超声波在铸造上的实践

　　未熔区与半熔融区从理论上讲，均可视为材料相同，其未熔区与半熔融区界面超声声压反射率基本为“零”。理论分析，复合轧辊在填芯浇注过程中，半熔融区部位已冷凝的轧辊外层铁液由于受芯层铁液的热作用，极易导致该区域铁液成分迁移与偏析，尤其石墨形态的改变、聚集和长大。在接近未熔区界面的半熔融区引起球墨蠕化；接近熔融区界面的半熔区引起石墨的富集，或宏观断口界面显现白区“黑线”现象。半熔融区内介质声阻抗因该区域内成分的偏析而改变，或异样物质的生成与存在，是导致轧辊工作层内开始出现所谓“草状”回波、半熔融区与熔融区界面有较强正态分布回波的根本原因。

　　熔融区，实际是轧辊外层与芯层铁液结合的混熔区，混熔的结果也将直接影响该区间回波的强与弱，与半熔融区回波形式特点雷同。理论上分析，轧辊工作层熔融区的外层铁液与芯层铁液混熔越充分，半熔融区与熔融区两界面介质声阻抗变化就越小，半熔融区与熔融区界面处回波就越小，轧辊工作层与芯层结合就越好；当轧辊工作层熔融区的外层铁液与芯层铁液混熔不充分或不混熔，半熔融区与熔融区两界面介质声阻抗变化差异就越大，半熔融区与熔融区界面处超声回波性就增强，甚至在熔融区与芯层铁液界面直接产生强回波，表明熔融区内轧辊外层铁液与芯层铁液结合不好。值得提及的是，在轧辊工作层与芯层间存在夹渣、夹砂缺陷，轧辊工作层内组织成分偏析，无论熔融区轧辊外层铁液与芯层铁液混熔的结果如何，均改变不了轧辊外层介质与渣、砂介质、偏析组织介质界面声阻抗。当缺陷尺寸Df大于λ时，一定频率、灵敏度下超声波探伤回波高度与缺陷大小成正比。铸造轧辊结合层超声波探伤回波与质量判定技术分析离心铸造复合轧辊内外层冶金结合质量判定，通常采用φ20mm、2.5MHZ直探头超探方法，以标样一定深度缺陷当量回波模拟对比探伤，执行GB1504－91技术标准或产品技术附件。

　　如果在有效工作层厚度以外轧辊结合层探伤出现宽粗回波，其回波特点连续性强、波高较为稳定，可认为是轧辊内外层冶金结合不良，这是由非金属夹渣物造成的，或是轧辊内外层铁液未冶金结合，该类缺陷轧辊要严禁出厂上机使用，可一次性判废，否则轧辊在轧钢使用过程中将导致出现严重大剥落或掉肉。实践证明，即使波回波不超标，只要存在于轧辊有效使用工作层之内，该产品也是有问题的，或上机使用时辊面易出现软硬面，或使用中后期出现剥落、大掉肉。我们曾对有双波问题的轧辊解剖，发现一种是个回波发生在轧辊有效使用工作层之内，检查发现确实是由于外层铁液成分出现层状偏析、真实工作层厚度不符合标准技术要求，造成轧辊上机使用或出现软硬层，或使用中后期出现剥落；另一种是个回波发生在轧辊有效使用工作层之外，解剖发现回波在半熔融区与熔融区界面，第二回波在熔融区与芯层铁液界面，是外层铁液浇注“裹”入的铁渣，完全包熔在芯层之内造成的。笔者认为，当第二个回波超标，个回波满足产品标准探伤技术要求时，并不影响轧辊内外层冶金结合质量，因为超标缺陷在轧辊芯层，故可视为合格。

　　双联回波，特点：回波带宽，且回波游动性大，第二回波基本固定在某深度处位置上。经对问题部位解剖发现，有块状缺陷存在或轧辊内外层铁液根本未熔结，这是轧辊致命缺陷，易在轧辊使用中导致轧辊大的剥落和掉肉。因此，轧辊探伤出现d形波时，应严格控制缺陷波当量。第二回波超标，轧辊即可判定不合格。即使第二回波不超标，该类轧辊使用也是短命的，易产生轧辊工作层剥落掉肉。离心铸造复合轧辊轴芯质量检定与控制对策轧辊轴向超声波穿透检查，是伴随PC轧制技术应用，要求轧辊轴芯铸造组织无缺陷，提高轧辊抗弯曲断辊能力提出的。检测方法一般采用φ34mm、0.5MHZ直探头超探方法，以端面是否可穿透进行判定。任何铸件的铸造，铸件的局部总是难免存在着微观缩松，特别是厚大断面轧辊铸件。针对这一技术问题，轧辊厂曾与国内科研院校合作，对复合轧辊辊身金属型离心铸造，轧辊轴普通砂型铸造，就轧辊填芯凝固进程与不同时刻温度场分布，进行计算机仿真模拟凝固。

　　依据上述原因分析与结论，从铸造工艺上着重改善轴芯凝固过程温度场，消除热节区，是解决轧辊轴芯铸造缺陷有效的办法。在工装结构设计和造型材料选择上，都以能够满足所需凝固温度场均匀分布为原则，力求将其轴芯铸造缺陷控制在冒口段内；在工艺设计上，合理控制铁液浇注温度与提高工装模具冷却能力；在铁液质量方面，力求铁液球化效果好，严格控制球化衰退。实践证明，上述工艺措施，有利于轧辊轴芯铁液液态补缩通道畅通，实现轧辊轴芯铁液自下而上顺序凝固。使轧辊轴芯铸造组织致密，芯部球化级别提高，轴芯抗拉强度也提高。轧辊轴芯穿透探伤分径向探伤与轴向探伤。一般如能确保轧辊轴向探伤合格，轧辊径向探伤也合格。对于轧辊在进行径向探伤检验时，出现轧辊个别轴段探伤波衰减问题，如果在以轧辊轴断面＞φ50以外能够确保轧辊轴向穿透，也应视为合格。随着轧辊设计发展，为简便轧辊轴承箱注油操作，有的热轧带钢工作辊本身结构设计自带φ15～φ18mm注油孔，孔长与轧辊有效长度相接近，即使轧辊铸件存在着轴向微观缩松，也不会影响轧辊正常使用而造成轧制断辊事故。