邵黎軍， 周　軍

(江蘇共昌軋輥股份有限公司， 江蘇 宜興　214253)

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4000 mm以上特大型熱軋寬厚板工作輥的研制與生產(chǎn)*

邵黎軍， 周軍

(江蘇共昌軋輥股份有限公司， 江蘇 宜興214253)

從寬厚板軋機的特性及軋制要求為出發(fā)點，闡述了目前國內(nèi)主要寬厚板生產(chǎn)線情況、軋制條件，以及在軋輥合金量的匹配、離心復合過程中的重難點、大型截面心部球墨鑄鐵強度、組織硬度等方面的設計和生產(chǎn)控制，從而保證寬厚板軋輥的正常工作。

軋輥; 寬厚板；離心復合；高鎳鉻無限；高鉻鐵

引言

目前在各類軋材中，寬厚板用途較多較廣，主要用于船艦、軍工、巨型橋梁結構、容器、采油平臺用鋼等，對軋材的質(zhì)量要求較高。此類軋機的軋制壓力大，最大可達8000～12000 t，同時來回往復的軋制方式，使得軋輥需要承受較高的交變應力和較大的機械沖擊。四輥可逆式軋機是目前國內(nèi)外應用最廣的寬厚板軋機，主要以單機架、雙機架四輥可逆式軋機為主；軋機普遍使用的是高鎳鉻無限冷硬離心復合軋輥，近年來高鉻鑄鐵、高鉻鋼離心復合軋輥在雙機架粗軋機上也逐漸得到應用。本文描述的大型寬厚板軋輥特指輥身工作面長度大于4000 mm(4000 mm以上軋機主要分布在兩個區(qū)間段：4100～4300 mm和5000 mm以上)的軋輥。

1　寬厚板軋機的發(fā)展及寬厚板軋輥的選材情況

1.1軋機發(fā)展歷程

1978年9月8日，中國自行研發(fā)建造的當時最大的4200 mm四輥可逆式單機架厚板軋機在河南舞陽鋼鐵公司投產(chǎn)，到目前為止，國內(nèi)已建成了4100～4300 mm軋機12臺、5000 mm以上軋機6條線，還有幾條生產(chǎn)線正在規(guī)劃建設之中。盡管特大型寬厚板起步較慢，但是隨著中國鋼鐵業(yè)的飛速發(fā)展，大型橋梁，核電站，大型水壩，油田鉆井平臺，大型機械、大型船艦等領域的需要，寬厚板得到了更廣泛的應用，這也促進了寬厚板生產(chǎn)領域的迅猛發(fā)展，中國已經(jīng)發(fā)展成為世界上最大的寬厚板生產(chǎn)和消耗國家。國內(nèi)5000 mm以上軋機的基本概況如表1所示(4100～4300 mm軋機的基本概況以前各類刊物中多次出現(xiàn)，這里不再詳細列出。)。

1.2軋輥選擇

4000 mm以上寬厚板軋機目前常用的工作輥有三種：離心復合高鎳鉻無限冷硬軋輥、離心復合高鉻鐵軋輥、離心復合高鉻鋼軋輥(以下文中簡稱“高鎳鉻無限”、“高鉻鐵”、“高鉻鋼”)，其中高鎳鉻無限軋輥應用的比例超過80%，由于寬厚板軋機軋輥的噸鋼消耗要大大高于連軋，同時工作輥、支承輥的單支價格及軋輥的噸位單價都很高，所以軋輥的選材非常重要，否則將會帶來巨大的經(jīng)濟損失；選材要考慮到工況條件、軋制品種、檢測跟蹤手段、軋輥維護等方面能力。

1.2.1單機架四輥軋機

目前單機架四輥軋機一般選用高鎳鉻無限軋輥，因為單機架軋輥同時承擔粗軋和精軋的任務，服役周期長，一方面需要承擔較大的軋制力和熱沖擊力，另外一方面需要控制鋼板的表面質(zhì)量，這對坯料的表面質(zhì)量和除鱗效果有一定的要求，同時需要軋輥具有很好的輥型保持能力，所以軋輥應具有良好的抗沖擊性能、抗裂紋擴展能力、足夠的耐磨性和芯部的高強韌性，所以高鎳鉻無限軋輥是單機架四輥軋機的首選，近年來由于軋輥制造技術和板材要求的提高，改進型高鎳鉻無限軋輥開始逐步應用并取得較好的效果。

表1　已經(jīng)投產(chǎn)的5000 mm以上寬厚板軋機情況統(tǒng)計

1.2 .2雙機架四輥軋機

目前4000 mm以上寬厚板軋機以雙機架為主，一些單機架軋機也通過改造變成雙機架(包括5000 mm以上寬厚板軋機)。粗軋機架較多使用高鎳鉻無限軋輥，由于水冷卻條件的不斷改善，高鉻鋼、高鉻鐵軋輥在粗軋機架得到了很好的應用，尤其是高鉻鐵軋輥在粗軋機顯示出了明顯的抗事故性、抗裂紋性及優(yōu)越的毫米軋制量；但是通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，高鉻鋼軋輥在粗軋機架的使用效果并不是太好，主要是軋制時咬入后容易打滑(國外某著名寬厚板生產(chǎn)企業(yè)調(diào)研結果)。精軋機架要求軋輥具有較高的耐磨性能和輥型保持性能，所以多選用高鎳鉻無限冷硬軋輥，江蘇共昌軋輥股份有限公司(以下簡稱“江蘇共昌”)的新型改進型無限冷硬軋輥在抗事故性、耐磨性和抗剝落性等方面表現(xiàn)優(yōu)越。

2　新型軋輥研發(fā)

2.1生產(chǎn)工藝流程設計

高鎳鉻無限冷硬離心復合軋輥的生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。

2.2化學成分

大型寬厚板軋機機架少，軋制力大、道次多，軋輥的工作層需要一定的抗裂紋性、抗剝落性，且其輥身硬度又需保證輥身的耐磨性和輥型保持能力，因此，針對不同的工況條件及軋制特性設計了兩種高鎳鉻無限、兩種高鉻鐵的化學成分(如表2所示)。軋輥承受較大的熱沖擊載荷、往返的交變應力及扭矩，同時考慮到心部與工作層鐵基材料的結合問題，所以心部采用高強度球墨鑄鐵，抗拉強度達到450～550 MPa。

圖1　高鎳鉻無限冷硬離心復合軋輥的生產(chǎn)工藝流程

牌號w(C)/%w(Si)/%w(Mn)/%w(Ni)/%w(Cr)/%w(Mo)/%其他ICDP(傳統(tǒng))3.0～3.40.7～1.20.3～1.54.2～5.21.5～2.20.3～0.6/ICDP(新型改進型)3.0～3.40.7～1.20.3～1.54.2～5.21.5～2.20.3～0.6適量高顯微硬度合金及細化晶粒的合金HCrI(傳統(tǒng))2.5～3.00.5～0.80.8～1.50.8～1.512～180.8～1.5/HCrI(新型改進型)2.5～3.00.5～0.80.8～1.50.8～1.512～180.8～1.5少量特殊合金心部2.6～3.22.2～3.20.3～0.80.4～1.5≤0.15≤0.20少量特殊合金

江蘇共昌在改進型高鎳鉻無限軋輥外層化學成分中加入了可以形成高顯微硬度碳化物的合金元素，該元素不僅可以在組織中形成彌散分布的高硬度MC、M2C碳化物顆粒，使得硬度落差更小，保持耐磨性的一致性；同時通過特殊的孕育處理，外層石墨彌散均勻、點球狀分布,還可以細化外層晶粒組織，增強工作層耐磨性，提高了抗熱疲勞性能。江蘇共昌的高鉻鐵軋輥目前主要分為傳統(tǒng)型和新型改進型(抗氧化型)，抗氧化型主要是在外層加入一種合金X，軋制時形成一種X2O3氧化膜，這種氧化膜比普通的Cr2O3更加致密、耐磨性更好，不容易造成脫落。

兩種材質(zhì)軋輥的心部都采用高強度球墨鑄鐵，由于輥身直徑較大，容易產(chǎn)生球化衰退，導致心部石墨粗大、變異等，所以添加適量Ni合金，由于Ni固溶于基體中，不形成碳化物，所以能夠大大增加心部強度和韌性，同時加入少量Cu以改善石墨形態(tài)，加入其他特殊材料增加球化效果，保證大截面球墨鑄鐵中心不產(chǎn)生球化衰退，基體中析出牛眼狀鐵素體，以保證心部的韌性。

2.3鑄造方法

寬厚板軋機工作輥由于規(guī)格大、合金含量高，不宜采用整體鑄造方式，一般都采用離心復合鑄造方法，由于輥身工作層合金含量高，心部要求有高強度和韌性，所以選擇三層離心復合鑄造方法，保證工作層與輥身心部有良好的冶金結合及防止合金的互滲。江蘇共昌從設計到生產(chǎn)全程使用計算機自動化控制，保證了產(chǎn)品質(zhì)量的一致性；整個立式離心澆注過程都是在動態(tài)的情況下進行的，即在離心旋轉(zhuǎn)時澆入中間層和心部鐵水,而且立式離心具有很高的轉(zhuǎn)速來保證它的線速度，在雙重作用下,保護渣和夾雜都能順利上浮,保證了外層與中間層和心部材料之間的冶金結合(臥式離心都是在靜態(tài)下沖芯)；全過程的一次成型動態(tài)澆注也保證了結合層質(zhì)量和輥頸強度，強大的離心力使得外層組織更加致密，同時，由于中間層的存在，又很好地防止了工作層高合金和心部高碳之間的互滲，保證了結合層的冶金結合質(zhì)量，防止使用過程中結合層的脆性分層導致的剝落。高鎳鉻無限軋輥的過渡層組織如圖2所示。

2.4熱處理工藝

寬厚板軋機工作輥的熱處理工藝十分重要，如果基體組織內(nèi)殘余奧氏體轉(zhuǎn)變不充分，機械加工時，在切削力的作用下易產(chǎn)生工作層裂紋；上機使用時，在軋制力、熱應力及交變應力的作用下，容易引起裂紋并且擴展導致工作層剝落；有時為了基體的充分轉(zhuǎn)變特意提高軋輥的回火溫度，但溫度過高容易造成過回火，回火之后的貝氏體顯微硬度不高，軋輥的耐磨性較差，同時，由于寬厚板軋輥直徑較大、輥身較長，軋輥升溫和降溫的速度一定要謹慎控制(高鉻鐵淬火速度除外)，操作不當極易造成由于熱應力過大引起的斷輥。

高鎳鉻無限軋輥必須經(jīng)過二次回火熱處理消除殘余奧氏體，使其殘余奧氏體量在3%以下，才能進行機械加工及上機使用。熱處理時，其入爐溫度不宜過高，升溫速度不宜過快。具體控制如圖3所示。

許多軋輥制造商在熱連軋軋機的制造中，采用多次回火代替淬火+回火的工藝，但是寬厚板用高鉻鐵軋輥推薦使用淬火+二次回火的熱處理工藝形式(具體控制如圖4所示)；經(jīng)過高溫淬火之后的二次回火過程，殘余奧氏體轉(zhuǎn)變非常充分，而且基體中析出的二次碳化物更加彌散并對基體產(chǎn)生二次硬化的作用。

2.5軋輥實物及取樣檢測結果

軋輥制造完以后進行加工取環(huán)，環(huán)的厚度從工作層表面一直到結合層以下20 mm，心部在傳動側(cè)端面取樣。1#試樣為高鎳鉻無限冷硬軋輥，2#試樣為抗氧化型高鉻鐵軋輥，3#試樣為心部球墨鑄鐵，對3個試樣進行金相組織(不同深度的組織變化、過渡層)、硬度落差試驗，對軋輥實物進行超聲波檢測。

圖2　高鎳鉻無限軋輥過渡層組織 (50×)

圖3　高鎳鉻無限冷硬離心復合軋輥的熱處理工藝曲線圖

圖4　高鉻鐵離心復合軋輥的熱處理工藝曲線圖

2.5.1金相組織

1#試樣：2.5%左右球狀石墨、35%左右碳化物、回火貝氏體；

2#試樣：30%左右碳化物(M7C3型)、回火馬氏體；

3#試樣：球狀石墨、牛眼狀鐵素體、少量的碳化物(小于5%)、珠光體基體。

1#試樣、2#試樣、3#試樣的金相組織如圖5所示。

2.5.2硬度

硬度落差試驗結果如表3所示。

表3　硬度落差試驗結果

2.5.3超聲波探傷

軋輥實物超聲波探傷記錄如表4所示。

表4　軋輥實物超聲波探傷記錄

3　生產(chǎn)過程中的要點

1)嚴格控制冷型加工精度，減小冷型高速旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的震動對凝固過程帶來的不良影響，試生產(chǎn)前后對設備進行動平衡試驗。

2)嚴格控制化學成分目標值，保證高鎳鉻無限金屬液的純凈度，尤其是外層S含量，控制結合部位黑線厚度。

3)保證心部大截面球墨鑄鐵的球化效果，避免心部球化衰退產(chǎn)生枝晶狀、開花狀石墨，同時保證析出一定數(shù)量的牛眼狀鐵素體，提高心部的韌性。

4)根據(jù)所澆注材料的液相線溫度和固相線溫度，選擇合適的澆注溫度和離心機轉(zhuǎn)速，最大限度地調(diào)整上下厚度差。

5)保證工作層與中間層和心部材料的良好結合，合適的界面溫度和沖芯溫度，高鉻鐵軋輥尤其需注意，避免合金互滲導致心部脆性增大。

6)通過最終熱處理，保證軋輥所要求的組織和性能，控制殘余應力及殘余奧氏體含量，避免因殘余應力和殘余奧氏體轉(zhuǎn)變而產(chǎn)生裂紋或斷輥。

7)軋輥自重較大，為了保持輥型，加工和磨削過程中注意保持軋輥的同心度、同軸度，托磨部位保持硬度的一致性。

圖5　試樣的金相組織

4　結束語

新型改進型高鎳鉻無限冷硬軋輥、抗氧化型高鉻鐵軋輥在特寬厚板上的成功生產(chǎn)和應用，是國內(nèi)軋輥行業(yè)跨越式的發(fā)展和進步，江蘇共昌作為國內(nèi)僅有的3家能夠生產(chǎn)4000 mm以上特大型寬厚板軋機工作輥的企業(yè)之一，通過不斷對國內(nèi)外寬厚板鋼鐵企業(yè)的調(diào)研，以及組織技術人員和專家對新材質(zhì)進行研發(fā)、生產(chǎn)，現(xiàn)已成為國際知名的寬厚板軋輥生產(chǎn)企業(yè)之一，加快了特大型、高難度軋輥的國產(chǎn)化

進程，提高了鋼鐵業(yè)的國際競爭力，并取得了令人矚目的效益和業(yè)績。

[1]文鐵錚，郭玉珍. 冶金軋輥技術特性概論-熱軋輥部分[M].石家莊：河北科學技術出版社, 1995.

[2]杜希恩，齊林雷. 5 m寬厚板軋機軋輥材質(zhì)的選擇和使用管理[Z]. 日照鋼鐵有限公司, 2011.

[3]周勤忠. 寬厚板技術交流材料[Z]. 江蘇共昌軋輥股份有限公司, 2011.

2016-04-02

邵黎軍(1981—)，男，工程師。E-mail：13861538198@139.com

TG333.17; TG142.1