陳新倬　門正興　趙　欣　趙　剛(中國二重集團公司，四川618013)

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軋輥循環(huán)利用技術發(fā)展

陳新倬門正興趙欣趙剛
(中國二重集團公司，四川618013)

摘要:軋輥工作層修復技術延長了軋輥使用壽命并實現(xiàn)了軋輥循環(huán)利用，大大降低了軋鋼成本，同時推動了軋輥制造技術的進步。本文對軋輥循環(huán)利用技術提出了基本要求，并對目前常用的大型軋輥工作層修復方法如堆焊、鑲套、激光涂覆等進行了介紹和對比分析，同時也為傳統(tǒng)軋輥生產行業(yè)的轉型升級提出了建議。

關鍵詞:軋輥;工作層;修復;循環(huán)使用

軋輥是鋼鐵企業(yè)軋鋼過程的重要消耗品，同時也是大型鑄鍛件生產企業(yè)的主要產品之一，對兩個行業(yè)都具有舉足輕重的位置。軋輥的主要失效形式［1］包括輥面裂紋、軋輥斷裂、剝落、輥面磨損等，其中軋輥表面工作層磨損是軋制過程中軋輥正常的消耗，也是導致軋輥報廢的最普遍原因。在正常的軋制過程中，軋輥工作層磨損量達到一定程度以后，軋輥需通過磨輥工序去掉表面硬化層后繼續(xù)使用。當數(shù)次磨輥修復后，軋輥尺寸過小或工作層消耗完則軋輥整體報廢。軋輥工作層一般指軋輥輥身淬硬層厚度，單邊一般在100 mm以下，占軋輥總體質量的20%不到。由此可見，由于工作層的消耗而造成的軋輥報廢存在著極大的材料浪費［2］。

在當前世界經濟復蘇緩慢，鋼鐵行業(yè)趨于飽和的大環(huán)境下，軋鋼企業(yè)為了降低生產成本而希望盡量延長軋輥的使用壽命。最大限度地延長軋輥使用壽命的方法無疑是將軋輥由消耗品變?yōu)榭裳h(huán)使用的耐用品，僅將軋輥工作層作為消耗品。軋輥循環(huán)使用方法得到了軋鋼企業(yè)的普遍歡迎。目前，采用堆焊技術對小型軋輥工作層進行修復使其可以循環(huán)利用的技術在國內已經比較成熟，而大型軋輥循環(huán)使用的技術只有少數(shù)幾家企業(yè)掌握。軋輥循環(huán)使用技術大大降低了軋制企業(yè)的生產成本，同時也會節(jié)約用于軋輥制造的材料消耗、能源消耗并減少環(huán)境污染，有著重要的社會效益和經濟價值。但是，對于傳統(tǒng)的軋輥生產企業(yè)，軋輥的循環(huán)使用無疑威脅到企業(yè)的生存。因此傳統(tǒng)的軋輥生產企業(yè)必須在產品結構和運營模式上進行調整才能在激烈的市場競爭中不斷發(fā)展壯大。

1　軋輥循環(huán)使用要求

為了滿足鋼鐵行業(yè)快速發(fā)展的需求，軋輥在材質以及性能方面都發(fā)生了很大的變化。為了提高軋輥工作層厚度、耐磨性等性能指標，軋輥化學成分越來越復雜，單件成本增大，工藝趨于復雜。為了滿足軋制產品的多樣化，軋輥面對更加復雜的受力情況，要求更高的內部質量。為了滿足軋機大型化要求，需要更大更長的軋輥，這對軋輥生產企業(yè)的生產能力提出了更高的要求。為了提高軋輥單次使用時間，各種表面強化技術不斷涌現(xiàn)，在不改變軋輥基體的情況下，減小輥面磨損。

不同用途的軋輥對材料和性能的要求有很大的區(qū)別。但是，如果想實現(xiàn)軋輥的循環(huán)使用則必須滿足以下基本條件:

( 1)一次修復后的軋輥使用壽命大于等于原始軋輥使用壽命。如果修復后軋輥工作層性能與原始軋輥一致，則其單邊增加工作層厚度應在80 mm～100 mm，如果修復后軋輥工作層質量遠高于原始軋輥，則工作層厚度可適當減小。

( 2)在軋輥的修復過程中，軋輥基體基本保持不變，可以反復使用，且修復后軋輥基體應力狀態(tài)良好。

( 3)新增加的工作層與軋輥基體結合良好，能承受復雜的應力狀態(tài)，不發(fā)生相對滑動、工作層剝落、開裂等缺陷。

( 4)新增加工作層具有較高的抗剝落性能、良好的耐磨損性能和抗疲勞性能，工作層內無缺陷，硬度及組織均勻。

2　軋輥循環(huán)使用的主要方法

2．1堆焊技術［3、4、5］

堆焊技術是用電焊或氣焊方法把熔化金屬堆在工具或機器零件上的一種焊接方法。作為一種傳統(tǒng)的修補工藝，堆焊技術一直用于軋輥及大型鑄鍛件的修復領域，是軋輥循環(huán)利用行業(yè)最常用也是最成熟的技術。堆焊技術種類繁多，針對大型軋輥工作層修復時間長、自動化程度要求高、表面質量穩(wěn)定的要求，自動埋弧(明弧)堆焊及其衍生焊接方法較為常用。

大型軋輥工作層堆焊修復流程主要有: ( 1)焊前準備階段。主要包括軋輥表面車削加工、去除軋輥表面殘余硬化層、軋輥表面及內部無損檢測、軋輥輥身焊前預熱; ( 2)進行保溫螺旋線堆焊。首先進行稀釋層堆焊，然后進行支承層堆焊，再進行中間去應力熱處理，最后進行工作層堆焊; ( 3)焊后處理階段。焊后最終熱處理消除應力，輥身車削加工，成品無損檢測。

大型軋輥的工作層堆焊修復往往需要幾百小時連續(xù)工作，因此必須采用專用的軋輥自動堆焊設備。該設備主要由機械系統(tǒng)、焊接系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)四部分組成。堆焊工作層修復方法目前主要遇到的問題: ( 1)堆焊修復過程需要進行焊前焊后以及中間熱處理來消除焊接殘余應力，因此需要大型加熱爐配合使用; ( 2)焊接過程保溫處理; ( 3)堆焊層晶粒較粗大，易產生裂紋、剝落等質量問題。堆焊技術目前研究較為活躍，針對大型軋輥修復的主要研究方向有焊材、焊接自動化、多道焊質量控制等方面。

與堆焊技術類似的技術還有熱噴涂和熱噴焊。從機理上講，三者都是利用熱源將具有特殊性質的涂層材料熔化后涂敷在工件表面形成涂層的技術。不同之處在于，堆焊是在零件表面熔敷一層合金材料，屬于冶金結合。熱噴涂是將熔化涂層材料高速撞擊零件表面冷卻凝固后形成涂層，屬于機械結合。而熱噴焊是涂層材料在零件表面重新熔化或部分熔化，屬于冶金部分機械結合。由于大型軋輥在軋制過程中承受巨大的載荷，工作環(huán)境惡劣，對工作層與基體的結合要求高，所以堆焊方式較為常用。

2．2鑲套技術［6、7、8］

高合金化單一材質軋輥雖然保證了軋輥工作層耐磨性、紅硬性等指標，但軋輥內部韌性難以保證，高昂的材料費用以及復雜的工藝流程等問題也隨之而來。將工作層與軋輥基體由兩種或兩種以上材料組成的復合軋輥隨之產生。而采用過盈配合將高強度工作層外套與高韌性軋輥本體組合在一起的鑲套技術就是其中一種重要的方法。通過鑲套技術成形的軋輥，其占總量80%以上的軋輥基體在軋制過程中基本不發(fā)生變化，可以循環(huán)，而占整個軋輥重量在20%以下的軋輥輥套在軋制過程中不斷消耗，達到報廢標準后更換新的軋輥輥套。

軋輥鑲套技術主要流程: ( 1)軋輥基體成形。一般以韌性好和淬透性較好的材料鑄造成型為主。軋輥基體成形后經過粗加工及熱處理工序達到設計要求; ( 2)軋輥輥套成形。采用大型筒體成形工藝方案將鋼錠成形成筒體。經過鍛后熱處理、粗加工、性能熱處理工序使輥套達到性能要求，實現(xiàn)內外側不同硬度，為裝配做好準備; ( 3)精加工和熱裝。對輥套和軋輥基體進行表面硬度均勻性檢測以及無損檢驗后進行精加工，保證結合面完全貼合。最后對輥套和軋輥基體進行熱裝，一般熱過盈量的范圍0．000 5 mm～0．002 mm。

鑲套軋輥在使用過程存在的主要問題有: ( 1)軋制過程中，由于輥套和軋輥基體的材料、溫度不同導致熱膨脹量不同。最終基體與工作層真實過盈量會隨著軋制過程逐漸減小，最終導致工作層與基體滑移失效; ( 2)過盈配合結合面硬度分布不理想導致工作層與基體難以全部接觸，在工作層厚度下降的情況下可能出現(xiàn)局部軟點、表面不平整等問題; ( 3)在過盈配合的拉應力、輥套厚度減小以及軋輥表面交變應力的共同作用下，軋輥表面性能下降快，可能出現(xiàn)輥套開裂問題。目前，鑲套軋輥在高溫、高速沖擊等惡劣工作情況下的安全性無法得到保障，主要用在高線精軋機組、小部分棒材成品機架和H型鋼機組上。主要的研究方向是不同的機械結構或工藝方法提高軋輥基體與工作層結合的可靠性。

2．3熔覆技術［9、10］

激光熔覆是近年來新興的一種表面強化技術，因其應用前景較為廣闊，受到國內外科技工作者的關注。激光熔覆技術是利用高能激光束加熱軋輥表面，同時通過將輸送到基材表面上的熔覆層材料與基體表面熔化后靠基體自冷快速凝固，從而獲得與基體冶金結合的致密覆層。激光熔覆主要流程: ( 1)軋輥表面預處理，主要包括去油、去銹、去疲勞層以及打磨; ( 2)激光熔覆過程; ( 3)表面加工及無損檢測。

激光熔覆最大特點是熱量集中、加熱快冷卻快、熱影響區(qū)小，無需對軋輥進行預熱以及熱處理。其次激光熔覆得到的工作層與基體結合可靠、性能優(yōu)異。激光熔覆技術解決了傳統(tǒng)焊接修復方法無法解決的材料選用局限性、工藝過程熱變應力、熱變形、材質晶粒粗大、與基體結合強度難以保證的矛盾，從而實現(xiàn)零部件的優(yōu)質，快速修復。但是，相對于堆焊工藝，激光熔覆設備價格昂貴，維護成本及操作要求高。

總體而言，在短期內，大型軋輥的修復及循環(huán)使用還是應該采用堆焊技術，而且堆焊技術本身也在快速的發(fā)展。從長期來看，激光熔覆技術在修復質量、能耗以及環(huán)境方面的優(yōu)勢比較明顯，是未來軋輥循環(huán)使用技術的重要方法。

3　軋輥循環(huán)使用技術對傳統(tǒng)的軋輥生產企業(yè)的影響

軋輥循環(huán)使用技術使軋輥由消耗品轉換成耐用品，導致軋輥用量減少，軋鋼成本下降。這符合大型軋鋼企業(yè)和軋輥修復企業(yè)的利益，也符合目前節(jié)能減排的發(fā)展趨勢。但是，對軋輥生產企業(yè)來講，軋輥循環(huán)使用技術將導致軋輥產品需求的下降，這也是軋輥生產企業(yè)從生產型企業(yè)向服務型企業(yè)轉變的一個契機。掌握軋輥循環(huán)利用技術對傳統(tǒng)的軋輥生產企業(yè)有著重要意義。一方面企業(yè)可以在軋輥的整個使用周期中獲得利潤，另一方面可以對生產產品中的缺陷進行修復從而提高產品的合格率，其次，掌握軋輥循環(huán)使用技術也可以開發(fā)新型復合軋輥產品，加快企業(yè)產品升級。傳統(tǒng)的軋輥生產企業(yè)掌握循環(huán)利用技術具有先天的優(yōu)勢，主要有: ( 1)傳統(tǒng)的軋輥生產企業(yè)擁有大量大型軋輥循環(huán)利用所需的大型設備，如大型加熱爐、大型加工設備等，設備投入相對較小; ( 2)傳統(tǒng)的軋輥生產企業(yè)擁有軋輥熱處理、焊接、無損檢測及冷加工的專業(yè)人員，只需要整合現(xiàn)有機構和人員就可快速形成生產力; ( 3)傳統(tǒng)的軋輥生產企業(yè)擁有大型軋輥的制造能力和經濟實力，與軋輥使用單位有著長期的合作，容易得到軋輥使用單位的信任，從而快速占領軋輥循環(huán)利用及修復市場。在企業(yè)運行模式方面，傳統(tǒng)的軋輥生產企業(yè)可為鋼鐵企業(yè)提供專業(yè)的軋輥生產和修復服務，采用以租代購或簽訂長期服務合同等方式得到長期的利潤增長，由單純的制造型企業(yè)轉變?yōu)榧圃炫c服務為一體的軋輥全產業(yè)鏈服務提供商。

4　結論

鋼鐵領域的疲軟以及軋輥制造領域的飽和使得傳統(tǒng)軋輥生產企業(yè)利潤下滑，生存受到威脅。另一方面，國內大量高端軋輥類產品依賴進口，說明國內外軋輥制造水平還有很大差距。傳統(tǒng)軋輥生產企業(yè)只有不斷的拓展軋輥類產品的產業(yè)鏈，并開發(fā)性價比更高的軋輥產品，為使用企業(yè)提供更全面的服務才能使企業(yè)不斷做大做強。軋輥循環(huán)利用技術對大型軋輥生產企業(yè)并不復雜，不但可以通過維修服務增加企業(yè)效益，還可以開發(fā)復合軋輥，是企業(yè)長遠發(fā)展的重要核心技術，希望得到各大型軋輥生產企業(yè)的重視。

參考文獻

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編輯李韋螢

Development of Roll Recycling Technology

Chen Xinzuo，Men Zhengxing，Zhao Xin，Zhao Gang

Abstract:The repairing technology for working layer of roller is used to increase the service life of roller and realize roll recycling and decrease the cost of rolling and improve the roller manufacturing technology．The basic requirement of roller recycling is proposed，and the current common repairing methods for working layer of large roller，such as build up welding，bushing，laser cladding are introduced and analyzed by comparison．The suggestions are put forward for the transformation and upgrading of traditional roller manufacturing industry．

Key words:roller; working layer; repairing; recycling

收稿日期:2014—07—24

文獻標志碼:B

中圖分類號:TG316