鋁熱連軋軋輥選用和控制淺析

羅 虎

(山東南山鋁業(yè)股份有限公司國(guó)家鋁合金壓力加工工程技術(shù)研究中心，山東龍口265706)

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鋁熱連軋軋輥選用和控制淺析

羅 虎

(山東南山鋁業(yè)股份有限公司國(guó)家鋁合金壓力加工工程技術(shù)研究中心，山東龍口265706)

根據(jù)“1+4”鋁熱連軋實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中軋輥使用狀態(tài)，對(duì)軋輥的材質(zhì)、磨削和使用控制維護(hù)等進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹。

熱連軋；軋輥；軋輥材質(zhì)；硬度；磨削；粗糙度

軋輥是鋁板帶生產(chǎn)中必需的生產(chǎn)工具，在生產(chǎn)過(guò)程中，軋輥除了承受強(qiáng)大的軋制力外，其輥面還受到軋材的強(qiáng)力磨損，在軋材的高溫作用下，輥面極易產(chǎn)生氧化，氧化膜易脫落，加速了軋輥的失效。此外，軋輥在工作中還會(huì)反復(fù)被軋材加熱和乳液冷卻，經(jīng)受溫度變化幅度較大的激冷激熱，產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力[1]。軋輥在此種環(huán)境下持續(xù)工作，表面容易產(chǎn)生疲勞及裂紋缺陷，從而導(dǎo)致軋輥磨損增大、帶材表面質(zhì)量下降等負(fù)面作用。因此在鋁板帶加工過(guò)程中如何合理的選擇軋輥材質(zhì)、制定合理的軋輥使用規(guī)程，對(duì)于產(chǎn)品表面質(zhì)量的保障和提高，有著重要意義。

南山輕合金熱軋廠主要設(shè)備為“1+4”熱連軋生產(chǎn)線，粗、精軋均采用4實(shí)心輥結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)年產(chǎn)能75萬(wàn)t，目前主要生產(chǎn)易拉罐、乳品包裝用鋁合金卷材。此類板帶表面質(zhì)量要求較高，通過(guò)長(zhǎng)期比對(duì)摸索試驗(yàn)，筆者根據(jù)不同的產(chǎn)品要求，對(duì)軋輥材質(zhì)選擇及使用控制進(jìn)行了總結(jié)和整理。

1 軋輥材質(zhì)的選擇

有色金屬板帶軋制用工作輥一般選用鍛造合金鋼，屬于鍛造軋輥的一種[1]。不同于軋鋼用工作輥，鋁合金高速熱連軋機(jī)工作輥材質(zhì)硬度相對(duì)較小。國(guó)內(nèi)外針對(duì)此類軋輥一般選用70Cr3Mo、 86CrMoV7等鍛鋼材料，工藝形式采用工頻淬火的方法[2]。軋輥性能指標(biāo)直接影響產(chǎn)品表面質(zhì)量和軋輥使用壽命，軋輥硬度低，軋制時(shí)易產(chǎn)生壓坑，導(dǎo)致軋輥表面出現(xiàn)軋輥印痕，且降低軋輥的耐磨性和使用壽命；軋輥硬度過(guò)高，軋輥?lái)g性下降而變脆，熱軋過(guò)程中易龜裂或剝落。因此在選用軋輥時(shí)必須選取合適的軋輥硬度[3]。

軋輥材質(zhì)直接決定了軋輥性能指標(biāo)，其發(fā)展的明顯趨勢(shì)是廣泛使用合金元素且逐漸提高合金化程度[1]。早期使用的軋輥組織以M3C型碳化物為主，如Fe3C等，后來(lái)逐漸加入合金元素鉻、鎳等，碳化物仍以M3C為主，但碳化物由Fe3C轉(zhuǎn)變?yōu)?Fe,Cr)3C，碳化物硬度得到提高，同時(shí)軋輥基本組織由珠光體變?yōu)榱笋R氏體和貝氏體，耐磨性明顯提高。為了應(yīng)對(duì)越來(lái)越快的連軋速度和越來(lái)越高的帶材產(chǎn)品質(zhì)量要求，在軋輥制造中繼續(xù)提高了鉻元素含量，以進(jìn)一步提高軋輥硬度和耐磨性。鉻元素含量提高后，軋輥中主要碳化物由M3C轉(zhuǎn)變?yōu)镸7C3型，如Cr7C3等，軋輥硬度得以提高的同時(shí)碳化物形態(tài)也明顯改善，由網(wǎng)狀分布變成菊花狀分布，力學(xué)性能尤其是沖擊韌性和斷裂韌性也大幅度提高，軋輥使用性能明顯改善。

隨著鍛造技術(shù)和不同時(shí)期生產(chǎn)質(zhì)量要求的提高，鋁熱軋機(jī)工作輥材質(zhì)選擇變化情況如表1所示。

從表1中可以看出，80年代以前鋁板帶軋制用輥主要選用3CrMo材質(zhì)，強(qiáng)化相主要為M3C和少量M7C3。隨著鋁熱連軋軋制速度越來(lái)越快，成品厚度越來(lái)越薄，鋁熱軋用工作輥對(duì)軋輥本身的耐磨性、剛性等提出了更高要求，目前鋁板帶熱連軋軋輥材質(zhì)主要為5CrMo，其中主要強(qiáng)化相為M7C3。為滿足帶材板形、表面質(zhì)量等要求，目前南山熱軋軋輥選用較多的材質(zhì)為5Cr60Mo、5Cr80Mo，少數(shù)也選用5Cr100Mo，粗軋軋輥Mo含量低于精軋軋輥。根據(jù)生產(chǎn)工藝要求的不同，要求粗軋軋輥硬度大于68Hsd，輥面硬度偏差小于4Hsd；精軋軋輥硬度大于73Hsd，輥面硬度偏差小于3Hsd。目前的軋輥能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)品生產(chǎn)要求，整體使用情況較好。

表1 不同時(shí)期熱軋機(jī)工作輥材質(zhì)Tab.1 Work roll materials of hot rolling mill in different periods

2 軋輥的磨削和使用

2.1 熱軋工作輥的磨削控制

罐用鋁合金一般選用3104、5052、5182合金，此類合金成品軋制溫度高、精軋壓下量大，同時(shí)要求有較高的板形及表面質(zhì)量，因此精軋軋輥磨削控制情況將直接關(guān)系到成品質(zhì)量。為適應(yīng)此類產(chǎn)品的質(zhì)量要求，磨削過(guò)程中需根據(jù)粗、精軋軋輥性能特點(diǎn)對(duì)單次磨削量進(jìn)行控制。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)粗軋軋輥每次磨削0.3～0.5mm，精軋軋輥每次磨削0.1～0.3mm，以消除輥面疲勞層，防止輥面發(fā)生異常剝落影響產(chǎn)品表面質(zhì)量。同時(shí)控制輥面粗糙度Ra≤1.2μm，軋輥輥形應(yīng)為凹輥，輥形凹度≤0.10mm，以獲得較好的帶材表面質(zhì)量和板形質(zhì)量。

另外根據(jù)軋輥材質(zhì)的不同，在磨削過(guò)程中還應(yīng)對(duì)砂輪材質(zhì)和磨削工藝進(jìn)行匹配。砂輪是由許多細(xì)微且堅(jiān)硬的磨粒(磨料)經(jīng)結(jié)合劑粘結(jié)而成的，磨粒與結(jié)合劑之間有許多空隙，起到散熱和容納磨屑的作用，三者的選擇匹配對(duì)軋輥磨削控制有著重要作用。因此在磨削過(guò)程中應(yīng)針對(duì)軋輥硬度差別，選擇滿足輥面磨削要求的砂輪和磨削工藝，通常軋輥硬度越高，所選擇的砂輪硬度越小。

2.2 熱軋工作輥的使用控制

熱軋過(guò)程中軋輥與板帶表面直接接觸，軋輥表面承受高溫、高壓、急冷急熱等各種惡劣情況。因此實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，需要制定一個(gè)較為合理的使用規(guī)范和要求，以提高軋輥的使用壽命和軋制通過(guò)量。

2.2.1 工作輥的預(yù)熱

為了防止軋輥在使用過(guò)程中由于溫度驟升產(chǎn)生熱裂紋，應(yīng)在軋輥使用前進(jìn)行軋輥預(yù)熱，一般預(yù)熱時(shí)間控制在30min左右。使用機(jī)架內(nèi)潤(rùn)滑噴射系統(tǒng)直接將乳液噴至輥面預(yù)熱軋輥表面，一方面可在一定程度上防止熱裂紋的產(chǎn)生，另一方面可使輥形更接近軋制狀態(tài)，提高軋制穩(wěn)定性。

2.2.2 合理更換工作輥

制定合理的換輥周期能有效防止軋輥的過(guò)度疲勞和熱裂紋擴(kuò)展。不同于一般單機(jī)架或水冷軋輥軋機(jī)，根據(jù)不同的合金軋制計(jì)劃安排，熱連軋粗軋工作輥在連續(xù)軋制200塊鑄錠以上時(shí)，精軋工作輥在連續(xù)軋制100～200km時(shí)，需要進(jìn)行軋輥更換。同時(shí)，更換軋輥后，需留有足夠時(shí)間使軋輥?zhàn)匀焕鋮s，因此需根據(jù)實(shí)際產(chǎn)量配備足夠的粗、精軋工作輥。

筆者以生產(chǎn)罐用3104合金為例，對(duì)軋輥的使用磨損情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。由于此類合金成品溫度高、軋制速度快、精軋整體壓下率大，軋輥損耗較其他合金更為顯著；且隨著輥面的磨損，軋輥表面粗糙度下降明顯。同時(shí)，由于3104合金軋制過(guò)程中卷取速度最快可達(dá)6～7m/s，輥面粗糙度的變化將直接影響帶材穿帶及軋制過(guò)程中的穩(wěn)定性，因此在軋制罐用3104合金時(shí)必須制定一個(gè)合理的換輥周期。生產(chǎn)3104合金時(shí)，筆者對(duì)軋輥表面粗糙度損耗變化情況進(jìn)行分析，結(jié)果如圖1所示。

圖1 軋輥表面粗糙度與軋制長(zhǎng)度關(guān)聯(lián)性

由圖1可知，軋制初期軋輥表面粗糙度迅速降低，在軋制至約50km時(shí)，粗糙度Ra值降至約0.5μm；同時(shí)在后續(xù)一個(gè)很長(zhǎng)的軋制時(shí)間內(nèi)，軋輥輥面粗糙度Ra值基本穩(wěn)定在0.4～0.5μm之間；在此粗糙度條件下，軋制時(shí)已經(jīng)開始出現(xiàn)“打滑”現(xiàn)象，嚴(yán)重影響到軋制穩(wěn)定性，需根據(jù)軋制情況對(duì)軋輥進(jìn)行更換。

材質(zhì)不同則軋輥表面耐磨性不同，為了更好的保持軋制穩(wěn)定性，應(yīng)在軋輥啟用初期，對(duì)輥面粗糙度變化情況進(jìn)行檢測(cè)，針對(duì)不同材質(zhì)的軋輥制定出適用于實(shí)際生產(chǎn)需求的換輥周期。

2.2.3 工作輥的日常維護(hù)

軋輥的設(shè)計(jì)、制造、使用維護(hù)質(zhì)量直接影響軋輥的使用壽命，制定合理的軋輥使用、維護(hù)和管理規(guī)程能夠顯著提高軋輥的使用壽命。在使用過(guò)程中軋輥承受巨大的交變應(yīng)力，且在軋制過(guò)程中經(jīng)常存在軋制跑偏、粘鋁、斷帶等異常軋制事故，對(duì)軋輥表面產(chǎn)生不良影響。因此在軋輥更換后應(yīng)進(jìn)行充分冷卻，使軋輥表面殘余應(yīng)力得到充分釋放，同時(shí)還應(yīng)定期對(duì)軋輥質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，采用渦流探傷或超聲波探傷等方式對(duì)軋輥表面和內(nèi)部質(zhì)量進(jìn)行定期檢測(cè)，在軋輥出現(xiàn)缺陷的初期即進(jìn)行相應(yīng)處理，提高軋輥使用壽命。不同生產(chǎn)單位應(yīng)根據(jù)軋輥數(shù)量和軋制產(chǎn)品特點(diǎn)等制定出相應(yīng)的軋輥使用維護(hù)規(guī)范，以保障軋輥在使用前、中和使用后均有相應(yīng)制度予以保障和約束。

3 結(jié)語(yǔ)

軋輥是鋁板帶熱連軋生產(chǎn)過(guò)程中重要的生產(chǎn)工具，軋輥的選用和使用均必須根據(jù)生產(chǎn)設(shè)備和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)情況進(jìn)行確定。硬度作為評(píng)估軋輥性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一，不論是在啟用時(shí)還是在使用中都需進(jìn)行定期檢測(cè)，在使用過(guò)程中還應(yīng)對(duì)出現(xiàn)的各類異常情況予以記錄和跟蹤。只有依據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況選定適用于生產(chǎn)需要的軋輥材質(zhì)并制定合理的使用規(guī)程，才能充分發(fā)揮軋輥的作用，提高生產(chǎn)穩(wěn)定性，降低軋輥的使用運(yùn)行成本。

[1] 符寒光,邢建東.高速鋼軋輥制造技術(shù)[M].冶金工業(yè)出版社,2007.

[2]趙席春,郭峰,趙麗,白云龍.有色軋機(jī)用4%Cr工作輥的制造[J]. 大型鑄鍛件, 2003, (01)：

[3]肖亞慶.鋁加工技術(shù)實(shí)用手冊(cè)[M]. 冶金工業(yè)出版社,2005.

Analysis of Roll Selection and Maintenance for Aluminum Hot Continuous Rolling

LUO Hu

(National Engineering Research Center for Plastic Working of Aluminum Alloys, Shan dong Nanshan Aluminum Co., Ltd., Longkou 265706, China)

The paper focused on rolls used in 1+4 hot continuous rolling production line in actual production; it presented points of interests in roll material selection, grinding and maintenance.

hot continuous rolling; roll; roll material; hardness; grinding; roughness

2015-02-02

羅虎(1986-)，男，助理工程師，主要從事鋁加工的生產(chǎn)工藝管理工作。

TG333.17

B

1671-6795(2015)05-0050-03