冷彎成型生產(chǎn)中的軋輥消耗控制

李 燁

（武漢鋼鐵江北集團冷彎型鋼有限公司，武漢 430015）

軋輥是軋鋼生產(chǎn)中最主要的工藝件，軋輥與軋件直接接觸使軋件發(fā)生塑性變形，從而完成軋制過程。軋機的其他部件，都是為了安裝、支撐、調整和更換軋輥以及引導、控制軋件正確進出軋輥而設置的。軋輥經(jīng)常在高溫、高壓、激冷激熱和沖擊等惡劣條件下工作，對軋輥的強度、表面硬度、耐磨性、耐熱裂性等質量性能是一個嚴峻的考驗。對冷彎型鋼及高頻焊管的生產(chǎn)來說，軋輥質量的好壞直接影響著產(chǎn)品的質量和產(chǎn)量。要想提高型鋼產(chǎn)品的質量、降低生產(chǎn)成本，有必要對軋輥的質量和使用進行控制。對于型鋼生產(chǎn)來說，軋輥質量包括軋輥的加工質量和軋輥的設計質量，軋輥的加工質量由專業(yè)的軋輥加工廠來控制，一般按GB/T 31936 進行驗收；軋輥的設計質量最好由型鋼生產(chǎn)廠家來控制。筆者根據(jù)多年來的冷彎型鋼及高頻焊管的生產(chǎn)管理經(jīng)驗，為了減少軋輥的投入、降低軋輥的消耗，對軋輥材質選用、軋輥設計及使用等方面進行了探討。

1 軋輥的合理選材

軋輥的材質選取是冷彎型鋼及高頻焊管機組軋輥設計最基本的部分之一。不同的材質，具有不同的性能，適用于不同的軋制環(huán)境。選用不當，會嚴重影響產(chǎn)品的質量和產(chǎn)量。

1.1 常用軋輥材質

作為冷彎型鋼及高頻焊管所用的軋輥，其材質要求有：①較高的硬度和耐磨性，足夠的強度和韌性，良好的切削性能和熱處理性能；②材料的價格經(jīng)濟，取材容易；③個別軋輥還要求有良好的耐熱性。因此，一般情況下國內冷彎型鋼軋輥所用的材質主要有GCr15、9Cr2Mo、Cr12MoV、3Cr2W8V、4Cr5MoSiV1、ZCr20 和 ZCr25；國外所用材質主要有德國的X155CrVMo121 和X38CrMoV51、美國的 D2 和 H13、日本的 SKD11和SKD61 等，各材質的化學成分見表1[1]。

由于化學成分、熱處理方式不同，它們表現(xiàn)出的性能也不盡相同。GCr15 鋼屬滾動軸承鋼，價格相對較低，易選購，好鍛造，淬透性好，熱處理后強度高，硬度大，耐磨性好，但其抗熱裂性和抗剝落性差；9Cr2Mo 與GCr15 性能相似；Cr12MoV 鋼是一種高碳高鉻鋼，具有很高的硬度和疲勞強度，良好的耐磨性、韌性及熱處理性能，因其含有Mo 和V，不但能提高鋼材的回火穩(wěn)定性和淬透性，還能細化晶粒，改善鋼材韌性，因此具有較高的硬度和抗疲勞強度，與日本的SKD-11、美國的D2比較接近；3Cr2W8V、4Cr5MoSiV1 鋼是一種含鎢較高的模具鋼，具有較高的紅硬性，與美國的H13 相似，但材料的硬度和耐磨性不及 GCr15；高鉻合金軋輥 ZCr20、ZCr25 采用特殊的鑄造、熱處理工藝生產(chǎn)出來的高鉻合金新材料軋輥，不僅具有較高的硬度和較好的沖擊韌性，而且具有良好的耐磨性能，越來越受到國內外冷彎型鋼用戶的青睞[2-4]。

表1 主要冷彎型鋼軋輥化學成分

1.2 軋輥材質的選取

根據(jù)軋輥工作環(huán)境，結合軋輥性能可合理選擇軋輥的材質，材質選取不當，易出現(xiàn)失效，加大了軋輥的消耗，并影響產(chǎn)品的質量和生產(chǎn)效率。普通成型軋輥和定徑軋輥，其受力較大、磨損快、受一定的沖出力，要求強度高、耐磨性好、有一定的韌性。所以國內一般選用GCr15、9Cr2Mo 、Cr12MoV、ZCr20 等制作成型輥和定徑輥，國外則選用與此相當?shù)牟馁|，如美國的D2、德國的X155CrVMo121、日本的 SKD11。擠壓軋輥除了受沖擊、磨損外還要承受激冷激熱的影響，工作環(huán)境惡劣。目前擠壓輥的材質我國主要選用3Cr2W8V 及ZCr25 等耐激冷激熱的材料；國外主要選用美國的 H13、德國的 X38CrMoV51 、日本的SKD61 等模具鋼，其材質純凈度極高，采用先進的鍛造工藝，獨特控制的熱處理工藝制作。高鉻鋼ZCr20、ZCr25 為一種高鉻鑄造合金鋼，強度高、硬度大，通過特殊的熱處理工藝后，可別適應成型輥和擠壓輥的要求。當然，將受力不大、磨損較小的部分成型軋輥使用價格較低的材質（如45 鋼等），能降低軋輥的投入。

2 軋輥孔型和結構的科學設計

2.1 合理減少軋輥的總量

軋輥的價格相對較高，科學設計軋輥孔型，合理減少軋輥的使用量，可有效地降低生產(chǎn)成本。軋輥設計時，在滿足產(chǎn)品工藝、軋輥重車量及生產(chǎn)調整等情況下，盡量減小軋輥的直徑，以減少軋輥的總量?？紤]到冷彎產(chǎn)品在生產(chǎn)的過程中，由于每一機架成型作用不同，孔型的每一個部位受力不同，對軋輥的要求是不一樣的。實踐證明，在保證軋件有足夠拖動力的同時，可根據(jù)各架次軋件成型所需的成型力情況，用軋輥定位隔套代替部分軋輥。如圖1所示，在生產(chǎn)大型槽鋼時 A、B、C、D 四個部分可用隔套代替這里的軋輥。采用這種設計方法，對于一些較大的孔型，可減少約20%的軋輥投入，降低生產(chǎn)成本。

圖1 大型槽鋼成型軋輥配置示意圖

另外，對于僅生產(chǎn)某一系列的產(chǎn)品，可使用專用軋機增加軋輥的通用性，有效減少軋輥的總量。如對于專業(yè)生產(chǎn)圓管的軋機可采用柔性成型技術的可變徑軋輥[5]。大型圓管的可變彎曲半徑軋輥如圖2所示，與傳統(tǒng)的圓管成型相比，減少了30%以上的軋輥投入。

圖2 大型圓管的可變彎曲半徑軋輥示意圖

2.2 充分考慮軋輥的磨損

2.2.1 減少軋輥使用面線速度差，降低軋輥磨損

冷彎型鋼產(chǎn)品的孔型，基本上都有一定的深度。生產(chǎn)過程中，軋輥隨著輥軸旋轉，孔型側壁不同深度點的線速度不同?？仔驮缴睿渖舷曼c的線速度差就越大，軋輥的孔型表面與軋件接觸的表面的相對運動就越大。隨著成型力的增大，軋件表面發(fā)生塑性變形，從而使兩金屬面直接接觸處發(fā)生粘著現(xiàn)象[2]。因為粘著處會被剪切力拉斷，粘著處的不斷形成和不斷破壞使軋輥產(chǎn)生了粘著磨損。在一般情況下，由于軋輥的硬度和強度較大，在軋件一邊分離面的軋件表面就出現(xiàn)撕裂現(xiàn)象，影響產(chǎn)品質量，而軋輥面上產(chǎn)生擦傷。為了減少這種現(xiàn)象的發(fā)生，就必須盡量減少軋輥與軋件表面的線速度差，在實踐中主要有以下兩種方法：

一是采用 “同步軋輥”。所謂 “同步軋輥”是使同一支軸上大小不同的軋輥轉動時相對地同步，較大的軋輥通過帶有的軸承被動旋轉自動調節(jié)轉速，盡量減少孔型側壁與軋件的線速度差，從而減輕軋輥的粘著磨損，降低軋輥的消耗。如圖3，軋輥 A、B 的斜面 ef 和 mn 均承受著較大的彎曲成型力，并且斜面的線速度從下至上各點越來越大，存在較大的速度差，一般情況下，e、m 兩處軋輥的粘著磨損較大。但將A、B 兩輥改成如圖4所示的 “同步軋輥” 后，軋輥被動旋轉，兩斜面各點的速度可自行調節(jié)，軋輥e、m處的線速度差可降低一半，有效地減輕了軋輥的磨損，同時減輕了產(chǎn)品表面的劃傷[6]。

圖3 大型外卷邊槽鋼軋輥配置示意圖

圖4 帶有軸承的“同步軋輥”示意圖

二是采用不同的輥軸傳動。將孔型不同部位的軋輥采用不同方位的軸傳動，使孔型各表面的線速度盡量一致，從而減少粘著磨損。如將只有上、下平輥的兩輥機架改為帶有中間插入輥的四輥機架，盡量使孔型各部分的軋輥表面線速度一致（如圖5）。又如對專業(yè)生產(chǎn)大型圓管的軋機采用柔性成型技術，使用排輥成型，因軋輥分別繞各自的軸轉動，與軋件同步運行，不僅減少了產(chǎn)品的劃傷，還有效地減輕了軋輥的磨損。

圖5 帶側立輥的四輥配置示意圖

2.2.2 適當分解軋輥，減少軋輥的耗損

在冷彎成型的過程中，同一孔型的不同部位因受力不同，其磨損有所不同。雖然在設計時可采用各種方法減少軋輥的磨損，但部分軋輥的磨損或破損在所難免。為了減少軋輥的報廢量，在軋輥設計時要充分考慮孔型各部分的受力，將易損壞的軋輥與不易損壞的軋輥分解成不同的輥片，即設計成組合軋輥。這樣，一旦受力較大的軋輥片先磨損或破損，可只更換這破損的軋輥片即可，其他軋輥輥片可繼續(xù)使用，從而減少軋輥的消耗。

2.3 合理使用組合軋輥，增強軋輥的通用性

對于同一類大型型鋼的軋輥，為了便于組合出更多規(guī)格的孔型，將其中某些單個整體軋輥分解成若干個軋輥片的組合軋輥，或將一片軋輥的兩端設計出不同的圓弧半徑，從而增加部分軋輥的通用性，有效減少軋輥的總質量。如圖5所示，考慮到軋制不同尺寸、不同厚度的產(chǎn)品，將上輥分為A、B 兩輥，并將每片軋輥的兩端設計不同的圓弧半徑。這樣可以通過調整A、B 兩輥的寬度來生產(chǎn)不同規(guī)格的產(chǎn)品，也可通過使用不同的軋輥圓弧半徑來生產(chǎn)不同厚度的產(chǎn)品，從而較大程度地增強軋輥的通用性。

3 軋輥的正確使用

設計好的軋輥，選擇信譽度高、加工質量可靠的專業(yè)軋輥加工廠家進行軋輥加工，軋輥回廠后應對軋輥的各尺寸及性能進行復檢，合格的軋輥方可上線使用。軋輥上線的損耗形式主要有磨損、燒裂、剝落及破裂等，下面根據(jù)各種損耗的特點提出軋輥使用時的注意事項。

3.1 減少軋輥的磨損

軋輥孔型表面越粗糙，軋輥孔型與軋件實際接觸面積就越小，從而使軋件表面因壓強增大而發(fā)生塑性變形，軋件與孔型面接觸處產(chǎn)生粘著現(xiàn)象。由于軋件對孔型不斷作相對滑動，粘著處不斷形成和不斷破壞使產(chǎn)品表面劃傷，軋輥產(chǎn)生了粘著磨損。因而減少軋輥孔型表面的粗糙度（一般Ra0.8～Ra1.2），可有效減少軋輥的粘著磨損。

在冷彎型鋼的生產(chǎn)中，鋼帶常常粘附有硬的砂粒、氧化物、鐵屑或其他硬雜物，在軋件和軋輥孔型面作相對運動時，硬雜物可使孔型表面磨損擦傷。通常在保證軋輥有足夠硬度（成型輥和定徑輥HRC56～62）的同時，通過使用軋制液沖洗軋輥和鋼帶，并不斷過濾、沉淀軋制液中的硬雜質等方法，可減少軋輥的這種磨料磨損。如果冷卻液的成分處理不當或帶有腐蝕性的化學物質時，冷卻液就會腐蝕軋輥，使軋輥磨損加劇，這就是軋輥的腐蝕性磨損，因而注意冷卻液中的腐蝕性物質也是很有必要的。

在生產(chǎn)過程中，軋件與軋輥的接觸面因滾動和滑動產(chǎn)生摩擦，在交變的磨擦應力作用下軋輥出現(xiàn)疲勞，從而引起了軋輥的疲勞磨損。軋輥中的氧化物夾雜及淬硬層的不均勻降低了軋輥表層的剪切強度，使軋輥抗疲勞壽命減少[7-10]。因而必須選用較好的軋輥材質，并控制軋輥的熱處理質量，成型輥的表面硬度達HRC60，HRC 硬度差值不大于 3；使淬透層的深度為 10～25 mm，這樣可減少軋輥的表面疲勞磨損。

3.2 防止軋輥的龜裂

龜裂是由于軋輥軋制時表面在交變的熱應力作用下，產(chǎn)生網(wǎng)狀的裂紋。裂紋隨軋制時間的延長而加深，影響產(chǎn)品質量，嚴重時導致軋輥斷裂。這種現(xiàn)象在冷卻不好的成型輥和高頻焊接的擠壓輥中出現(xiàn)較多。因此，對受力較大的成型輥要進行充分冷卻，防止軋輥熱疲勞的產(chǎn)生；對于受熱的擠壓輥一般采用含碳量較低、表面硬度較低的軋輥，如使用3Cr2W8V 的材質，其表面熱處理硬度為HRC52±2 作擠壓輥，并充分冷卻。

3.3 防止軋輥的破裂

軋輥使用時，由于受力過大、頻繁受到?jīng)_擊、不充分冷卻、嚴重擦傷等原因，輥體發(fā)生疲勞斷裂，出現(xiàn)大塊掉落或小塊淺層剝落。在生產(chǎn)過程中，要均勻調整各架成型力，避免軋輥負載過大；控制鋼帶頭尾接頭的焊瘤對軋輥的沖擊；保證軋輥的充分冷卻，從而防止軋輥的破裂。

4 結束語

科學的軋輥設計，精細的軋輥加工，正確的軋輥使用，可以減少軋輥的總量，降低軋輥的消耗，延長軋輥的使用壽命，從而提高生產(chǎn)效率、保證產(chǎn)品質量。同時，合理使用組合軋輥，增強軋輥的通用性，還可以降低生產(chǎn)成本，達到提升企業(yè)經(jīng)濟效益的目的。