控制高速鋼軋輥結(jié)合層質(zhì)量的生產(chǎn)實(shí)踐

楊詠階，李東波,張俊延

(1.山東廣富集團(tuán)有限公司，山東濱州 256217；2.鄒平鑫特鑄造科技有限公司，山東濱州 256217）

隨著技術(shù)的進(jìn)步和軋制產(chǎn)品要求的提高，對軋輥材料的性能要求越來越高。單一金屬的性能往往不能滿足生產(chǎn)的需求，而雙金屬復(fù)合材料由于同時(shí)兼具兩種金屬材料的優(yōu)點(diǎn)，得到了日益廣泛的應(yīng)用。許多學(xué)者對新型軋輥材質(zhì)及其制造工藝進(jìn)行了研究[1~4]。

同傳統(tǒng)老式軋機(jī)精軋機(jī)架采用貝氏體球墨鑄鐵軋輥或無限冷硬鑄鐵軋輥相比，高速鋼軋輥不僅使用壽命長、軋機(jī)作業(yè)率高，而且軋材尺寸精度得到了提高，軋材表面質(zhì)量顯著改善。高速鋼軋輥在棒線材軋機(jī)上具有廣闊的市場空間和應(yīng)用前景，提高高速鋼軋輥質(zhì)量和使用壽命對于軋輥生產(chǎn)企業(yè)、軋鋼企業(yè)都具有重大意義。國內(nèi)某鑄造企業(yè)針對離心復(fù)合鑄造高速鋼軋輥質(zhì)量的控制進(jìn)行了研究。

1 工藝流程

圖1 離心鑄造工藝流程圖

圍繞著軋輥外層與芯部的冶金結(jié)合問題，高速鋼軋輥的制造技術(shù)不斷發(fā)展，從最早的離心鑄造法發(fā)展到后來的連續(xù)澆鑄復(fù)合法、電渣熔鑄法、熱等靜壓法和噴射成型法，各鑄造工藝的優(yōu)缺點(diǎn)各有不同。離心鑄造法由于生產(chǎn)裝備簡單、工藝穩(wěn)定、效率高、生產(chǎn)成本低，通過合理設(shè)計(jì)合金成分和工藝參數(shù)，生產(chǎn)出的軋輥仍可以滿足大多數(shù)軋機(jī)的需要，因而在相當(dāng)長一段時(shí)間內(nèi)仍將處于主導(dǎo)地位[5]。

某公司軋輥鑄造工藝流程：使用5t和2t中頻感應(yīng)電爐熔煉金屬溶液，采用臥式離心鑄造法生產(chǎn)高速鋼軋輥，軋輥生產(chǎn)流程如圖1所示。

使用過程中發(fā)現(xiàn)，高速鋼軋輥經(jīng)常容易出現(xiàn)工作層剝落的現(xiàn)象（見圖2）。結(jié)合層結(jié)合不良是導(dǎo)致剝落的主要原因，控制好結(jié)合層是實(shí)現(xiàn)高速鋼與球墨鑄鐵良好結(jié)合的關(guān)鍵，需要制定合適的控制工藝。

圖2 軋輥工作層剝落情況

2 軋輥材質(zhì)

該公司離心復(fù)合鑄造高速鋼軋輥工作層材質(zhì)為高速鋼，具有很好的紅硬性、耐磨性和淬透性，芯部為滿足韌性要求的高強(qiáng)度球墨鑄鐵。將兩種不同的材料通過離心復(fù)合鑄造制成高速鋼軋輥。設(shè)計(jì)的材質(zhì)成分見表1。

3 高速鋼軋輥結(jié)合層質(zhì)量工藝控制措施

針對離心復(fù)合鑄造高速鋼軋輥結(jié)合層出現(xiàn)嚴(yán)重剝落問題，在生產(chǎn)中采取如下工藝控制措施。

3.1 離心機(jī)停轉(zhuǎn)溫度控制

控制好離心機(jī)的停轉(zhuǎn)溫度，使外層鋼水處于完全凝固的臨界狀態(tài)最為理想。停轉(zhuǎn)溫度過高，外層鋼水還未完全凝固，會造成外層鋼水出現(xiàn)局部坍塌，產(chǎn)生一個(gè)塌陷區(qū)。塌陷區(qū)部分鋼水二次氧化，就會出現(xiàn)結(jié)合層夾渣缺陷。如果停轉(zhuǎn)溫度過低，為防止鋼水表面氧化而加入的玻璃渣熔液將變稠，離心過程中甩到鋼水內(nèi)表面的熔渣熔點(diǎn)提高，導(dǎo)致在填芯時(shí)熔化困難，造成融合量不足，嚴(yán)重時(shí)造成完全不結(jié)合，直接影響到外層與芯部的結(jié)合質(zhì)量，出現(xiàn)結(jié)合層夾渣缺陷。

為了準(zhǔn)確控制停轉(zhuǎn)溫度，根據(jù)生產(chǎn)軋輥規(guī)格和工作層厚度，運(yùn)用鋼錠凝固平方根定律估算停轉(zhuǎn)時(shí)間，再根據(jù)經(jīng)驗(yàn)加以修正。根據(jù)表1成分計(jì)算，高速鋼固相線溫度約為1283℃。因此，確定離心機(jī)停轉(zhuǎn)溫度為1260～1270℃，用連續(xù)式紅外測溫儀監(jiān)控外層鋼水溫度。

3.2 填芯間隔時(shí)間控制

填芯間隔時(shí)間過長會造成外層鋼水自由表面溫度過低，使防氧化玻璃熔渣和內(nèi)表面的渣子流動性變差，而不能上浮。為此，需合理控制填芯間隔時(shí)間，合理布置離心機(jī)與澆注地坑的距離。根據(jù)生產(chǎn)的軋輥規(guī)格不同，通常3～6分鐘即可滿足合型時(shí)間要求。

3.3 填芯鐵水澆注溫度控制

填芯鐵水澆注溫度過高，會將已經(jīng)凝固的外層鋼水熔蝕過多，外層鋼水中強(qiáng)碳化物形成元素鉬、鉻進(jìn)入芯部鐵水中，造成芯部合金總量增加，使得芯部組織尤其是結(jié)合層部位的碳化物數(shù)量過多，造成結(jié)合層強(qiáng)度和芯部強(qiáng)度急劇降低。澆注溫度過低，氧化渣和玻璃渣不能有效上浮，芯部金屬不能熔蝕足夠外層金屬，造成結(jié)合不良，且大量超標(biāo)夾渣分布于結(jié)合層上。

填芯鐵水為結(jié)合層熔融結(jié)合提供熱能，芯部鐵水一般存在球化孕育過程，需要與工作層操作配合好，在離心機(jī)尚未停轉(zhuǎn)前通知芯部出鐵。通過控制出鐵溫度來保證芯部澆注溫度。出鐵溫度控制在 1500～1520℃，填芯溫度控制在 1410～1430℃。

3.4 離心鑄造過程控制

及時(shí)加入防氧化玻璃渣，對鋼水內(nèi)表面起保護(hù)作用，防止鋼水內(nèi)表面產(chǎn)生高熔點(diǎn)氧化物，同時(shí)要求玻璃渣具有良好的流動性，迅速對內(nèi)表面形成一層保護(hù)膜，在冷型起吊時(shí)保證有一薄層吸附在內(nèi)表面，起到保溫和防止氧化的作用，其余流出。合理控制填芯速度，使吸附部分在接觸芯部鐵水后能馬上上浮。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐，確定離心機(jī)速度為 850r/min，填芯速度控制在（7～10）kg/s。

表1 材質(zhì)成分ωB/%

3.5 爐料控制

選用低硫、低磷優(yōu)質(zhì)合金料和鋼鐵料。減少銹蝕原材料的加入，減少夾雜物的產(chǎn)生，提高鋼、鐵水的純凈度。S、P均為表面活性元素，在一定范圍內(nèi)隨其含量的增加，鋼的抗裂性隨之降低，所以含量應(yīng)嚴(yán)格控制在0.020%以下。

3.6 外層鋼水熔煉

先將高熔點(diǎn)合金鉻鐵、釩鐵進(jìn)行破碎，破碎后加入爐內(nèi)，加快合金的融化速度。同時(shí)，熔煉時(shí)向爐內(nèi)加入玻璃碎片防止鋼水氧化，爐內(nèi)、爐外扒渣要干凈。

4 軋輥（?380×650mm）檢測結(jié)果

4.1 結(jié)合層形貌

通過肉眼觀察高速鋼軋輥，發(fā)現(xiàn)外層與芯部的結(jié)合層無明顯的物理界面，基本呈連續(xù)一致狀態(tài)，如圖3所示。切取軋輥橫截面試樣，進(jìn)行金相分析，發(fā)現(xiàn)石墨形態(tài)由外向內(nèi)由蠕蟲狀變?yōu)榍驙?，根?jù)石墨形態(tài)的變化來觀察到兩層的存在，而且分界面是起伏不規(guī)則的形狀，說明外層與芯部實(shí)現(xiàn)了良好的冶金結(jié)合。

4.2 結(jié)合層探傷檢測

圖3 結(jié)合層形貌

圖4 不同部位的金相圖

在實(shí)際生產(chǎn)中，通過輥身斷面粗加工，肉眼觀察輥身兩端結(jié)合層，看結(jié)合熔融層是否良好以及工作層是否在填芯過程中被沖偏。用板尺測量工作層厚度，初步判斷結(jié)合層質(zhì)量的好壞，然后再做進(jìn)一步深度檢測。使用超聲波探傷儀對結(jié)合層進(jìn)行探傷檢測，沒有發(fā)現(xiàn)缺陷，說明結(jié)合層控制良好。

4.3 力學(xué)性能檢測

從軋輥上切取了包含工作層、結(jié)合層和芯部的試樣，試樣加工成圖5所示的形狀，測得試樣抗拉強(qiáng)度為420MPa、470MPa。斷裂部位位于試樣根部，說明結(jié)合層抗拉強(qiáng)度還要大于此值，且大于輥頸強(qiáng)度（≥350MPa）要求。

圖5 斷裂部位示意圖

5 軋輥使用效果

（1）通過檢測結(jié)果來看，該工藝生產(chǎn)的離心復(fù)合鑄造高速鋼軋輥（?380×650mm）滿足要求，解決了由于結(jié)合層質(zhì)量差導(dǎo)致的軋輥在使用過程中輥身剝落問題，工作層剝落率下降了90.2%。

（2）優(yōu)化工藝后，高速鋼軋輥工作層與芯部實(shí)現(xiàn)了良好的冶金結(jié)合，軋輥服役期大幅提高。

6 小結(jié)

（1）采用離心鑄造工藝，使用高速鋼作為工作層、球磨鑄鐵作為芯部材料生產(chǎn)高速鋼軋輥。

（2）通過控制離心機(jī)停轉(zhuǎn)溫度、填芯間隔時(shí)間、填芯鐵水澆注溫度、離心鑄造過程、爐料、外層鋼水熔煉情況等因素，提高了高速鋼軋輥結(jié)合層的質(zhì)量。

（3）金相檢驗(yàn)、探傷檢測和結(jié)合層抗拉強(qiáng)度檢測結(jié)果表明：優(yōu)化工藝后，軋輥結(jié)合層質(zhì)量滿足生產(chǎn)要求，軋輥工作層剝落問題得到了解決。

[1] 胡冰,那順桑,陶進(jìn)長,等.離心鑄造雙金屬結(jié)合層的研究[J]．熱處理，2008,23(6)：51-54．

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[3] 袁乃博,毛衛(wèi)民．高速鋼離心復(fù)合軋輥結(jié)合層質(zhì)量的研究[J].中國鑄造裝備與技術(shù),2007(4)：19-22．

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[5] 劉均賢,韓靜濤,張永軍.軋輥用高速鋼材料的研究現(xiàn)狀[J].材