0、前言
磨機是繼破碎機之后對礦石或其它物料繼續粉碎，旨在獲得不同工藝所需要的更細顆粒產品的設備。磨機筒體兩端的端蓋（見圖1）是磨機的關鍵件，其軸頸區4被支承在主軸承上，即簡體、物料、介質等依靠端蓋支承；大法蘭l與簡體法蘭、大齒輪法蘭依靠螺栓聯結，即齒輪組傳動通過端蓋帶動簡體旋轉；小法蘭2與襯套法蘭依靠螺栓聯結，工作過程中受交變應力作用，若鑄件中存在縮孔、顯微縮松等缺陷，在使用過程中將發生開裂事故。故此，實際生產中對鑄件表面要求磁粉探傷，內部要求超聲波探傷，并且要出具性能和成分檢測報告。通常采用合適的鑄造工藝結合退火+回火熱處理工藝來保證性能。端蓋尺寸較大，最大直徑達8.9m，高0.9m，壁厚較薄，薄壁處為110mm，鑄件質量40~ 68t。生產中端蓋軸徑區和R區縮松、裂紋等缺陷較為突出，精加工后不易進行返修焊補和回火處理，成為影響端蓋質量和制約生產的主要因素，文獻曾在計算機模擬和工藝優化方面做了一些工作，在消除縮松缺陷方面取得了較好的效果。本文結合生產實踐分析了缺陷產生的原因，提出從冶煉工藝及化學成分控制、熱處理工藝優化等方面來提高鑄鋼端蓋質量。
1、端蓋生產中主要質量問題及原因分析
端蓋材質為ASTM A216 WCA，成份見表1，屬低碳鋼，凝固溫度范圍較寬，鑄造性能較差，其凝固特性決定了鑄件易產生縮孔、顯微縮松等缺陷。鋼液中的夾雜物、氣孔的存在，將在鑄件中引起應力集中，使鑄件在熱處理時形成裂紋。故防止或消除鑄件的缺陷，首先應嚴格控制冶煉工藝及化學成分。其次，不當的熱處理工藝，也會影響鑄件的組織和性能，甚至引起鑄件在熱處理時開裂。
2、冶煉工藝及化學成分控制鋼液的純凈度及澆注溫度直接影響鑄鋼端蓋的質量。S、P等有害元素含量越高，裂紋傾向性越大，鋼中夾雜物與偏析越大，越易造成應力集中；澆注溫度越高，凝固收縮越大，熱裂紋的產生機率也越大。上述因素使鑄件易產生縮孔、縮松、粘砂等缺陷。
采用變質處理、精煉技術嚴格控制鋼水質量，減少鋼水中氣體及有害元素（S、P等）含量，提高鋼水的流動性，控制澆注溫度，增加鋼水的補縮能力，保證端蓋組織致密等措施，能有效避免端蓋產生裂紋缺陷。中信重機公司經反復改進確定的煉鋼工藝為：堿性電弧爐初煉一LF鋼包精煉一包底吹氬、型腔吹氬一澆注。
(1)電弧爐初煉。初煉時C控制在0.16~0.24，Si按0.35加入，Mn按0.75加入，P≤0.01，Cr≤0.20，Ni≤0.25，Mo≤0.15，Cu≤0.20;采用擴散脫氧與沉淀脫氧相結合的綜合脫氧工藝，保證鋼水的純凈度及良好的流動性；出鋼溫度為1650~1680℃；采用留鋼留渣操作，嚴禁氧化渣進入精煉包，防止回磷，P≤0.01%；
(2)LF鋼包精煉。精煉時按表l嚴格控制化學成分；在1580~1590℃時調整合金含量，擴散脫氧劑C粉和Si - Al - Ca - Ba粉要分批加入，加入量為C粉lkg/t，Si - Al - Ca - Ba粉2~3 kg/t，微正壓操作，保證還原氣氛；合金成分調整完畢后，精煉白渣保持≥20min，其間不允許加渣料，可適量加擴散脫氧劑；鋼水中加入鑭系稀土；起包溫度1540~1560℃，澆注溫度1530~ 1550℃。上述工藝措施可以提高鋼水質量，降低S、P等有害元素含量，減少鋼中夾雜物與偏析，再加上包底吹氬和型腔吹氬等工藝措施，避免鋼水二次氧化，保證鋼水的流動性，減少顯微縮松缺陷。
(3)稀土元素的作用。稀土加入鋼中能細化晶粒，抑制甚至消除柱狀晶區。這主要是由于稀土系表面活性元素，能降低鋼液的表面張力，阻礙晶粒長大；此外稀土夾雜可作為非自發形核核心，促進晶核形成。稀土元素在鐵液中可以完全互溶，而固溶度卻很小，所以凝固過程中稀土就富集于正在長大的結晶前沿。且稀土系表面活性元素，易富集在固 液相界面上，阻礙晶粒長大。由于稀土在固 液相界面上富集，使凝固時過冷度加大，晶核的形核臨界尺寸變小，并促進等軸晶形成。
殘留在鋼液中的稀土易和鋼中的硫、氧化合，形成稀土硫化物和稀土硫氧化物等。稀土硫化物系立方晶系，和艿- Fe晶系相似。經計算(lOO)c。s∥(100)a-f、。，其錯配度艿=1.6%，所以稀土硫化物是8 - Fe的優良非自發晶核。RE，0，S（稀土硫氧化合物）與a- Fe晶格的錯配度也很小，且有晶面和艿- Fe晶面相似，也是優良的非自發晶。
圖2給出了未加稀土與加入稀土時熱處理顯微組織，可以明顯看出：加入稀土后，細化了鋼的晶粒，減少枝晶偏析。
3、熱處理工藝
通過實際生產驗證，端蓋熱處理宜采用分段預熱+ 900℃正火+600℃回火，如圖3所示。正火由于冷卻速度快，鋼的晶粒比退火時更細些，而且使得奧氏體能在較低的溫度下發生共析轉變，因而能得到分散度更大的珠光體。因此，正火處理后的力學性能，特別是強度比退火處理的鋼更高些。正火后回火的熱處理工藝，能進一步提高鋼的性能和組織及尺寸的穩定性。
在端蓋生產時，同時制作拉伸試樣，試樣經熱處理后的性能見表2，可以看出所選材料成分配比得當，熱處理工藝合適。
微觀斷口可分為三個區：啟裂區，擴展區，終斷區。拉斷后的試樣，外觀呈杯錐狀，其啟裂區和擴展區如圖4所示。可以看出斷口以韌窩為主，該斷裂屬于微孔聚集斷裂機制，它們是斷裂前塑性變形進行到一定程度時產生的。
4、工藝優化控制后的實踐效果
中信重機公司所生產的大型出口球磨機鑄鋼端蓋，通過嚴格控制材質成分和熱處理工藝，輔以稀土微合金化處理技術，提高了鋼液的質量，改善了晶界偏析，使大型球磨機端蓋鑄鋼件的力學性能達到：δ≥515 MPa，δ≥323MPa，a≥30%，成品率由85%提高到100%。
5、結論
ASTM A216 WCA鑄鋼端蓋的含碳量較低，鑄件易形成顯微縮松，將碳含量控制在0.24%~0.28%，可避免產生顯微疏松和縮裂缺陷。該鋼中加入微量稀土，能起細化強化作用，同時可改善組織中夾雜物的形態和分布，使鋼的塑性和韌性顯著提高。端蓋經嚴格的化學成分控制，適當的冶煉工藝及熱處理工藝，可使鑄鋼端蓋的力學性能和顯微組織，滿足使用要求。
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