断辊的制造原因分析

一 1997年第 1期 柳 钢 科 技 断辊的制造原因 奠运扬 T 3弓；、J7 (机械制造公司) 苒提要根据轧辊中心部位铁水凝固条件的特殊性，提出了石墨化程度的概念和计算方 法 ，用于分析铸铁轧辊的化学成分构成 ，在此基础上对我厂生产的铸铁轧辊因铸造问而发生 游离碳化物 产量后出现 各种形式的破损是正常的，但轧辊的早期破损 特别是断辊，不仅增加了轧辊的费用开支。还 降低轧机作业率，对生产成本和经济效益影响 很大。 断辊事故 的发生 ，有制造 和使 用上的原 因。有的轧辊虽然已经出厂，但实际质量还存 在着隐患。本文仅就轧辊制造方面对断辊现象 作一些原 因分析。 1 断辊观测及有关数据 1．1 宏观组 织 对 l0多支早期折断的轧辊观察发现，其 断面呈现不同程度的放射形状 ，见图 1。正常 组织如图 2。 图 1 放射形组织 孰拙 断躺 图 2 正常组织 1．2 全相分析 对其 中 3支 断辊的中心部位取样 进行 显微分析，其结果如 1。 1．3 化 学成分 上述 3支轧辊的化学成分如表 2所示。 2 断辊的化学成分分析 在我公司生产的球铁轧辊中，硅为最主 采用石英水玻璃砂，并在顶面埋上耐火砖(觅 图 3)。 (5)浇注温度控制在 1440～1460~。浇注 时 ，注口全开，上冒口二分之一高时 ，半开浇 注，同时 ，冒口加人复盖剂 ，直至浇满。 3 结 语 通过实施以上工艺，我们成功地铸造了 媒斗筛铸件。经外观检验，铸件表面光滑、平 整，无裂纹 、气孔、冷隔、浇不足等缺陷，尺寸 公差均达到要求。 孵 维普资讯 http://www.cqvip.com 柳 钢 科 技 炉号 C Si Mn P S Cr Mo Rexn Mg 93—4(一) 3．58 ． 7 O．99 0．076 O．O11 0 45 0．35 O．O57 O．087 93—69 3．4 2．08 1．13 0．064 0．0l0 0．55 0．32 0．059 0．082 3．48 1．6 0．99 0．o6 0．005 0．34 0．59 0．046 0．074 要的石墨化元素．反石墨化元素有铬、钼 、锰、 镁、稀土元素等。碳究竟以石 墨还是渗碳体形 式存在，主要取决于其他石墨或反石墨化元 素的含量。上述几种元素的石墨化系数如表 3 所 示 I 12l。 表 3 常见元素的石墨化系数 元 素 Mn Gr l M0 I№ RE，l P 共晶转变 +I 一0．2 一1．2卜0．4I-8 —8一l0． +0 l 共析转变I+1 —0．2 —1． —l_2I一 一 I+0 2 由于游离碳化物是在共晶转变过程 中形 成的，因此对断辊 的石墨化程度 (简称墨化 度 ，用 Mc表示)计算时取表 3中共晶转变的 数据。 石 墨化程度 Mc=Si一1．2Cr一0．2Mn一 0．4Mo一8Mg一(8—10)x0．834Re,n(注 ：稀土 氧化物总量折合稀土量约 ×0．834倍 ，此式忽 略非金属夹杂物污染的影响)。其中 Mc>0时 为石墨化 ，Mc<0时为反石墨化，Mc=0时石 墨化与反石墨化处于平衡状态。 根据上式对表 1中 3支断辊的墨化度进 行计算，其结果如表 4。由此可见 ，轧辊铁水呈 反石墨化状态。 表 4 断辊的石墨化程度 炉号 墨化度 ，％ 93—4(一 ) 一0．25～一0．35 93—69 +O．0l6一 一0．082 — 0．34一一0．42 需要的是 ．对于一般的铸铁件 ，影响 其组织形成的因素除化学成分外，还有冷却 条件、孕育作用等，单纯的石墨化程度计算， 意义不大。由于轧辊属厚实铸件 ，凝固时间较 长，加上我公司采用一般 的铁水孕育，易 发生孕育衰退现象，因此，冷却速度和孕育等 因素对轧辊中心部位的组织和性能影响很 小，而化学成分起着决定的作用。在这种情况 下 ，通过石墨化程度计算来分析轧辊的化学 成分构成显得较为重要。 3 断辊的放射形组织的形成原因 我公司生产的铸铁轧辊属亚共晶铸铁。 当铁水结晶时，初生奥氏体首先呈树枝状析 出，然后进行共晶反应 。轧辊中的硅增大结晶 温度区间 ，而其它反石墨元素却减少共晶结 晶温度区间。由以上的墨化度计算可以看出， 断辊的石墨化元素硅抵 消不了镁 、稀土、铬、 锰等元素的反石墨化作用 ，引起铁水过冷： 轧辊中心含石墨化元素越低 ，反石墨化 越低 ，则铁水过冷度越大 ，在初生奥氏体树枝 状晶体之间析出的游离碳化物量就越多。由 于奥氏体树枝状结晶具有方向性 ，所 以游离 碳化物的析出也具有方向性 ，呈经向分布。当 游离碳化物达到一定数量 (如 20～帅％)时， 在光线照射下 ，碳化物反光性很强，轧辊断口 呈现出放射形特征，结晶过程如图 3所示。 c d 图 3 放射形组织的形式过程示意图 ④ ④ ④ 维普资讯 http://www.cqvip.com 1997年第 1期 由于轧辊 中心部位有大量的游离碳化物 存在 ，因此其强度很低 ，脆性大 ，易折断 这样 的轧辊使用寿命很短 ，严重影响轧钢生产。 4 元素偏析的形成及其对断辊的影响 通过对轧辊进行化学成分分析，发现台 金元素尤其是稀土元素有严重的偏析现象。 偏析和元素的扩散有关，在介质固定的 条件下 ，扩散速度取决于扩散物质和温度。扩 散物质的化学成分 和物理性能中对 于扩散影 响最大的是物质的原子半径。原子半径大，移 动时所受阻力就大 ，需要的能量就多，不易扩 散。同时温度越低，越不易扩散。稀土元素的 原子半径较大 铸铁轧辊 的结 晶有一定的过程。当结晶 速度大于元素的扩散速度时 ，便使得初次析 出的 固相与液相的成分不同，引起偏析。同 时，由于球墨铸铁轧辊的共晶转变温度范围 较宽 ，结晶范围较大，加剧了元素偏析的趋 势。 偏析的结果 ，使台金分布不均匀，尤其是 其中的低熔点成分浓集在未凝固的轧辊中心 部位 ，被生长着的共晶团所推移 ，最后便富集 于共晶团晶界上 。经测定 ，晶界上的稀土元素 含量和锰量比晶烂 内高出 3～4倍 l。因此，实 际上断辊中心部位的反石墨化作用要 比上面 的计算结果还要严重。也就是说 ，由于稀土等 合金元素的偏析 ，在轧辊中心部位形成更多 的游离碳化物而使轧辊强度进一步降低。 5 球化剂对断辊的影响 我公司过击使用轻稀土镁硅台金作球化 剂熔炼轧辊铁水，为了保证球化效果 ，铁水的 稀土、镁 残 留 量 要 求较高，分别为 0．03～ 0．。4％和0．05～0．07％。这样高的稀土、镁残 留量加上其它反石墨化元 素 的作用 ，需 要 2．O％左右的硅来抵消 ，而且很容易引起偏 析。硅量偏高又容易引起辊身硬度和耐磨性 降低的问题。生产因素不稳定时 ，还会出现如 表 2的出格成分而生成 大量的游离渗碳体从 而降低了轧辊的使用性能。 针对以上问题 ，我公司 1994年以来采用 钇基重稀土镁硅台金作球化剂生产轧辊，由 于该球化剂的球化效果及抗球 化衰退能力均 优于轻稀土镁硅球化剂 ，因此铁水要求的稀 土镁残留量比较低 。 用钇基重稀 土镁作球化剂 生产 的轧辊 ， 由于稀土、镁残留量的降低而减轻 了反石墨 化作用和偏析的影响，从而减少了轧辊中心 部位游离碳化物的生成，改善了球化质量，从 而使轧辊的抗折断能力得以提高。 6 结 论 综上所述，因铸造问题而发生的早期断 辊事故的主要原因是 ：轧辊 的化学成分 构成 不合理，即稀土、镁等反石 墨化元素含量偏 高，同时，元素的负偏析加剧了化学成分构成 的不合理性，结果导致轧辊 中心部位形成过 多的游离碳化物，造成轧辊强度的降低。此类 轧辊用于轧制力较大的轧机 ，就有 可能发生 断辊事故 在目前的生产工艺条件下，合理选择轧 辊的化学成分 ，应用钇基重稀土镁球化剂生 产铸铁轧辊，可以减少和防止早期断辊事故 的发 生 。 参考文献 [1】施延藻、 王玉玮 ，铸造实用手册 ， 沈 阳，东北工学院出版杜 ，1988， 1～3。 【2]王殿刚 、杨和林，铸铁轧辊生产，北 京 ，冶金工业出版社，1988，77，82。 【3]陆文华 ，铸铁及其熔炼 ，北京 ，机械工 业出版社，1981，92～93。 维普资讯 http://www.cqvip.com