白思諾，劉秋全，王國菊，冀鑫剛，王保宏，郭華樓

（中鋼集團邢臺機械軋輥有限公司，河北邢臺 054025）

1 背景

國內(nèi)某180PQF 無縫軋線為拓展軋制無縫鋼管的品種，提高軋線產(chǎn)能，需要開發(fā)軋制235 孔型無縫鋼管產(chǎn)品，通過技術(shù)論證，需將連軋機架的第一架、第二架連軋輥進行改造，連軋輥的輥身長度由原來的220mm 加長至240mm，由于孔型較大，肩部厚度超出原設(shè)計預期，如圖1、2 所示。

通過圖1 和圖2 能清晰看到，輥身長度增加，仔口位置厚度不變，輥身肩部隨著孔型尺寸逐漸增加，強度逐漸薄弱，抗事故性能降低。球墨鑄鐵材質(zhì)軋輥，內(nèi)含球狀石墨，工作層表面具有自潤滑作用，可大大降低摩擦系數(shù)，但力學性能較差，輥身肩部強度不夠，存在剝落問題，無法使用。鑄鋼材質(zhì)連軋輥硬度高，強韌性能配合好，但沒有自潤滑性能，使用時在干摩擦情況下很快會發(fā)熱軟化、磨損失效，耐磨性差，同時粘鋼情況嚴重，單次軋制量不足800 支就需換輥車削，由于換輥頻繁，工人勞動強度大，而且影響生產(chǎn)效率。

圖1 原輥身長度220mm

圖2 輥身長度加長至240mm

為解決上述弊端，需解決鑄鐵軋輥強度不夠的問題及鑄鋼軋輥粘鋼、不耐磨的問題，一種專用于無縫鋼管軋制的高強度新材質(zhì)軋輥研究，已經(jīng)迫在眉睫亟待研發(fā)。

2 軋輥失效分析

在熱軋無縫鋼管生產(chǎn)中，由于各種復雜因素的影響，連軋工序受力是非常繁雜的，軋輥難免會發(fā)生較大的磨損、剝落，甚至發(fā)生斷裂事故，引起軋輥失效。軋輥基本作用力的承受有以下三類：摩擦應(yīng)力——帶動軋制的推動力；熱應(yīng)力——與管坯接觸加熱及冷卻水降溫引起的周期性熱應(yīng)力；機械應(yīng)力——軋制負荷產(chǎn)生的接觸應(yīng)力、剪切應(yīng)力以及殘余應(yīng)力等。

以上應(yīng)力均是周期性應(yīng)力，易造成軋輥表面產(chǎn)生疲勞裂紋，如果疲勞裂紋去除不徹底，使用中裂紋進一步擴展，當強度低于所受應(yīng)力時，軋輥失效。國內(nèi)某180PQF 無縫軋線軋輥失效照片如圖3、4 所示。

圖3 輥身肩部剝落

圖4 輥身孔型粘鋼

生產(chǎn)熱軋無縫鋼管用連軋輥，必須具備兩個條件：首先保證鋼管的外觀、尺寸和表面質(zhì)量；其次是保證軋輥使用壽命和使用效率。因此，對連軋輥的性能要求如下：

（1）韌性高，確保在軋制過程中承受彎曲應(yīng)力、熱應(yīng)力、沖擊力等情況下能正常軋制。

（2）抗熱裂性高，軋輥在熱應(yīng)力作用下少產(chǎn)生熱裂紋，避免出現(xiàn)斷裂失效情況。

（3）耐表面粗糙性好，不因熱裂和磨損等造成嚴重的表面粗糙。

（4）耐磨性好，軋輥在線磨損小。

目前PQF 軋機常用的軋輥材料為強韌性較好的球墨鑄鐵，但輥身長度加長，孔型較大時，球墨鑄鐵材質(zhì)強度不夠；鑄鋼材質(zhì)在無縫PQF 軋機上使用較少，主要原因是耐磨性能差，易粘鋼等。

3 新材質(zhì)研發(fā)

3.1 材質(zhì)選定

石墨合金鋼是超高碳過共析鋼，其特點是經(jīng)過適當?shù)臒崽幚砗笮纬芍楣怏w基體和少量均勻分布的球狀石墨混合組織，因而具有鑄鋼和鑄鐵的綜合性能。在鑄鋼化學成分基礎(chǔ)上，通過元素合理匹配，并增加球化孕育工序，使鑄件產(chǎn)生細小彌散的球狀石墨。

石墨合金鋼軋輥主要用于型鋼、板帶、棒材軋機中。軋輥工作時，長期與高溫坯料接觸擠壓，均勻分布的球狀石墨具有自潤滑作用，提高軋輥的抗熱裂性；另外，石墨合金鋼軋輥強度高于球墨鑄鐵軋輥，提高軋輥的抗事故能力。

常規(guī)元素對石墨合金鋼軋輥性能影響：（1）碳對石墨合金鋼組織及性能有決定性的作用，碳含量太高造成力學性能降低，碳含量太低導致耐磨性能差；（2）硅氧化合物是形核基質(zhì)中的重要組成部分，有促進石墨形核的作用；（3）錳為阻止石墨化元素，提高基體中珠光體體積分數(shù)；（4）鉻提高共析轉(zhuǎn)變溫度，能有效促使珠光體生成；（5）鉬屬于弱碳化物形成元素，不促進也不干擾石墨球化，在提高石墨合金鋼強度方面效果比較明顯；（6）鎳可以改善石墨合金鋼基體韌度，提高珠光體體積分數(shù)；（7）鎂具有球化作用。

根據(jù)上述的成分設(shè)計原則，以石墨合金鋼材質(zhì)為基礎(chǔ)，繼續(xù)提高軋輥強度，在石墨合金鋼軋輥基礎(chǔ)上進行成分優(yōu)化，研發(fā)出兼顧自潤滑、抗疲勞、耐磨損的高強度石墨合金鋼軋輥，最終確定石墨合金鋼軋輥化學成分范圍如表1 所示。

表1 石墨合金鋼化學成分 w/%

3.2 生產(chǎn)工藝設(shè)計

與普通鐵水相比，成分碳當量低，造成石墨合金鋼鐵液流動性差，凝固收縮系數(shù)大，為保證補縮效果，需要制定合理的的冒口補縮工藝。要保證冒口凝固時間大于被補縮部位凝固時間，并確保凝固過程補縮通道暢通，擴張角向冒口。因此冒口造型時增加保溫裝置，減緩冒口部位鐵水凝固速度。石墨合金鋼生產(chǎn)制作中澆注溫度高，易產(chǎn)生較大的應(yīng)力而開裂，工藝設(shè)計時使用保溫性能較好、強度較高的醇基涂料，合理控制澆注模溫及鋼水過熱度，減少凝固過程產(chǎn)生的應(yīng)力，降低開裂率。

3.3 球化孕育處理

球化和孕育處理是生產(chǎn)石墨合金鋼的重要工藝操作，球化處理目標是促使石墨晶體生長成為球狀，孕育處理則是提高共晶轉(zhuǎn)變溫度，促使合金按穩(wěn)定系進行共晶轉(zhuǎn)變，避免鑄件出現(xiàn)白口。合適的球化孕育工藝，能析出少量石墨并充分球化，因此，合理制定球化孕育工藝是保證石墨合金鋼性能的關(guān)鍵措施。

經(jīng)過試驗驗證，在鋼水中脫氧以后出鋼過程中加人球化劑進行球化處理，然后加入孕育劑對鋼水進行補充孕育，澆前執(zhí)行二次孕育，可有效抵消球化衰退現(xiàn)象，起到提高石墨圓整度和抑制畸形石墨產(chǎn)生的功能，使軋輥達到最佳的孕育和球化效果，使石墨合金鋼軋輥基體組織中均勻分布有大量細小、形狀圓整的球狀石墨，最終得到珠光體+碳化物的組織。

3.4 組織分析

高強度石墨合金鋼軋輥在激冷作用下，工作層石墨含量在0.5%～1.0%，碳化物含量在10.0%～15.0%，金相組織見圖5。

圖5 金相組織（珠光體+12.57%碳化物+0.82%球狀石墨）

石墨具有阻礙疲勞裂紋擴展的作用，可提高軋輥使用壽命；同時由于石墨具有熱傳導能力較強的特性，可有效降低使用中的熱應(yīng)力，提高軋輥綜合性能。

4 實際應(yīng)用

無縫鋼管生產(chǎn)主要經(jīng)過以下幾道工序；穿孔—連軋—脫管—定（減）徑—矯直。連軋管機組又分為MPM兩輥連軋管機組和PQF 三輥連軋管機組兩種。PQF 三輥連軋管機組中，三輥孔型組成360°，打破MPM兩輥局限性，可軋制高精度鋼管，PQF 三輥軋機布置見圖6。

圖6 PQF 三輥軋機布置

上文提到的國內(nèi)某180PQF 無縫軋線，前期使用鑄鋼軋輥時單次軋制量僅800 支，使用高強度石墨合金鋼軋輥后，首次上機軋制2520 支，下機輥面無粘鋼、麻面等情況，下機輥面照片圖7。

圖7 首次下機輥面照片

通過后期陸續(xù)使用，反饋效果較好，超出預期目標，單次軋制量最高可達到3980 支，平均軋制量2800 支，綜合生產(chǎn)效率提高30%。

5 結(jié)論

熱軋無縫鋼管用高強度石墨合金鋼軋輥，兼顧自潤滑、抗疲勞、耐磨損等綜合性能，解決PQF軋機開發(fā)新品種時鐵基產(chǎn)品輥身剝落、鋼基產(chǎn)品粘鋼不耐磨等問題，使產(chǎn)品性能穩(wěn)定，軋制量提高，抗事故能力增強，適應(yīng)軋線需求，得到客戶認可。