合金半鋼軋輥質(zhì)量控制技術(shù)研究及應(yīng)用

肖連華，姚永奎

（1.唐山鋼鐵集團(tuán)重機(jī)裝備有限公司，河北唐山 063036；2.唐山鋼鐵集團(tuán)技術(shù)中心，河北 唐山 063006）

合金半鋼軋輥質(zhì)量控制技術(shù)研究及應(yīng)用

肖連華1，姚永奎2

（1.唐山鋼鐵集團(tuán)重機(jī)裝備有限公司，河北唐山 063036；2.唐山鋼鐵集團(tuán)技術(shù)中心，河北 唐山 063006）

合金半鋼軋輥具有優(yōu)良的綜合性能、能適應(yīng)多種軋制條件，用途廣泛。本文介紹通過對(duì)合金半鋼軋輥控制鋼水夾雜物含量、按照不同用途設(shè)計(jì)半鋼中碳和合金元素的含量、選用不同的熱處理工藝控制不同的基體組織，以及鑄造工藝的改進(jìn)，合金半鋼軋輥質(zhì)量控制技術(shù)綜合實(shí)施，減少半鋼軋輥質(zhì)量缺陷，以實(shí)現(xiàn)用戶軋制需求。

合金半鋼；軋輥；質(zhì)量控制；研究；應(yīng)用

隨著用戶對(duì)鋼材多品種多規(guī)格、高質(zhì)量要求以及軋鋼生產(chǎn)機(jī)械化及自動(dòng)化水平的提高以及市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)加劇，國內(nèi)型鋼軋制采用先進(jìn)的“低溫、大壓下量、小輥徑軋制”等技術(shù)的推行，迫切要求軋輥的耐磨性、抗表面粗糙性和軋輥的韌性與之適應(yīng)。因此，研究開發(fā)新型合金半鋼軋輥材料及其制造技術(shù)已是勢(shì)在必行。

合金半鋼軋輥含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)通常在 1.5% ~2.3%，含Cr、Ni、M o、V等多種合金元素，一般游離碳化物質(zhì)量分?jǐn)?shù)約6%～10%，具有硬度降落小、耐磨性能高、韌性良好、消耗顯著降低，型材和軌梁材的表面質(zhì)量顯著提高等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于代替鑄鋼軋輥和普通低合金鑄鐵軋輥，如大型型鋼粗軋輥、型鋼軋機(jī)初軋和中軋機(jī)架、熱軋帶鋼連軋機(jī)初軋和精軋前段工作輥。但是由于原材料控制不嚴(yán)，工藝方案不合理，生產(chǎn)操作不當(dāng)，管理制度不完善等原因，會(huì)使合金半鋼軋輥產(chǎn)生如氣孔、粘砂、渣孔、殘?jiān)?、縮孔、縮松、裂紋、硬度不均等各種質(zhì)量缺陷。

本文主要分析半鋼軋輥鑄造質(zhì)量缺陷產(chǎn)生原因，通過調(diào)整其化學(xué)成分和制造工藝來滿足不同工況條件下對(duì)軋輥綜合使用性能的要求，形成半鋼軋輥質(zhì)量控制技術(shù)，減少上述缺陷。

1 工藝流程

采用精準(zhǔn)、精細(xì)工序控制，基本流程是45 t偏心底電弧爐熔化鋼水，進(jìn)入40 LF精煉爐精煉和40 t VD爐真空脫氣冶煉較純凈鋼水，底注式靜態(tài)澆注，鑄坯本體到600℃～700℃時(shí)進(jìn)行保溫?zé)岵鹣洌?］轉(zhuǎn)入熱處理高溫?cái)U(kuò)散、球化退火，粗車預(yù)開孔型，檢驗(yàn)合格轉(zhuǎn)入處理正火、回火，精車至成品尺寸。

2 合金半鋼軋輥生產(chǎn)質(zhì)量控制技術(shù)

2.1 鋼水純凈度控制技術(shù)

軋輥鋼水純凈控制技術(shù)貫穿于配料、初煉、精煉、鑄造等各環(huán)節(jié)，采用全流程夾雜物控制技術(shù)控制內(nèi)生夾雜物和外來夾雜物，明顯減少夾雜物數(shù)量，減少大尺寸夾雜物并改善其在鋼中的分布和形態(tài)[2]。

采用錳鐵、硅鈣、稀土鎂等復(fù)合脫氧，含氧量降到（40～60）×10-6，較以前Al脫氧大幅降低［[3]，各類夾雜物含量變化見表1.

表1 控制效果情況

2.2 鋼水化學(xué)成分控制技術(shù)

按照不同用途調(diào)整合金半鋼中碳和合金元素的含量，優(yōu)化合金窄成分控制，添加V、Ti元素（見表2），起到細(xì)化晶粒和彌散強(qiáng)化的作用，在彌散強(qiáng)化和析出強(qiáng)化的共同作用下，達(dá)到了提高軋輥組織性能的目的，成分優(yōu)化前后性能對(duì)比如表3所示。

鋼水采用稀土孕育方法使碳化物孤立化與球團(tuán)化，增加耐磨性。

珠光體以不同形態(tài)在組織中的存在將影響熱處理產(chǎn)生的組織應(yīng)力及內(nèi)應(yīng)力的形成，片狀或針狀珠光體有可能導(dǎo)致微裂紋的形成，在內(nèi)應(yīng)力的促進(jìn)作用下有可能使裂紋擴(kuò)大并最終造成軋輥開裂，而粒狀珠光體形成后就大大減少了熱裂傾向的發(fā)生，對(duì)軋輥的抗事故能力也有所提高。

表2 合金半鋼軋輥合金成分優(yōu)化情況（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

2.3 軋輥外在質(zhì)量控制技術(shù)

2.3.1 縮孔、縮（疏）松

軋輥產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特殊，橫截面大，軸向長決定了鑄造時(shí)不可避免的會(huì)產(chǎn)生縮松、疏松等鑄造缺陷?？s孔易產(chǎn)生于大型半鋼軋輥冒口端，縮（疏）松易產(chǎn)生于在下輥頸，出現(xiàn)的縮孔縮松類缺陷在軋輥輥身工作面范圍內(nèi)，影響軋輥質(zhì)量。

表3 合金半鋼軋輥合金成分優(yōu)化前后性能對(duì)比情況

鑄造工藝設(shè)計(jì)采取了下輥頸砂型≤30 m m，輥身冷型掛砂12 m m~15 m m，冒口砂型≥60 m m等工藝措施；準(zhǔn)確控制開澆溫度，一般在液相線以上50℃~60℃；嚴(yán)格控制冷型模溫，一般在80℃～100℃；用高溫鋼水點(diǎn)鑄冒口時(shí)間一般掌握在30 m i n之內(nèi)，溫度超過液相線80℃~100℃，距冒口上平面以下400 m m處開始點(diǎn)注冒口，點(diǎn)注時(shí)間6 m i n以上，點(diǎn)滿為上，加發(fā)熱劑2 kg/t，蓋保溫罩；引用自主研發(fā)的電加熱專利技術(shù)［4］，采用合理的電加熱工藝，使冒口的補(bǔ)縮通道仍保持暢通；采用凝固模擬技術(shù)設(shè)計(jì)冒口尺寸滿足補(bǔ)縮要求，以保證體積收縮所需要的鋼液。采取以上工藝措施，可以減緩縮孔、縮（疏）松缺陷的產(chǎn)生。

2.3.2 夾渣、夾砂

采用專用砂輪器具打磨冷型內(nèi)表面，清除冷型及其他砂箱內(nèi)腔表面臟物，保證表面無粘結(jié)物。砂型采用緩慢升溫至400℃干燥工藝。

合箱前各接合部要求磨平整，吸出內(nèi)腔、澆注管道雜物，嚴(yán)格檢查型腔質(zhì)量，如有損壞要修補(bǔ)烘干后方可使用，冷型內(nèi)壁不允許有裂紋和涂料剝落。

用切線型內(nèi)澆道，使雜質(zhì)集中在軋輥中心部位，以利于夾雜物上浮，澆口杯采用平穩(wěn)封閉階梯式設(shè)計(jì)[5]。

2.3.3 裂紋、斷輥

鑄造裂紋有熱裂紋和冷裂紋，熱裂產(chǎn)生一般是工藝原因，如果軸向收縮受阻，容易造成熱裂。軋輥能夠自由收縮變形，要有良好的由底至頂?shù)捻樞蚨ㄏ蚰?；模型盡可能與最終軋輥外形接近，表面良好的柱狀晶組織在最終軋輥中能表現(xiàn)出良好的耐磨性。必須嚴(yán)格執(zhí)行澆注工藝參數(shù)，及時(shí)撤離插入節(jié)支撐體等。Ni、M n、M o等元素增加了白點(diǎn)的敏感性，容易產(chǎn)生裂紋，必須控制好入爐原料的干燥。

熱處理出現(xiàn)裂紋原因：軋輥經(jīng)熱處理高溫?cái)U(kuò)散退火后，在距下輥頸端輥身三分之一處產(chǎn)生橫向裂紋，在熱處理高溫?cái)U(kuò)散退火階段產(chǎn)生，溫度范圍在680℃~1 040℃ 之間。軋輥在冷卻和加熱過程中主要有兩種應(yīng)力，即熱應(yīng)力和組織應(yīng)力。熱處理升溫加熱階段，表面受熱膨脹在軸向和徑向產(chǎn)生拉應(yīng)力，溫度相對(duì)偏低的地方產(chǎn)生壓應(yīng)力，從軋輥裝爐位置和爐內(nèi)溫度分布來看，爐內(nèi)上部溫度高，下部溫度低，結(jié)合裂紋位置氧化程度分析，軋輥在升溫加熱過程中存在高溫長時(shí)間過燒，溫度高，必然加大上下溫度梯度，有可能造成軋輥組織產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，形成微裂紋，并逐漸發(fā)展形成裂紋。

軋輥結(jié)構(gòu)軸向長，橫截面大，半鋼軋輥的導(dǎo)熱性僅為45鋼的一半，導(dǎo)熱性差；鑄造時(shí)，冒口端溫度高，下端溫度低，客觀上存在上下溫度梯度，其軸向拉應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于切向及徑向應(yīng)力，造成軋輥身產(chǎn)生橫向裂紋的可能性存在；吹風(fēng)冷卻時(shí)，風(fēng)機(jī)風(fēng)量小，吹風(fēng)位置調(diào)整不合適，使風(fēng)履蓋軋輥輥身面不完全，軋輥局部膨脹或收縮不一致，也有可能造成軋輥身產(chǎn)生橫向裂紋；加工過程臺(tái)肩倒角小或徑向擴(kuò)展。

采用熱拆箱，嚴(yán)格控制升溫速度，特別是680℃以后的升溫速度盡可能緩慢升溫，680℃保溫時(shí)間延長至16 h，升溫速度修改為小于或等于100℃.第二，在升溫和保溫階段，根據(jù)爐內(nèi)溫度變化情況，及時(shí)調(diào)整控制溫度；輥身上表面覆蓋硅酸鋁纖維氈防護(hù)；調(diào)整好風(fēng)機(jī)高度，使之對(duì)準(zhǔn)輥身中線或轉(zhuǎn)入噴拌機(jī)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)吹風(fēng)。

2.3.4 粘砂

軋輥粘砂不僅影響鑄件的外觀質(zhì)量，甚至引起報(bào)廢。金屬液滲入砂型或砂芯砂粒間隙中，與砂燒結(jié)并粘附在軋輥表面或金屬液化學(xué)反應(yīng)生成的金屬氧化物與造型材料作用形成的粘著力很強(qiáng)的硅酸鐵浮渣形成粘砂。

保證砂型干強(qiáng)度在70M Pa以上，澆注過熱度在50℃~60℃；保證石英砂Si O2純度在95%以上，用砂粒度40目~100目；使用醇基鋯英耐火涂料，涂料厚度2 m m～3 m m.

2.2.5 氣孔

通常在軋輥內(nèi)部和表面上經(jīng)?？吹揭恍┨〔坏鹊墓饣锥?，常見的有侵入性氣孔、析出性氣孔以及皮下氣孔等。

出現(xiàn)氣孔的原因有很多，例如爐料不干或含氧化物、雜質(zhì)多；型砂含水過多或起模和修型時(shí)刷水過多；型芯烘干不充分或型芯通氣孔被堵塞；澆注溫度過低或澆注速度太快等。

對(duì)侵入性氣孔盡快控制型砂或芯砂中發(fā)氣物質(zhì)的含量，減少發(fā)氣量，而且要降低濕型砂的含水量，保證砂芯的干燥。對(duì)皮下氣孔的預(yù)防控制，包括適當(dāng)提高澆注溫度。

排氣系統(tǒng)，考慮冒口系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化，排氣系統(tǒng)布局合理，使型腔和砂芯排氣順暢，有利于防止產(chǎn)生氣孔和粘砂等缺陷，砂型和砂芯不僅排氣好，還要發(fā)氣量低、透氣性好[6]。

2.2.6 砂眼、渣孔

砂眼、渣孔產(chǎn)生原因：型砂的強(qiáng)度過低、或者是砂型和型芯不夠結(jié)實(shí)、合箱時(shí)砂型出現(xiàn)了局部破壞、澆注系統(tǒng)不合理，合型時(shí)型腔或澆口內(nèi)散砂未清理干凈，形狀呈現(xiàn)出不規(guī)則性，且缺陷內(nèi)部填充著夾雜物。

盡量提高型砂的強(qiáng)度以及砂型的結(jié)實(shí)度，緊實(shí)度，減少砂芯的毛刺，從而防止出現(xiàn)沖砂的現(xiàn)象；合型前將型腔和砂芯表面的浮砂清理干凈，嚴(yán)格避免鋼液對(duì)型壁過大的沖刷力。

2.2.7 硬度不合

對(duì)平輥進(jìn)行粗開孔型再進(jìn)行淬火處理，半鋼軋輥基體組織決定了軋輥的耐磨性和抗事故性能[7]。

軋輥顯微組織，基本上可以看作是滲碳體和鐵素體的混合物，尤其是高碳材質(zhì)，雖然需要滲碳體量來保證其硬度和耐磨性，但在凝固過程中必須控制滲碳體網(wǎng)的發(fā)展，將鑄態(tài)碳化物網(wǎng)切斷并球化，以免過脆。通過優(yōu)化改進(jìn)熱處理工藝，滿足軋輥硬度均勻性。

3 效果評(píng)價(jià)

3.1 使用消耗情況比較

表4 軋輥使用消耗情況

同材質(zhì)同規(guī)格軋輥在相同使用條件下消耗情況如表4所示：工藝改進(jìn)后半鋼軋輥其使用性能明顯優(yōu)于工藝改進(jìn)前軋輥，平均車削量降低15.9%，磨損量降低10.3%，單位毫米軋制量提高14.2%.

3.2 軋輥綜合性能比較

通過分析合金半鋼軋輥的冶煉、鑄造和熱處理關(guān)鍵工序工藝對(duì)軋輥質(zhì)量影響，創(chuàng)新研究形成大型鑄造半鋼軋輥的制造技術(shù)，該質(zhì)量控制技術(shù)應(yīng)用取得了成功，軋輥各類鑄造缺陷基本消除。

［1］文鐵錚，郭玉珍.軋輥制造技術(shù)新論［M］.石家莊：河北科學(xué)技術(shù)出版社：2014，106-107.

［2］ 肖連華.鑄鋼軋輥熔煉夾雜物控制技術(shù)［J］.鑄造，2016（12）；1221-1223.

［3］ 李偉，姜偉航，曹松，等.中頻感應(yīng)電爐脫氧工藝對(duì)非金屬夾雜物的影響［J］.鑄造，2016（2）；172-174.

［4］ 唐山鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司.一種鑄鋼軋輥電加熱裝置及其電加熱方法:中國，ZL201410501531.9［P］.2016-08-31.

［5］ 李強(qiáng)，杜強(qiáng)，李殿中，等.大型軋輥鑄造凝固中縮孔預(yù)報(bào)［J］.鑄造，2002（5）：297-298.

［6］ 紀(jì)漢成，湯葉衛(wèi).淺談砂型鑄造排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.鑄造，2017（3）：263-267.

［7］ 許健，黃進(jìn)群，孫鐸基.粗開孔型二次熱處理精軋半鋼軋輥的研制［J］.鑄造技術(shù)，2009（5）：623-625.

Research and Application of the Quality Control Technology of Alloy Semi-steel Roll

XIAO Lian-hua1，YAO Yong-kui2
（1.Tangshan Iron and Steel Group Heavy Machinery&Equipment CO.，LTD.，Tangshan Hebei 063036，China；2.Tangshan Iron and Steel Group Technology Center，Tangshan Hebei 063006，China）

Alloy semi-steel roll is a roll material with excellent comprehensive performance，suitable for many rolling conditions and widely used.In this paper，through controlling inclusion content，designing the content of carbon and alloying elements according to different application，selecting different heat treatment process to control matrix

organization，as well as improving the casting process，carrying out quality control technology，the quality defects were reduced to meet the user requirements.

alloy half steel，roll，quality control，research，application

TG28，TG162

A

1674-6694（2017）04-0039-03

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2017.04.014

2017-04-29

肖連華（1967-），男，漢族，高級(jí)工程師，工程碩士，從事軋輥生產(chǎn)工藝研究。