Меры по снижению образования трещин при ковке в стальных слитках опорных валков

Аннотация: Ввиду серьезной проблемы ковочных трещин, возникающих в стальных слитках опорных валков, анализируются факторы, влияющие на качество поверхности стального слитка, и причины ковочных трещин с точки зрения состава, плавки, литья слитка, извлечения из формы, горячей подачи, нагрева и ковки. Также были предложены меры по уменьшению ковочных трещин в стальных слитках.

Ключевые слова: Резервный рулон стальной слиток; трещина при ковке; напряжение

В процессе ковки резервный рулон стальные слитки, видимые трещины на поверхности тела слитка всегда были проблемой, которая беспокоила техников. Если дефекты трещины незначительны, их можно спасти с помощью продувки кислородом или пламенной очистки. Если дефект трещины серьезный, его сразу же отправят на слом, что приведет к серьезным экономическим потерям. В этой статье проводится предварительный анализ факторов, приводящих к поверхностным трещинам на стальном слитке опорного валка с теоретической точки зрения, и ищутся эффективные методы контроля.

Обзор трещин

Стальные слитки с опорным роликом часто имеют гладкие трещины во время осадки, поперечные трещины возникают во время KD, и даже трещины появляются при нажатии зажима. Поскольку процесс снятия фаски с больших стальных слитков был отменен, тело слитка еще не было проковано перед осадкой. Чтобы определить, были ли трещины вызваны самим стальным слитком или ковкой или нагревом, мы тщательно проверяли качество поверхности стального слитка в течение всего процесса от извлечения из формы, горячей транспортировки до ковки. Было обнаружено, что некоторые стальные слитки имели мелкие поперечные трещины или гладкие трещины на поверхности после извлечения из формы. Некоторые стальные слитки, которые не имели поверхностных трещин до попадания в нагревательную печь, имели мелкие прямые линии или мелкие горизонтальные трещины на поверхности тела слитка при нажатии зажима. Можно определить, что некоторые из трещин, которые возникли во время процесса ковки стальных слитков, существуют в самих стальных слитках, но не были обнаружены. Поскольку фаска отсутствует, большинство трещин, которые существуют в отверстии пресс-зажима, скрыты под оксидной окалиной. В то же время некоторые из трещин тонкие и короткие, что затрудняет их подтверждение.

Определенно, что формы трещин и время их появления различны, и причины должны быть разными. Факторы, влияющие на качество поверхности стальных слитков, и причины образования кузнечных трещин анализируются по отдельности, исходя из состава, выплавки, литья слитков, выемки из формы, горячей подачи, нагрева и ковки, и предлагаются меры по уменьшению образования кузнечных трещин в стальных слитках.

Анализ производственного процесса

Химический состав

В условиях массового производства трещины концентрируются на стальных слитках опорных валков, изготовленных из YB-65, YB-70 и YB-75. У YB-75 самая высокая скорость трещин, за ним следует YB-65. YB-70 и YB-75 изготовлены из Cr5, YB-65 изготовлен из Cr4, содержание углерода в YB-65 и YB-75 составляет 0,45% ~ 0,55%, а содержание углерода в YB-70 составляет 0,48% ~ 0,58%. Эти три материала можно рассматривать как добавление легирующих элементов к среднеуглеродистой стали. Стойкость к горячим трещинам литой структуры материалов из среднеуглеродистой стали с содержанием углерода от 0,4% до 0,6% относительно низкая. Среднеуглеродистые стальные слитки из таких материалов, как 42CrMo и 45 с тем же содержанием углерода в этом диапазоне также будут иметь серьезные трещины во время ковки, но производственная партия мала и не привлекает внимания. Фактическая статистика состава показывает, что содержание углерода в YB-70 выше, чем в YB-65 и YB-75, а содержание Mn в YB-65 выше, чем в YB-75. Это показывает, что элементы C и Mn влияют на стойкость к горячим трещинам этих трех материалов опорных роликов и оказывают определенное влияние на образование трещин в стальных слитках. Поэтому, при условии, что диапазон спецификаций состава остается неизменным, использование методов вычислительного материаловедения для проектирования и корректировки состава сплава поможет снизить тенденцию к трещинам стального слитка опорного ролика. Кроме того, Cu, Pb, Sn, As и другие элементы и их соединения обогащаются в границах зерен, снижая прочность границ зерен. Это также является одной из причин возникновения трещин. Содержание указанных элементов, поступающих с сырьем и стальным ломом, должно строго контролироваться.

Плавка и литье слитков

Выплавка

Высокое содержание водорода, кислорода, азота, фосфора, серы и неметаллических включений в стали в разной степени снижает прочность и пластичность стали. Поэтому руды, плавиковый шпат и ферросплавы должны быть хорошо прокалены, а порошок ферросилиция, алюминиевый порошок, порошок силиката кальция, электродный порошок и углеродный порошок должны быть высушены, и в сезон дождей требуются строгие требования. В частности, известь должна быть тщательно обожжена, и следует принять меры для предотвращения попадания влаги во время транспортировки и хранения, чтобы гарантировать, что время выхода из печи не превышает 24 часов. Усилить операцию окисления, чтобы гарантировать, что обезуглероживание будет не менее 40%, чтобы обеспечить интенсивность обезуглероживания и сформировать хорошую расплавленную ванну, что способствует всплыванию и устранению включений. Кроме того, количество добавляемого алюминия должно строго контролироваться, а содержание азота должно быть максимально снижено. Слишком много алюминия приведет к растрескиванию поверхности осаждения AlN во время ковки.

Литье слитков

(1) Температура заливки

С помощью статистики данных было установлено, что при постоянной скорости заливки и слишком высокой температуре заливки стальной слиток склонен к трещинам. Это происходит потому, что при условии, что охлаждающая способность стальной изложницы остается неизменной, повышение температуры заливки приводит к тому, что слой холода слитка становится тоньше. Под действием статического давления расплава возникают такие проблемы, как растрескивание и выход включений в расплавленную сталь. В то же время, если температура заливки слишком высокая, стальной слиток легко приваривается к стальной изложнице, что затрудняет извлечение из формы и делает стальной слиток склонным к трещинам. Во-вторых, при высокой температуре заливки градиент температуры на фронте затвердевания большой, поэтому двухфазная область твердое тело-жидкость узкая, первичные дендриты в двухфазной области короткие, а расстояние между первичными дендритами также мало. Поэтому линейная усадка боковой поверхности, вызванная внутренней усадкой всей оболочки стального слитка, велика. Если продольная усадка затруднена, легко образуются поперечные трещины. Если поперечная усадка затруднена, тенденция к образованию гладких трещин больше. Кроме того, если температура заливки слишком высока, огнеупорный материал будет серьезно эродирован, а включения в стали увеличатся.

(2) Скорость заливки

Успокоенная сталь, как правило, довольно чувствительна к поверхностным трещинам, поэтому ее следует разливать медленно и соответствующим образом, но при этом следует обеспечить всплывание неметаллических включений. Скорость разливки следует регулировать в соответствии с температурой разливки. При высокой температуре разливки применяют медленную разливку. Напротив, при низкой температуре разливки разливку следует производить быстро. Это связано с тем, что медленная разливка эквивалентна понижению температуры расплавленной стали, а быстрая разливка эквивалентна повышению температуры расплавленной стали в форме. Для того чтобы контролировать скорость впрыска в указанном диапазоне, необходимо не допускать расширения сопла. Стальные слитки, изготовленные из опорных роликов, чувствительных к трещинам, необходимо разливать равномерно и медленно, чтобы утолщать охлаждающий слой стального слитка, ослаблять конвекционную циркуляцию стального слитка, замедлять статическое давление расплавленной стали и предотвращать возникновение горячих трещин.

(3) Система литников

Вся система заливки должна быть чистой, а обжиг должен быть усилен, чтобы предотвратить попадание в жидкую сталь неметаллических включений, таких как огнеупорные материалы. Когда на поверхности и под поверхностью стального слитка сосредоточены неметаллические включения, угроза появления трещин в стальном слитке наибольшая.

Для всего слитка могут быть приняты следующие меры:

1) Для изготовления ковша используйте огнеупорные материалы с хорошей шлакостойкостью.

2) После того, как стальная слиток будет опущена в вакуумную камеру, убедитесь, что центральное положение выровнено, чтобы избежать локального истончения охлаждающего слоя, вызванного эксцентричной заливкой стального слитка.

3) Строго контролируйте температуру и скорость впрыска, добивайтесь действительно медленного впрыска при высоких температурах и быстрого впрыска при низких температурах, чтобы поддерживать постоянный подъем расплавленной стали.

4) Летом температура стальной изложницы перед заливкой не должна быть слишком высокой, и в то же время следует избегать чрезмерной разницы в толщине закалочного слоя стального слитка, вызванной неравномерностью температур в стальной изложнице.

5) Между изоляционным колпаком и стальной изложницей поместите асбестовый канат, чтобы предотвратить проникновение стали в зазор и вызвать зависание и препятствовать продольной усадке. Под действием силы натяжения веса слитка, выступающий конец тела стального слитка потянет за собой слабую часть слоя охлаждения, что приведет к образованию поперечных трещин.

6) Обратите внимание на шлифовку нижней поверхности стальной изложницы, чтобы избежать подгорания кислорода у сопла стального слитка, а также чтобы избежать образования поперечных трещин на сопловом конце тела слитка из-за неплотного соединения изложницы с шасси и проникновения расплавленной стали с образованием грата, препятствующего продольной конденсационной усадке стального слитка.

7) Усильте шлифовку внутренней стенки изложницы. Если она слишком грубая и имеет серьезные трещины и раковины, это будет препятствовать усадке стального слитка и приводить к трещинам.

Охлаждение и извлечение стальных слитков из форм

Когда стальной слиток остывает, внутренний и внешний слои не затвердевают одновременно. Когда внешний слой затвердевает в оболочку, незатвердевшая расплавленная сталь внутри оказывает статическое давление на внешнюю стальную оболочку, пытаясь разорвать оболочку. В то же время, во время процесса затвердевания стального слитка, поскольку температура поверхностного слоя падает быстрее, чем температура внутреннего, между внутренним и внешним слоями возникает большая разница температур. Эта разница приводит к тому, что объемная усадка внутреннего и внешнего слоев стального слитка становится непоследовательной. Часть поверхностного слоя, которая усаживается первой, должна быть затруднена неусадочной частью внутреннего слоя, чтобы создать термическое напряжение. Кроме того, когда сталь охлаждается до 650 °C, происходит структурное преобразование, сопровождающееся внезапным расширением объема. Из-за существования разницы температур между внутренней и внешней частями это объемное расширение неизбежно не будет происходить одновременно. Например, поверхностная ткань трансформировалась, и объем сокращается в соответствии с нормальным процессом охлаждения, в то время как происходит внутренняя трансформация ткани, и объем расширяется. Расширенный внутренний слой неизбежно даст поверхностному слою очевидное растягивающее напряжение. Когда сумма этих трех напряжений превышает прочность границ зерен, в стальном слитке возникнут трещины. Трещины часто появляются под коркой стального слитка и будут расширяться в поверхностные трещины во время ковки. Поэтому необходимо избегать преждевременного извлечения стальных слитков из формы и устранять термическое напряжение, вызванное усадкой объема при охлаждении слитка и падении температуры, и структурное напряжение, вызванное структурным преобразованием посредством медленного охлаждения. Меры, которые можно принять, включают:

(1) Следует указать разумное время извлечения из формы, чтобы обеспечить возможность извлечения стального слитка из формы после фазового перехода.

(2) После распалубки не допускайте попадания дождя или влаги.

Горячая доставка и нагрев стальных слитков

В реальном производстве, когда большие стальные слитки транспортируются в печь в горячем состоянии, температура поверхности стального слитка (одна треть расстояния от конца стояка тела слитка) трудно превышает 650 °C, и поверхностный слой стального слитка в основном может быть идентифицирован. В частности, структурное превращение произошло на конце сопла стального слитка. Во время нагрева поверхностные трещины будут ограничены глубиной границ зерен аустенита и не будут проникать глубоко внутрь вдоль границ зерен, где обогащены включениями. Стальные слитки с температурой поверхности более 550 °C можно напрямую нагревать в высокотемпературной печи. На ранней стадии нагрева теплопередача излучением и конвекцией в печи особенно сильна, и температура поверхности стального слитка быстро растет. На более поздней стадии, по мере увеличения температуры поверхности стального слитка, теплопередача излучением и конвекцией уменьшается, и скорость роста температуры поверхности стального слитка замедляется. Так как конец сопла горячего стального слитка находится на 100-150°C ниже конца стояка, а диаметр конца сопла небольшой, конец сопла нагревается быстрее всего и выдерживает наибольшее термическое напряжение, вызванное разницей температур. Когда стальной слиток нагревается примерно до 750°C, произойдет фазовое превращение, вызывающее структурное напряжение. В то же время пластичность стального слитка низкая при 550-750°C. Если скорость нагрева слишком высока, будут накладываться огромные термические напряжения и структурные напряжения, вызывая гладкие трещины на поверхности стального слитка. Когда стальной слиток нагревается до 750-1200°C, пластичность металла резко возрастает, а структурное напряжение и термическое напряжение исчезают. Меры, которые можно принять, включают:

(1) Горячая доставка стальных слитков и загрузка печей во избежание задержек.

(2) Когда поверхность стального слитка нагревается до 750°C, скорость должна быть как можно ниже, чтобы избежать чрезмерного напряжения.

(3) Горячетранспортируемый стальной слиток нагревается после фазового превращения, чтобы снизить опасность включений и микроскопических усадочных раковин за счет улучшения рекристаллизованных столбчатых кристаллов.

(4) Температура нагрева осадочного огня увеличивается до 1270°C для полного растворения выделенной фазы, улучшения микросегрегации, гомогенизации структуры и улучшения пластичности литой структуры стального слитка. Однако необходимо контролировать максимальную температуру нагрева (температуру печи), чтобы она не превышала 1270°C, чтобы избежать пережога и не оставаться при высокой температуре слишком долго.

Ковка

Для стальных слитков с опорным роликом, материал которых склонен к трещинам, следует восстановить фаску в зазоре пресса. Из-за небольшой деформации поверхности, сварки могут существовать дефекты, такие как подкожные микротрещины на поверхности стального слитка, и в то же время поверхностный металл переходит из литого состояния в кованое состояние, а высокотемпературная пластичность значительно улучшается, так что поверхность стального слитка не будет давать трещин во время осадки. Фаска также может удалить окалину оксида железа с тела слитка и как можно скорее обнаружить трещины, скрытые под окалиной оксида железа. Если на поверхности есть гладкие трещины длиной более 100 мм, их необходимо удалить одну за другой путем продувки кислородом, чтобы предотвратить расширение и углубление трещин во время процесса осадки.

В процессе осадки трещины часто появляются на вогнутых поверхностях между краями стального слитка. Направление распространения трещины прямое или наклонное примерно под углом 45°, или комбинация того и другого. Это связано с тем, что после заливки стального слитка края стального слитка имеют хорошие условия для рассеивания тепла и быстрого охлаждения. Слой холода толще вогнутой поверхности между краями, которая действует как «ребро усиления». Во время осадки некоторых стальных слитков трещины уже появляются до того, как становится очевидной форма барабана. Трещины в основном возникают на конце сопла тела слитка, за которым следует средняя часть тела слитка (максимальный диаметр формы барабана), и трещины редко появляются на конце стояка тела слитка.

Из-за влияния трения между торцевой поверхностью сопла стального слитка и осадочной накладкой (или наковальней) при осадке и разницы в радиусе поперечного сечения стального слитка, стальной слиток при осадке деформируется неравномерно, и в осевом направлении стального слитка создается большое сжимающее напряжение. Из-за неравномерной деформации в периферийной зоне деформации на боковой поверхности стального слитка возникают окружные (тангенциальные) растягивающие напряжения. Напряжение действует перпендикулярно направлению кристаллизации и становится больше ближе к поверхности. При этом радиальное сжимающее напряжение ослабевает и становится меньше ближе к поверхности. Деформация осадки осуществляется выше температуры равнопрочности металла, а зернограничная деформация большая. В то же время из-за хорошо развитых столбчатых зерен стальных слитков на границах зерен часто скапливается большое количество металлургических дефектов, неметаллических включений и микроскопических усадочных раковин, что разделяет столбчатые границы зерен и значительно снижает способность связывания между зернами. Макроскопическое проявление заключается в том, что пластичность области столбчатых кристаллов низкая. Когда растягивающее напряжение достаточно велико, столбчатые включения по границам зерен будут вызывать межзеренное растрескивание, образуя микротрещины, которые затем расширяются и соединяются, образуя крупные трещины, которые перпендикулярны поверхности. Если скорость деформации осадки низкая, трещины могут расширяться только в столбчатой зоне и не могут распространяться в зону высокой пластичности на поверхности. Во время осадки максимальное напряжение сдвига возникает в направлении под углом 45° к оси, поэтому область низкой пластичности, богатая включениями на поверхности стального слитка, склонна к косым трещинам под углом 45°. Кроме того, трещины напряжения, существующие в самом стальном слитке, также будут расширяться наружу к поверхности стального слитка под действием дополнительного растягивающего напряжения. По мере увеличения степени обжатия, форма получаемого барабана будет неизбежно постепенно увеличиваться, что приведет к увеличению окружного растягивающего напряжения на боковой поверхности. Напряженное состояние на имеющихся микродефектах на внешней стороне наибольшего сечения барабана достигает критического значения, появляются микроскопические трещины, а продолжающаяся осадка вызывает продольные трещины на боковой поверхности. Могут быть приняты следующие меры:

(1) Поскольку целью осадки является увеличение коэффициента ковки для следующего этапа удлинения и уплотнения, эффект уплотнения очень мал. При формулировании процесса ковки лучше не применять деформацию осадки и отдать приоритет типу слитка с длиной стального слитка и коэффициентом ковки больше 3, например, формулируя процесс производства двух деталей из одного слитка.

(2) Стальной слиток возвращается в печь для нагрева, когда температура неравномерна. Поскольку температура каждой части неравномерна, пластичность каждой части различна, а эффект выравнивания во время деформации вызывает локальные разрывы.

(3) При разработке процесса ковки следует учитывать, что величина обжатия должна быть меньше допустимого диапазона пластичности материала.

(4) Стальной слиток нагревают до максимально допустимой для материала температуры, чтобы снизить давление, необходимое для осадки.

(5) При осадке скорость прессования должна быть как можно ниже, а максимальная мощность гидравлического пресса не должна использоваться для осадки.

(6) Используйте вогнутую высадочную крышку для высадки. В процессе высадки вогнутой высадочной крышки увеличение диаметра конца почти полностью вызвано переворачиванием бокового металла, а дополнительное растягивающее напряжение на внешней поверхности конца сопла меньше, чем у плоской высадочной крышки.

При вытягивании KD на боковой поверхности появляются поперечные трещины. Можно считать, что при большом количестве подачи и обжатия деформация центральной части оси большая, а боковая поверхность подвергается большему растягивающему напряжению вдоль осевого направления. Поскольку передняя и задняя стороны зоны деформации не соприкасаются с поверхностью наковальни, влияние сопротивления трения очень мало. Если это зона низкой пластичности, где включения относительно сконцентрированы, легко вызвать поверхностные поперечные трещины. Основной контрмерой является надлежащий контроль количества и скорости обжатия и невозможность использования максимальной мощности гидравлического пресса для вытягивания длины. Во время KD, если поверхность стального слитка сама по себе имеет хорошую пластичность или даже имеет локальные поперечные трещины, трещины могут быть притуплены и сглажены посредством локальной пластической деформации.

Поскольку радиус вершины трещины стремится к нулю, а напряжение вершины стремится к бесконечности, трещина будет быстро расширяться в ходе последующего процесса деформации ковки. Поэтому, будь то поперечная трещина или продольная трещина, если трещина относительно острая, ее необходимо удалить вовремя, чтобы избежать развития трещин при дальнейшей ковке, что приведет к сильному разрыву и лому стального слитка.

Заключение

Трещины ковки в стальных слитках опорных валков в большинстве случаев вызваны совокупностью факторов. Основной причиной трещин является то, что напряжение в источнике трещины превышает предел прочности стали в этом месте и в рабочих условиях. Поэтому для предотвращения трещин необходимо усилить управление, начиная с проектирования состава и контроля стали, строго контролируя включения в стали, строго контролируя процессы заливки, охлаждения и нагрева стальных слитков и формулируя разумный процесс ковки.