超大規(guī)格型鋼水平輥環(huán)制造與研究

曹光宇，陳風(fēng)林，郭華樓，白思諾，朱志磊，王滟偉，王國(guó)菊

（1.軋輥復(fù)合材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北邢臺(tái) 054025；2.邢臺(tái)軋輥異型輥有限公司，河北邢臺(tái) 054025）

0 前言

H 型鋼是一種截端面為H 型的經(jīng)濟(jì)型材，具有強(qiáng)度高、自重輕、抗震性能好、施工速度快、工業(yè)化程度高、環(huán)保等一系列優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各類建筑的鋼結(jié)構(gòu)及橋梁、海洋采油平臺(tái)等方面，被譽(yù)為綠色鋼材，已經(jīng)在發(fā)達(dá)國(guó)家廣泛應(yīng)用。

當(dāng)今世界發(fā)達(dá)國(guó)家在大型建筑中廣泛采用H型鋼、逐漸淘汰鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。目前我國(guó)H 型鋼建筑面積僅占整個(gè)建筑面積的4%～6%，H 型鋼的發(fā)展空間巨大。而且，近年來，購(gòu)物中心、商務(wù)酒店、跨海橋梁、鉆井平臺(tái)等大空間高層建筑和設(shè)施，更傾向于使用較高、跨度大、尺寸大的結(jié)構(gòu)件。超大規(guī)格H 型鋼有效提升安全性，發(fā)展前景良好。另外，大規(guī)格熱軋H 型鋼組合梁技術(shù)的發(fā)展，可以提高橋梁建設(shè)工業(yè)化水平，并且能夠限制降低工程造價(jià)，進(jìn)而促進(jìn)鋼混組合梁的推廣。

本公司依托中鋼邢機(jī)全球領(lǐng)先的軋輥研發(fā)平臺(tái)，并憑借自身H 型鋼輥環(huán)生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)及擁有國(guó)內(nèi)最大立式離心機(jī)，研發(fā)并制造出全球最大H 型鋼水平輥環(huán)（?2000mm/940mm×1120mm），填補(bǔ)了國(guó)際空白，也為客戶創(chuàng)造出巨大價(jià)值。

1 超大型型鋼水平輥環(huán)化學(xué)成分的設(shè)計(jì)

為了滿足軋輥耐磨性和組合裝配質(zhì)量的要求，超大型型鋼水平輥環(huán)（以?2000mm/940mm×1120mm 為例）采用多層離心復(fù)合鑄造而成，與軋件接觸的外層材質(zhì)采用高碳半鋼材質(zhì)，用以提高軋輥的耐磨性和軋制產(chǎn)品的尺寸精度；內(nèi)層材質(zhì)采用性能優(yōu)良的石墨鋼材質(zhì)，用以提高軋輥的強(qiáng)度和韌性。

1.1 工作層

工作層參與軋制過程，并且工作層厚度要求≥360mm，因此，必須具備高硬度、高耐磨性、高抗熱裂性等特點(diǎn)。其化學(xué)成分設(shè)計(jì)如下：

C：碳的作用是提高軋輥的硬度、紅硬性、耐磨性?；w中形成碳化物，確定碳含量為1.6%～2.4%。

Cr：鉻的作用改善輥面抗粗糙性，降低軋制力。確定鉻含量為1%～2%。

Mo：鉬的作用是提高軋輥耐回火性，其形成的碳化物非常堅(jiān)硬，提高了軋輥的耐磨性及熱硬性。確定鉬含量為0.5%～1.0%。

Ni：鎳的作用是改善軋輥基體韌度，但鎳會(huì)降低軋輥的高溫強(qiáng)度。確定鎳含量為1.2%～2.0%。

1.2 內(nèi)層

內(nèi)層材質(zhì)采用改進(jìn)型石墨鋼成分，熱處理時(shí)形成珠光體組織。奧氏體轉(zhuǎn)變時(shí)，使其析出鐵素體及滲碳體，二者成粒狀，相互均勻分布，最終形成粒狀珠光體組織，具有較高的強(qiáng)度及較好的韌性。根據(jù)上述的成分設(shè)計(jì)原則，確定超大規(guī)格型鋼水平輥環(huán)材質(zhì)化學(xué)成分范圍如表1 所示。

表1 超大規(guī)格型鋼水平輥環(huán)化學(xué)成分 w/%

2 超大型型鋼水平輥環(huán)澆注工藝設(shè)計(jì)

超大規(guī)格（以?2000mm/940mm×1120mm 為例）型鋼輥環(huán)澆注工藝設(shè)計(jì)是關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，由于輥環(huán)工作層厚度大，鐵水液態(tài)時(shí)間長(zhǎng)，一方面結(jié)合層熔蝕區(qū)控制難度增大，易出現(xiàn)工作層厚度不足或結(jié)合不良、界面強(qiáng)度低的問題；另一方面，產(chǎn)品規(guī)格發(fā)生變化，鐵水的凝固過程發(fā)生變化，容易出現(xiàn)端面碳化物聚集裂紋、組織偏析及其他影響使用的鑄造缺陷。為解決上述質(zhì)量問題，采用分層技術(shù)及動(dòng)態(tài)效應(yīng)技術(shù)。

分層技術(shù)：由于輥環(huán)外層鋼水量大，散熱效果差，液相向固相轉(zhuǎn)變時(shí)，越遠(yuǎn)離冷型內(nèi)表面的部分，組織逐漸粗化，影響工作層使用質(zhì)量。分層技術(shù)即把外層鋼水分為多層澆注，由于外層鋼水成分一致，各層之間的界面僅發(fā)生熔合與擴(kuò)散，并且元素間沒有勢(shì)差，因此，控制好間隔時(shí)間及澆注溫度，就不會(huì)出現(xiàn)層與層之間的界面，組織也會(huì)變的細(xì)小。

動(dòng)態(tài)效應(yīng)技術(shù)：所謂動(dòng)態(tài)效應(yīng)技術(shù)是指澆注過程中，各層間通過變換重力倍數(shù)，用于調(diào)整雷諾數(shù)，實(shí)現(xiàn)層流向紊流的轉(zhuǎn)變，使枝晶破碎，形成新的核心，實(shí)現(xiàn)細(xì)化晶粒的目標(biāo)，進(jìn)而降低成分偏析。下面就該技術(shù)進(jìn)行重點(diǎn)論述。

立式離心澆注公式如下：

式中，F(xiàn) 為離心力（N）；m 為鐵液的質(zhì)量（kg）；ω 為冷型旋轉(zhuǎn)角速度（rad/s）；R 為鐵液任意點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)半徑（cm）；n 為轉(zhuǎn)數(shù)（r/min）；g 為重力加速度（981cm/s2）。

式中，G 為重力系數(shù)；P 為物體所受的重力（N）。

動(dòng)態(tài)效應(yīng)可根據(jù)流體力學(xué)雷諾公式如下：

式中，υ 為金屬液相對(duì)于鑄型流動(dòng)的平均線速度（m/s）；b 為鑄型中金屬液體層的厚度（m）；ν 為金屬液的運(yùn)動(dòng)粘度系數(shù)（m2/s）。

根據(jù)向心力公式：

根據(jù)公式2、3、4 可以得到重力系數(shù)與雷諾系數(shù)之間的關(guān)系。

根據(jù)公式5 可知，離心鑄造過程中，適當(dāng)調(diào)整重力倍數(shù)G，則Re 成倍數(shù)級(jí)變化。

實(shí)施動(dòng)態(tài)效應(yīng)后，不斷增大其重力倍數(shù)G，Re也將成倍數(shù)增大，使結(jié)晶前沿晶粒運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，使金屬液與鑄型形成紊流狀態(tài)，金屬液從層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鳌ｋS著鋼液溫度降低，形成大量枝晶，而枝晶由于處于紊亂狀態(tài)，收到剪切力的作用，不斷被折斷、脫落，形成枝晶碎片。重力倍數(shù)G 越大，Re 增長(zhǎng)越快，產(chǎn)生的枝晶碎片越多，最終枝晶碎片形成新的形核核心，并在紊流層中劇烈運(yùn)動(dòng)，均勻分布在整個(gè)未凝固的金屬液中，阻止了成分偏析，輥環(huán)工作層成分趨于均勻，最終形成等軸晶，使新型雙金屬輥環(huán)在后續(xù)熱處理過程中，性能得到進(jìn)一步提升。

3 超大型型鋼水平輥環(huán)熱處理工藝設(shè)計(jì)

由于超大型型鋼水平輥環(huán)的幾何尺寸大，工作層要求厚，在多層復(fù)合澆注過程中，層間存在一定的內(nèi)應(yīng)力，這種應(yīng)力在后續(xù)加工過程中會(huì)被釋放出來進(jìn)而影響界面結(jié)合。因此，毛坯開箱后先進(jìn)行一次熱處理“球化等溫退火”，其目的是：使組織均勻化，消除鑄造應(yīng)力。一次熱處理工藝曲線見圖1，其中H 為輥環(huán)厚度。

圖1 一次熱處理工藝曲線

產(chǎn)品球化等溫退火結(jié)束，并完成粗加工，粗加結(jié)束后，進(jìn)行超聲波探傷，確認(rèn)無層間缺陷后，進(jìn)行二次熱處理。為確保產(chǎn)品具有足夠的硬層深度情況下，最大限度降低熱應(yīng)力及組織應(yīng)力，采用油冷淬火+兩次回火工藝。二次熱處理工藝曲線見圖2，其中H 為輥環(huán)厚度。

圖2 二次熱處理工藝曲線

4 超大型型鋼水平輥環(huán)性能檢測(cè)

4.1 成分偏析檢測(cè)

檢測(cè)水平輥環(huán)上下端面，每10mm 檢測(cè)一點(diǎn)，Cr、Ni、Mo 均勻分布，未出現(xiàn)偏析現(xiàn)象，進(jìn)一步印證了分層澆注技術(shù)與動(dòng)態(tài)效應(yīng)技術(shù)的成功應(yīng)用。

4.2 硬度落差檢測(cè)

對(duì)輥環(huán)上下端面每隔40mm 檢測(cè)硬度落差，見表2，從檢測(cè)結(jié)果分析，工作層范圍內(nèi)硬度均勻分布，符合設(shè)計(jì)要求。

表2 超大型型鋼水平輥環(huán)硬度（HSD）

4.3 金相組織檢測(cè)

檢測(cè)輥環(huán)外圓金相組織，為珠光體+碳化物，見圖3，檢測(cè)輥環(huán)芯部組織，為石墨+珠光體+碳化物，見圖4。

圖3 外圓金相組織：珠光體+碳化物

圖4 芯部組織：石墨+碳化物+珠光體

4.4 強(qiáng)度檢測(cè)

取輥身試環(huán)，做拉伸試驗(yàn)及沖擊試驗(yàn)，檢測(cè)結(jié)果見表3。

表3 大型水平輥環(huán)強(qiáng)度檢測(cè)值

4.5 應(yīng)力檢測(cè)

在水平輥環(huán)內(nèi)孔邊部、中間采用盲孔法測(cè)量殘余應(yīng)力，應(yīng)力結(jié)果見表4。

表4 大型水平輥環(huán)殘余應(yīng)力檢測(cè)值

5 超大型型鋼水平輥環(huán)應(yīng)用

2019 年我公司為國(guó)內(nèi)某型鋼廠型超大規(guī)格型鋼水平輥環(huán)，同年上機(jī)使用表現(xiàn)良好，單次軋制量超過6000t，得到了客戶認(rèn)可，同時(shí)助力該公司成為世界首家生產(chǎn)1100mm 超大規(guī)格H 型鋼，填補(bǔ)了國(guó)際空白。輥環(huán)實(shí)物照片見圖5、軋制過程見圖6。

圖5 輥環(huán)實(shí)物照片

圖6 軋制過程

公司在大型及超大型型鋼輥環(huán)的制造技術(shù)上，產(chǎn)品性能已經(jīng)達(dá)到或超過國(guó)外水平，并得到了國(guó)內(nèi)、外大型、重型型鋼企業(yè)的認(rèn)可，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化替代，為國(guó)家高端基礎(chǔ)建設(shè)做出貢獻(xiàn)。

6 結(jié)論

（1）超大規(guī)格型鋼水平輥環(huán)通過化學(xué)成分設(shè)計(jì)、澆注工藝參數(shù)控制、兩次熱處理使得軋輥性能得到提升。

（2）超大規(guī)格型鋼水平輥環(huán)利用動(dòng)態(tài)效應(yīng)原理，通過不斷變化重力倍數(shù)G，來改變Re，使金屬液始終處于紊流狀態(tài)，破碎的枝晶形成晶核核心，消除了成分偏析，形成等軸晶，性能進(jìn)一步提升。

（3）超大規(guī)格型鋼水平輥環(huán)采用兩次熱處理工藝，消除了產(chǎn)品鑄造應(yīng)力及熱處理應(yīng)力。

（4）世界最大型鋼水平輥環(huán)的研制成功，助力國(guó)內(nèi)某型鋼企業(yè)成為世界首家生產(chǎn)1100mm 超大規(guī)格H 型鋼的廠家，填補(bǔ)了國(guó)際空白。