-65, YB-70 et YB-75. YB-75 a le taux de fissures le plus élevé, suivi par YB-65. YB-70 et YB-75 sont faits de Cr5, YB-65 est fait de Cr4, la teneur en carbone de YB-65 et YB-75 est de 0,45% ~ 0,55%, et la teneur en carbone de YB-70 est de 0,48% ~ 0,58%. Ces trois matériaux peuvent être considérés comme des éléments d'alliage supplémentaires à l'acier à moyenne teneur en carbone. La résistance à la fissuration à chaud de la structure brute de coulée des matériaux en acier à moyenne teneur en carbone avec une teneur en carbone comprise entre 0,4% et 0,6% est relativement faible. Les lingots d'acier à teneur moyenne en carbone de matériaux tels que 42CrMo et 45 avec la même teneur en carbone dans cette gamme auront également de graves fissures pendant le forgeage, mais le lot de production est petit et n'attire pas l'attention. Les statistiques de composition réelles montrent que la teneur en carbone du YB-70 est supérieure à celle du YB-65 et du YB-75, et la teneur en Mn du YB-65 est supérieure à celle du YB-75. Cela montre que les éléments C et Mn affectent la résistance à la fissuration à chaud de ces trois matériaux de rouleau de support et ont un certain impact sur la formation de fissures dans les lingots d'acier. Par conséquent, sous l'hypothèse que la plage de spécifications de composition reste inchangée, l'utilisation de méthodes de science des matériaux informatiques pour concevoir et ajuster la composition de l'alliage aidera à réduire la tendance à la fissuration du lingot d'acier du rouleau de support. De plus, le Cu, le Pb, le Sn, l'As et d'autres éléments et leurs composés sont enrichis dans les joints de grains, réduisant la résistance des joints de grains. C'est également l'une des raisons de l'induction de fissures. La teneur des éléments ci-dessus apportés par les matières premières et la ferraille doit être strictement contrôlée.

Fonte et coulée de lingots

Fonte

La teneur élevée en hydrogène, oxygène, azote, phosphore, soufre et inclusions non métalliques de l'acier réduira la résistance et la plasticité de l'acier à des degrés divers. Par conséquent, les minerais, le spath fluor et les ferroalliages doivent être bien cuits, et la poudre de ferrosilicium, la poudre d'aluminium, la poudre de silicate de calcium, la poudre d'électrode et la poudre de carbone doivent être séchées, et des exigences strictes sont requises pendant la saison des pluies. En particulier, la chaux doit être soigneusement brûlée et il faut veiller à éviter l'humidité pendant le transport et le stockage pour garantir que le temps hors du four ne dépasse pas 24 heures. Renforcez l'opération d'oxydation pour vous assurer que la décarburation n'est pas inférieure à 40% pour assurer l'intensité de la décarburation et former un bon bain de fusion, ce qui est propice à la flottaison et à l'élimination des inclusions. De plus, la quantité d'aluminium ajoutée doit être strictement contrôlée et la teneur en azote doit être réduite autant que possible. Trop d'aluminium provoquera la fissuration de la surface de précipitation d'AlN pendant le forgeage.

Coulée de lingots

(1) Température de coulée

Les statistiques de données ont montré que lorsque la vitesse de coulée est constante et que la température de coulée est trop élevée, le lingot d'acier est sujet aux fissures. En effet, dans la mesure où la capacité de refroidissement du moule à lingots d'acier reste inchangée, l'augmentation de la température de coulée provoque un amincissement de la couche de refroidissement du lingot. Sous l'action de la pression statique de la masse fondue, des problèmes tels que la fissuration et la fuite d'inclusions dans l'acier fondu se produisent. Dans le même temps, si la température de coulée est trop élevée, le lingot d'acier se soude facilement au moule à lingots d'acier, ce qui rend le démoulage difficile et le lingot d'acier sujet aux fissures. Deuxièmement, lorsque la température de coulée est élevée, le gradient de température sur le front de solidification est important, de sorte que la zone biphasique solide-liquide est étroite, les dendrites primaires dans la zone biphasique sont courtes et l'espacement entre les dendrites primaires est également faible. Par conséquent, le rétrécissement linéaire de la surface latérale causé par le rétrécissement vers l'intérieur de l'ensemble de la coque du lingot d'acier est important. Si le retrait longitudinal est entravé, il est facile de produire des fissures transversales. Lorsque le retrait transversal est entravé, la tendance aux fissures lisses est plus grande. De plus, si la température de coulée est trop élevée, le matériau réfractaire sera sérieusement érodé et les inclusions dans l'acier augmenteront.

(2) Vitesse de coulée

L'acier calmé est généralement assez sensible aux fissures de surface, il doit donc être coulé lentement et de manière appropriée, mais la flottaison des inclusions non métalliques doit être assurée. La vitesse de coulée doit être ajustée en fonction de la température de coulée. Lorsque la température de coulée est élevée, une coulée lente est utilisée. Au contraire, lorsque la température de coulée est basse, la coulée doit être effectuée rapidement. En effet, une coulée lente équivaut à abaisser la température de l'acier en fusion, et une coulée rapide équivaut à augmenter la température de l'acier en fusion dans le moule. Afin de contrôler la vitesse d'injection dans la plage spécifiée, il est nécessaire d'empêcher la buse de se dilater. Les lingots d'acier constitués de rouleaux de support sensibles aux fissures doivent être coulés uniformément et lentement pour épaissir la couche de refroidissement du lingot d'acier, affaiblir la circulation de convection du lingot d'acier, ralentir la pression statique de l'acier en fusion et éviter l'apparition de fissures à chaud.

(3) Système de porte

L'ensemble du système de coulée doit être maintenu propre et la cuisson doit être renforcée pour éviter que l'acier liquide ne soit impliqué dans des inclusions non métalliques telles que des matériaux réfractaires. Lorsque des inclusions non métalliques sont concentrées à la surface et sous la surface du lingot d'acier, le risque de fissures dans le lingot d'acier est le plus élevé.

Les mesures suivantes peuvent être prises pour l’ensemble du lingot :

1) Utiliser des matériaux réfractaires avec une bonne résistance aux scories pour construire la poche.

2) Une fois le moule à lingots d'acier abaissé dans la chambre à vide, assurez-vous que la position centrale est alignée pour éviter l'amincissement local de la couche de refroidissement causé par le versement excentrique du lingot d'acier.

3) Contrôlez strictement la température et la vitesse d'injection, réalisez véritablement une injection lente à haute température et une injection rapide à basse température pour maintenir l'acier en fusion en hausse constante.

4) En été, la température du moule à lingots d'acier avant le coulage ne doit pas être trop élevée et, en même temps, essayez d'éviter des différences excessives dans l'épaisseur de la couche de trempe du lingot d'acier causées par des températures inégales dans le moule à lingots d'acier.

5) Placer un câble en amiante entre le capuchon isolant et le moule à lingots d'acier pour empêcher l'acier de pénétrer dans l'espace et de provoquer un accrochage et d'entraver le retrait longitudinal. Sous l'action de la force de traction du poids du lingot, l'extrémité montante du corps du lingot d'acier tirera la partie faible de la couche de refroidissement vers le haut, ce qui entraînera des fissures transversales.

6) Faites attention au meulage de la surface inférieure du moule à lingots d'acier pour éviter la combustion d'oxygène au niveau de la buse du lingot d'acier, afin d'éviter les fissures transversales à l'extrémité de la buse du corps du lingot en raison de la connexion lâche entre le moule à lingots et le châssis et la pénétration de l'acier fondu pour former des bavures qui entravent le retrait par condensation longitudinale du lingot d'acier.

7) Renforcez le meulage de la paroi intérieure du moule à lingots. Si elle est trop rugueuse et présente de graves fissures et piqûres, elle gênera le retrait du lingot d'acier et provoquera des fissures.

Refroidissement et démoulage des lingots d'acier

Lorsque le lingot d'acier refroidit, les couches intérieure et extérieure ne se solidifient pas en même temps. Lorsque la couche extérieure se solidifie en une coque, l'acier fondu non solidifié à l'intérieur exerce une pression statique sur la coque extérieure en acier, essayant de déchirer la coque. En même temps, pendant le processus de solidification du lingot d'acier, comme la température de la couche de surface baisse plus rapidement que celle de l'intérieur, il existe une grande différence de température entre les couches intérieure et extérieure. Cette différence entraîne un rétrécissement volumique irrégulier des couches intérieure et extérieure du lingot d'acier. La partie de la couche de surface qui rétrécit en premier doit être entravée par la partie non rétrécie de la couche intérieure pour générer une contrainte thermique. De plus, lorsque l'acier est refroidi à 650 °C, il se produit une transformation structurelle, accompagnée d'une expansion soudaine du volume. En raison de l'existence de la différence de température entre l'intérieur et l'extérieur, cette expansion volumique ne se produira inévitablement pas en même temps. Par exemple, le tissu de surface a été transformé et le volume se rétrécit selon le processus de refroidissement normal, tandis que la transformation du tissu interne a lieu et le volume se dilate. La couche interne élargie donnera inévitablement à la couche de surface une contrainte de traction évidente. Lorsque la somme de ces trois contraintes dépasse la résistance aux joints de grains, des fissures se produisent dans le lingot d'acier. Les fissures apparaissent souvent sous la peau du lingot d'acier et se développent en fissures de surface pendant le forgeage. Par conséquent, il est nécessaire d'éviter le démoulage prématuré des lingots d'acier et d'éliminer les contraintes thermiques causées par le rétrécissement du volume lorsque le lingot refroidit et que la température baisse, ainsi que les contraintes structurelles causées par la transformation structurelle par refroidissement lent. Les mesures qui peuvent être prises comprennent :

(1) Un temps de démoulage raisonnable doit être spécifié pour permettre au lingot d'acier d'être démoulé après le changement de phase.

(2) Évitez d'être exposé à la pluie ou à l'humidité après le démoulage.

Livraison à chaud et chauffage de lingots d'acier

En production réelle, lorsque de gros lingots d'acier sont transportés à chaud vers le four, la température de surface du lingot d'acier (un tiers de la distance depuis l'extrémité montante du corps du lingot) est difficile à dépasser 650 °C, et la couche de surface du lingot d'acier peut être fondamentalement identifiée. En particulier, la transformation structurelle s'est produite à l'extrémité de la buse du lingot d'acier. Pendant le chauffage, les fissures de surface seront limitées à la profondeur des joints de grains d'austénite et ne pénétreront pas profondément à l'intérieur le long des joints de grains où les inclusions sont enrichies. Les lingots d'acier avec une température de surface supérieure à 550 °C peuvent être directement chauffés dans un four à haute température. Au début du chauffage, le transfert de chaleur par rayonnement et par convection dans le four est particulièrement fort, et la température de surface du lingot d'acier augmente rapidement. Au cours de la dernière étape, à mesure que la température de surface du lingot d'acier augmente, le transfert de chaleur par rayonnement et par convection diminue et la vitesse d'augmentation de la température de surface du lingot d'acier ralentit. Étant donné que l'extrémité de la buse du lingot d'acier alimenté à chaud est de 100 à 150 °C inférieure à l'extrémité de la colonne montante et que le diamètre de l'extrémité de la buse est petit, l'extrémité de la buse chauffe le plus rapidement et subit la plus grande contrainte thermique causée par la différence de température. Lorsque le lingot d'acier est chauffé à environ 750 °C, une transformation de phase se produit, provoquant une contrainte structurelle. Dans le même temps, la plasticité du lingot d'acier est faible à 550-750 °C. Si la vitesse de chauffage est trop élevée, d'énormes contraintes thermiques et structurelles se superposeront, provoquant des fissures lisses à la surface du lingot d'acier. Lorsque le lingot d'acier est chauffé à 750-1200 °C, la plasticité du métal augmente fortement et la contrainte structurelle et la contrainte thermique disparaissent. Les mesures qui peuvent être prises comprennent :

(1) Livraison à chaud des lingots d'acier et chargement des fours pour éviter les retards.

(2) Lorsque la surface du lingot d'acier est chauffée à 750°C, la vitesse doit être aussi lente que possible pour éviter une contrainte excessive.

(3) Le lingot d'acier transporté à chaud est chauffé après transformation de phase pour réduire les risques d'inclusions et de cavités de retrait microscopiques en améliorant les cristaux colonnaires recristallisés.

(4) La température de chauffage du four de refoulement est augmentée à 1270°C pour dissoudre complètement la phase précipitée, améliorer la micro-ségrégation, homogénéiser la structure et améliorer la plasticité de la structure du lingot d'acier une fois coulé. Cependant, il est nécessaire de contrôler la température de chauffage maximale (température du four) pour ne pas dépasser 1270°C afin d'éviter une surchauffe et de ne pas rester trop longtemps à haute température.

Forgeage

Pour les lingots d'acier à rouleaux de renfort dont le matériau est sujet aux fissures, le chanfreinage doit être restauré au niveau de la ligne de contact de la presse. Grâce à une petite déformation de la surface, le soudage peut présenter des défauts tels que des microfissures sous-cutanées à la surface du lingot d'acier, et en même temps, le métal de surface passe de l'état coulé à l'état forgé, et la plasticité à haute température est considérablement améliorée, de sorte que la surface du lingot d'acier ne produira pas de fissures pendant le refoulement. Le chanfreinage peut également éliminer la calamine d'oxyde de fer du corps du lingot et détecter les fissures cachées sous la calamine d'oxyde de fer dès que possible. S'il y a des fissures lisses sur la surface d'une longueur supérieure à 100 mm, elles doivent être éliminées une par une en soufflant de l'oxygène pour empêcher les fissures de s'élargir et de s'approfondir pendant le processus de refoulement.

Lors du refoulement, des fissures apparaissent souvent sur les surfaces concaves entre les bords du lingot d'acier. La direction d'extension des fissures est droite ou oblique à environ 45°, ou une combinaison des deux. En effet, après la coulée du lingot d'acier, les bords du lingot d'acier présentent de bonnes conditions de dissipation de la chaleur et un refroidissement rapide. La couche de refroidissement est plus épaisse que la surface concave entre les bords, ce qui agit comme une « nervure de renfort ». Lors du refoulement de certains lingots d'acier, des fissures sont déjà apparues avant que la forme du tambour ne soit évidente. Les fissures se situent principalement à l'extrémité de la buse du corps du lingot, suivies de la partie médiane du corps du lingot (le diamètre maximal de la forme du tambour), et les fissures apparaissent rarement à l'extrémité de la colonne montante du corps du lingot.

En raison de l'influence du frottement entre la surface d'extrémité de la buse du lingot d'acier et la plaque de recouvrement (ou l'enclume) de refoulement pendant le refoulement et de la différence de rayon de section transversale du lingot d'acier, le lingot d'acier se déforme de manière inégale pendant le refoulement et une contrainte de compression importante est générée dans la direction axiale du lingot d'acier. En raison de la déformation inégale dans la zone de déformation périphérique sur la surface latérale du lingot d'acier, une contrainte de traction circonférentielle (tangentielle) apparaît. La contrainte agit perpendiculairement à la direction de cristallisation et devient plus grande à proximité de la surface. Dans le même temps, la contrainte de compression radiale s'affaiblit et devient plus petite à proximité de la surface. La déformation de refoulement se produit au-dessus de la température de résistance égale du métal et la déformation des joints de grains est importante. Dans le même temps, en raison des grains colonnaires bien développés des lingots d'acier, un grand nombre de défauts métallurgiques, d'inclusions non métalliques et de trous de retrait microscopiques s'accumulent souvent sur les joints de grains, ce qui sépare les joints de grains colonnaires et réduit considérablement la capacité de liaison entre les grains. La manifestation macroscopique est que la plasticité de la région cristalline en forme de colonne est faible. Lorsque la contrainte de traction est suffisamment importante, les inclusions de joint de grain en forme de colonne provoqueront des fissures intergranulaires, formant des microfissures, qui se dilatent ensuite et se connectent pour former de grandes fissures, perpendiculaires à la surface. Si la vitesse de déformation par refoulement est lente, les fissures ne peuvent s'étendre que dans la zone en forme de colonne et ne peuvent pas s'étendre jusqu'à la zone de plasticité élevée de la surface. Pendant le refoulement, il y a la contrainte de cisaillement maximale dans la direction à un angle de 45° par rapport à l'axe, de sorte que la région de faible plasticité riche en inclusions à la surface du lingot d'acier est sujette à des fissures obliques à un angle de 45°. De plus, les fissures de contrainte existant dans le lingot d'acier lui-même s'étendront également vers l'extérieur jusqu'à la surface du lingot d'acier sous l'action d'une contrainte de traction supplémentaire. À mesure que la quantité de réduction augmente, la forme du tambour produite augmentera inévitablement progressivement, ce qui entraînera une augmentation de la contrainte de traction circonférentielle sur la surface latérale. L'état de contrainte au niveau des micro-défauts existants à l'extérieur de la plus grande section du tambour atteint une valeur critique, des fissures microscopiques apparaissent et un refoulement continu provoque des fissures longitudinales sur la surface latérale. Les mesures suivantes peuvent être prises :

(1) Étant donné que le but du refoulement est d'augmenter le rapport de forgeage pour l'étape suivante d'allongement et de compactage, l'effet de compactage est très faible. Lors de la formulation du processus de forgeage, il est préférable de ne pas adopter de déformation par refoulement et de donner la priorité au type de lingot avec une longueur de lingot d'acier et un rapport de forgeage supérieurs à 3, comme la formulation d'un processus de production de deux pièces à partir d'un lingot.

(2) Le lingot d'acier est remis au four pour être chauffé lorsque la température est inégale. Étant donné que la température de chaque pièce est inégale, la plasticité de chaque pièce est différente et l'effet d'alignement lors de la déformation provoque une déchirure locale.

(3) Lors de la formulation du processus de forgeage, il faut tenir compte du fait que la quantité de réduction du refoulement doit être inférieure à la plage admissible de plasticité du matériau.

(4) Le lingot d'acier est chauffé à la température maximale autorisée par le matériau pour réduire la pression requise pour le refoulement.

(5) Lors du refoulement, la vitesse de pressage doit être aussi lente que possible et la capacité maximale de la presse hydraulique ne doit pas être utilisée pour le refoulement.

(6) Utiliser un couvercle de refoulement concave pour le refoulement. Pendant le processus de refoulement de la plaque de couvercle de refoulement concave, l'augmentation du diamètre d'extrémité est presque entièrement causée par le retournement du métal latéral, et la contrainte de traction supplémentaire sur la surface extérieure de l'extrémité de la buse est inférieure à celle de la plaque de couvercle de refoulement plate.

Lors de l'extraction du KD, des fissures transversales apparaissent sur la surface latérale. On peut considérer que lorsque la quantité d'alimentation et la quantité de réduction sont importantes, la déformation de la partie centrale de l'axe est importante et la surface latérale est soumise à une contrainte de traction plus importante dans la direction axiale. Étant donné que les côtés avant et arrière de la zone de déformation ne sont pas en contact avec la surface de l'enclume, l'impact de la résistance au frottement est très faible. S'il s'agit de la zone de faible plasticité où les inclusions sont relativement concentrées, il est facile de provoquer des fissures transversales de surface. La principale contre-mesure consiste à contrôler de manière appropriée la quantité de réduction et le taux de réduction, et à ne pas utiliser la capacité maximale de la presse hydraulique pour extraire la longueur. Pendant le KD, si la surface du lingot d'acier lui-même a une bonne plasticité, ou même présente des fissures transversales locales, les fissures peuvent être émoussées et aplaties par déformation plastique locale.

Étant donné que le rayon de la pointe de la fissure tend vers zéro et que la contrainte de la pointe tend vers l'infini, la fissure s'étendra rapidement au cours du processus de déformation de forgeage ultérieur. Par conséquent, qu'il s'agisse d'une fissure transversale ou d'une fissure longitudinale, si la fissure est relativement pointue, elle doit être éliminée à temps pour éviter le développement de fissures lors du forgeage continu, provoquant une déchirure et une mise au rebut sévères du lingot d'acier.

Conclusion

Les fissures de forgeage dans les lingots d'acier de laminage de secours sont dans la plupart des cas causées par une combinaison de facteurs. La raison fondamentale des fissures est que la contrainte à la source de la fissure dépasse la limite de résistance de l'acier à cet endroit et dans les conditions de travail. Par conséquent, afin de prévenir les fissures, la gestion doit être renforcée, en commençant par la conception et le contrôle de la composition de l'acier, en contrôlant strictement les inclusions dans l'acier, en contrôlant strictement les processus de coulée, de refroidissement et de chauffage des lingots d'acier et en formulant un processus de forgeage raisonnable.