孟翔熙,張玉明
(撫順新鋼鐵有限責(zé)任公司,遼寧撫順113001)
高爐開(kāi)口用釬桿是出鐵的必備工具。在高爐開(kāi)口機(jī)鑿開(kāi)鐵口的過(guò)程中,是靠開(kāi)口釬頭旋轉(zhuǎn)切削和沖擊破碎打開(kāi)出鐵口。其中,高爐開(kāi)口機(jī)旋轉(zhuǎn)扭矩和沖擊力靠高爐開(kāi)口機(jī)釬桿傳遞給釬頭。高爐開(kāi)口機(jī)釬桿工作環(huán)境和受力狀態(tài)是十分復(fù)雜的,其一端承受著高爐開(kāi)口機(jī)較高的扭矩和沖擊負(fù)荷,而另一端將鉆入高溫出鐵口爐體內(nèi),沖擊載荷以沖擊循環(huán)應(yīng)力波的方式在釬桿內(nèi)傳播。
當(dāng)前,高爐開(kāi)口機(jī)方面,各鋼鐵公司都為提高生產(chǎn)效率而加大爐前設(shè)備的自動(dòng)化改造力度,高爐開(kāi)口機(jī)鑿巖機(jī)已開(kāi)始從人工、氣動(dòng)小功率開(kāi)口機(jī)向機(jī)電液一體化高沖擊能、具有沖擊、旋轉(zhuǎn)和正反打功能發(fā)展。高爐開(kāi)口機(jī)沖擊功可以高達(dá)300J以上,沖擊頻率達(dá)到近4000次/min,旋轉(zhuǎn)扭矩近400N·m。在爐體出鐵口堵材上,高強(qiáng)度無(wú)水炮泥的使用愈來(lái)愈普遍,鐵口爐體強(qiáng)度也不斷提高。
隨著國(guó)家鋼鐵行業(yè)的持續(xù)發(fā)展,高爐的數(shù)量在不斷增加,300m3以上的高爐都在使用高爐開(kāi)口釬,需求量在7000~8000噸/年,部分出口到印度、日本、韓國(guó)等地。材質(zhì)要求:40MnB、40CrMnMo、45Mn、45Mn2、55SiMnMo、35SiMnMoV、T8、40Mn2、60Si2Mn等。
高爐開(kāi)口釬按外形主要分為六角形高爐開(kāi)口釬和圓形高爐開(kāi)口釬。六角形高爐開(kāi)口釬分實(shí)芯和空芯;圓形高爐開(kāi)口釬分實(shí)芯和空芯。
采用GB/T1301-2008《鑿巖釬桿用中空鋼》;部分采用協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)或生產(chǎn)單位的內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)。規(guī)格及代號(hào)見(jiàn)表1?;瘜W(xué)成分要求見(jiàn)表2。
鋼材表面不得有裂紋、結(jié)疤、夾雜、折疊缺陷;表面上的局部缺陷應(yīng)予清除,清除深度從公稱(chēng)尺寸算起應(yīng)不大于該尺寸的公差;深度小于尺寸公差之半的個(gè)別劃痕、壓痕、麻點(diǎn)可不清除。硬度要求及脫碳層要求見(jiàn)表3、表4。
表1
表2
表3
表4
高爐開(kāi)口釬的主要生產(chǎn)工藝有以下三種:鉆孔法、鑄管法、熱穿-熱拔法。
我公司生產(chǎn)高爐開(kāi)口用釬工藝為熱穿-熱拔法,具體工藝流程見(jiàn)圖1。
圖1 高爐開(kāi)口釬工藝流程
中空鋼是制造釬具的原料,屬于半成品,主要需求對(duì)象為釬具加工廠,市場(chǎng)分布零散,沒(méi)有需求較集中的地區(qū)。由于近幾年釬具行業(yè)內(nèi)幾個(gè)主要企業(yè)的激烈競(jìng)爭(zhēng),使得沒(méi)有冶煉和軋制能力的釬具特鋼加工廠紛紛倒閉或停產(chǎn),主體釬具廠重型釬具產(chǎn)量以每年30%速度增加,因此中空鋼的客戶(hù)數(shù)量呈現(xiàn)小幅上升趨勢(shì)。
建龍集團(tuán)內(nèi)部各個(gè)鋼鐵子公司對(duì)高爐開(kāi)口釬的需求情況如下:
撫順新鋼鐵有限責(zé)任公司需求情況,見(jiàn)表5。黑龍江建龍高爐開(kāi)口釬需求情況,見(jiàn)表6。唐山建龍高爐開(kāi)口釬需求情況,見(jiàn)表7。承德建龍高爐開(kāi)口釬需求情況,見(jiàn)表8。國(guó)內(nèi)主要地區(qū)中空鋼及高爐開(kāi)口釬用量分布,見(jiàn)表9。
表5 撫順新鋼鐵高爐開(kāi)口釬需求情況
表6 黑龍江建龍高爐開(kāi)口釬需求情況
表7 唐山建龍高爐開(kāi)口釬需求情況
表8 承德建龍高爐開(kāi)口釬需求情況
表9 國(guó)內(nèi)中空鋼用量
為了提高開(kāi)鐵口工作效率,縮短開(kāi)鐵口時(shí)間,開(kāi)口機(jī)的扭矩和沖擊能不斷地增大;另外,為了延長(zhǎng)爐體壽命,提高鐵口穩(wěn)定性,構(gòu)筑鐵口的炮泥特性發(fā)生了較大變化,添加了碳化硅和剛玉等材料,使鐵口炮泥的強(qiáng)度明顯增強(qiáng),并在高爐爐缸的高溫條件下經(jīng)過(guò)燒結(jié)、滲鐵作用,更有利于提高炮泥的抗拉壓性能,從而使鐵口的抗壓強(qiáng)度和硬度得到顯著增加。這些變化顯著增加了開(kāi)鑿鐵口時(shí)開(kāi)口釬桿的工作負(fù)荷。
為達(dá)到高爐開(kāi)口機(jī)鑿巖機(jī)的性能要求,高爐開(kāi)口機(jī)釬桿必須具有高的強(qiáng)度和良好的沖擊韌性。而為了使鑿入高溫爐體內(nèi)并被加熱的釬桿不破斷,要求釬桿同時(shí)具有高的熱強(qiáng)度。
為保證使用壽命,我公司基本采用55SiMnMo鋼制造高爐開(kāi)口機(jī)釬桿。而隨著鉬鐵價(jià)格的上漲,造成55SiMnMo高爐開(kāi)口機(jī)釬桿制造成本和使用成本提高。
針對(duì)上述問(wèn)題,通過(guò)分析高爐開(kāi)口機(jī)用釬具承受載荷特性及其工作環(huán)境,參照現(xiàn)用55SiMnMo組織和性能特點(diǎn),確定高爐開(kāi)口機(jī)釬具性能要求和使用組織要求;綜合機(jī)械性能和制造工藝,以及降低材質(zhì)成本和高爐開(kāi)口機(jī)釬桿制造成本等多方面考慮,采用45#鋼作為研究對(duì)象。45#鋼化學(xué)成分,見(jiàn)表10。
GB/T699-1999標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的45#鋼推薦熱處理制度為850℃正火、840℃淬火、600℃回火,達(dá)到的性能為屈服強(qiáng)度≥355MPa。
表10 45#鋼化學(xué)成分
GB/T699-1999標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定45#鋼抗拉強(qiáng)度為600MPa,屈服強(qiáng)度為355MPa,伸長(zhǎng)率為16%,斷面收縮率為40%,沖擊功為39J,硬度最佳狀態(tài)為HRC30-40。
45#鋼機(jī)械性能良好,廣泛用于運(yùn)動(dòng)零件,如空氣壓縮機(jī)、泵的活塞,蒸汽渦輪機(jī)的葉輪,重型機(jī)械的軸、蝸桿、齒輪等等,表面耐磨的零件如曲軸、機(jī)床主軸、滾筒,較高強(qiáng)度的工具等等。
45#鋼是中碳結(jié)構(gòu)鋼,冷熱加工性能都不錯(cuò),機(jī)械性能好,且價(jià)格低、來(lái)源廣,應(yīng)用廣泛。它的最大弱點(diǎn)是淬透性低,截面尺寸大和要求比較高的工件不宜采用。
45#鋼的調(diào)質(zhì)處理就是指淬火加高溫回火的雙重處理手段。調(diào)質(zhì)處理后具有較高的范性和韌性,強(qiáng)度也較高,廣泛應(yīng)用于要求高強(qiáng)度并受沖擊或交變載荷的重要工件。
4.4.1 淬火冷卻過(guò)程分析
(1)淬火時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力
①熱應(yīng)力:鋼快速冷卻過(guò)程中表層先冷,中心后冷,始終存在表心溫差,在冷卻初期表層溫度下降較快,表層較大的收縮受到心部的牽制,表層產(chǎn)生拉應(yīng)力,心部產(chǎn)生壓應(yīng)力。
②組織應(yīng)力:鋼淬火時(shí)的組織應(yīng)力主要是由于溫差造成馬氏體轉(zhuǎn)變時(shí)間差而引發(fā)的。表面處于Ms點(diǎn)以下,而心部尚處于Ms點(diǎn)以上,表層形成馬氏體發(fā)生體積膨脹受到未轉(zhuǎn)變的心部牽制,在表面產(chǎn)生壓應(yīng)力,心部產(chǎn)生拉應(yīng)力。
③淬火鋼中的殘留應(yīng)力
不同因素對(duì)淬火鋼中內(nèi)應(yīng)力的影響見(jiàn)表11。
表11
(2)淬火裂紋
①縱向裂紋:又稱(chēng)為軸向裂紋,是典型的組織應(yīng)力引發(fā)的裂紋,由表面向內(nèi)開(kāi)裂,裂紋深而長(zhǎng),常發(fā)生于淬透的工件。
②橫向裂紋或弧狀裂紋:裂紋經(jīng)常發(fā)生于工件尖角處,未淬透的工件在過(guò)渡區(qū)易產(chǎn)生拉應(yīng)力峰值,此類(lèi)裂紋常萌生于一定深度的表層或工件內(nèi)部。
③內(nèi)孔縱向裂紋:鋼的淬透性足夠大時(shí)內(nèi)孔表面的內(nèi)應(yīng)力以組織應(yīng)力為主,切向拉應(yīng)力較大,易在內(nèi)孔壁面上形成沿縱向分布的裂紋。
④截面薄厚懸殊引起的淬火裂紋:冷卻時(shí)在薄厚相差懸殊的部位馬氏體相變的時(shí)間差很大,形成很大的組織應(yīng)力,以致產(chǎn)生裂紋。
⑤應(yīng)力集中引起的裂紋:鋼件上有尖角、缺口等存在的情況下,易在淬火時(shí)造成應(yīng)力集中而產(chǎn)生的裂紋,尤其是在應(yīng)力集中截面尺寸急劇變化的共同作用下,淬裂的可能性更大。
(3)影響淬火畸變的因素
①鋼的成分和原始組織:鋼的導(dǎo)熱率、淬透性、Ms點(diǎn)溫度、馬氏體相變的體積增量及熱彈塑性力學(xué)行為等都和奧氏體化學(xué)成分和奧氏體化溫度有關(guān),對(duì)鋼的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力以及它們所引起的變形有明顯影響。
②零件的尺寸和形狀:零件的尺寸變化直接影響到淬硬深度,影響到淬火應(yīng)力分布。隨著工件壁厚的增加,熱應(yīng)力型的畸變趨向增大,壁厚減薄,則組織應(yīng)力型的畸變趨向增大。
③熱處理工藝的影響:提高奧氏體化溫度,熱應(yīng)力和組織應(yīng)力均隨之增加,并對(duì)淬火組織中馬氏體、殘留奧氏體、碳化物等各相的比有決定性的影響,而各相的比容又互不相同,工具鋼的微變形就是通過(guò)調(diào)節(jié)奧氏體化溫度來(lái)控制畸變。
④淬火前后各種因素的綜合影響:除上面已提到的因素之外,淬火前機(jī)械加工、塑性成形、焊接及校直等都會(huì)在工件中造成殘留內(nèi)應(yīng)力。如果未經(jīng)去應(yīng)力處理,會(huì)在淬火加熱時(shí)因殘留應(yīng)力的松弛而引起畸變,此外淬火加熱時(shí)因工件放置方法不當(dāng)或夾具不良以及鋼的自重的作用也會(huì)造成顯著的畸變。
(4)淬火介質(zhì)應(yīng)具有的特性
①合適的冷卻特性,碳鋼和低合金鋼淬火冷卻到650℃之前,奧氏體還比較穩(wěn)定,允許以較慢的速度冷卻,以減少工件因內(nèi)外溫差而引起的熱應(yīng)力。在650-450℃范圍,要求有足夠快的冷卻速度(超過(guò)臨界冷卻速度),低于100℃特別是在Ms點(diǎn)以下應(yīng)緩慢冷卻,以減少組織應(yīng)力,防止過(guò)大的畸變和淬裂。
②良好的穩(wěn)定性,介質(zhì)在使用過(guò)程中性能穩(wěn)定,不易分解、變質(zhì)或老化。各種淬火油和有機(jī)物水溶液則存在不同程度的老化傾向,應(yīng)盡可能選用老化緩慢,易于維護(hù)的品種。
③冷卻均勻性,工件不同表面和部位冷卻不可能是均勻的。種種不均勻程度與淬火介質(zhì)的種類(lèi)、品種以及攪拌方式有關(guān)。
④能使工件淬火后保持清潔,不腐蝕工件。
⑤淬火時(shí)不產(chǎn)生大量的煙霧。不產(chǎn)生有毒和刺激性氣體,帶出的廢液對(duì)環(huán)境不構(gòu)成污染,符合環(huán)保的要求。
⑥不易燃、易爆,使用安全。
4.4.2 淬火溫度
45#鋼淬火溫度在A3+(30-50)℃,在實(shí)際操作中,一般是取上限的。偏高的淬火溫度可以使工件加熱速度加快,表面氧化減少,且能提高工效。為使工件的奧氏體均勻化,就需要足夠的保溫時(shí)間。如果實(shí)際裝爐量大,就需適當(dāng)延長(zhǎng)保溫時(shí)間。不然,可能會(huì)出現(xiàn)因加熱不均勻造成硬度不足的現(xiàn)象。但保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng),也會(huì)出現(xiàn)晶粒粗大,氧化脫碳嚴(yán)重的弊病,影響淬火質(zhì)量。我們認(rèn)為,如裝爐量大于工藝文件的規(guī)定,加熱保溫時(shí)間需延長(zhǎng)1/5。
因?yàn)?5#鋼淬透性低,故一般采用冷卻速度大的10%鹽水溶液。工件入水后,應(yīng)該淬透,但不是冷透,如果工件在鹽水中冷透,就有可能使工件開(kāi)裂,這是因?yàn)楫?dāng)工件冷卻到180℃左右時(shí),奧氏體迅速轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體造成過(guò)大的組織應(yīng)力所致。因此,當(dāng)淬火工件快冷到該溫度區(qū)域,就應(yīng)采取緩冷的方法。由于出水溫度難以掌握,須憑經(jīng)驗(yàn)操作,當(dāng)水中的工件抖動(dòng)停止,即可出水空冷(如能油冷更好)。另外,工件入水宜動(dòng)不宜靜,應(yīng)按照工件的幾何形狀,作規(guī)則運(yùn)動(dòng)。靜止的冷卻介質(zhì)加上靜止的工件,會(huì)導(dǎo)致硬度不均勻,應(yīng)力不均勻而使工件變形大,甚至開(kāi)裂。
45#鋼調(diào)質(zhì)件淬火后的硬度應(yīng)該達(dá)到HRC56-59,截面大的可能性低些,但不能低于HRC48,不然,就說(shuō)明工件未得到完全淬火,組織中可能出現(xiàn)索氏體甚至鐵素體組織,這種組織通過(guò)回火,仍然保留在基體中,達(dá)不到調(diào)質(zhì)的目的。
4.4.3 回火溫度
45#鋼的回火溫度為在A1溫度以下加熱,使之變成穩(wěn)定的回火組織的工藝過(guò)程,此過(guò)程不僅能保證組織轉(zhuǎn)變,而且能夠消除內(nèi)應(yīng)力。回火溫度是決定回火后組織和性能的最重要因素。在選擇回火溫度時(shí),應(yīng)避開(kāi)低溫回火脆性溫度區(qū)(300℃左右)。進(jìn)行高溫回火時(shí)對(duì)于具有高溫回火脆性的材質(zhì),盡量采用600℃以上回火,保溫后采用水冷或油冷,避免出現(xiàn)高溫回火脆性。
45#鋼淬火后的高溫回火,加熱溫度通常為500-600℃,硬度要求為HRC22-34。因?yàn)檎{(diào)質(zhì)的目的是得到綜合機(jī)械性能,所以硬度范圍比較寬。不同的硬度要求需調(diào)整不同的回火溫度,如有些軸類(lèi)零件要求強(qiáng)度高,硬度要求就高;而有些齒輪、帶鍵槽的軸類(lèi)零件,因調(diào)質(zhì)后還要進(jìn)行銑、插加工,硬度要求低些。關(guān)于回火保溫時(shí)間,視硬度要求和工件大小而定,回火后的硬度取決于回火溫度,與回火時(shí)間關(guān)系不大,但必須回透,一般工件回火保溫時(shí)間總在一小時(shí)以上,截面積較小的工件可適當(dāng)降低回火保溫時(shí)間。
4.4.4 回火各階段的特點(diǎn)
①馬氏體分解,碳化物沉淀。
②滲碳體的形成。
③合金碳化物的形成二次硬化。
④殘留奧氏體的分解。
⑤回復(fù)、再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大。
4.5.1 調(diào)質(zhì)后物理機(jī)械性能要求
硬度:HRC30-40;
屈服強(qiáng)度:≥400N/mm2;
抗拉強(qiáng)度:≥750N/mm2。
圖2 物理機(jī)械性能對(duì)比直方圖
4.5.2 淬火及回火溫度
利用軋制余溫對(duì)H25中空鋼進(jìn)行淬火處理,淬火溫度830-850℃,淬火后H25中空鋼溫度300-350℃;因H25六角中空鋼截面積較小,回火溫度選為530-560℃。
4.5.3 淬火介質(zhì)
考慮到成本及H25壁薄、截面積小的因素,采用溫度20-30℃的流動(dòng)水作為淬火的冷卻介質(zhì)。
4.5.4 淬火設(shè)備及操作
制作專(zhuān)用H25中空鋼淬火設(shè)備,其要求:①底面傾角為5°;②提供流動(dòng)水裝置;③排水裝置;④最深水位30 mm;⑤最淺水位5mm;⑥紅外線側(cè)溫儀。
軋制余溫均為900-950℃,為保證淬火溫度的準(zhǔn)確性及減小淬火型變形,淬火前先空冷降溫,輔以紅外測(cè)溫儀監(jiān)測(cè)溫度;淬火操作為人工操作,由淺水區(qū)向深水區(qū)翻轉(zhuǎn),且翻轉(zhuǎn)速度要求均勻,保證中空鋼桿體均勻冷卻,降低中空鋼的形變量及內(nèi)應(yīng)力。待溫度降至要求范圍后(此過(guò)程由紅外測(cè)溫儀監(jiān)測(cè)溫度),送入冷床人工擺直并自然空冷。
4.5.5 回火操作
回火保溫時(shí)間為45分鐘,后空冷至室溫。
對(duì)未進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理和調(diào)質(zhì)處理的45#鋼H25高爐開(kāi)口釬分別取24組試樣,并對(duì)每組試樣進(jìn)行硬度、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度三項(xiàng)物理機(jī)械性能檢驗(yàn),兩種條件下產(chǎn)品的性能差異,見(jiàn)表11,表12。
表11 未調(diào)質(zhì)45#鋼H25中空鋼物理機(jī)械性能
通過(guò)數(shù)據(jù)可以看出調(diào)質(zhì)的45#鋼H25高爐開(kāi)口釬較未調(diào)質(zhì)的高爐開(kāi)口釬,平均硬度提高了HRC13.25,平均屈服強(qiáng)度提高了156.25N/mm2,平均抗拉強(qiáng)度提高了192.71N/mm2(見(jiàn)表13)。利用軋制余熱調(diào)質(zhì)處理的45#鋼H25高爐開(kāi)口釬的物理機(jī)械性能滿足了4.5.1中所設(shè)定的性能要求。
生產(chǎn)220支約3噸45#鋼經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理的H25高爐開(kāi)口試驗(yàn)釬,于撫順新鋼鐵有限責(zé)任公司煉鐵廠新一號(hào)高爐(580m3)進(jìn)行開(kāi)鐵口應(yīng)用試驗(yàn),均未出現(xiàn)扭曲、彎曲、斷裂現(xiàn)象。
表12 調(diào)質(zhì)45#鋼H25中空鋼物理機(jī)械性能
表13 45#鋼H25中空鋼物理機(jī)械性能(平均值)
通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)表可知,45#鋼H25高爐開(kāi)口釬在開(kāi)鐵口使用過(guò)程中無(wú)扭曲和斷裂現(xiàn)象,能夠滿足高爐開(kāi)鐵口使用要求。
以55SiMnMo材質(zhì)H25高爐開(kāi)口釬為例與45#鋼H25高爐開(kāi)口釬進(jìn)行成本對(duì)比分析。
通過(guò)對(duì)原材料、輔助材料、燃動(dòng)力、人工成本、附加成本、制造費(fèi)用以及工序成本的數(shù)據(jù)收集,得出兩種材質(zhì)H25高爐開(kāi)口釬的制造成本如下:
55SiMnMo材質(zhì)H25高爐開(kāi)口釬噸鋼成本:8102元/噸;
45#鋼H25高爐開(kāi)口釬噸鋼成本:5019元/噸。
45#鋼較55SiMnMo材質(zhì)噸鋼節(jié)約成本3083元/噸。
以撫順新鋼鐵高爐開(kāi)口釬使用成本對(duì)比分析為例。新鋼鐵煉鐵廠5座高爐45#鋼H25高爐開(kāi)口釬使用量約為17.1噸/月。55SiMnMo鋼B25高爐開(kāi)口釬月使用量約為16噸/月。55SiMnMo鋼H25高爐開(kāi)口釬制造成本為8102元/噸,45#鋼H25高爐開(kāi)口釬制造成本為5019元/噸。
通過(guò)以上測(cè)算分析,使用45#鋼H25 mm高爐開(kāi)口釬較55SiMnMo鋼B25高爐開(kāi)口釬可降低費(fèi)用57150元/月。
現(xiàn)45#鋼H25高爐開(kāi)口釬已經(jīng)推廣到建龍集團(tuán)內(nèi)部4家子公司(撫順新鋼鐵、黑龍江建龍、唐山建龍、承德建龍),投入使用近半年時(shí)間,每月使用總量約為70噸。質(zhì)量反映良好。
45#鋼H25高爐開(kāi)口釬生產(chǎn)成本低、使用成本低、工藝操作簡(jiǎn)單、原材料供應(yīng)渠道廣泛、調(diào)質(zhì)處理后機(jī)械性能高,在使用過(guò)程中無(wú)桿體扭轉(zhuǎn)、無(wú)斷裂現(xiàn)象,質(zhì)量穩(wěn)定,完全滿足了高爐開(kāi)口用釬的使用要求。
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