一种高温合金在辊式电磁搅拌装置中的应用

汪晶

摘   要：基于国家建设的快速发展，对于高品质宽厚板坯的需求量激增。辊式电磁搅拌装置作为板坯连铸辅助工艺装备，因其改善板坯芯部偏析、提高等轴晶的良好冶金效果得到广泛应用。其主要关键零件——辊套的材料性能决定其使用寿命及使用效果。现有技术中，国产辊式电磁搅拌装置的辊套，常采用两种材料：离心铸造的高温耐磨耐腐蚀合金和锻造的高温合金GH2132。这些材料制作的辊套在高温及高梯度温差的应用环境中，有的因脆性而断裂，有的产生表面裂纹。本文研究的一种高温合金制作的辊套应用于辊式电磁搅拌装置中，有效的解决了现有技术中存在的问题。

关键词：辊式电磁搅拌装置  高温合金  高温合金的应用

中图分类号：TG292                                文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）10（a）-0087-04

辊式电磁搅拌装置安装在板坯连铸线的二冷区、可替代自由支承辊、是具有特殊结构的电磁搅拌装置（S-EMS）。其利用电磁能量传输的可控性和非接触性，隔空对连铸板坯内移动的金属溶液进行搅拌，对连铸板坯内的金属溶液没有污染也没有消耗[2];辊式电磁搅拌装置对宽厚板坯的中心质量改善明显，已获得应用验证。

在宽厚板连铸中，辊式电磁搅拌装置的辊套材质的使用性能很大程度上制约了其应用的拓展，增加了其使用的维护成本。在宽厚板连铸中提高辊式电磁搅拌装置的辊套材质使用性能等级极其重要。笔者通过对辊式电磁搅拌装置现有辊套所使用的材质深入研究，探索出一种新型高温合金材料，将其制成辊套应用于辊式电磁搅拌装置，其使用性能提高显著。

1  辊式电磁搅拌装置现有的辊套材质

在宽厚板连铸中，辊式电磁搅拌装置常安装连铸线的1～3扇形段，长期工作在高温、高水汽、高金属粉尘、高载荷的“4高”环境中。连铸板坯在连铸线第2～3扇形段区域经强冷后表面温度达500℃以上，在第1扇形段区域钢坯表面温度则高达700℃以上。辊式电磁搅拌装置主要结构（如图1所示），辊套两端通过过度配合与法兰分别连接两端的辊端轴，两端辊端轴经轴承将承载传递到轴承座，感应体悬空内置于辊套及辊端轴内。辊套直接与高温板坯接触，其承载高温板坯经过时所需的支承载荷。为保证其正常使用，要求其材质满足：耐高温、热强度高、无磁、高温刚性好，高温性能优越，可长期工作在650℃高温环境中。

辊式电磁搅拌装置技术源自法国Rotelec公司，武钢将四炼钢的Rotelec辊式电磁搅拌装置的外壳国产化，指定湖北黄石的某材料厂家使用离心铸造的高温耐磨耐腐蚀合金（铸造高温合金）制作辊套，成功使用，但使用寿命不到1年，常有断裂发生（如图2所示）。离心铸造的高温耐磨耐腐蚀合金，虽能在450℃的高温环境工作，但其高温强度、高温疲劳强度难以满足辊式电磁搅拌装置的高温、高载荷的应用环境，且这种材料本身塑性不好比较脆，连续工作在高温、高载荷的环境中易产生疲劳应力裂纹而断裂。现在国内有能力成套设计与制造该装置的厂商主要有2家：湖南中科和湖南科美达，他们的辊套材质均采用锻造GH2132。其化学成分见表1所示。其热处理工艺常采用：固溶980℃～1000℃，1～2h，油冷+时效700℃～720℃，12～16h，空冷。

我公司是湖南科美達辊套、辊端轴等材料及零件长期配套商。锻造高温合金（GH2132）合理固溶、时效处理后较铸造高温合金具有更高的使用温度（650℃）、更高的热强度、更高的高温疲劳强度和更好的塑性，使用锻造高温合金（GH2132）制作辊套较使用铸造高温合金制作辊套在辊式电磁搅拌装置中应用更为适宜、更为广泛。但，使用锻造高温合金（GH2132）制作辊套的辊式电磁搅拌装置安装于环境温度高于700°C的第1扇形段时，使用1年后在辊套表面沟槽处也有产生热应力微裂纹的事例存在，如图3所示。

2  提高辊式搅拌装置中辊套使用性能的解决方案

通过充分了解辊式电磁搅拌装置应用的两种材料制作的辊套在使用中存在的不同缺陷，对现有技术的辊套材料性能深入研究、经过多次试验与测试，得出：铸造高温合金制作辊套应用于辊式电磁搅拌装置并不适宜，本文公开的新型高温合金材料是对现有GH2132材料的辊套使用性能的提升，其目的是解决现有辊式电磁搅拌装置应用GH2132辊套技术在高于650°C高温环境使用中存在的热应力微裂纹问题。本方案提供的高温合金材质的化学成分如表2所示，我公司将其冠名为Cr16Ni35NbTi。

本方案的新型高温合金材料Cr16Ni35NbTi与GH2132材料主要差异在于：降低了P、S含量，提高了材料的塑性性能;大幅提升了Ni的含量，Ni和Fe无限固溶，使奥氏体区更稳定，有效提高了合金钢的强度、疲劳强度和高温强度，改善了材料的韧性和塑性，提高了材料的综合力学性能和使用性能;Cr、Mo元素含量的小幅提升，有利于提高合金材料的高温抗氧化性、高温强度，有利于改善材料的韧性和耐磨性;小幅提升元素Ti的含量，好的效果在于Ti与C能形成稳定的TiC，能有效阻止合金钢晶粒长大粗化，使晶粒粗化温度上升到1000°C以上，有效的提高了合金材料的高温稳定性，提高了材料的高温强度;添加了微量的Nb元素，Nb与C形成稳定的化合物，有利于细化晶粒，提高合金材料的屈服强度和冲击韧性。通过改变合金材料的化学成分及含量，得到的高温合金Cr16Ni35NbTi，经测试，其高温性能较高温合金GH2132有了明显的提升，表3是这两种高温合金材料性能的对比。

2.1 新型高温合金材料Cr16Ni35NbTi的工艺过程

冶炼工艺：真空熔炼+真空自耗。真空熔炼是在1450度的真空环境高温下将合金加入炉中加热将合金元素熔成钢水，可防止合金元素的烧损和氧化，提供一定强度电磁力对熔池中液态合金施行电磁搅拌，可促进合金钢液成分和温度均匀化。但，真空熔炼钢液中夹杂物合并长大，硫，磷等有害元素和非金属夹杂物无法清除和脱除，导致后期材料锻造、轧制出现裂纹和内部缺陷，产品的成材率和产品的合格率大大降低，产品质量极其不稳定，同时熔炼出的钢锭无法满足我公司对热膨胀系数、磁性能、力学性能的要求。真空自耗是一种利用电弧作热源，在真空条件下熔炼金属的真空熔炼技术。在无渣及真空条件下，利用直流电源在金属电极与铜坩埚底板之间产生电弧，电弧产生高热熔化电极，在水冷铜坩埚内形成熔池，熔化的金属完成速凝、结晶、成锭。当液态金属以薄层形式形成熔滴通过近5000K的电弧区域向结晶器中过渡以及在结晶器中保持和凝固的过程中，发生一系列的物理化学反应，使金属得到精炼，从而达到净化金属、改善结晶结构、提高性能的目的。在低压真空环境下熔炼，不仅杜绝了外界空气对合金的玷污，还大大降低合金中气体含量和低熔点有害杂质，从而提高合金纯洁度，对于活性元素铝、钛烧损少，合金的化学成分控制较为稳定。由于真空自耗熔炼是在无渣、无耐火材料的环境下进行的，从而杜绝或减轻了外界夹杂物对合金的玷污，提高了合金的综合质量。真空自耗熔炼时快速和定向的结晶过程，改善了夹杂物的类型和分布状态，通过对合金凝固结晶过程的合理控制，可以得到偏析低、致密度高、内裂纹和皮下起泡少、缩孔浅的优质钢锭，该熔炼方法可将钢液中的有害元素硫，磷及非金属夹杂上升到表面进行排除，可显著提高铸锭的洁净度、均匀度、抗疲劳和断裂韧性、抗拉强度、屈服强度、高温综合性能从而达到高温环境下使用性能的要求。

锻打工艺：将Cr16Ni35NbTi真空熔炼+真空自耗的φ550的钢锭加热到1080℃～1150℃，保温3h后出炉进行墩粗、拔长至辊套所需的毛坯尺寸，锻比不少于3：1，为了确保锻件的心部均热，加热采用三段式保温加热。

固溶处理：将Cr16Ni35NbTi材料制作的圆棒置于台车热处理炉中，以不200℃/min的速率升温至1020℃～1050℃，保温60min，水冷。

将固溶处理后的Cr16Ni35NbTi材料按辊套施工图进行初加工和半精加工后作时效处理，即将半精加工好的辊套在时效炉中经6h均匀升温至760℃～780℃并保温12h，再以120～140℃/h的冷却速率随炉冷却至630℃～650℃并保温20h，然后随炉冷却至200℃，空冷。即能获得表3所示用机械性能。

2.2 高温合金材料在辊式搅拌装置中应用的小窍门

辊式电磁搅拌装置在板坯连铸线上使用时，辊套直接与高温板坯接触，辊套及与其两端配合相连接的辊端轴形成的整体共同承载高温板坯经过时所需的支承载荷。辊式电磁搅拌装置在变化的高温环境工作过程中保持辊套与两端辊端轴配合状态非常重要，即辊套与两端辊端轴使用同一批次的相同材质制作是最佳方案，不同材质的需要保持配合状态两零件在同温度环境中因各自的热伸缩率不同不能保证其配合状态，辊式电磁搅拌装置中的辊套与辊端轴也一样。辊套与辊端轴使用不同材质的辊式电磁搅拌装置在高温环境工作时，辊套与辊端轴的配合公差带发生改变不能满足设计要求，极易出现质量事故。我公司在维修国内某公司制作的此类辊式电磁搅拌装置时碰到过，如图4、图5、图6所示，辊套与两端辊端轴为降低成本使用了不同材料在使用中发生了质量事故。輥套与两端辊端轴使用相同材质制作是高温合金材料在辊式搅拌装置中应用的一个小窍门。

2.3 新型高温合金Cr16Ni35NbTi在辊式搅拌装置中应用实例

2015年我公司为湖南科美达公司配套8根辊套，16件辊端轴供台湾某钢铁厂不锈钢板坯连铸线扇形1段上使用，采用新型高温合金Cr16Ni35NbTi制作。2015年10月安装完成投入使用并一次性通过验收，并一直正常使用至今未出过质量问题（我公司从未接到过质量问题信息反馈）。图7为新型高温合金Cr16Ni35NbTi制作的辊套和辊端轴应用辊式电磁搅拌装置在台湾某钢铁厂不锈钢板坯连铸线扇形1段上使用的现场照片，图8为该辊式电磁搅拌装置使用6个月后下线检测的实物照，经使用方检测，未发现变形、未发现明显磨损痕迹、未发现表面微裂纹，可继续正常使用。

3  结语

通过深入研究提高辊式电磁搅拌装置中辊套材质的现有技术，本文提出了一种新型高温合金材料制作辊套应用于辊式电磁搅拌装置的技术，给出了新型高温合金的具体成分含量，及其工艺方法。该新型高温合金制作的辊套有效的提升了辊式电磁搅拌装置的使用寿命，显著降低了辊式电磁搅拌装置在宽厚板连铸中的使用维护成本。使用实例证明新型的高温合金材料制作辊套应用于辊式电磁搅拌装置在宽厚板连铸线使用，能充分发挥辊式电磁搅拌装置改善连铸板坯芯部品质的优势，延长其使用寿命，有效的降低了其使用成本，满足工业使用要求。当辊套与辊端轴使用同种材质时，辊式电磁搅拌装置的使用寿命更长。

参考文献

[1] 乔志洪.一种辊式电磁搅拌装置新型支承托辊结构的研究[J] 机电产品开发与创新，2019（4）：5-10.

[2] 金百刚，王强，田勇，等.电磁连铸冶金技术及应用现状[J].冶金设备，2009（2）：5-10.

[3] 《中国航空材料手册》编辑委员会.中国航空材料手册 第2卷[M].北京：中国标准出版社，2001.8.

[4] 成大先.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社， 2002.