無頭帶鋼生產(chǎn)線(ESP)工作輥研制與開發(fā)

周 軍， 馮喜鋒

(江蘇共昌軋輥股份有限公司， 江蘇 宜興 214253)

1 概 述

ESP(Endless Strip Production)全稱為無頭帶鋼生產(chǎn)線，是以連續(xù)不間斷的生產(chǎn)工藝通過簿板坯連鑄連軋?jiān)O(shè)備從鋼水直接生產(chǎn)出熱軋帶卷的設(shè)備。全世界第一條ESP生產(chǎn)線于2009年6月在意大利Arvedi S·P·A公司克雷默那二廠正式投入工業(yè)化運(yùn)行，如圖1所示，生產(chǎn)線總長僅190 m，連鑄和軋制工藝直接串聯(lián)，ESP生產(chǎn)線是第一條能夠在7 min內(nèi)實(shí)現(xiàn)從鋼水到地下卷取機(jī)的全連續(xù)生產(chǎn)線，成本顯著降低。國內(nèi)目前已經(jīng)引進(jìn)ESP軋線并連續(xù)投產(chǎn)四、五條軋線，在當(dāng)前鋼鐵轉(zhuǎn)型升級(jí)、資源節(jié)約等大背景影響下，國內(nèi)某些鋼廠正擬新投資類似軋線。

ESP軋線所需的工作輥性能要求很高，單次在線時(shí)間長，一般熱軋帶鋼連軋機(jī)的單次過鋼量在50 km左右，而ESP熱軋線單次過鋼量在150 km左右，有時(shí)甚至更多，是使用普通軋輥軋機(jī)單次軋制公里數(shù)的3倍左右；軋制過程中若出現(xiàn)事故停機(jī)，就會(huì)導(dǎo)致全生產(chǎn)線停產(chǎn)，這就需要軋輥具有超強(qiáng)的耐磨性與輥型保持能力，以及極強(qiáng)的抗事故性。

2 ESP與傳統(tǒng)軋機(jī)特性對比

傳統(tǒng)帶鋼熱連軋線一般分為粗軋段、精軋前段和精軋后段，目前新型ESP軋線的軋輥布局和尺寸規(guī)格與傳統(tǒng)軋機(jī)有較大區(qū)別，且軋制性能特點(diǎn)區(qū)別較大，所以，軋輥的材質(zhì)選用要綜合軋制特性、工況條件、軋材特點(diǎn)、軋輥材質(zhì)特性等方面，ESP與傳統(tǒng)帶鋼熱連軋線、CSP軋線的區(qū)別如表1所示。

表1 ESP與傳統(tǒng)帶鋼熱連軋線、CSP軋線的區(qū)別

(備注：A廠為國外某ESP廠、B廠為國內(nèi)某ESP廠)

3 ESP工作輥的研發(fā)

3.1 粗軋工作輥

目前，傳統(tǒng)熱連軋軋機(jī)粗軋工作輥主要以離心復(fù)合高鉻鑄鋼(以下簡稱“HCrS”)為主，少數(shù)企業(yè)由于軋線老舊且工況條件非常惡劣，還在使用半鋼軋輥；而軋線生產(chǎn)穩(wěn)定且用輥經(jīng)驗(yàn)豐富的鋼鐵企業(yè)，開始使用高速鋼(以下簡稱“HSS”)軋輥，HSS軋輥因?yàn)楹辖鸷扛撸鸭y敏感性較高，一旦發(fā)生卡鋼、堆鋼事故，裂紋的擴(kuò)展速度比較快，損失較大。但HSS極高的耐磨性是其他材質(zhì)無法超越的，有實(shí)力的軋輥制造廠家在不斷研究開發(fā)粗軋工作輥適用的材質(zhì)，軋輥的使用廠家則在不斷規(guī)范和合理使用軋輥，保持軋線的穩(wěn)定性。通過這兩方面的共同努力與結(jié)合，HSS軋輥必將是粗軋工作輥?zhàn)罱K發(fā)展方向。

江蘇共昌軋輥股份有限公司(以下簡稱“共昌軋輥”)根據(jù)ESP粗軋機(jī)的特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)與開發(fā)，研發(fā)了適應(yīng)ESP生產(chǎn)線的新型高速鋼材質(zhì)的軋輥，主要研發(fā)思路如下：

(1)該軋線粗軋段為三機(jī)架四輥軋機(jī)，粗軋壓下量較大，同時(shí)又是無頭軋制，不存在頻繁咬入的熱沖擊，單次軋制公里數(shù)要求達(dá)到150 km左右，因此軋輥的摩擦系數(shù)和耐磨性能是主要考慮因素，以防止帶鋼邊部磨損造成的應(yīng)力集中而導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。

(2)與傳統(tǒng)薄板坯相比其連鑄坯厚度較大，粗軋壓下量更大，可以獲得更高的單機(jī)產(chǎn)量，因此軋輥需具有較好的高溫紅硬性和良好的冶金結(jié)合質(zhì)量，才能保證粗軋工作輥的正常服役。

綜合以上研發(fā)思路，設(shè)計(jì)了新一代粗軋專用高速鋼“R-HSS”軋輥，應(yīng)用多層離心復(fù)合澆鑄的工藝，外層采用以W，V，Mo，Cr等主要合金為主的HSS，芯部采用高強(qiáng)度球墨鑄鐵保證強(qiáng)度。通過反復(fù)的研發(fā)試驗(yàn)工作，獲得了優(yōu)良的組織性能與力學(xué)性能，其典型金相組織圖片如圖2，3所示。

圖2 R-HSS工作層金相組織(100X)

圖3 R-HSS工作層金相組織(500X)

從上述組織圖片中看出，基體中存在大量的MC，M2C，M7C3型等高顯微硬度碳化物呈彌散狀分布，經(jīng)顯微硬度計(jì)進(jìn)行檢測，顯微硬度如表2所示。

通過高溫?zé)崽幚碇?，基體中析出了許多細(xì)小彌散的二次碳化物，可以起到“二次硬化”的效果，同時(shí)基體以回火馬氏體為主，表面硬度達(dá)83～85 HSD，經(jīng)過大量的現(xiàn)場試用驗(yàn)證，該類R-HSS軋輥在軋制過程中形成了深藍(lán)色的致密氧化膜，耐磨性和表面粗糙度保持性大大提高，獲得了優(yōu)異的使用性能。

表2 碳化物顯微硬度檢測結(jié)果/HV

3.2 精軋工作輥

該ESP生產(chǎn)線精軋機(jī)架采用五機(jī)架(2+3模式)四輥軋機(jī)，機(jī)架數(shù)相對較少，精軋前段F1-2的軋輥規(guī)格及材質(zhì)與粗軋工作輥相同，精軋后段F3-5機(jī)架為小規(guī)格工作輥，工作輥采用正彎輥+竄輥設(shè)計(jì)。對目前國內(nèi)薄板坯連軋線來說，精軋前段機(jī)架一般選用高鉻鑄鐵+高鎳鉻無限冷硬(簡稱“ICDP”)軋輥的模式；但ESP軋線由于軋制帶鋼成品厚度較薄，1.2～1.5 mm厚的軋材所占比例較大，為了控制板型及保證軋線的穩(wěn)定性，共昌軋輥開發(fā)了適應(yīng)該軋機(jī)的精軋后段的專用高速鋼“F-HSS”+改進(jìn)型高鎳鉻無限冷硬鑄鐵“EN-ICDP”的雙材質(zhì)品種軋輥。

對于F-HSS材質(zhì)，共昌軋輥設(shè)計(jì)了與R-HSS不相同的化學(xué)成分；而對于EN-ICDP，因精軋時(shí)帶鋼表面溫度低于粗軋，同時(shí)為了保證板型精度，提高鋼板表面質(zhì)量，在傳統(tǒng)ICDP基礎(chǔ)上進(jìn)行合金化和變質(zhì)處理，以獲得更優(yōu)異的綜合性能。兩種材質(zhì)的主要研發(fā)思路如下：

(1)F-HSS組織里增加硬質(zhì)碳化物的含量，將材料的碳含量提高到2.2%左右，同時(shí)適當(dāng)提高V含量，使組織中析出更多的點(diǎn)狀VC碳化物，使碳化物分布更加彌散。

(2)加入合金元素B進(jìn)行變質(zhì)處理，改變ICDP組織中的石墨形態(tài)，同時(shí)加入Nb合金，在組織中析出高顯微硬度的NbC并細(xì)化組織，同時(shí)通過組織的改進(jìn)來降低硬度落差，保證軋輥后期使用性能的一致性。

依據(jù)上述研發(fā)思路，對F-HSS，EN-ICDP進(jìn)行了成分、鑄造以及熱處理工藝的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，其金相組織圖片如圖4～9所示，EN-ICDP硬度落差檢測結(jié)果如表3所示。

圖4 F-HSS工作層金相組織(100X)

圖5 F-HSS工作層金相組織(500X)

圖6 傳統(tǒng)ICDP工作層石墨(100X)

圖7 EN-ICDP工作層石墨(100X)

圖8 EN-ICDP工作層金相組織(100X)

圖9 EN-ICDP工作層金相組織(500X)

?檢測位置表面與表面距離5 mm10 mm15 mm20 mm25 mm30 mm35 mm40 mm硬度/HSD828281.58181.58180.58080

從上述圖片中可以看出，一次共晶碳化物數(shù)量明顯增加(3%～5%左右)，主要增加的量以點(diǎn)狀的VC為主，且呈彌散分布，基體組織以回火馬氏體為主，基體中析出了細(xì)點(diǎn)狀二次碳化物。

從金相組織圖片看出，工作層通過變質(zhì)處理，石墨由傳統(tǒng)的短片狀變成點(diǎn)球狀，同時(shí)基體中析出了彌散分布的顆粒狀NbC硬質(zhì)碳化物，經(jīng)金相組織分析軟件進(jìn)行定量分析：石墨含量2.1%，大小約20～50 μm，碳化物總含量33.5%，同時(shí)由于石墨和碳化物的改進(jìn)，有效降低了工作層的硬度落差，從表3可以看出，從新輥尺寸到報(bào)廢尺寸(半徑使用30 mm)，軋輥的硬度落差≤2 HSD，軋輥的耐磨性得到提高的同時(shí)，也保證了軋輥使用后期的輥型和鋼板表面質(zhì)量。

3.3 工作輥芯部球墨鑄鐵

離心復(fù)合工作層芯部普遍采用球墨鑄鐵材料，由于軋輥單次軋制公里數(shù)較高，為了防止服役過程中的失效，提高芯部的強(qiáng)韌性，一般要求芯部抗拉強(qiáng)度≥400 MPa，表面硬度35～45 HSD左右為宜，主要研發(fā)思路如下：

(1)通過喂絲球化這種特殊的球化方式改變球化質(zhì)量，提高球化率，同時(shí)細(xì)化石墨大小，以期獲得2級(jí)以上球狀石墨。

(2)控制C，Si含量和比例，同時(shí)調(diào)整孕育量，以期獲得典型的牛眼狀鐵素體，細(xì)化珠光體，獲得40 HSD左右硬度，提高抗拉強(qiáng)度，金相組織如圖10，11所示。

圖10 芯部石墨組織(50X)

圖11 芯部組織金相圖片(50X)

按照GB/T 1504-2008《鑄鐵軋輥》附錄B對軋輥芯部球墨鑄鐵進(jìn)行評級(jí)，球化率為2級(jí)，碳化物和鐵素體級(jí)別為2級(jí)；對軋輥的頭頸進(jìn)行取樣，加工成拉伸試棒進(jìn)行了抗拉強(qiáng)度的測試，抗拉強(qiáng)度為465 MPa，表面硬度為41 HSD，軋輥的安全系數(shù)得到極大提升。

4 結(jié)束語

經(jīng)過對ESP軋制工況的充分了解與分析討論，研發(fā)了新型R-HSS，F(xiàn)-HSS，EN-ICDP工作層材質(zhì)，提高了軋輥的耐磨性和輥型保持能力；同時(shí)對工作輥芯部組織研究分析，得到高強(qiáng)度球墨鑄鐵。

ESP軋制線主要工作輥的選用與改進(jìn)如下：

(1)粗軋機(jī)架及精軋前段F1-2機(jī)架選用R-HSS材質(zhì)，基體中析出大量的MC，M2C，M7C3型高耐磨碳化物，碳化物顯微硬度顯著提高，與傳統(tǒng)HCrS相比，提高了軋輥的耐磨性和抗事故性。

(2)精軋后段機(jī)架選用F-HSS材質(zhì)，在傳統(tǒng)HSS基礎(chǔ)上增加了C，V含量，析出更多的硬質(zhì)碳化物，由于VC是彌散的點(diǎn)狀碳化物，分布更加均勻，耐磨性和抗裂紋性大大提高。

(3)精軋后段機(jī)架同時(shí)選用了新一代EN-ICDP，在傳統(tǒng)的ICDP材質(zhì)中添加了合金元素Nb和B，石墨形態(tài)由短片狀變?yōu)辄c(diǎn)球狀，組織中碳化物較為彌散，且析出很多彌散的高顯微硬度的碳化鈮，組織的耐磨性大大提高，工作層內(nèi)徑向硬度落差≤2 HSD，且輥型保持能力增強(qiáng)。

(4)芯部采用喂絲球化代替?zhèn)鹘y(tǒng)的沖入法球化，同時(shí)改變C，Si含量和改進(jìn)孕育工藝，石墨形態(tài)、大小以及牛眼狀鐵素體都在2級(jí)左右，提升了芯部組織的抗拉強(qiáng)度和表面硬度，充分滿足了ESP軋制工藝技術(shù)要求。