文／朱騰宇，李姣，何少龍·天津重型裝備工程研究有限公司

張鈺·東北大學(xué)

為不斷提升Cr3 材質(zhì)中厚板軋機(jī)支承輥的心部鍛造質(zhì)量，本研究特選用3000mm 級(jí)別中厚板支承輥常用的217t 鋼錠進(jìn)行有限元模擬對(duì)比研究，在對(duì)其傳統(tǒng)鍛造工藝進(jìn)行分析的同時(shí)，嘗試通過(guò)改變鍛造壓實(shí)的工藝方式，對(duì)其進(jìn)行心部鍛造質(zhì)量?jī)?yōu)化研究。根據(jù)模擬研究結(jié)果制定優(yōu)化后的鍛造工藝，并將其運(yùn)用在某鋼廠中厚板軋機(jī)支承輥的實(shí)際生產(chǎn)中，最后通過(guò)超聲波探傷對(duì)其心部質(zhì)量進(jìn)行驗(yàn)證，進(jìn)一步證實(shí)優(yōu)化后工藝的優(yōu)越性，為該類支承輥產(chǎn)品的質(zhì)量進(jìn)步打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

支承輥是金屬軋制設(shè)備上的重要部件，其工作條件惡劣，工作中受到各種周期應(yīng)力的作用，因此工作環(huán)境對(duì)支承輥的使用性能提出了很高的要求。目前我公司的鋼錠大多數(shù)采用“雙真空”冶煉澆鑄方式成形，“雙真空”即指“精煉爐真空脫氣+真空鑄錠芯棒吹氬”，所以鋼錠內(nèi)部存在疏松及縮孔等孔洞類缺陷。雖然目前冶煉技術(shù)一直在提升，但是鋼錠內(nèi)部的原始缺陷依然存在且無(wú)可避免。隨著鋼錠的增大，以往的鍛造方式很難消除鋼錠中存在的缺陷。所以需要應(yīng)用自由鍛造的方式將鋼錠內(nèi)部缺陷焊合，以提高鋼錠的綜合力學(xué)性能。

對(duì)于大部分軸類件的自由鍛工藝來(lái)講，鐓粗及壓實(shí)拔長(zhǎng)火次是相當(dāng)重要的工序，因?yàn)檫@決定著鍛造工藝能否消除或弱化鋼錠的原始內(nèi)部缺陷以及支承輥心部質(zhì)量的優(yōu)劣。對(duì)于Cr3 材質(zhì)的中厚板支承輥，我公司以往在鐓粗后采用的是上下V 型砧的鍛造輔具進(jìn)行壓實(shí)拔長(zhǎng)(以下簡(jiǎn)稱“KD 法”)。近年來(lái)，通過(guò)對(duì)支承輥產(chǎn)品鍛造過(guò)程中應(yīng)變狀態(tài)以及生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行分析，擬轉(zhuǎn)換成上平砧下平臺(tái)的鍛造輔具來(lái)進(jìn)行壓實(shí)拔長(zhǎng)(以下簡(jiǎn)稱“FM 法”)。本文通過(guò)對(duì)兩種工藝形式進(jìn)行宏觀分析，并且以數(shù)值模擬的方式對(duì)比兩種工藝形式下的鋼錠心部變形狀態(tài)，說(shuō)明了兩種方法在心部壓實(shí)效果及使用性能提升上的不同。最后應(yīng)用探傷手段對(duì)使用兩種不同壓實(shí)工藝的鍛件成品進(jìn)行超聲波探傷，并對(duì)比分析探傷結(jié)果。

KD 壓實(shí)法目前存在的問(wèn)題

壓實(shí)鍛造過(guò)程中，在保證鍛件心部高溫的前提下，應(yīng)確保鍛件外部和心部存在一定的溫度梯度。隨著溫度梯度的增大，壓實(shí)后鍛件心部的等效應(yīng)變和等效應(yīng)力均增大，心部大變形區(qū)域亦增大，有利于鍛件心部的壓實(shí)。但是在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中鍛造設(shè)備能夠提供的壓力是有限的，隨著中厚板支承輥尺寸的不同，鋼錠錠型主要分布在165t ～242t 之間。相比于FM 法，KD 法鍛造輔具與鋼錠的接觸面積較大，所以達(dá)到同等壓下量所需的壓力要大于FM 法。因此，在鋼錠表面與心部存在溫度差的情況下完成壓實(shí)，對(duì)水壓機(jī)的性能提出了較高的要求。

水壓機(jī)壓力一旦出現(xiàn)無(wú)法滿足的情況，鋼錠變形速度就會(huì)變得極為緩慢，并且隨著時(shí)間的推移，鋼錠的溫度場(chǎng)會(huì)慢慢變得不再適合鍛造，這便會(huì)導(dǎo)致鍛造火次未完成而必須將鋼錠返爐重新加熱的情況。并且目前對(duì)于中厚板支承輥的心部探傷要求愈加嚴(yán)格，如果壓實(shí)效果不夠好則會(huì)導(dǎo)致軋輥心部缺陷超標(biāo)。

模擬結(jié)果對(duì)比分析

為對(duì)比FM 法與KD 法鍛造后的心部質(zhì)量，制定模擬方案如下：選用Cr3 材質(zhì)217t 錠型的鋼錠進(jìn)行先鐓粗再壓實(shí)拔長(zhǎng)的鍛造火次模擬。為控制變量，將鍛造比同樣設(shè)計(jì)為3.0，采用同樣的初始溫度、鐓粗輔具及鐓比，并且保證鋼錠初始網(wǎng)格數(shù)一致。

坯料內(nèi)部的等效應(yīng)變是影響坯料內(nèi)部孔洞閉合的重要因素，更是衡量坯料內(nèi)部壓實(shí)效果的重要指標(biāo)。故分別截取KD 法與FM 法壓實(shí)后的等效應(yīng)變分布云圖進(jìn)行比對(duì)分析，如圖1、圖2 所示。從圖中可以看出KD 法壓實(shí)后心部的最大等效應(yīng)變?yōu)?.8，F(xiàn)M 法壓實(shí)后心部最大等效應(yīng)變?yōu)?.3，遠(yuǎn)大于KD 法的模擬結(jié)果。說(shuō)明FM 法更容易彌補(bǔ)鍛合鋼錠心部孔洞缺陷，更加有利于心部組織的再結(jié)晶和晶粒細(xì)化、提高坯料組織的均勻性以及流動(dòng)性。

圖1 KD 法壓實(shí)后鍛件等效應(yīng)變分布

圖2 FM 法壓實(shí)后鍛件等效應(yīng)變分布

國(guó)內(nèi)外各類研究表明，在研究孔洞閉合類問(wèn)題時(shí)可以通過(guò)Q-Value 法對(duì)其進(jìn)行一定程度的預(yù)測(cè)，計(jì)算公式如(1)所示。

其中σm為靜水壓力，σeq為等效應(yīng)力，εeq為等效應(yīng)變。

當(dāng)累積變形達(dá)到一個(gè)臨界值Q 時(shí)孔洞閉合，因此Q 也稱閉合因子，此時(shí)的臨界值即為閉合閥值。通過(guò)計(jì)算Q 值在模擬中的分布，來(lái)預(yù)測(cè)大型鋼錠中孔洞缺陷的閉合程度。在實(shí)際生產(chǎn)中，鋼錠內(nèi)部孔洞類缺陷無(wú)規(guī)律可言，更無(wú)固定取向性。在多道次均勻變形過(guò)程中，當(dāng)存在互相垂直的變形方式時(shí)，為了保證各種形狀、取向的孔洞充分閉合，Q 的臨界值應(yīng)取0.6。

鑒于理論計(jì)算與實(shí)際生產(chǎn)的差異，為了以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度預(yù)測(cè)實(shí)際變形，本文中將臨界值作為“趨勢(shì)性”評(píng)價(jià)指標(biāo)。即當(dāng)Q 值達(dá)到該值后，孔洞類缺陷才存在完全閉合的可能性，超過(guò)該數(shù)值并且數(shù)值越大，缺陷閉合的程度就越高。如圖3 所示，在兩組模擬鋼錠心部軸向同樣位置選取同樣數(shù)量的試點(diǎn)。

圖3 鋼錠心部截面試點(diǎn)選取

以點(diǎn)追蹤的方式將各點(diǎn)最終變形后的Q 值進(jìn)行計(jì)算，以折線圖的方式將其大小與各點(diǎn)間變化趨勢(shì)進(jìn)行繪制與對(duì)比，如圖4 所示。在圖中可以明顯看出心部Q 值最高，向兩側(cè)逐漸減小，整體變化規(guī)律與等效應(yīng)變分布圖相符。FM 法壓實(shí)的鋼錠每個(gè)試點(diǎn)的Q值都要高于KD 法壓實(shí)的鋼錠，說(shuō)明以FM 法進(jìn)行鍛造的鋼錠心部孔洞的閉合程度會(huì)更高。

圖4 KD 法與FM 法心部變形Q 值對(duì)比

為了更加直觀地比較兩種工藝形式的壓實(shí)效果，同樣在兩組鋼錠中心處選取數(shù)量相等的試點(diǎn)，如圖5所示。試點(diǎn)之間間距400mm，通過(guò)追蹤壓實(shí)前后各點(diǎn)徑向距離的變化即可更加直觀地將兩種工藝形式的壓實(shí)效果進(jìn)行比較。

圖5 鋼錠心部徑向取點(diǎn)

兩組模擬各點(diǎn)變形結(jié)束后的間距如圖6、圖7 及圖8 所示，間距對(duì)比如表1 所示。從圖表中可以看出FM 法模擬組的試驗(yàn)點(diǎn)間距更小，說(shuō)明心部壓實(shí)程度更大，進(jìn)一步印證了FM 法的優(yōu)越性。

表1 兩種工藝形式追蹤點(diǎn)間距(mm)

圖6 KD 法鍛造壓實(shí)后心部試驗(yàn)點(diǎn)徑向間距

圖7 FM 法鍛造壓實(shí)后心部試驗(yàn)點(diǎn)徑向間距

圖8 兩組工藝形式試驗(yàn)點(diǎn)間距

探傷檢測(cè)結(jié)果

通過(guò)在模擬環(huán)境下不斷調(diào)整工藝參數(shù)，本研究設(shè)計(jì)出了優(yōu)化的鍛造工藝并且應(yīng)用于217t 鋼錠進(jìn)行試制，最終精加工后對(duì)支承輥進(jìn)行探傷，目前支承輥常用的探傷標(biāo)準(zhǔn)為SN322-10-2013 標(biāo)準(zhǔn)，其中規(guī)定直徑大于1600mm的支承輥產(chǎn)品心部缺陷尺寸不得超過(guò)φ16mm。根據(jù)以往的探傷結(jié)果，KD 法鍛造的中厚板支承輥心部缺陷當(dāng)量尺寸基本在φ6mm～φ7mm范圍內(nèi)居多。

依據(jù)本公司質(zhì)量檢測(cè)中心出具的探傷報(bào)告，以FM 法進(jìn)行壓實(shí)的支承輥產(chǎn)品心部缺陷當(dāng)量尺寸維持在φ4mm ～φ5mm 之間，該結(jié)果也從實(shí)際生產(chǎn)的角度印證了FM 壓實(shí)法的可行性及優(yōu)越性。

結(jié)論

通過(guò)以上有限元模擬以及實(shí)際生產(chǎn)結(jié)果，可以得到以下結(jié)論：

⑴從等效應(yīng)變分布的角度來(lái)講，心部等效應(yīng)變相對(duì)較大的FM法更有利于鋼錠心部孔洞類缺陷的閉合，有利于提高心部變形質(zhì)量。

⑵從閉合因子Q 值的計(jì)算結(jié)果來(lái)看，F(xiàn)M 法更加有利于鋼錠心部孔洞類缺陷達(dá)到閉合狀態(tài)。

⑶從實(shí)際探傷結(jié)果能看出，F(xiàn)M 法鍛造出的成品支承輥心部殘留缺陷尺寸更小，更能滿足愈加嚴(yán)格的探傷要求，也更能保證支承輥在軋機(jī)上的安全使用。