軋輥循環(huán)利用技術(shù)發(fā)展

陳新倬　門正興　趙　欣　趙　剛(中國(guó)二重集團(tuán)公司，四川618013)

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軋輥循環(huán)利用技術(shù)發(fā)展

陳新倬門正興趙欣趙剛
(中國(guó)二重集團(tuán)公司，四川618013)

摘要:軋輥工作層修復(fù)技術(shù)延長(zhǎng)了軋輥使用壽命并實(shí)現(xiàn)了軋輥循環(huán)利用，大大降低了軋鋼成本，同時(shí)推動(dòng)了軋輥制造技術(shù)的進(jìn)步。本文對(duì)軋輥循環(huán)利用技術(shù)提出了基本要求，并對(duì)目前常用的大型軋輥工作層修復(fù)方法如堆焊、鑲套、激光涂覆等進(jìn)行了介紹和對(duì)比分析，同時(shí)也為傳統(tǒng)軋輥生產(chǎn)行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)提出了建議。

關(guān)鍵詞:軋輥;工作層;修復(fù);循環(huán)使用

軋輥是鋼鐵企業(yè)軋鋼過程的重要消耗品，同時(shí)也是大型鑄鍛件生產(chǎn)企業(yè)的主要產(chǎn)品之一，對(duì)兩個(gè)行業(yè)都具有舉足輕重的位置。軋輥的主要失效形式［1］包括輥面裂紋、軋輥斷裂、剝落、輥面磨損等，其中軋輥表面工作層磨損是軋制過程中軋輥正常的消耗，也是導(dǎo)致軋輥報(bào)廢的最普遍原因。在正常的軋制過程中，軋輥工作層磨損量達(dá)到一定程度以后，軋輥需通過磨輥工序去掉表面硬化層后繼續(xù)使用。當(dāng)數(shù)次磨輥修復(fù)后，軋輥尺寸過小或工作層消耗完則軋輥整體報(bào)廢。軋輥工作層一般指軋輥輥身淬硬層厚度，單邊一般在100 mm以下，占軋輥總體質(zhì)量的20%不到。由此可見，由于工作層的消耗而造成的軋輥報(bào)廢存在著極大的材料浪費(fèi)［2］。

在當(dāng)前世界經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇緩慢，鋼鐵行業(yè)趨于飽和的大環(huán)境下，軋鋼企業(yè)為了降低生產(chǎn)成本而希望盡量延長(zhǎng)軋輥的使用壽命。最大限度地延長(zhǎng)軋輥使用壽命的方法無疑是將軋輥由消耗品變?yōu)榭裳h(huán)使用的耐用品，僅將軋輥工作層作為消耗品。軋輥循環(huán)使用方法得到了軋鋼企業(yè)的普遍歡迎。目前，采用堆焊技術(shù)對(duì)小型軋輥工作層進(jìn)行修復(fù)使其可以循環(huán)利用的技術(shù)在國(guó)內(nèi)已經(jīng)比較成熟，而大型軋輥循環(huán)使用的技術(shù)只有少數(shù)幾家企業(yè)掌握。軋輥循環(huán)使用技術(shù)大大降低了軋制企業(yè)的生產(chǎn)成本，同時(shí)也會(huì)節(jié)約用于軋輥制造的材料消耗、能源消耗并減少環(huán)境污染，有著重要的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。但是，對(duì)于傳統(tǒng)的軋輥生產(chǎn)企業(yè)，軋輥的循環(huán)使用無疑威脅到企業(yè)的生存。因此傳統(tǒng)的軋輥生產(chǎn)企業(yè)必須在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和運(yùn)營(yíng)模式上進(jìn)行調(diào)整才能在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中不斷發(fā)展壯大。

1　軋輥循環(huán)使用要求

為了滿足鋼鐵行業(yè)快速發(fā)展的需求，軋輥在材質(zhì)以及性能方面都發(fā)生了很大的變化。為了提高軋輥工作層厚度、耐磨性等性能指標(biāo)，軋輥化學(xué)成分越來越復(fù)雜，單件成本增大，工藝趨于復(fù)雜。為了滿足軋制產(chǎn)品的多樣化，軋輥面對(duì)更加復(fù)雜的受力情況，要求更高的內(nèi)部質(zhì)量。為了滿足軋機(jī)大型化要求，需要更大更長(zhǎng)的軋輥，這對(duì)軋輥生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)能力提出了更高的要求。為了提高軋輥單次使用時(shí)間，各種表面強(qiáng)化技術(shù)不斷涌現(xiàn)，在不改變軋輥基體的情況下，減小輥面磨損。

不同用途的軋輥對(duì)材料和性能的要求有很大的區(qū)別。但是，如果想實(shí)現(xiàn)軋輥的循環(huán)使用則必須滿足以下基本條件:

( 1)一次修復(fù)后的軋輥使用壽命大于等于原始軋輥使用壽命。如果修復(fù)后軋輥工作層性能與原始軋輥一致，則其單邊增加工作層厚度應(yīng)在80 mm～100 mm，如果修復(fù)后軋輥工作層質(zhì)量遠(yuǎn)高于原始軋輥，則工作層厚度可適當(dāng)減小。

( 2)在軋輥的修復(fù)過程中，軋輥基體基本保持不變，可以反復(fù)使用，且修復(fù)后軋輥基體應(yīng)力狀態(tài)良好。

( 3)新增加的工作層與軋輥基體結(jié)合良好，能承受復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)，不發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)、工作層剝落、開裂等缺陷。

( 4)新增加工作層具有較高的抗剝落性能、良好的耐磨損性能和抗疲勞性能，工作層內(nèi)無缺陷，硬度及組織均勻。

2　軋輥循環(huán)使用的主要方法

2．1堆焊技術(shù)［3、4、5］

堆焊技術(shù)是用電焊或氣焊方法把熔化金屬堆在工具或機(jī)器零件上的一種焊接方法。作為一種傳統(tǒng)的修補(bǔ)工藝，堆焊技術(shù)一直用于軋輥及大型鑄鍛件的修復(fù)領(lǐng)域，是軋輥循環(huán)利用行業(yè)最常用也是最成熟的技術(shù)。堆焊技術(shù)種類繁多，針對(duì)大型軋輥工作層修復(fù)時(shí)間長(zhǎng)、自動(dòng)化程度要求高、表面質(zhì)量穩(wěn)定的要求，自動(dòng)埋弧(明弧)堆焊及其衍生焊接方法較為常用。

大型軋輥工作層堆焊修復(fù)流程主要有: ( 1)焊前準(zhǔn)備階段。主要包括軋輥表面車削加工、去除軋輥表面殘余硬化層、軋輥表面及內(nèi)部無損檢測(cè)、軋輥輥身焊前預(yù)熱; ( 2)進(jìn)行保溫螺旋線堆焊。首先進(jìn)行稀釋層堆焊，然后進(jìn)行支承層堆焊，再進(jìn)行中間去應(yīng)力熱處理，最后進(jìn)行工作層堆焊; ( 3)焊后處理階段。焊后最終熱處理消除應(yīng)力，輥身車削加工，成品無損檢測(cè)。

大型軋輥的工作層堆焊修復(fù)往往需要幾百小時(shí)連續(xù)工作，因此必須采用專用的軋輥?zhàn)詣?dòng)堆焊設(shè)備。該設(shè)備主要由機(jī)械系統(tǒng)、焊接系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)四部分組成。堆焊工作層修復(fù)方法目前主要遇到的問題: ( 1)堆焊修復(fù)過程需要進(jìn)行焊前焊后以及中間熱處理來消除焊接殘余應(yīng)力，因此需要大型加熱爐配合使用; ( 2)焊接過程保溫處理; ( 3)堆焊層晶粒較粗大，易產(chǎn)生裂紋、剝落等質(zhì)量問題。堆焊技術(shù)目前研究較為活躍，針對(duì)大型軋輥修復(fù)的主要研究方向有焊材、焊接自動(dòng)化、多道焊質(zhì)量控制等方面。

與堆焊技術(shù)類似的技術(shù)還有熱噴涂和熱噴焊。從機(jī)理上講，三者都是利用熱源將具有特殊性質(zhì)的涂層材料熔化后涂敷在工件表面形成涂層的技術(shù)。不同之處在于，堆焊是在零件表面熔敷一層合金材料，屬于冶金結(jié)合。熱噴涂是將熔化涂層材料高速撞擊零件表面冷卻凝固后形成涂層，屬于機(jī)械結(jié)合。而熱噴焊是涂層材料在零件表面重新熔化或部分熔化，屬于冶金部分機(jī)械結(jié)合。由于大型軋輥在軋制過程中承受巨大的載荷，工作環(huán)境惡劣，對(duì)工作層與基體的結(jié)合要求高，所以堆焊方式較為常用。

2．2鑲套技術(shù)［6、7、8］

高合金化單一材質(zhì)軋輥雖然保證了軋輥工作層耐磨性、紅硬性等指標(biāo)，但軋輥內(nèi)部韌性難以保證，高昂的材料費(fèi)用以及復(fù)雜的工藝流程等問題也隨之而來。將工作層與軋輥基體由兩種或兩種以上材料組成的復(fù)合軋輥隨之產(chǎn)生。而采用過盈配合將高強(qiáng)度工作層外套與高韌性軋輥本體組合在一起的鑲套技術(shù)就是其中一種重要的方法。通過鑲套技術(shù)成形的軋輥，其占總量80%以上的軋輥基體在軋制過程中基本不發(fā)生變化，可以循環(huán)，而占整個(gè)軋輥重量在20%以下的軋輥輥套在軋制過程中不斷消耗，達(dá)到報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)后更換新的軋輥輥套。

軋輥鑲套技術(shù)主要流程: ( 1)軋輥基體成形。一般以韌性好和淬透性較好的材料鑄造成型為主。軋輥基體成形后經(jīng)過粗加工及熱處理工序達(dá)到設(shè)計(jì)要求; ( 2)軋輥輥套成形。采用大型筒體成形工藝方案將鋼錠成形成筒體。經(jīng)過鍛后熱處理、粗加工、性能熱處理工序使輥套達(dá)到性能要求，實(shí)現(xiàn)內(nèi)外側(cè)不同硬度，為裝配做好準(zhǔn)備; ( 3)精加工和熱裝。對(duì)輥套和軋輥基體進(jìn)行表面硬度均勻性檢測(cè)以及無損檢驗(yàn)后進(jìn)行精加工，保證結(jié)合面完全貼合。最后對(duì)輥套和軋輥基體進(jìn)行熱裝，一般熱過盈量的范圍0．000 5 mm～0．002 mm。

鑲套軋輥在使用過程存在的主要問題有: ( 1)軋制過程中，由于輥套和軋輥基體的材料、溫度不同導(dǎo)致熱膨脹量不同。最終基體與工作層真實(shí)過盈量會(huì)隨著軋制過程逐漸減小，最終導(dǎo)致工作層與基體滑移失效; ( 2)過盈配合結(jié)合面硬度分布不理想導(dǎo)致工作層與基體難以全部接觸，在工作層厚度下降的情況下可能出現(xiàn)局部軟點(diǎn)、表面不平整等問題; ( 3)在過盈配合的拉應(yīng)力、輥套厚度減小以及軋輥表面交變應(yīng)力的共同作用下，軋輥表面性能下降快，可能出現(xiàn)輥套開裂問題。目前，鑲套軋輥在高溫、高速?zèng)_擊等惡劣工作情況下的安全性無法得到保障，主要用在高線精軋機(jī)組、小部分棒材成品機(jī)架和H型鋼機(jī)組上。主要的研究方向是不同的機(jī)械結(jié)構(gòu)或工藝方法提高軋輥基體與工作層結(jié)合的可靠性。

2．3熔覆技術(shù)［9、10］

激光熔覆是近年來新興的一種表面強(qiáng)化技術(shù)，因其應(yīng)用前景較為廣闊，受到國(guó)內(nèi)外科技工作者的關(guān)注。激光熔覆技術(shù)是利用高能激光束加熱軋輥表面，同時(shí)通過將輸送到基材表面上的熔覆層材料與基體表面熔化后靠基體自冷快速凝固，從而獲得與基體冶金結(jié)合的致密覆層。激光熔覆主要流程: ( 1)軋輥表面預(yù)處理，主要包括去油、去銹、去疲勞層以及打磨; ( 2)激光熔覆過程; ( 3)表面加工及無損檢測(cè)。

激光熔覆最大特點(diǎn)是熱量集中、加熱快冷卻快、熱影響區(qū)小，無需對(duì)軋輥進(jìn)行預(yù)熱以及熱處理。其次激光熔覆得到的工作層與基體結(jié)合可靠、性能優(yōu)異。激光熔覆技術(shù)解決了傳統(tǒng)焊接修復(fù)方法無法解決的材料選用局限性、工藝過程熱變應(yīng)力、熱變形、材質(zhì)晶粒粗大、與基體結(jié)合強(qiáng)度難以保證的矛盾，從而實(shí)現(xiàn)零部件的優(yōu)質(zhì)，快速修復(fù)。但是，相對(duì)于堆焊工藝，激光熔覆設(shè)備價(jià)格昂貴，維護(hù)成本及操作要求高。

總體而言，在短期內(nèi)，大型軋輥的修復(fù)及循環(huán)使用還是應(yīng)該采用堆焊技術(shù)，而且堆焊技術(shù)本身也在快速的發(fā)展。從長(zhǎng)期來看，激光熔覆技術(shù)在修復(fù)質(zhì)量、能耗以及環(huán)境方面的優(yōu)勢(shì)比較明顯，是未來軋輥循環(huán)使用技術(shù)的重要方法。

3　軋輥循環(huán)使用技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)的軋輥生產(chǎn)企業(yè)的影響

軋輥循環(huán)使用技術(shù)使軋輥由消耗品轉(zhuǎn)換成耐用品，導(dǎo)致軋輥用量減少，軋鋼成本下降。這符合大型軋鋼企業(yè)和軋輥修復(fù)企業(yè)的利益，也符合目前節(jié)能減排的發(fā)展趨勢(shì)。但是，對(duì)軋輥生產(chǎn)企業(yè)來講，軋輥循環(huán)使用技術(shù)將導(dǎo)致軋輥產(chǎn)品需求的下降，這也是軋輥生產(chǎn)企業(yè)從生產(chǎn)型企業(yè)向服務(wù)型企業(yè)轉(zhuǎn)變的一個(gè)契機(jī)。掌握軋輥循環(huán)利用技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)的軋輥生產(chǎn)企業(yè)有著重要意義。一方面企業(yè)可以在軋輥的整個(gè)使用周期中獲得利潤(rùn)，另一方面可以對(duì)生產(chǎn)產(chǎn)品中的缺陷進(jìn)行修復(fù)從而提高產(chǎn)品的合格率，其次，掌握軋輥循環(huán)使用技術(shù)也可以開發(fā)新型復(fù)合軋輥產(chǎn)品，加快企業(yè)產(chǎn)品升級(jí)。傳統(tǒng)的軋輥生產(chǎn)企業(yè)掌握循環(huán)利用技術(shù)具有先天的優(yōu)勢(shì)，主要有: ( 1)傳統(tǒng)的軋輥生產(chǎn)企業(yè)擁有大量大型軋輥循環(huán)利用所需的大型設(shè)備，如大型加熱爐、大型加工設(shè)備等，設(shè)備投入相對(duì)較小; ( 2)傳統(tǒng)的軋輥生產(chǎn)企業(yè)擁有軋輥熱處理、焊接、無損檢測(cè)及冷加工的專業(yè)人員，只需要整合現(xiàn)有機(jī)構(gòu)和人員就可快速形成生產(chǎn)力; ( 3)傳統(tǒng)的軋輥生產(chǎn)企業(yè)擁有大型軋輥的制造能力和經(jīng)濟(jì)實(shí)力，與軋輥使用單位有著長(zhǎng)期的合作，容易得到軋輥使用單位的信任，從而快速占領(lǐng)軋輥循環(huán)利用及修復(fù)市場(chǎng)。在企業(yè)運(yùn)行模式方面，傳統(tǒng)的軋輥生產(chǎn)企業(yè)可為鋼鐵企業(yè)提供專業(yè)的軋輥生產(chǎn)和修復(fù)服務(wù)，采用以租代購或簽訂長(zhǎng)期服務(wù)合同等方式得到長(zhǎng)期的利潤(rùn)增長(zhǎng)，由單純的制造型企業(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)榧圃炫c服務(wù)為一體的軋輥全產(chǎn)業(yè)鏈服務(wù)提供商。

4　結(jié)論

鋼鐵領(lǐng)域的疲軟以及軋輥制造領(lǐng)域的飽和使得傳統(tǒng)軋輥生產(chǎn)企業(yè)利潤(rùn)下滑，生存受到威脅。另一方面，國(guó)內(nèi)大量高端軋輥類產(chǎn)品依賴進(jìn)口，說明國(guó)內(nèi)外軋輥制造水平還有很大差距。傳統(tǒng)軋輥生產(chǎn)企業(yè)只有不斷的拓展軋輥類產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)鏈，并開發(fā)性價(jià)比更高的軋輥產(chǎn)品，為使用企業(yè)提供更全面的服務(wù)才能使企業(yè)不斷做大做強(qiáng)。軋輥循環(huán)利用技術(shù)對(duì)大型軋輥生產(chǎn)企業(yè)并不復(fù)雜，不但可以通過維修服務(wù)增加企業(yè)效益，還可以開發(fā)復(fù)合軋輥，是企業(yè)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展的重要核心技術(shù)，希望得到各大型軋輥生產(chǎn)企業(yè)的重視。

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編輯李韋螢

Development of Roll Recycling Technology

Chen Xinzuo，Men Zhengxing，Zhao Xin，Zhao Gang

Abstract:The repairing technology for working layer of roller is used to increase the service life of roller and realize roll recycling and decrease the cost of rolling and improve the roller manufacturing technology．The basic requirement of roller recycling is proposed，and the current common repairing methods for working layer of large roller，such as build up welding，bushing，laser cladding are introduced and analyzed by comparison．The suggestions are put forward for the transformation and upgrading of traditional roller manufacturing industry．

Key words:roller; working layer; repairing; recycling

收稿日期:2014—07—24

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B

中圖分類號(hào):TG316