4000 mm以上特大型热轧宽厚板工作辊的研制与生产*

邵黎军， 周　军

(江苏共昌轧辊股份有限公司， 江苏 宜兴　214253)



4000 mm以上特大型热轧宽厚板工作辊的研制与生产*

邵黎军， 周军

(江苏共昌轧辊股份有限公司， 江苏 宜兴214253)

从宽厚板轧机的特性及轧制要求为出发点，阐述了目前国内主要宽厚板生产线情况、轧制条件，以及在轧辊合金量的匹配、离心复合过程中的重难点、大型截面心部球墨铸铁强度、组织硬度等方面的设计和生产控制，从而保证宽厚板轧辊的正常工作。

轧辊; 宽厚板；离心复合；高镍铬无限；高铬铁

引言

目前在各类轧材中，宽厚板用途较多较广，主要用于船舰、军工、巨型桥梁结构、容器、采油平台用钢等，对轧材的质量要求较高。此类轧机的轧制压力大，最大可达8000～12000 t，同时来回往复的轧制方式，使得轧辊需要承受较高的交变应力和较大的机械冲击。四辊可逆式轧机是目前国内外应用最广的宽厚板轧机，主要以单机架、双机架四辊可逆式轧机为主；轧机普遍使用的是高镍铬无限冷硬离心复合轧辊，近年来高铬铸铁、高铬钢离心复合轧辊在双机架粗轧机上也逐渐得到应用。本文描述的大型宽厚板轧辊特指辊身工作面长度大于4000 mm(4000 mm以上轧机主要分布在两个区间段：4100～4300 mm和5000 mm以上)的轧辊。

1　宽厚板轧机的发展及宽厚板轧辊的选材情况

1.1轧机发展历程

1978年9月8日，中国自行研发建造的当时最大的4200 mm四辊可逆式单机架厚板轧机在河南舞阳钢铁公司投产，到目前为止，国内已建成了4100～4300 mm轧机12台、5000 mm以上轧机6条线，还有几条生产线正在规划建设之中。尽管特大型宽厚板起步较慢，但是随着中国钢铁业的飞速发展，大型桥梁，核电站，大型水坝，油田钻井平台，大型机械、大型船舰等领域的需要，宽厚板得到了更广泛的应用，这也促进了宽厚板生产领域的迅猛发展，中国已经发展成为世界上最大的宽厚板生产和消耗国家。国内5000 mm以上轧机的基本概况如表1所示(4100～4300 mm轧机的基本概况以前各类刊物中多次出现，这里不再详细列出。)。

1.2轧辊选择

4000 mm以上宽厚板轧机目前常用的工作辊有三种：离心复合高镍铬无限冷硬轧辊、离心复合高铬铁轧辊、离心复合高铬钢轧辊(以下文中简称“高镍铬无限”、“高铬铁”、“高铬钢”)，其中高镍铬无限轧辊应用的比例超过80%，由于宽厚板轧机轧辊的吨钢消耗要大大高于连轧，同时工作辊、支承辊的单支价格及轧辊的吨位单价都很高，所以轧辊的选材非常重要，否则将会带来巨大的经济损失；选材要考虑到工况条件、轧制品种、检测跟踪手段、轧辊维护等方面能力。

1.2.1单机架四辊轧机

目前单机架四辊轧机一般选用高镍铬无限轧辊，因为单机架轧辊同时承担粗轧和精轧的任务，服役周期长，一方面需要承担较大的轧制力和热冲击力，另外一方面需要控制钢板的表面质量，这对坯料的表面质量和除鳞效果有一定的要求，同时需要轧辊具有很好的辊型保持能力，所以轧辊应具有良好的抗冲击性能、抗裂纹扩展能力、足够的耐磨性和芯部的高强韧性，所以高镍铬无限轧辊是单机架四辊轧机的首选，近年来由于轧辊制造技术和板材要求的提高，改进型高镍铬无限轧辊开始逐步应用并取得较好的效果。

表1　已经投产的5000 mm以上宽厚板轧机情况统计

1.2 .2双机架四辊轧机

目前4000 mm以上宽厚板轧机以双机架为主，一些单机架轧机也通过改造变成双机架(包括5000 mm以上宽厚板轧机)。粗轧机架较多使用高镍铬无限轧辊，由于水冷却条件的不断改善，高铬钢、高铬铁轧辊在粗轧机架得到了很好的应用，尤其是高铬铁轧辊在粗轧机显示出了明显的抗事故性、抗裂纹性及优越的毫米轧制量；但是通过调研发现，高铬钢轧辊在粗轧机架的使用效果并不是太好，主要是轧制时咬入后容易打滑(国外某著名宽厚板生产企业调研结果)。精轧机架要求轧辊具有较高的耐磨性能和辊型保持性能，所以多选用高镍铬无限冷硬轧辊，江苏共昌轧辊股份有限公司(以下简称“江苏共昌”)的新型改进型无限冷硬轧辊在抗事故性、耐磨性和抗剥落性等方面表现优越。

2　新型轧辊研发

2.1生产工艺流程设计

高镍铬无限冷硬离心复合轧辊的生产工艺流程如图1所示。

2.2化学成分

大型宽厚板轧机机架少，轧制力大、道次多，轧辊的工作层需要一定的抗裂纹性、抗剥落性，且其辊身硬度又需保证辊身的耐磨性和辊型保持能力，因此，针对不同的工况条件及轧制特性设计了两种高镍铬无限、两种高铬铁的化学成分(如表2所示)。轧辊承受较大的热冲击载荷、往返的交变应力及扭矩，同时考虑到心部与工作层铁基材料的结合问题，所以心部采用高强度球墨铸铁，抗拉强度达到450～550 MPa。

图1　高镍铬无限冷硬离心复合轧辊的生产工艺流程

牌号w(C)/%w(Si)/%w(Mn)/%w(Ni)/%w(Cr)/%w(Mo)/%其他ICDP(传统)3.0～3.40.7～1.20.3～1.54.2～5.21.5～2.20.3～0.6/ICDP(新型改进型)3.0～3.40.7～1.20.3～1.54.2～5.21.5～2.20.3～0.6适量高显微硬度合金及细化晶粒的合金HCrI(传统)2.5～3.00.5～0.80.8～1.50.8～1.512～180.8～1.5/HCrI(新型改进型)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

江苏共昌在改进型高镍铬无限轧辊外层化学成分中加入了可以形成高显微硬度碳化物的合金元素，该元素不仅可以在组织中形成弥散分布的高硬度MC、M2C碳化物颗粒，使得硬度落差更小，保持耐磨性的一致性；同时通过特殊的孕育处理，外层石墨弥散均匀、点球状分布,还可以细化外层晶粒组织，增强工作层耐磨性，提高了抗热疲劳性能。江苏共昌的高铬铁轧辊目前主要分为传统型和新型改进型(抗氧化型)，抗氧化型主要是在外层加入一种合金X，轧制时形成一种X2O3氧化膜，这种氧化膜比普通的Cr2O3更加致密、耐磨性更好，不容易造成脱落。

两种材质轧辊的心部都采用高强度球墨铸铁，由于辊身直径较大，容易产生球化衰退，导致心部石墨粗大、变异等，所以添加适量Ni合金，由于Ni固溶于基体中，不形成碳化物，所以能够大大增加心部强度和韧性，同时加入少量Cu以改善石墨形态，加入其他特殊材料增加球化效果，保证大截面球墨铸铁中心不产生球化衰退，基体中析出牛眼状铁素体，以保证心部的韧性。

2.3铸造方法

宽厚板轧机工作辊由于规格大、合金含量高，不宜采用整体铸造方式，一般都采用离心复合铸造方法，由于辊身工作层合金含量高，心部要求有高强度和韧性，所以选择三层离心复合铸造方法，保证工作层与辊身心部有良好的冶金结合及防止合金的互渗。江苏共昌从设计到生产全程使用计算机自动化控制，保证了产品质量的一致性；整个立式离心浇注过程都是在动态的情况下进行的，即在离心旋转时浇入中间层和心部铁水,而且立式离心具有很高的转速来保证它的线速度，在双重作用下,保护渣和夹杂都能顺利上浮,保证了外层与中间层和心部材料之间的冶金结合(卧式离心都是在静态下冲芯)；全过程的一次成型动态浇注也保证了结合层质量和辊颈强度，强大的离心力使得外层组织更加致密，同时，由于中间层的存在，又很好地防止了工作层高合金和心部高碳之间的互渗，保证了结合层的冶金结合质量，防止使用过程中结合层的脆性分层导致的剥落。高镍铬无限轧辊的过渡层组织如图2所示。

2.4热处理工艺

宽厚板轧机工作辊的热处理工艺十分重要，如果基体组织内残余奥氏体转变不充分，机械加工时，在切削力的作用下易产生工作层裂纹；上机使用时，在轧制力、热应力及交变应力的作用下，容易引起裂纹并且扩展导致工作层剥落；有时为了基体的充分转变特意提高轧辊的回火温度，但温度过高容易造成过回火，回火之后的贝氏体显微硬度不高，轧辊的耐磨性较差，同时，由于宽厚板轧辊直径较大、辊身较长，轧辊升温和降温的速度一定要谨慎控制(高铬铁淬火速度除外)，操作不当极易造成由于热应力过大引起的断辊。

高镍铬无限轧辊必须经过二次回火热处理消除残余奥氏体，使其残余奥氏体量在3%以下，才能进行机械加工及上机使用。热处理时，其入炉温度不宜过高，升温速度不宜过快。具体控制如图3所示。

许多轧辊制造商在热连轧轧机的制造中，采用多次回火代替淬火+回火的工艺，但是宽厚板用高铬铁轧辊推荐使用淬火+二次回火的热处理工艺形式(具体控制如图4所示)；经过高温淬火之后的二次回火过程，残余奥氏体转变非常充分，而且基体中析出的二次碳化物更加弥散并对基体产生二次硬化的作用。

2.5轧辊实物及取样检测结果

轧辊制造完以后进行加工取环，环的厚度从工作层表面一直到结合层以下20 mm，心部在传动侧端面取样。1#试样为高镍铬无限冷硬轧辊，2#试样为抗氧化型高铬铁轧辊，3#试样为心部球墨铸铁，对3个试样进行金相组织(不同深度的组织变化、过渡层)、硬度落差试验，对轧辊实物进行超声波检测。

图2　高镍铬无限轧辊过渡层组织 (50×)

图3　高镍铬无限冷硬离心复合轧辊的热处理工艺曲线图

图4　高铬铁离心复合轧辊的热处理工艺曲线图

2.5.1金相组织

1#试样：2.5%左右球状石墨、35%左右碳化物、回火贝氏体；

2#试样：30%左右碳化物(M7C3型)、回火马氏体；

3#试样：球状石墨、牛眼状铁素体、少量的碳化物(小于5%)、珠光体基体。

1#试样、2#试样、3#试样的金相组织如图5所示。

2.5.2硬度

硬度落差试验结果如表3所示。

表3　硬度落差试验结果

2.5.3超声波探伤

轧辊实物超声波探伤记录如表4所示。

表4　轧辊实物超声波探伤记录

3　生产过程中的要点

1)严格控制冷型加工精度，减小冷型高速旋转过程中产生的震动对凝固过程带来的不良影响，试生产前后对设备进行动平衡试验。

2)严格控制化学成分目标值，保证高镍铬无限金属液的纯净度，尤其是外层S含量，控制结合部位黑线厚度。

3)保证心部大截面球墨铸铁的球化效果，避免心部球化衰退产生枝晶状、开花状石墨，同时保证析出一定数量的牛眼状铁素体，提高心部的韧性。

4)根据所浇注材料的液相线温度和固相线温度，选择合适的浇注温度和离心机转速，最大限度地调整上下厚度差。

5)保证工作层与中间层和心部材料的良好结合，合适的界面温度和冲芯温度，高铬铁轧辊尤其需注意，避免合金互渗导致心部脆性增大。

6)通过最终热处理，保证轧辊所要求的组织和性能，控制残余应力及残余奥氏体含量，避免因残余应力和残余奥氏体转变而产生裂纹或断辊。

7)轧辊自重较大，为了保持辊型，加工和磨削过程中注意保持轧辊的同心度、同轴度，托磨部位保持硬度的一致性。

图5　试样的金相组织

4　结束语

新型改进型高镍铬无限冷硬轧辊、抗氧化型高铬铁轧辊在特宽厚板上的成功生产和应用，是国内轧辊行业跨越式的发展和进步，江苏共昌作为国内仅有的3家能够生产4000 mm以上特大型宽厚板轧机工作辊的企业之一，通过不断对国内外宽厚板钢铁企业的调研，以及组织技术人员和专家对新材质进行研发、生产，现已成为国际知名的宽厚板轧辊生产企业之一，加快了特大型、高难度轧辊的国产化

进程，提高了钢铁业的国际竞争力，并取得了令人瞩目的效益和业绩。

[1]文铁铮，郭玉珍. 冶金轧辊技术特性概论-热轧辊部分[M].石家庄：河北科学技术出版社, 1995.

[2]杜希恩，齐林雷. 5 m宽厚板轧机轧辊材质的选择和使用管理[Z]. 日照钢铁有限公司, 2011.

[3]周勤忠. 宽厚板技术交流材料[Z]. 江苏共昌轧辊股份有限公司, 2011.

2016-04-02

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

TG333.17; TG142.1