热轧钢板带轧辊材质的选用①

邵黎军，周　军，冯喜锋

(江苏共昌轧辊股份有限公司，江苏 宜兴　214253)



热轧钢板带轧辊材质的选用①

邵黎军，周军，冯喜锋

(江苏共昌轧辊股份有限公司，江苏 宜兴214253)

介绍了目前热轧钢板带轧机对于用辊材质选择的相关要点。

热轧； 板带； 轧辊材质

引　言

目前，在各类轧机中，现代化板带轧机对轧辊的使用性能要求最高，因而带动了板带轧辊材质的不断更新，轧辊制造工艺的日益改进。20世纪70年代后，带钢轧机向高速化、连续化、自动化的方向发展，以满足轧材高精度、高光洁度、高性能的要求，加速了轧辊材质的更新换代和制造工艺的改进，在现代宽带钢热连轧轧机中，不同机架轧辊的使用条件差异很大，对轧辊的使用性能要求各有侧重，研制出从铁基到钢基的各种轧辊材质。本文介绍的热轧钢板带轧机主要包括了：中宽厚板轧机、炉卷轧机、热连轧轧机、连铸连轧机等。

1　中宽厚板、炉卷轧机用辊

一般中宽厚板、炉卷轧机分为单机架和双机架两种，其共同的轧制特点是：往返式可逆轧制产生较大的交变应力；钢板与轧辊表面接触时间长，导致开轧温度与终轧温度相差较大；钢坯较宽并且压下量大，导致轧辊承受较大的热冲击和轧制力。总之，这类轧机与带钢连轧机相比突出反映了一个最重要的特点：轧制条件恶劣，对于轧辊的抗事故性能要求相对较高。

一般这类轧机出现事故相对经济损失巨大，目前世界各个国家在这类轧机用工作辊上主要选择两种材质：离心复合高镍铬无限冷硬铸铁(简称“ICDP”)、离心复合高铬铸铁(简称“HCrI”)，以后相当长的一段时间内发展趋势可能以HCrI和离心复合高铬铸钢(简称“HCrS”)为主。支承辊基本选用Cr2，Cr3两种材质较多，吨位相对小一点可以选择锻造、冲铣、整体铸造轧辊，辊身长度小于3000 mm的目前选用整体铸造的轧辊，其性价比较高、交货期比较短，因此受到许多厂家的关注；吨位特别大的则基本以锻造为主，硬度选择基本在55～62 HSD。

这类轧机选用的高镍铬无限冷硬铸铁、高铬铸铁工作辊与带钢连轧机有一定的区别，由于受上述轧制特点的影响，选用的材质着重考虑抗事故性能如抗热冲击性、抗热裂纹性、较好的咬入性能，然后兼顾其它性能，一般在选材方面注意以下几点：

1) 硬度不宜太高，选择68～75 HSD，轧制稳定时硬度选择在上限；事故率较高或调试阶段选用中下限。

2) 芯部的选择一定要注重强韧性，目前离心复合轧辊的芯部基本上都是采用高强度球墨铸铁，由于这类轧机的轧制压力和扭矩很大，尤其是宽厚板轧辊，球化率一定要高，不能出现大量枝晶状和长片状石墨，基体中要析出一定量的铁素体，碳化物尽量控制在5%之内，可以加入一些Ni, B等强化基体和细化晶粒的合金，以提高强韧性。

中宽厚板、炉卷轧机选用高镍铬无限冷硬、高铬铁、Cr3典型的组织如图1～3所示。

图1　ICDP典型的组织图

图2　HCrI典型的组织图

图3　Cr3典型的组织图

2　带钢连轧、连铸连轧机用辊

目前国内外的热轧板带连轧机用辊大体上分为四类：粗轧工作辊、精轧前段工作辊、精轧后段工作辊、支承辊，轧线基本在1250～2300 mm，这类轧机目前用辊材质基本稳定，但是同国外或国内先进企业在材质选用上差距较大，例如日本、韩国等国家和宝钢等先进企业，已经实现了高速钢(简称“HSS”)多机架的使用，目前部分粗轧机和F5,F6的HSS使用情况也非常稳定，精轧前段HCrI已经基本被替代，当然材质的更新换代需要和轧制工艺、生产条件、轧辊材质细化等各方面因素结合起来，不能盲目跟从。

2.1粗轧工作辊

国内外粗轧类轧机机架分布有以下几种：单机架、双机架、多机架(又分为两辊、四辊形式)，粗轧工作辊与精轧工作辊相比，其主要特点是辊面接触温度较高，压下量大，因此要保证轧辊具备良好的抗热裂性能，以及良好的抗扭强度和抗弯强度。由于其中大多数粗轧机都是可逆轧制，热冲击和轧制压力大，条件相对恶劣，一般需要选用抗事故性能较好的钢基材料为主，可选用的主要材质有：锻造合金钢、铸造合金钢、半钢、高铬钢、热作工具钢、半高速钢(简称“S-HSS”)、高速钢等。随着轧辊材质的发展和轧制条件的改进，目前一般以高铬钢为主，部分两辊轧机机架轧辊也选用高铬钢，以后粗轧机架轧辊(部分连铸连轧前段F1～F2)的选材趋势将向热作工具钢、半高速钢、高速钢等方面发展，同时芯部需要采用高强度球墨铸铁。

作为目前粗轧机架常用的高铬钢轧辊，有以下的几方面优点：

1) 基体有着比高铬铁更高的富铬组织和Cr/C，因此它的耐磨性更好。国内、外热带轧机使用证实，高铬钢工作辊的轧制寿命均比合金钢、半钢辊等成倍增长，寿命是半钢轧辊的2.5倍以上。

2) 因为耐磨性好，表面形成致密氧化膜，轧辊辊形保持好，所以可以保证尺寸精度更高的板形，同时换辊周期得到大大提高。

3) 因为基体组织中的碳化物含量低且碳化物呈断网状分布，所以具有更好的抗热裂性能，裂纹的敏感性大大降低，同时轧辊的咬入性能好。

典型的高铬钢轧辊的金相组织如图4所示。

图4　典型的高铬钢轧辊的金相组织

近年来，四辊粗轧机架轧辊开发了一种高铬钢的替代型产品——半高速钢轧辊，半高速钢轧辊性能介于高铬钢和高速钢之间，与高铬钢相比，降低了Cr的含量，并增加了W、V、Mo等合金含量，合金碳化物总量减少但呈多元化趋势，显著增加了高硬度的M2C、MC型碳化物，基体以回火马氏体为主，因此具有较好的耐磨性。由于碳含量和碳化物的减少，进一步改善了咬入性能和辊面抗热裂性能。典型的半高速钢材质的金相组织如图5所示。

图5　典型的半高速钢材质的金相组织

几种粗轧机架常用轧辊的材质性能发展与对比如表1所示。

表1　粗轧机可用材质性能对比

目前，根据轧线的工况条件、轧制品种的精度要求以及轧辊的性价比等方面，高铬铸钢、热作工具钢、半高速钢和高速钢这四种材质在粗轧机的选材中可优先考虑，实现材质的逐步更新换代。

2．2精轧前段工作辊

与精轧后段相比，精轧前段工作辊的接触应力以及辊面温度较高，其主要失效形式是磨损，磨损的主要机理是热疲劳，轧辊与钢坯接触的部位受热膨胀，而在轧辊内部维持着正常温度，由此产生的压应力常常超过外层材料的弹性极限，因此要求轧辊具有较高的热弹性极限，以延缓热疲劳裂纹的产生。高铬铸铁的热弹性极限从500 ℃ 开始下降，普通材料则在300 ℃开始下降。从目前国内外在精轧前段工作辊选材来看，基本以高铬铁为主并逐步向高速钢发展。

(1) 精轧机架用高铬铸铁轧辊。外层Cr含量达14%～20%，显微组织为25%左右共晶碳化物+回火马氏体、极少量残余奥氏体，辊面硬度70～85 HSD。外层材质由于存在大量Cr元素，碳化物为M7C3型，呈菊花状分布，显微硬度值高达1500～1700 HV，另外轧辊在使用过程中，辊面将形成致密、稳定的氧化膜，具有较好的耐磨性、抗冷热疲劳性和综合机械性能。高铬铸铁的热裂纹较细较浅，因其导热性低，所以需要充足的水冷。典型的高铬铸铁的金相组织如图6所示。

图6　典型的高铬铸铁的金相组织

(2) 精轧机架用高速钢轧辊。自20世纪80年代后期，国外热带连轧机上已开始试用高速钢轧辊；由于高速钢轧辊的耐磨性大大提高，在线时间成倍延长，因而进入九十年代，国内宝钢、武钢、鞍钢、邯钢等公司热带连轧机的精轧机架，已逐渐由高速钢轧辊取代传统的高铬铸铁轧辊和高镍铬无限冷硬铸铁轧辊，并继续扩大使用，取得了较好的应用效果。高速钢轧辊显微组织是由细小弥散、硬度极高的MC，M6C，M2C型合金碳化物镶嵌于热稳定性很高的回火马氏体基体上，由于大量合金元素的加入，促使回火过程中析出细小弥散碳化物，产生二次硬化现象，也使马氏体分解温度提高而具有良好的红硬性。显微组织为碳化物10%～15%，硬度75～90 HSD。但是高速钢材质的抗机械裂纹性能较差，且要求水冷条件较高，因此，选用高速钢轧辊的前提是必须保证轧线的高稳定性。典型的高速钢的金相组织如图7所示。

图7　典型的高速钢的金相组织

2.3精轧后段工作辊

对于精轧后段来说，轧材表面温度越来越低，此时热疲劳已经不是主要问题，然而，带钢的硬度越来越高，轧辊转动速度更快，叠钢、甩尾、卷曲等发生的几率将大大升高，尤其是在轧制特种优质钢时更加明显。由于精轧后段对于板材精度影响较大，轧辊的选材标准是必须拥有较好的耐磨性和较高的抗裂纹扩展能力。此时，高镍铬无限冷硬轧辊材质依然保持领先地位，其辊身外层中存在细小石墨，起着良好的润滑和导热作用，防止粘钢发生，同时细小石墨分散分布在基体中，也一定程度地减轻机械裂纹扩展速度。近年来，随着轧辊材质的发展，精轧后段使用的高镍铬无限冷硬轧辊，已经由普通型发展到改进型，改进的特点主要是：外层组织中石墨形态由原来的短片、蠕虫状发展到点球状，并加入一定量的高显微硬度合金，同时进行了变质处理，促使组织中析出弥散的高硬度碳化物，极大地提高了轧辊的耐磨性、缩短了换辊周期。典型的改进型高镍铬无限冷硬铸铁的金相组织如下图：

图8　典型的改进型高镍铬无限冷硬铸铁的金相组织

在日本，高速钢轧辊一直被使用到后机架，国内目前一些厂家也在尝试在精轧后段使用高速钢轧辊，取得了一定的效果，但高速钢完全取代高镍铬无限材质还需要很长的过程。

2.4支承辊

热轧带钢粗轧、精轧支承辊目前主要以Cr3，Cr5为主，并逐步向Cr含量不断提高的方向发展。由于铸造水平、差温热处理技术的不断提高，以铸代锻的整体铸造支承辊在国内外得到广泛应用，并取得了显著效果，因其优越的性价比，得到了广大用户的青睐。

3　结束语

对于轧辊的选材来说，需要考虑的不仅仅是轧辊自身性能的优越程度，还需要考虑轧辊的使用条件、轧制工艺特点、轧机的稳定性、轧辊使用过程中的维护和检测手段，以及满足条件的使用成本等诸多方面的因素，这是一个轧辊生产和轧辊应用技术人员需要共同不懈努力的长期课题。

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2016-05-09

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

TG335.11; TG142.11