熱軋板帶粗軋高速鋼工作輥的研發(fā)與應(yīng)用

周 軍，馮喜鋒

（江蘇共昌軋輥股份有限公司，江蘇 宜興 214253）

高速鋼軋輥由于其良好的耐磨性和高溫紅硬性，近三十年來(lái)一直在不斷的研發(fā)和應(yīng)用試驗(yàn)，材質(zhì)也不斷地進(jìn)行更新?lián)Q代，目前在熱軋精軋前段的應(yīng)用基本比較成熟，但是在粗軋和精軋后段應(yīng)用較少，主要是由于不同機(jī)架軋制環(huán)境和特性不同造成的，所以需要研究特定環(huán)境試用下的高速鋼，研發(fā)個(gè)性化材質(zhì)來(lái)適應(yīng)，本文主要研究熱軋粗軋環(huán)境下高速鋼的研發(fā)與應(yīng)用[1]。

1 粗軋高速鋼的服役特點(diǎn)及性能設(shè)計(jì)方向

熱軋粗軋機(jī)架分布常用的一般有兩種：?jiǎn)螜C(jī)架4輥或者兩輥R1+四輥R2，通常工作輥采用半鋼、高鉻鋼材質(zhì)，少量使用工具鋼或者半高速鋼，首先我們需要對(duì)使用環(huán)境和特點(diǎn)與精軋前段做一個(gè)對(duì)比分析：

表1 使用環(huán)境對(duì)比分析

通過(guò)使用環(huán)境對(duì)比分析可以得出：無(wú)論是壓下量、軋制壓力，還是換輥周期、板坯溫度及過(guò)鋼方式，粗軋的工作輥的軋制條件和要求都高于精軋前段，這就要求軋輥具有較強(qiáng)的咬入性能、抗事故性，同時(shí)又要具有較好的高溫紅硬性及耐磨性。針對(duì)以上性能要求我們的設(shè)計(jì)思路主要有以下幾點(diǎn)：

（1）適當(dāng)降低C的含量。與精軋前段高速鋼鋼相比，適當(dāng)降低C的含量，可以提高材料摩擦系數(shù)，從而改善軋輥的咬入性能，同時(shí)C含量適當(dāng)降低，可以降低碳化物的總量，這樣可以降低裂紋敏感性和提高抗事故性[2]。

（2）優(yōu)化合金配比。降低Cr7C3碳化物的含量，一方面防止生產(chǎn)過(guò)量的共晶性質(zhì)的網(wǎng)狀碳化物，另一方面提高顆粒狀的MC型碳化物的含量，使細(xì)小彌散的顆粒狀碳化物更加均勻地分布在整個(gè)基體，從而降低網(wǎng)狀熱裂紋敏感度，提高輥面表面光潔度與氧化膜附著能力。

（3）設(shè)計(jì)新的熱處理工藝以提高淬硬層深度。由于一般精軋前段軋輥單邊使用厚度為35mm～50mm，而粗軋工作輥單邊使用厚度都在50mm～75mm，需要設(shè)計(jì)新的熱處理工藝以提高淬硬層深度、減小硬度落差，保證軋輥全壽命周期使用性能的一致性。

（4）選用高強(qiáng)度高韌性球墨鑄鐵。由于粗軋機(jī)架軋制壓力大，瞬時(shí)軋制壓力最大可達(dá)7000t～8000t，而且偶然會(huì)發(fā)生卡鋼事故，所以采取先進(jìn)的“雙線四喂”進(jìn)行球化和孕育，保證芯部強(qiáng)度，防止斷輥惡性事故的發(fā)生。

（5）優(yōu)化軋輥的使用維護(hù)方案。制定專(zhuān)門(mén)針對(duì)高速鋼工作輥的使用維護(hù)方案，方案包括磨削量、換輥周期、檢測(cè)跟蹤、燙輥等制度，以及試用時(shí)對(duì)軋輥表面氧化膜的評(píng)估。

2 粗軋機(jī)架高速鋼軋輥的設(shè)計(jì)

2.1 含碳量的設(shè)計(jì)理論方向及選用范圍

碳含量：一部分和不同的合金結(jié)合形成合金碳化物，剩余部分以過(guò)飽和的碳溶于基體中，基體中碳的含量決定材質(zhì)的屬性、凝固特點(diǎn)、淬透性等。鑒于粗軋機(jī)架要求材質(zhì)高韌性、高壓下量等特點(diǎn)，碳含量設(shè)計(jì)稍低于傳統(tǒng)高速鋼，定為1.3%～1.8%。

2.2 合金的種類(lèi)及含量選用

鑒于粗軋機(jī)架較高的軋制溫度，為了提高軋輥的抗熱裂性能，選用紅硬性保持能力較好的鉬元素為主，鉬含量控制在3.0%～5.0%之間。

為了提高軋輥的耐磨性能、淬透性、高溫強(qiáng)度等，必須有一定的鉻含量，鉻在基體中，主要和碳結(jié)合以Cr7C3、Cr3C形式存在，在基體中呈斷續(xù)網(wǎng)狀分布；另一方面，鉻雖然提高材質(zhì)耐磨性能、增加材質(zhì)淬透性，但是鉻含量不能太高，鉻含量較高時(shí)，容易使Cr3C以連續(xù)網(wǎng)狀形式存在，增加材質(zhì)的熱裂紋傾向，綜合以上，鉻含量稍低于精軋前段的高速鋼軋輥，范圍定在4.0%～6.0%。此外，為了提高材質(zhì)的高溫表面光潔度，以及促進(jìn)軋輥使用過(guò)程中整體均勻磨損性能，避免“溝槽式”磨損，必須顯著提高基體中彌散的、硬度較高的顆粒狀碳化物的數(shù)量。彌散分布的顆粒狀碳化物，以VC應(yīng)用最為廣泛，基于上述，釩含量定為3.0%～5.0%。

2.3 化學(xué)成分最終設(shè)計(jì)見(jiàn)表2

2.4 粗軋高速鋼軋輥的熱處理工藝設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)思路：粗軋高速鋼軋輥因含有較高的合金含量，同時(shí)碳含量適當(dāng)降低，因此基體組織中含有過(guò)飽和的合金元素，會(huì)進(jìn)一步增加殘余奧氏體含量，為了促進(jìn)殘余奧氏體轉(zhuǎn)變充分，熱處理工藝進(jìn)行了重新調(diào)整[3]，主要特點(diǎn)如下：

（1）高溫保溫階段溫度高，保溫時(shí)間長(zhǎng)，使所有外層充分奧氏體化，促進(jìn)偏析組織充分溶解。

（2）淬火冷卻速度快，均勻旋轉(zhuǎn)淬火，整體冷卻均勻，得到細(xì)小的馬氏體組織。

（3）三次低溫回火得到細(xì)小彌散分布的二次顆粒狀碳化物，促進(jìn)殘奧充分轉(zhuǎn)變，得到回火馬氏體+少量回火貝氏體組織，精準(zhǔn)控制輥身硬度[4]。

（4）熱處理工藝設(shè)計(jì)曲線如下圖1。

圖1 粗軋高速鋼簡(jiǎn)易熱處理曲線

表2 粗軋高速鋼化學(xué)成分表

表3 粗軋高速鋼軋輥的物理性能

2.5 內(nèi)層球墨鑄鐵設(shè)計(jì)

輥頸作為傳動(dòng)部位以高韌性、高強(qiáng)度為主，目前普遍采用高強(qiáng)度球墨鑄鐵，其抗拉強(qiáng)度控制在450MPa以上，為了保證大截面球墨鑄鐵的球化和孕育效果，我司采用國(guó)際先進(jìn)的“雙喂四線”的球化喂絲技術(shù)。球化過(guò)程實(shí)現(xiàn)邊球化邊孕育，球化過(guò)程平穩(wěn)均勻，球化效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的包底堤壩式球化法[5,6]。

經(jīng)輥頸部位球墨鑄鐵取樣檢測(cè)，腐蝕前與腐蝕后的金相組織如圖2、圖3。

圖2 腐蝕前 100X

圖3 腐蝕后 100X

經(jīng)過(guò)喂絲球化的芯部組織，球化級(jí)別控制在2級(jí)左右，石墨大小可以達(dá)到5級(jí)（球墨鑄鐵金相檢驗(yàn) GB/T9441-2009），材料的強(qiáng)韌性得到了有效保證。

3 粗軋高速鋼軋輥性能特點(diǎn)

（1）粗軋高速鋼軋輥的顯微組織如圖4、圖5所示。

圖4 輥身外層 100X

碳化物基本以MC、M6C、M7C3、M2C型碳化物為主，碳化物含量約10%～15%，呈斷續(xù)網(wǎng)狀分布，基體組織為回火馬氏體，其中斷續(xù)網(wǎng)狀分布的合金碳化物，在軋輥的使用過(guò)程中起到骨架作用，為軋輥的耐磨性能提供保證。

圖5 輥身外層 500X

（2）物理性能。①經(jīng)過(guò)穩(wěn)定的鑄造及熱處理工藝，粗軋高速鋼軋輥的物理性能控制見(jiàn)表3，較高的硬度及硬度均勻性，為軋輥的輥型保持能力提供較好保障。②殘奧量控制：≤5%。③殘余應(yīng)力控制：≤－300N/mm2。

4 粗軋高速鋼軋輥的使用效果

粗軋高速鋼軋輥研制完成后，在國(guó)內(nèi)某1780不銹鋼熱軋線及2250熱軋生產(chǎn)線進(jìn)行了試用，試用效果非常成功，表面光潔度、單次過(guò)鋼量等性能指標(biāo)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，主要優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）輥面光潔度對(duì)比表現(xiàn)。①在國(guó)內(nèi)某1780不銹鋼熱軋線線上試用的效果對(duì)比如下圖6、圖7所示。②在國(guó)內(nèi)某2250不銹鋼熱軋線上使用效果對(duì)比如圖8、圖9所示。

圖6 本廠研發(fā)軋輥下機(jī)表面

圖7 日本某廠軋輥下機(jī)表面

圖8 本廠研發(fā)軋輥下機(jī)表面

圖9 國(guó)內(nèi)某廠軋輥下機(jī)表面

（2）輥面磨損對(duì)比數(shù)據(jù)如表4。

表4 對(duì)比數(shù)據(jù)

5 結(jié)語(yǔ)

粗軋用高速鋼軋輥與傳統(tǒng)的高鉻鋼材質(zhì)相比，從設(shè)計(jì)方面來(lái)看，具有更高的合金含量、基體中析出較多的顆粒狀碳化物，基體含碳量更低，硬質(zhì)碳化物總量更高。在使用方面的表現(xiàn)為耐磨性高、韌性更好、表面網(wǎng)狀熱裂紋更加細(xì)小，同時(shí)單次過(guò)鋼量高、輥面光潔度更好，輥型保持能力更優(yōu)，完全可以取代國(guó)外進(jìn)口軋輥。

該新型高速鋼材質(zhì)的開(kāi)發(fā)并成功試用，對(duì)鋼鐵企業(yè)進(jìn)行軋輥材質(zhì)的升級(jí)換代、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、降低生產(chǎn)成本、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高軋鋼產(chǎn)品質(zhì)量等具有重要意義，加快推進(jìn)了粗軋機(jī)架高速鋼的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程和步伐，值得各鋼鐵企業(yè)熱軋板帶生產(chǎn)線進(jìn)行推廣和應(yīng)用。