4000 mm以上特大型熱軋寬厚板工作輥的研制與生產(chǎn)*

邵黎軍， 周　軍

(江蘇共昌軋輥股份有限公司， 江蘇 宜興　214253)

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4000 mm以上特大型熱軋寬厚板工作輥的研制與生產(chǎn)*

邵黎軍， 周軍

(江蘇共昌軋輥股份有限公司， 江蘇 宜興214253)

從寬厚板軋機(jī)的特性及軋制要求為出發(fā)點(diǎn)，闡述了目前國內(nèi)主要寬厚板生產(chǎn)線情況、軋制條件，以及在軋輥合金量的匹配、離心復(fù)合過程中的重難點(diǎn)、大型截面心部球墨鑄鐵強(qiáng)度、組織硬度等方面的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)控制，從而保證寬厚板軋輥的正常工作。

軋輥; 寬厚板；離心復(fù)合；高鎳鉻無限；高鉻鐵

引言

目前在各類軋材中，寬厚板用途較多較廣，主要用于船艦、軍工、巨型橋梁結(jié)構(gòu)、容器、采油平臺用鋼等，對軋材的質(zhì)量要求較高。此類軋機(jī)的軋制壓力大，最大可達(dá)8000～12000 t，同時(shí)來回往復(fù)的軋制方式，使得軋輥需要承受較高的交變應(yīng)力和較大的機(jī)械沖擊。四輥可逆式軋機(jī)是目前國內(nèi)外應(yīng)用最廣的寬厚板軋機(jī)，主要以單機(jī)架、雙機(jī)架四輥可逆式軋機(jī)為主；軋機(jī)普遍使用的是高鎳鉻無限冷硬離心復(fù)合軋輥，近年來高鉻鑄鐵、高鉻鋼離心復(fù)合軋輥在雙機(jī)架粗軋機(jī)上也逐漸得到應(yīng)用。本文描述的大型寬厚板軋輥特指輥身工作面長度大于4000 mm(4000 mm以上軋機(jī)主要分布在兩個(gè)區(qū)間段：4100～4300 mm和5000 mm以上)的軋輥。

1　寬厚板軋機(jī)的發(fā)展及寬厚板軋輥的選材情況

1.1軋機(jī)發(fā)展歷程

1978年9月8日，中國自行研發(fā)建造的當(dāng)時(shí)最大的4200 mm四輥可逆式單機(jī)架厚板軋機(jī)在河南舞陽鋼鐵公司投產(chǎn)，到目前為止，國內(nèi)已建成了4100～4300 mm軋機(jī)12臺、5000 mm以上軋機(jī)6條線，還有幾條生產(chǎn)線正在規(guī)劃建設(shè)之中。盡管特大型寬厚板起步較慢，但是隨著中國鋼鐵業(yè)的飛速發(fā)展，大型橋梁，核電站，大型水壩，油田鉆井平臺，大型機(jī)械、大型船艦等領(lǐng)域的需要，寬厚板得到了更廣泛的應(yīng)用，這也促進(jìn)了寬厚板生產(chǎn)領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，中國已經(jīng)發(fā)展成為世界上最大的寬厚板生產(chǎn)和消耗國家。國內(nèi)5000 mm以上軋機(jī)的基本概況如表1所示(4100～4300 mm軋機(jī)的基本概況以前各類刊物中多次出現(xiàn)，這里不再詳細(xì)列出。)。

1.2軋輥選擇

4000 mm以上寬厚板軋機(jī)目前常用的工作輥有三種：離心復(fù)合高鎳鉻無限冷硬軋輥、離心復(fù)合高鉻鐵軋輥、離心復(fù)合高鉻鋼軋輥(以下文中簡稱“高鎳鉻無限”、“高鉻鐵”、“高鉻鋼”)，其中高鎳鉻無限軋輥應(yīng)用的比例超過80%，由于寬厚板軋機(jī)軋輥的噸鋼消耗要大大高于連軋，同時(shí)工作輥、支承輥的單支價(jià)格及軋輥的噸位單價(jià)都很高，所以軋輥的選材非常重要，否則將會帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失；選材要考慮到工況條件、軋制品種、檢測跟蹤手段、軋輥維護(hù)等方面能力。

1.2.1單機(jī)架四輥軋機(jī)

目前單機(jī)架四輥軋機(jī)一般選用高鎳鉻無限軋輥，因?yàn)閱螜C(jī)架軋輥同時(shí)承擔(dān)粗軋和精軋的任務(wù)，服役周期長，一方面需要承擔(dān)較大的軋制力和熱沖擊力，另外一方面需要控制鋼板的表面質(zhì)量，這對坯料的表面質(zhì)量和除鱗效果有一定的要求，同時(shí)需要軋輥具有很好的輥型保持能力，所以軋輥應(yīng)具有良好的抗沖擊性能、抗裂紋擴(kuò)展能力、足夠的耐磨性和芯部的高強(qiáng)韌性，所以高鎳鉻無限軋輥是單機(jī)架四輥軋機(jī)的首選，近年來由于軋輥制造技術(shù)和板材要求的提高，改進(jìn)型高鎳鉻無限軋輥開始逐步應(yīng)用并取得較好的效果。

表1　已經(jīng)投產(chǎn)的5000 mm以上寬厚板軋機(jī)情況統(tǒng)計(jì)

1.2 .2雙機(jī)架四輥軋機(jī)

目前4000 mm以上寬厚板軋機(jī)以雙機(jī)架為主，一些單機(jī)架軋機(jī)也通過改造變成雙機(jī)架(包括5000 mm以上寬厚板軋機(jī))。粗軋機(jī)架較多使用高鎳鉻無限軋輥，由于水冷卻條件的不斷改善，高鉻鋼、高鉻鐵軋輥在粗軋機(jī)架得到了很好的應(yīng)用，尤其是高鉻鐵軋輥在粗軋機(jī)顯示出了明顯的抗事故性、抗裂紋性及優(yōu)越的毫米軋制量；但是通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，高鉻鋼軋輥在粗軋機(jī)架的使用效果并不是太好，主要是軋制時(shí)咬入后容易打滑(國外某著名寬厚板生產(chǎn)企業(yè)調(diào)研結(jié)果)。精軋機(jī)架要求軋輥具有較高的耐磨性能和輥型保持性能，所以多選用高鎳鉻無限冷硬軋輥，江蘇共昌軋輥股份有限公司(以下簡稱“江蘇共昌”)的新型改進(jìn)型無限冷硬軋輥在抗事故性、耐磨性和抗剝落性等方面表現(xiàn)優(yōu)越。

2　新型軋輥研發(fā)

2.1生產(chǎn)工藝流程設(shè)計(jì)

高鎳鉻無限冷硬離心復(fù)合軋輥的生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。

2.2化學(xué)成分

大型寬厚板軋機(jī)機(jī)架少，軋制力大、道次多，軋輥的工作層需要一定的抗裂紋性、抗剝落性，且其輥身硬度又需保證輥身的耐磨性和輥型保持能力，因此，針對不同的工況條件及軋制特性設(shè)計(jì)了兩種高鎳鉻無限、兩種高鉻鐵的化學(xué)成分(如表2所示)。軋輥承受較大的熱沖擊載荷、往返的交變應(yīng)力及扭矩，同時(shí)考慮到心部與工作層鐵基材料的結(jié)合問題，所以心部采用高強(qiáng)度球墨鑄鐵，抗拉強(qiáng)度達(dá)到450～550 MPa。

圖1　高鎳鉻無限冷硬離心復(fù)合軋輥的生產(chǎn)工藝流程

牌號w(C)/%w(Si)/%w(Mn)/%w(Ni)/%w(Cr)/%w(Mo)/%其他ICDP(傳統(tǒng))3.0～3.40.7～1.20.3～1.54.2～5.21.5～2.20.3～0.6/ICDP(新型改進(jìn)型)3.0～3.40.7～1.20.3～1.54.2～5.21.5～2.20.3～0.6適量高顯微硬度合金及細(xì)化晶粒的合金HCrI(傳統(tǒng))2.5～3.00.5～0.80.8～1.50.8～1.512～180.8～1.5/HCrI(新型改進(jìn)型)2.5～3.00.5～0.80.8～1.50.8～1.512～180.8～1.5少量特殊合金心部2.6～3.22.2～3.20.3～0.80.4～1.5≤0.15≤0.20少量特殊合金

江蘇共昌在改進(jìn)型高鎳鉻無限軋輥外層化學(xué)成分中加入了可以形成高顯微硬度碳化物的合金元素，該元素不僅可以在組織中形成彌散分布的高硬度MC、M2C碳化物顆粒，使得硬度落差更小，保持耐磨性的一致性；同時(shí)通過特殊的孕育處理，外層石墨彌散均勻、點(diǎn)球狀分布,還可以細(xì)化外層晶粒組織，增強(qiáng)工作層耐磨性，提高了抗熱疲勞性能。江蘇共昌的高鉻鐵軋輥目前主要分為傳統(tǒng)型和新型改進(jìn)型(抗氧化型)，抗氧化型主要是在外層加入一種合金X，軋制時(shí)形成一種X2O3氧化膜，這種氧化膜比普通的Cr2O3更加致密、耐磨性更好，不容易造成脫落。

兩種材質(zhì)軋輥的心部都采用高強(qiáng)度球墨鑄鐵，由于輥身直徑較大，容易產(chǎn)生球化衰退，導(dǎo)致心部石墨粗大、變異等，所以添加適量Ni合金，由于Ni固溶于基體中，不形成碳化物，所以能夠大大增加心部強(qiáng)度和韌性，同時(shí)加入少量Cu以改善石墨形態(tài)，加入其他特殊材料增加球化效果，保證大截面球墨鑄鐵中心不產(chǎn)生球化衰退，基體中析出牛眼狀鐵素體，以保證心部的韌性。

2.3鑄造方法

寬厚板軋機(jī)工作輥由于規(guī)格大、合金含量高，不宜采用整體鑄造方式，一般都采用離心復(fù)合鑄造方法，由于輥身工作層合金含量高，心部要求有高強(qiáng)度和韌性，所以選擇三層離心復(fù)合鑄造方法，保證工作層與輥身心部有良好的冶金結(jié)合及防止合金的互滲。江蘇共昌從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)全程使用計(jì)算機(jī)自動化控制，保證了產(chǎn)品質(zhì)量的一致性；整個(gè)立式離心澆注過程都是在動態(tài)的情況下進(jìn)行的，即在離心旋轉(zhuǎn)時(shí)澆入中間層和心部鐵水,而且立式離心具有很高的轉(zhuǎn)速來保證它的線速度，在雙重作用下,保護(hù)渣和夾雜都能順利上浮,保證了外層與中間層和心部材料之間的冶金結(jié)合(臥式離心都是在靜態(tài)下沖芯)；全過程的一次成型動態(tài)澆注也保證了結(jié)合層質(zhì)量和輥頸強(qiáng)度，強(qiáng)大的離心力使得外層組織更加致密，同時(shí)，由于中間層的存在，又很好地防止了工作層高合金和心部高碳之間的互滲，保證了結(jié)合層的冶金結(jié)合質(zhì)量，防止使用過程中結(jié)合層的脆性分層導(dǎo)致的剝落。高鎳鉻無限軋輥的過渡層組織如圖2所示。

2.4熱處理工藝

寬厚板軋機(jī)工作輥的熱處理工藝十分重要，如果基體組織內(nèi)殘余奧氏體轉(zhuǎn)變不充分，機(jī)械加工時(shí)，在切削力的作用下易產(chǎn)生工作層裂紋；上機(jī)使用時(shí)，在軋制力、熱應(yīng)力及交變應(yīng)力的作用下，容易引起裂紋并且擴(kuò)展導(dǎo)致工作層剝落；有時(shí)為了基體的充分轉(zhuǎn)變特意提高軋輥的回火溫度，但溫度過高容易造成過回火，回火之后的貝氏體顯微硬度不高，軋輥的耐磨性較差，同時(shí)，由于寬厚板軋輥直徑較大、輥身較長，軋輥升溫和降溫的速度一定要謹(jǐn)慎控制(高鉻鐵淬火速度除外)，操作不當(dāng)極易造成由于熱應(yīng)力過大引起的斷輥。

高鎳鉻無限軋輥必須經(jīng)過二次回火熱處理消除殘余奧氏體，使其殘余奧氏體量在3%以下，才能進(jìn)行機(jī)械加工及上機(jī)使用。熱處理時(shí)，其入爐溫度不宜過高，升溫速度不宜過快。具體控制如圖3所示。

許多軋輥制造商在熱連軋軋機(jī)的制造中，采用多次回火代替淬火+回火的工藝，但是寬厚板用高鉻鐵軋輥推薦使用淬火+二次回火的熱處理工藝形式(具體控制如圖4所示)；經(jīng)過高溫淬火之后的二次回火過程，殘余奧氏體轉(zhuǎn)變非常充分，而且基體中析出的二次碳化物更加彌散并對基體產(chǎn)生二次硬化的作用。

2.5軋輥實(shí)物及取樣檢測結(jié)果

軋輥制造完以后進(jìn)行加工取環(huán)，環(huán)的厚度從工作層表面一直到結(jié)合層以下20 mm，心部在傳動側(cè)端面取樣。1#試樣為高鎳鉻無限冷硬軋輥，2#試樣為抗氧化型高鉻鐵軋輥，3#試樣為心部球墨鑄鐵，對3個(gè)試樣進(jìn)行金相組織(不同深度的組織變化、過渡層)、硬度落差試驗(yàn)，對軋輥實(shí)物進(jìn)行超聲波檢測。

圖2　高鎳鉻無限軋輥過渡層組織 (50×)

圖3　高鎳鉻無限冷硬離心復(fù)合軋輥的熱處理工藝曲線圖

圖4　高鉻鐵離心復(fù)合軋輥的熱處理工藝曲線圖

2.5.1金相組織

1#試樣：2.5%左右球狀石墨、35%左右碳化物、回火貝氏體；

2#試樣：30%左右碳化物(M7C3型)、回火馬氏體；

3#試樣：球狀石墨、牛眼狀鐵素體、少量的碳化物(小于5%)、珠光體基體。

1#試樣、2#試樣、3#試樣的金相組織如圖5所示。

2.5.2硬度

硬度落差試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3　硬度落差試驗(yàn)結(jié)果

2.5.3超聲波探傷

軋輥實(shí)物超聲波探傷記錄如表4所示。

表4　軋輥實(shí)物超聲波探傷記錄

3　生產(chǎn)過程中的要點(diǎn)

1)嚴(yán)格控制冷型加工精度，減小冷型高速旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的震動對凝固過程帶來的不良影響，試生產(chǎn)前后對設(shè)備進(jìn)行動平衡試驗(yàn)。

2)嚴(yán)格控制化學(xué)成分目標(biāo)值，保證高鎳鉻無限金屬液的純凈度，尤其是外層S含量，控制結(jié)合部位黑線厚度。

3)保證心部大截面球墨鑄鐵的球化效果，避免心部球化衰退產(chǎn)生枝晶狀、開花狀石墨，同時(shí)保證析出一定數(shù)量的牛眼狀鐵素體，提高心部的韌性。

4)根據(jù)所澆注材料的液相線溫度和固相線溫度，選擇合適的澆注溫度和離心機(jī)轉(zhuǎn)速，最大限度地調(diào)整上下厚度差。

5)保證工作層與中間層和心部材料的良好結(jié)合，合適的界面溫度和沖芯溫度，高鉻鐵軋輥尤其需注意，避免合金互滲導(dǎo)致心部脆性增大。

6)通過最終熱處理，保證軋輥所要求的組織和性能，控制殘余應(yīng)力及殘余奧氏體含量，避免因殘余應(yīng)力和殘余奧氏體轉(zhuǎn)變而產(chǎn)生裂紋或斷輥。

7)軋輥?zhàn)灾剌^大，為了保持輥型，加工和磨削過程中注意保持軋輥的同心度、同軸度，托磨部位保持硬度的一致性。

圖5　試樣的金相組織

4　結(jié)束語

新型改進(jìn)型高鎳鉻無限冷硬軋輥、抗氧化型高鉻鐵軋輥在特寬厚板上的成功生產(chǎn)和應(yīng)用，是國內(nèi)軋輥行業(yè)跨越式的發(fā)展和進(jìn)步，江蘇共昌作為國內(nèi)僅有的3家能夠生產(chǎn)4000 mm以上特大型寬厚板軋機(jī)工作輥的企業(yè)之一，通過不斷對國內(nèi)外寬厚板鋼鐵企業(yè)的調(diào)研，以及組織技術(shù)人員和專家對新材質(zhì)進(jìn)行研發(fā)、生產(chǎn)，現(xiàn)已成為國際知名的寬厚板軋輥生產(chǎn)企業(yè)之一，加快了特大型、高難度軋輥的國產(chǎn)化

進(jìn)程，提高了鋼鐵業(yè)的國際競爭力，并取得了令人矚目的效益和業(yè)績。

[1]文鐵錚，郭玉珍. 冶金軋輥技術(shù)特性概論-熱軋輥部分[M].石家莊：河北科學(xué)技術(shù)出版社, 1995.

[2]杜希恩，齊林雷. 5 m寬厚板軋機(jī)軋輥材質(zhì)的選擇和使用管理[Z]. 日照鋼鐵有限公司, 2011.

[3]周勤忠. 寬厚板技術(shù)交流材料[Z]. 江蘇共昌軋輥股份有限公司, 2011.

2016-04-02

邵黎軍(1981—)，男，工程師。E-mail：13861538198@139.com

TG333.17; TG142.1