周勤忠

(江蘇共昌軋輥股份有限公司， 江蘇 宜興 214253)

引 言

上世紀(jì)中期，熱軋帶鋼軋機(jī)在國(guó)外得到迅猛發(fā)展，因?yàn)闊彳垘т摳咚佟⑦B續(xù)化的軋制要求，日本、歐美等先進(jìn)發(fā)達(dá)國(guó)家在上世紀(jì)70年代先后開(kāi)發(fā)了高鉻、高鎳鉻復(fù)合鑄鐵軋輥，又在80年代未、90年代初開(kāi)發(fā)了高速鋼復(fù)合軋輥，同時(shí)在軋輥的制造方法上，日本、歐美等先后在上世紀(jì)60年代研發(fā)了離心復(fù)合鑄造軋輥技術(shù)，并應(yīng)用到了板帶復(fù)合軋輥的制造上。但是高速鋼軋輥由于價(jià)格比較昂貴，而且軋制工藝要求比較苛刻，以前很長(zhǎng)時(shí)間在世界上只有日本全面采用高速鋼軋輥，而在國(guó)內(nèi)僅有寶鋼公司使用。

2004年以來(lái)，國(guó)內(nèi)鋼鐵業(yè)迅猛發(fā)展，特別是熱軋帶鋼軋機(jī)已在國(guó)內(nèi)全面展開(kāi)，各大鋼廠鋼材產(chǎn)量供不應(yīng)求，高速鋼軋輥的使用被忽視，但2008年國(guó)際金融危機(jī)以來(lái)隨著各鋼廠經(jīng)濟(jì)效益逐漸降低，高附加值和高端產(chǎn)品所占比重逐漸上升，高速鋼軋輥獨(dú)有的高性能逐漸被各廠家所重視。而中國(guó)的軋輥制造技術(shù)和裝備嚴(yán)重滯后于鋼鐵業(yè)的發(fā)展，特別是熱連軋板帶高速鋼軋輥在國(guó)內(nèi)生產(chǎn)嚴(yán)重不足。

1 鑄造質(zhì)量研究

江蘇共昌軋輥股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱“共昌軋輥”)吸取國(guó)外高速鋼軋輥生產(chǎn)制造的成功經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)高速鋼軋輥所需性能和主要質(zhì)量問(wèn)題，自主創(chuàng)新，在保證離心機(jī)運(yùn)行良好的前提下摸索出了獨(dú)有的工藝控制方法和控制參數(shù)。

1.1 冶煉工藝控制

由于高速鋼軋輥外層特殊的高合金成分，使得在熔煉和澆注時(shí)在外層形成合金成分偏析的可能性大大增加；為防止偏析發(fā)生，共昌軋輥按照冶金學(xué)的原理，在熔煉時(shí)前期增碳到要求的60%，在出爐前15 min內(nèi)再將剩余的碳加入爐中，并快速出爐澆注使得組織中合金在形成碳化物時(shí)來(lái)不及偏析就凝固。熔煉后期加碳粉是一種孕育工藝，起還原作用及增加結(jié)晶形核質(zhì)點(diǎn)，如圖1所示。

圖1 后期加碳工藝的金相組織

1.2 澆注工藝控制

針對(duì)高速鋼鑄造裂紋多的問(wèn)題，通過(guò)分析主要是鑄造應(yīng)力造成的，減少鑄造應(yīng)力最好的方法就是降低澆注溫度，共昌軋輥在保證外層澆注溫度和完整的冶金結(jié)合的前提下把芯部澆注溫度降到最低(T液+10 ℃)，并且把芯部分為4層，按照不同的離心轉(zhuǎn)速進(jìn)行澆注，而且澆注溫度從外到里溫度升高10 ℃，給鐵水的順序凝固提供很好的條件，芯部澆注示意圖如圖2所示。

圖2 軋輥芯部澆注示意圖

1.3 結(jié)合層控制

離心澆注軋輥?zhàn)铌P(guān)鍵的還是結(jié)合層質(zhì)量問(wèn)題，特別是對(duì)澆注高速鋼軋輥來(lái)說(shuō)顯得尤為重要，因?yàn)楦咚黉撃湍バ院茫鄬?duì)于高鉻系列材質(zhì)來(lái)說(shuō)軋制壓力大。如結(jié)合層過(guò)寬，由于外層合金特別是鉻的強(qiáng)白口傾向，使得外層合金，特別是鉻向芯部滲透，當(dāng)達(dá)到一定的程度時(shí)嚴(yán)重影響整個(gè)軋輥的強(qiáng)度和抗事故性，在使用過(guò)程中出現(xiàn)斷輥的可能性大大增加；如結(jié)合層過(guò)窄，由于工作層內(nèi)表面有大量夾渣和保護(hù)渣等，使它們不能被熔化而排出，造成結(jié)合不良而直接報(bào)廢。還有就是芯部澆注溫度很低，這就要求嚴(yán)格控制外層界面溫度，共昌軋輥采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)溫系統(tǒng)來(lái)監(jiān)測(cè)外層界面溫度，并通過(guò)一系列的理論研究和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐摸索出了一套參數(shù)和計(jì)算公式，如下：

HSS1界面溫度=1068.2+(118.13×AR)-

(25.94×AR2)+(1.95×AR3)

HSS2界面溫度=1068.2+(118.13×AR)-

(25.94×AR2)+(1.95×AR3)-40

其中，AR為軋輥形狀系數(shù)，AR=輥模輥身長(zhǎng)度/平均外層內(nèi)徑。

以上公式適用于2.0≤AR≤5.0，基本覆蓋了國(guó)內(nèi)所有熱軋帶鋼所用的高速鋼軋輥。截止到目前，共昌軋輥(除試制)生產(chǎn)的高速鋼軋輥結(jié)合層完全結(jié)合，結(jié)合寬度為0.3～1 mm，保證了結(jié)合層質(zhì)量，并在熱處理高溫淬火中得到了考驗(yàn)，如圖3所示。

圖3 軋輥結(jié)合層組織(100X)

容易造成高速鋼軋輥缺陷還有一個(gè)重要的原因就是外層內(nèi)表面夾渣。共昌軋輥在高速鋼軋輥的試生產(chǎn)階段，在結(jié)合層出現(xiàn)較多的結(jié)合層缺陷，經(jīng)分析是氮?dú)庠诮Y(jié)合層反應(yīng)造成的，為解決這個(gè)問(wèn)題在鋼水出爐前加了一種特定的元素，利用氧氣來(lái)置換氮?dú)?，使氮?dú)庠跐沧r(shí)得以排出，使得這種缺陷得到了很好的解決。

2 高速鋼軋輥的性能特點(diǎn)

2.1 耐磨性

高速鋼軋輥的組織與合金設(shè)計(jì)、制造工藝條件等有關(guān)；化學(xué)成分和制造工藝條件不同，其組織往往相差較大。共昌軋輥立式離心重力倍數(shù)達(dá)到了140g，其碳含量一般在1.5%～2.0%，合金總量都超過(guò)15%，含有較多的V，Mo，W，Cr等合金元素。高速鋼軋輥工作層組織為回火馬氏體+共晶碳化物+二次碳化物+少量殘余奧氏體。碳化物不再以網(wǎng)狀存在，而是彌散分布為主，碳化物類型由傳統(tǒng)的M3C (HV 1300)和M7C3 (HV 2500) 型變?yōu)樾阅軆?yōu)異的MC (HV 3000)、M2C (HV 2300) 和M6C (HV 2000)型碳化物，碳化物類型的改變顯著提高了軋輥工作層的硬度，硬度可達(dá)到80～90 HSD。另外，高速鋼軋輥使用中能很快形成氧化膜，初期磨損較小，這對(duì)于提高軋輥耐磨性是非常有利的；高速鋼軋輥還具有良好的淬透性，輥面及工作層范圍內(nèi)，硬度均勻性及硬度降一般小于3 HSD，可確保均勻一致的耐磨性。

2.2 耐表面粗糙性

高速鋼軋輥的表面粗糙度與熱軋過(guò)程中其表面形成的氧化膜密切相關(guān)，保持氧化膜的連續(xù)、致密是非常重要的。與高鉻鑄鐵軋輥相比，高速鋼軋輥輥面氧化膜較薄，厚度通常僅為幾個(gè)微米。根據(jù)輥面顏色可判斷氧化膜厚度，輥面顏色越暗氧化膜越厚，相反則越薄。當(dāng)氧化膜顏色為灰色或藍(lán)色時(shí)，氧化膜較薄，此時(shí)的粘結(jié)性好，粗糙度低且均勻，可降低摩擦系數(shù)，防止軋輥粘鋼，保證軋材表面質(zhì)量，是十分理想的氧化膜狀態(tài)。當(dāng)氧化膜顏色變?yōu)楹谏珪r(shí)，氧化膜較厚，粘結(jié)性差，易破碎和脫落，導(dǎo)致輥面粗糙度、磨損量增大，脫落的氧化膜易造成帶鋼氧化鐵皮壓入，影響軋材表面質(zhì)量，應(yīng)避免這種氧化膜狀態(tài)。

2.3 耐熱裂性

高速鋼軋輥輥面裂紋主要包括熱疲勞裂紋和機(jī)械裂紋兩大類。熱疲勞裂紋是由急冷急熱工況或軋制異常造成輥面局部過(guò)熱所引起，有沿晶分布特征、呈龜裂狀，屬于垂直裂紋，高速鋼軋輥具有較高的裂紋敏感性，在冷卻不當(dāng)?shù)那闆r下容易產(chǎn)生熱疲勞裂紋，熱疲勞裂紋一旦生成就沿碳化物和基體的界面迅速擴(kuò)展，容易造成軋輥局部剝落失效，因此，必須嚴(yán)格檢查和控制高速鋼軋輥的輥面熱疲勞裂紋，高速鋼軋輥輥面氧化膜對(duì)擬制熱裂紋擴(kuò)展是有利的。機(jī)械裂紋是由于沖擊過(guò)載或打滑而產(chǎn)生的，無(wú)明顯分布特征，屬于斜裂紋，一般逆軋制方向擴(kuò)展，擴(kuò)展速度較快，容易引發(fā)災(zāi)難性事故。高速鋼軋輥工作層允許存在較大的殘余壓應(yīng)力，可達(dá)200～300 MPa，對(duì)防止輥面裂紋擴(kuò)展是有利的，但要求輥體具有較大的斷面和較高的強(qiáng)韌性，以承受芯部殘余拉應(yīng)力。

3 結(jié)束語(yǔ)

共昌軋輥針對(duì)高速鋼軋輥采用離心鑄造工藝的控制要點(diǎn)如下：

(1)嚴(yán)格控制模具溫度和涂料厚度，從而保證每次軋輥澆注時(shí)的冷卻速度。

(2)降低外層澆注溫度，并且控制所有澆注溫度誤差在10 ℃范圍內(nèi)，使外層組織致密、細(xì)化。

(3)嚴(yán)格控制界面溫度和中間層澆注溫度(誤差在5 ℃范圍內(nèi))來(lái)保證結(jié)合層碳化物的變化，界面溫度偏高或偏低將嚴(yán)重影響結(jié)合層質(zhì)量。

(4)嚴(yán)格控制熔煉質(zhì)量特別是后期增碳問(wèn)題。

(5)在一定的離心機(jī)降速下，控制芯部澆注速度，保證內(nèi)腔鐵水不暴露在空氣中氧化。

(6)保證離心機(jī)轉(zhuǎn)速≥25 m/s。

(7)嚴(yán)格控制軋輥的保溫冷卻速度，為熱處理做前期的準(zhǔn)備工作。