熱軋鋼板帶軋輥材質(zhì)的選用①

邵黎軍，周　軍，馮喜鋒

(江蘇共昌軋輥股份有限公司，江蘇 宜興　214253)

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熱軋鋼板帶軋輥材質(zhì)的選用①

邵黎軍，周軍，馮喜鋒

(江蘇共昌軋輥股份有限公司，江蘇 宜興214253)

介紹了目前熱軋鋼板帶軋機(jī)對(duì)于用輥材質(zhì)選擇的相關(guān)要點(diǎn)。

熱軋； 板帶； 軋輥材質(zhì)

引　言

目前，在各類軋機(jī)中，現(xiàn)代化板帶軋機(jī)對(duì)軋輥的使用性能要求最高，因而帶動(dòng)了板帶軋輥材質(zhì)的不斷更新，軋輥制造工藝的日益改進(jìn)。20世紀(jì)70年代后，帶鋼軋機(jī)向高速化、連續(xù)化、自動(dòng)化的方向發(fā)展，以滿足軋材高精度、高光潔度、高性能的要求，加速了軋輥材質(zhì)的更新?lián)Q代和制造工藝的改進(jìn)，在現(xiàn)代寬帶鋼熱連軋軋機(jī)中，不同機(jī)架軋輥的使用條件差異很大，對(duì)軋輥的使用性能要求各有側(cè)重，研制出從鐵基到鋼基的各種軋輥材質(zhì)。本文介紹的熱軋鋼板帶軋機(jī)主要包括了：中寬厚板軋機(jī)、爐卷軋機(jī)、熱連軋軋機(jī)、連鑄連軋機(jī)等。

1　中寬厚板、爐卷軋機(jī)用輥

一般中寬厚板、爐卷軋機(jī)分為單機(jī)架和雙機(jī)架兩種，其共同的軋制特點(diǎn)是：往返式可逆軋制產(chǎn)生較大的交變應(yīng)力；鋼板與軋輥表面接觸時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致開(kāi)軋溫度與終軋溫度相差較大；鋼坯較寬并且壓下量大，導(dǎo)致軋輥承受較大的熱沖擊和軋制力。總之，這類軋機(jī)與帶鋼連軋機(jī)相比突出反映了一個(gè)最重要的特點(diǎn)：軋制條件惡劣，對(duì)于軋輥的抗事故性能要求相對(duì)較高。

一般這類軋機(jī)出現(xiàn)事故相對(duì)經(jīng)濟(jì)損失巨大，目前世界各個(gè)國(guó)家在這類軋機(jī)用工作輥上主要選擇兩種材質(zhì)：離心復(fù)合高鎳鉻無(wú)限冷硬鑄鐵(簡(jiǎn)稱“ICDP”)、離心復(fù)合高鉻鑄鐵(簡(jiǎn)稱“HCrI”)，以后相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)發(fā)展趨勢(shì)可能以HCrI和離心復(fù)合高鉻鑄鋼(簡(jiǎn)稱“HCrS”)為主。支承輥基本選用Cr2，Cr3兩種材質(zhì)較多，噸位相對(duì)小一點(diǎn)可以選擇鍛造、沖銑、整體鑄造軋輥，輥身長(zhǎng)度小于3000 mm的目前選用整體鑄造的軋輥，其性價(jià)比較高、交貨期比較短，因此受到許多廠家的關(guān)注；噸位特別大的則基本以鍛造為主，硬度選擇基本在55～62 HSD。

這類軋機(jī)選用的高鎳鉻無(wú)限冷硬鑄鐵、高鉻鑄鐵工作輥與帶鋼連軋機(jī)有一定的區(qū)別，由于受上述軋制特點(diǎn)的影響，選用的材質(zhì)著重考慮抗事故性能如抗熱沖擊性、抗熱裂紋性、較好的咬入性能，然后兼顧其它性能，一般在選材方面注意以下幾點(diǎn)：

1) 硬度不宜太高，選擇68～75 HSD，軋制穩(wěn)定時(shí)硬度選擇在上限；事故率較高或調(diào)試階段選用中下限。

2) 芯部的選擇一定要注重強(qiáng)韌性，目前離心復(fù)合軋輥的芯部基本上都是采用高強(qiáng)度球墨鑄鐵，由于這類軋機(jī)的軋制壓力和扭矩很大，尤其是寬厚板軋輥，球化率一定要高，不能出現(xiàn)大量枝晶狀和長(zhǎng)片狀石墨，基體中要析出一定量的鐵素體，碳化物盡量控制在5%之內(nèi)，可以加入一些Ni, B等強(qiáng)化基體和細(xì)化晶粒的合金，以提高強(qiáng)韌性。

中寬厚板、爐卷軋機(jī)選用高鎳鉻無(wú)限冷硬、高鉻鐵、Cr3典型的組織如圖1～3所示。

圖1　ICDP典型的組織圖

圖2　HCrI典型的組織圖

圖3　Cr3典型的組織圖

2　帶鋼連軋、連鑄連軋機(jī)用輥

目前國(guó)內(nèi)外的熱軋板帶連軋機(jī)用輥大體上分為四類：粗軋工作輥、精軋前段工作輥、精軋后段工作輥、支承輥，軋線基本在1250～2300 mm，這類軋機(jī)目前用輥材質(zhì)基本穩(wěn)定，但是同國(guó)外或國(guó)內(nèi)先進(jìn)企業(yè)在材質(zhì)選用上差距較大，例如日本、韓國(guó)等國(guó)家和寶鋼等先進(jìn)企業(yè)，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了高速鋼(簡(jiǎn)稱“HSS”)多機(jī)架的使用，目前部分粗軋機(jī)和F5,F6的HSS使用情況也非常穩(wěn)定，精軋前段HCrI已經(jīng)基本被替代，當(dāng)然材質(zhì)的更新?lián)Q代需要和軋制工藝、生產(chǎn)條件、軋輥材質(zhì)細(xì)化等各方面因素結(jié)合起來(lái)，不能盲目跟從。

2.1粗軋工作輥

國(guó)內(nèi)外粗軋類軋機(jī)機(jī)架分布有以下幾種：?jiǎn)螜C(jī)架、雙機(jī)架、多機(jī)架(又分為兩輥、四輥形式)，粗軋工作輥與精軋工作輥相比，其主要特點(diǎn)是輥面接觸溫度較高，壓下量大，因此要保證軋輥具備良好的抗熱裂性能，以及良好的抗扭強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度。由于其中大多數(shù)粗軋機(jī)都是可逆軋制，熱沖擊和軋制壓力大，條件相對(duì)惡劣，一般需要選用抗事故性能較好的鋼基材料為主，可選用的主要材質(zhì)有：鍛造合金鋼、鑄造合金鋼、半鋼、高鉻鋼、熱作工具鋼、半高速鋼(簡(jiǎn)稱“S-HSS”)、高速鋼等。隨著軋輥材質(zhì)的發(fā)展和軋制條件的改進(jìn)，目前一般以高鉻鋼為主，部分兩輥軋機(jī)機(jī)架軋輥也選用高鉻鋼，以后粗軋機(jī)架軋輥(部分連鑄連軋前段F1～F2)的選材趨勢(shì)將向熱作工具鋼、半高速鋼、高速鋼等方面發(fā)展，同時(shí)芯部需要采用高強(qiáng)度球墨鑄鐵。

作為目前粗軋機(jī)架常用的高鉻鋼軋輥，有以下的幾方面優(yōu)點(diǎn)：

1) 基體有著比高鉻鐵更高的富鉻組織和Cr/C，因此它的耐磨性更好。國(guó)內(nèi)、外熱帶軋機(jī)使用證實(shí)，高鉻鋼工作輥的軋制壽命均比合金鋼、半鋼輥等成倍增長(zhǎng)，壽命是半鋼軋輥的2.5倍以上。

2) 因?yàn)槟湍バ院?，表面形成致密氧化膜，軋輥輥形保持好，所以可以保證尺寸精度更高的板形，同時(shí)換輥周期得到大大提高。

3) 因?yàn)榛w組織中的碳化物含量低且碳化物呈斷網(wǎng)狀分布，所以具有更好的抗熱裂性能，裂紋的敏感性大大降低，同時(shí)軋輥的咬入性能好。

典型的高鉻鋼軋輥的金相組織如圖4所示。

圖4　典型的高鉻鋼軋輥的金相組織

近年來(lái)，四輥粗軋機(jī)架軋輥開(kāi)發(fā)了一種高鉻鋼的替代型產(chǎn)品——半高速鋼軋輥，半高速鋼軋輥性能介于高鉻鋼和高速鋼之間，與高鉻鋼相比，降低了Cr的含量，并增加了W、V、Mo等合金含量，合金碳化物總量減少但呈多元化趨勢(shì)，顯著增加了高硬度的M2C、MC型碳化物，基體以回火馬氏體為主，因此具有較好的耐磨性。由于碳含量和碳化物的減少，進(jìn)一步改善了咬入性能和輥面抗熱裂性能。典型的半高速鋼材質(zhì)的金相組織如圖5所示。

圖5　典型的半高速鋼材質(zhì)的金相組織

幾種粗軋機(jī)架常用軋輥的材質(zhì)性能發(fā)展與對(duì)比如表1所示。

表1　粗軋機(jī)可用材質(zhì)性能對(duì)比

目前，根據(jù)軋線的工況條件、軋制品種的精度要求以及軋輥的性價(jià)比等方面，高鉻鑄鋼、熱作工具鋼、半高速鋼和高速鋼這四種材質(zhì)在粗軋機(jī)的選材中可優(yōu)先考慮，實(shí)現(xiàn)材質(zhì)的逐步更新?lián)Q代。

2．2精軋前段工作輥

與精軋后段相比，精軋前段工作輥的接觸應(yīng)力以及輥面溫度較高，其主要失效形式是磨損，磨損的主要機(jī)理是熱疲勞，軋輥與鋼坯接觸的部位受熱膨脹，而在軋輥內(nèi)部維持著正常溫度，由此產(chǎn)生的壓應(yīng)力常常超過(guò)外層材料的彈性極限，因此要求軋輥具有較高的熱彈性極限，以延緩熱疲勞裂紋的產(chǎn)生。高鉻鑄鐵的熱彈性極限從500 ℃ 開(kāi)始下降，普通材料則在300 ℃開(kāi)始下降。從目前國(guó)內(nèi)外在精軋前段工作輥選材來(lái)看，基本以高鉻鐵為主并逐步向高速鋼發(fā)展。

(1) 精軋機(jī)架用高鉻鑄鐵軋輥。外層Cr含量達(dá)14%～20%，顯微組織為25%左右共晶碳化物+回火馬氏體、極少量殘余奧氏體，輥面硬度70～85 HSD。外層材質(zhì)由于存在大量Cr元素，碳化物為M7C3型，呈菊花狀分布，顯微硬度值高達(dá)1500～1700 HV，另外軋輥在使用過(guò)程中，輥面將形成致密、穩(wěn)定的氧化膜，具有較好的耐磨性、抗冷熱疲勞性和綜合機(jī)械性能。高鉻鑄鐵的熱裂紋較細(xì)較淺，因其導(dǎo)熱性低，所以需要充足的水冷。典型的高鉻鑄鐵的金相組織如圖6所示。

圖6　典型的高鉻鑄鐵的金相組織

(2) 精軋機(jī)架用高速鋼軋輥。自20世紀(jì)80年代后期，國(guó)外熱帶連軋機(jī)上已開(kāi)始試用高速鋼軋輥；由于高速鋼軋輥的耐磨性大大提高，在線時(shí)間成倍延長(zhǎng)，因而進(jìn)入九十年代，國(guó)內(nèi)寶鋼、武鋼、鞍鋼、邯鋼等公司熱帶連軋機(jī)的精軋機(jī)架，已逐漸由高速鋼軋輥取代傳統(tǒng)的高鉻鑄鐵軋輥和高鎳鉻無(wú)限冷硬鑄鐵軋輥，并繼續(xù)擴(kuò)大使用，取得了較好的應(yīng)用效果。高速鋼軋輥顯微組織是由細(xì)小彌散、硬度極高的MC，M6C，M2C型合金碳化物鑲嵌于熱穩(wěn)定性很高的回火馬氏體基體上，由于大量合金元素的加入，促使回火過(guò)程中析出細(xì)小彌散碳化物，產(chǎn)生二次硬化現(xiàn)象，也使馬氏體分解溫度提高而具有良好的紅硬性。顯微組織為碳化物10%～15%，硬度75～90 HSD。但是高速鋼材質(zhì)的抗機(jī)械裂紋性能較差，且要求水冷條件較高，因此，選用高速鋼軋輥的前提是必須保證軋線的高穩(wěn)定性。典型的高速鋼的金相組織如圖7所示。

圖7　典型的高速鋼的金相組織

2.3精軋后段工作輥

對(duì)于精軋后段來(lái)說(shuō)，軋材表面溫度越來(lái)越低，此時(shí)熱疲勞已經(jīng)不是主要問(wèn)題，然而，帶鋼的硬度越來(lái)越高，軋輥轉(zhuǎn)動(dòng)速度更快，疊鋼、甩尾、卷曲等發(fā)生的幾率將大大升高，尤其是在軋制特種優(yōu)質(zhì)鋼時(shí)更加明顯。由于精軋后段對(duì)于板材精度影響較大，軋輥的選材標(biāo)準(zhǔn)是必須擁有較好的耐磨性和較高的抗裂紋擴(kuò)展能力。此時(shí)，高鎳鉻無(wú)限冷硬軋輥材質(zhì)依然保持領(lǐng)先地位，其輥身外層中存在細(xì)小石墨，起著良好的潤(rùn)滑和導(dǎo)熱作用，防止粘鋼發(fā)生，同時(shí)細(xì)小石墨分散分布在基體中，也一定程度地減輕機(jī)械裂紋擴(kuò)展速度。近年來(lái)，隨著軋輥材質(zhì)的發(fā)展，精軋后段使用的高鎳鉻無(wú)限冷硬軋輥，已經(jīng)由普通型發(fā)展到改進(jìn)型，改進(jìn)的特點(diǎn)主要是：外層組織中石墨形態(tài)由原來(lái)的短片、蠕蟲狀發(fā)展到點(diǎn)球狀，并加入一定量的高顯微硬度合金，同時(shí)進(jìn)行了變質(zhì)處理，促使組織中析出彌散的高硬度碳化物，極大地提高了軋輥的耐磨性、縮短了換輥周期。典型的改進(jìn)型高鎳鉻無(wú)限冷硬鑄鐵的金相組織如下圖：

圖8　典型的改進(jìn)型高鎳鉻無(wú)限冷硬鑄鐵的金相組織

在日本，高速鋼軋輥一直被使用到后機(jī)架，國(guó)內(nèi)目前一些廠家也在嘗試在精軋后段使用高速鋼軋輥，取得了一定的效果，但高速鋼完全取代高鎳鉻無(wú)限材質(zhì)還需要很長(zhǎng)的過(guò)程。

2.4支承輥

熱軋帶鋼粗軋、精軋支承輥目前主要以Cr3，Cr5為主，并逐步向Cr含量不斷提高的方向發(fā)展。由于鑄造水平、差溫?zé)崽幚砑夹g(shù)的不斷提高，以鑄代鍛的整體鑄造支承輥在國(guó)內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用，并取得了顯著效果，因其優(yōu)越的性價(jià)比，得到了廣大用戶的青睞。

3　結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于軋輥的選材來(lái)說(shuō)，需要考慮的不僅僅是軋輥?zhàn)陨硇阅艿膬?yōu)越程度，還需要考慮軋輥的使用條件、軋制工藝特點(diǎn)、軋機(jī)的穩(wěn)定性、軋輥使用過(guò)程中的維護(hù)和檢測(cè)手段，以及滿足條件的使用成本等諸多方面的因素，這是一個(gè)軋輥生產(chǎn)和軋輥應(yīng)用技術(shù)人員需要共同不懈努力的長(zhǎng)期課題。

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2016-05-09

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

TG335.11; TG142.11