高速鋼軋輥在泰鋼爐卷軋機(jī)上的應(yīng)用實(shí)踐

趙 剛，李志平

（山東泰山鋼鐵集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 271100）

1 前言

泰鋼1 800 mm“爐卷+連軋”是我國首條爐卷軋機(jī)轉(zhuǎn)型提升產(chǎn)能的成功嘗試，其生產(chǎn)線自動控制系統(tǒng)涵蓋了傳動自動化、基礎(chǔ)自動化、工藝自動化、計(jì)算機(jī)軟件、產(chǎn)網(wǎng)融合等眾多方面的技術(shù)，是一個綜合性的大型系統(tǒng)化工程。近年來，作為不銹鋼產(chǎn)品的重要生產(chǎn)線，受到國內(nèi)外冶金行業(yè)的普遍重視。

熱軋過程中，由于爐卷軋機(jī)具有往返軋制、軋制壓力大、軋制公里數(shù)較長等特點(diǎn)，普遍使用高鉻鑄鐵軋輥。下游F1～F3機(jī)架常使用摩擦系數(shù)較小的無限冷硬鑄鐵軋輥。鑒于高速鋼軋輥（HSS）在耐磨性方面的優(yōu)勢，國際上對于高速鋼軋輥在下游機(jī)架的應(yīng)用已有較為深入的研究，目前已有生產(chǎn)廠家在熱連軋7機(jī)架全部采用高速鋼軋［1］?？紤]到泰鋼“爐卷+連軋”的特殊生產(chǎn)工藝，設(shè)計(jì)將高速鋼軋輥應(yīng)用于爐卷機(jī)架，與連軋換輥周期匹配，可以有效提高生產(chǎn)效率和帶鋼表面質(zhì)量。對泰鋼1 800 mm熱軋生產(chǎn)線爐卷機(jī)架使用高速鋼軋輥時的軋輥表面質(zhì)量、冷卻方式改進(jìn)、輥型調(diào)整等進(jìn)行深入研究，為高速鋼軋輥在上、下游機(jī)架的推廣使用提供了指導(dǎo)。

2 軋制條件的改造與優(yōu)化

爐卷軋機(jī)現(xiàn)存問題主要體現(xiàn)在3個方面：①軋制時間長，板帶溫降大，軋制負(fù)荷重；②往復(fù)多次咬鋼穿帶，對軋輥沖擊應(yīng)力大；③卷取爐二次加熱鋼帶氧化皮多，軋輥磨粒磨損嚴(yán)重。

在軋輥的選取方面，側(cè)重點(diǎn)為良好的耐磨性、強(qiáng)韌性等要素。高速鋼成分中含有大量的W、V等強(qiáng)碳化物元素，形成大量MC型碳化物，使高速鋼具有極強(qiáng)的耐磨性和紅硬性。在軋制過程中軋輥表面形成連續(xù)、均勻的氧化膜保護(hù)層，能夠降低帶鋼和工作輥之間的摩擦系數(shù)。通過分析，可以將高速鋼軋輥應(yīng)用于爐卷機(jī)架，克服普通軋輥換輥頻次較高的問題。

表1 軋輥性能對比

為有效規(guī)避高速鋼軋輥脆性大、導(dǎo)熱性差、熱膨脹系數(shù)大、表面熱裂紋等固有負(fù)向特性，解決爐卷軋機(jī)冷卻水水量和水壓控制不穩(wěn)定導(dǎo)致軋輥冷卻不良等問題，需對現(xiàn)有的軋制條件進(jìn)行改造和優(yōu)化。

2.1 軋輥冷卻優(yōu)化

改進(jìn)軋輥冷卻水控制，確定合適的軋輥在線、下線冷卻溫度。軋制過程中如果冷卻水能力不足，輥溫超過70℃，輥面形成的氧化膜疏松、厚且非常容易脫落，從而嚴(yán)重影響高速鋼軋輥的使用性能和產(chǎn)品的表面質(zhì)量。增大軋輥冷卻水量，對原有軋輥冷卻水嘴型號改型，具體改進(jìn)情況見表2。改進(jìn)后水壓控制1.10MPa，水流量從1 247.68 m3/h提高到1 571.84 m3/h。

表2 軋輥冷卻水噴嘴改進(jìn)前后流量變化

為了確保軋輥輥面均勻冷卻，保證高速鋼軋輥的下線溫度在70℃以下，調(diào)整冷卻集管不同流量噴嘴的分布位置，將最靠近軋件的一排噴嘴，從傳動側(cè)拆6只，操作側(cè)拆5只，替換到中間一排中部11只噴嘴，如圖1所示。

圖1 軋輥冷卻水噴嘴分布

軋輥冷卻水嘴利用換輥時間進(jìn)行疏通清理，確保每次軋輥上線時無堵塞現(xiàn)象，保證軋輥冷卻均勻。同時需要特別關(guān)注軋制異常停機(jī)，停機(jī)時及時關(guān)閉軋輥冷卻水，避免激冷，防止軋輥熱裂紋拓展造成軋輥剝落。

2.2 高速鋼軋輥初始凸度優(yōu)化

正常冷卻條件下，高速鋼軋輥的熱膨脹量比普通材質(zhì)軋輥的熱膨脹量大，為了補(bǔ)償熱膨脹產(chǎn)生的熱凸度，設(shè)計(jì)高速鋼軋輥的初始凸度為-350～450 μm，比高鉻鑄鐵大50～80 μm。軋輥的表面硬度比正常熱軋輥前架的表面硬度適當(dāng)?shù)鸵恍?，控制?1±3 HS。

2.3 CVC輥型設(shè)計(jì)和竄輥優(yōu)化

鑒于高速鋼軋輥可軋制長度較普通軋輥軋制長度長，原始的軋輥竄輥策略已不適應(yīng)高速鋼軋輥。為克服高速鋼軋輥脆性、表面熱裂紋，降低帶鋼邊部與軋輥相對位置的重合，減輕軋輥邊部磨損，采取CVC輥型并設(shè)計(jì)合適的竄輥策略。

為避免同寬軋制時由于竄輥行程限制，竄輥回程時帶鋼位置重合從而加劇軋輥邊部相同位置的磨損，采取CVC輥型，竄輥開始時，最大步長增量10 mm，最大行程150 mm。軋制開始時，以步長增量10 mm進(jìn)行軋制，達(dá)到最大行程150 mm后，單次竄輥步長增量調(diào)整分別為7、5 mm，依次類推，往復(fù)增加至達(dá)到最大行程?？梢越档蛶т撨叢颗c軋輥相對位置的重合，減輕軋輥邊部的磨損。高速鋼軋輥竄輥行程如圖2所示。

圖2 高速鋼軋輥竄輥行程部分示意圖

通過上述措施的實(shí)施，克服了高速鋼軋輥脆性、表面熱裂紋、軋輥在線冷卻溫度控制等問題，從而降低軋輥磨損造成的邊部高點(diǎn)及邊部減薄問題。

2.4 制定合理的換輥周期

燙輥是熱軋軋鋼操作中不可缺少的工序，設(shè)計(jì)不少于4支的燙輥材，緩慢、均勻地提高軋輥溫度，防止軋輥內(nèi)外部溫度差造成的裂紋或斷輥。燙輥材軋制時，控制軋制速度，軋制節(jié)奏放慢，輥面溫度達(dá)到正常輥面控制溫度后，恢復(fù)正常生產(chǎn)節(jié)奏。

使用所述高速鋼軋輥進(jìn)行同寬軋制或進(jìn)行5尺+4尺混合軋制，單位軋制量控制在50 km以內(nèi)（不銹鋼軋制公里數(shù)30 km左右，碳鋼冷軋料45 km左右），能夠較好的保證表面質(zhì)量（鋼帶表面粗糙度降低20%以上），提高軋輥的使用壽命。同時，爐卷工作輥換輥頻率與連軋工作輥換輥頻率一致，節(jié)約了換輥時間。設(shè)計(jì)軋制計(jì)劃見表3，并進(jìn)行軋制跟蹤。

表3 熱軋軋制計(jì)劃編排

在軋制前期增加4支緩慢軋制的燙輥材對軋輥進(jìn)行預(yù)熱，前兩支鋼間隔時間5 min，第3、第4支鋼間隔時間3 min。前4支鋼適當(dāng)降低精軋軋制速度。從第5支以后按正常節(jié)奏生產(chǎn)。

3 高速鋼軋輥使用及跟蹤分析

3.1 軋輥表面狀態(tài)分析

高速鋼軋輥由于其熱裂性和脆性，極其容易在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生裂紋、剝落等缺陷，為避免因軋輥原因耽誤生產(chǎn)，在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用過程中會利用渦流探傷、超聲探傷等進(jìn)行裂紋檢測，從而保證高速鋼軋輥的正常使用，同時還會對高速鋼軋輥每次下機(jī)后的表面狀態(tài)進(jìn)行檢測，來判斷軋輥的工作狀態(tài)和后續(xù)使用情況。

通過對比不同軋制計(jì)劃完成后高鎳鉻軋輥與高速鋼軋輥表面狀態(tài)，見圖3?？梢园l(fā)現(xiàn)在高速鋼軋輥服役后，軋輥表面平滑，氧化膜完整，而高鎳鉻軋輥輥面粗糙，有局部剝落的隱患，判定高速鋼軋輥使用情況良好。

圖3 高鎳鉻軋輥與高速鋼軋輥下線狀態(tài)對比

3.2 軋輥下機(jī)溫度測量

因高速鋼導(dǎo)熱系數(shù)較低，使用過程軋輥冷卻很重要，當(dāng)冷卻水量過小，生成的氧化膜過厚，軋輥過脆且表面易發(fā)生剝落；當(dāng)冷卻水水量過大，生產(chǎn)的氧化膜太薄，軋輥在使用過程中易粗糙，以上兩種情況均不能保證鋼帶表面質(zhì)量。于是，對高速鋼軋輥下線后的表面溫度進(jìn)行檢測［3］。

軋輥下線后，從傳動側(cè)到操作側(cè)每隔200 mm取1個點(diǎn)，隔20、30 min各測量軋輥溫度1次，具體測量結(jié)果見表4。由表4可知，下線后高速鋼軋輥的中部表面溫度約60～70℃，比普通軋輥表面溫度高約5～10℃，且隨著冷卻時間增長，中間與兩端的溫差越來越小，這主要是由于高速鋼導(dǎo)熱系數(shù)低，在冷卻過程中散熱慢，同時高速鋼軋輥一部分表層熱量傳遞到了軋輥芯部導(dǎo)致的［4］。

表4 軋輥下線輥溫測量結(jié)果℃

3.3 高速鋼軋輥對軋制力的影響

高速鋼軋輥含有較高的碳元素，其耐磨性隨著碳含量的增加而增加，相對于高鎳鉻軋輥，高速鋼軋輥與軋件之間的摩擦系數(shù)增大，軋制力增加［5］。

對采用高速鋼軋輥和高鎳鉻軋輥分別軋制冷軋料和06Cr13兩種材料時的軋制力進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如表5、6所示。使用高速鋼軋輥時，兩種材料在相同條件下的軋制壓力分別增大了12.03%、19.62%。

表5 冷軋料4.0×1 250軋制力對比t

表6 06Cr13鋼種3.5×1 520軋制力對比t

3.4 軋輥消耗

熱軋生產(chǎn)中，普通高鎳鉻軋輥在我廠爐卷機(jī)架的消耗為0.4 kg/t。經(jīng)過一系列的改進(jìn)措施，高速鋼軋輥表面形成良好的氧化膜且具有良好耐磨性，對高速鋼軋輥在爐卷+連軋生產(chǎn)線服役周期內(nèi)消耗和產(chǎn)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表7所示。

表7 高速鋼軋輥消耗情況統(tǒng)計(jì)

通過分析可知，高速鋼軋輥平均輥耗為0.000 81 mm/t，按高速鋼軋輥單位重量147 kg/mm計(jì)算，噸鋼消耗0.12 kg/t。

3.5 鋼帶表面質(zhì)量改善

跟蹤利用高速鋼軋輥生產(chǎn)的400系不銹鋼表面質(zhì)量，鑒于高速鋼軋輥形成的良好氧化膜和耐磨性，在軋制過程中輥面保持光滑平整，鋼帶表面質(zhì)量明顯改善，高速鋼軋輥應(yīng)用前后410S和430不銹鋼表面粗糙度≤3.5 μm達(dá)標(biāo)率情況如表8所示。

表8 高表面質(zhì)量（粗糙度≤3.5 μm達(dá)標(biāo)率）對比數(shù)據(jù)%

通過項(xiàng)目的實(shí)施，跟蹤酸洗后400系不銹鋼表面質(zhì)量，粗糙度≤3.5 μm達(dá)標(biāo)率明顯提高，鋼帶表面質(zhì)量提升。

4 結(jié)語

（1）通過改進(jìn)軋輥冷卻噴嘴型號、噴嘴布置，控制軋輥輥面均勻冷卻，下線溫度70℃以下，軋輥表面形成良好的氧化膜，合理設(shè)計(jì)軋制生產(chǎn)計(jì)劃，制定合理換輥周期，減少換輥次數(shù)，提高生產(chǎn)效率、改善鋼帶表面質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本。

（2）設(shè)計(jì)上機(jī)輥型按CVC輥型和合適竄輥策略，克服高速鋼軋輥脆性、表面熱裂紋、軋輥在線冷卻溫度控制等問題，降低軋輥磨損造成的邊部高點(diǎn)及邊部減薄等問題。

（3）優(yōu)化高速鋼軋輥的初始凸度進(jìn)行，按照比高鎳鉻軋輥大50～80 μm進(jìn)行控制，補(bǔ)償高速鋼軋輥熱膨脹產(chǎn)生的熱凸度，結(jié)合爐卷軋機(jī)的特點(diǎn)，軋輥表面的硬度控制在81±3 HS，防止軋輥表面剝落，改善鋼帶表面質(zhì)量。

（4）高速鋼軋輥在泰鋼爐卷上的應(yīng)用與研究，達(dá)到了減少換輥次數(shù)、降低輥耗、提高生產(chǎn)率、改善鋼帶表面質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本的目的，對高速鋼軋輥在下游機(jī)架的使用有著積極的推進(jìn)意義。