合金半钢轧辊质量控制技术研究及应用

肖连华，姚永奎

（1.唐山钢铁集团重机装备有限公司，河北唐山 063036；2.唐山钢铁集团技术中心，河北 唐山 063006）

合金半钢轧辊质量控制技术研究及应用

肖连华1，姚永奎2

（1.唐山钢铁集团重机装备有限公司，河北唐山 063036；2.唐山钢铁集团技术中心，河北 唐山 063006）

合金半钢轧辊具有优良的综合性能、能适应多种轧制条件，用途广泛。本文介绍通过对合金半钢轧辊控制钢水夹杂物含量、按照不同用途设计半钢中碳和合金元素的含量、选用不同的热处理工艺控制不同的基体组织，以及铸造工艺的改进，合金半钢轧辊质量控制技术综合实施，减少半钢轧辊质量缺陷，以实现用户轧制需求。

合金半钢；轧辊；质量控制；研究；应用

随着用户对钢材多品种多规格、高质量要求以及轧钢生产机械化及自动化水平的提高以及市场的竞争加剧，国内型钢轧制采用先进的“低温、大压下量、小辊径轧制”等技术的推行，迫切要求轧辊的耐磨性、抗表面粗糙性和轧辊的韧性与之适应。因此，研究开发新型合金半钢轧辊材料及其制造技术已是势在必行。

合金半钢轧辊含碳质量分数通常在 1.5% ~2.3%，含Cr、Ni、M o、V等多种合金元素，一般游离碳化物质量分数约6%～10%，具有硬度降落小、耐磨性能高、韧性良好、消耗显著降低，型材和轨梁材的表面质量显著提高等特点，广泛应用于代替铸钢轧辊和普通低合金铸铁轧辊，如大型型钢粗轧辊、型钢轧机初轧和中轧机架、热轧带钢连轧机初轧和精轧前段工作辊。但是由于原材料控制不严，工艺方案不合理，生产操作不当，管理制度不完善等原因，会使合金半钢轧辊产生如气孔、粘砂、渣孔、残渣、缩孔、缩松、裂纹、硬度不均等各种质量缺陷。

本文主要分析半钢轧辊铸造质量缺陷产生原因，通过调整其化学成分和制造工艺来满足不同工况条件下对轧辊综合使用性能的要求，形成半钢轧辊质量控制技术，减少上述缺陷。

1 工艺流程

采用精准、精细工序控制，基本流程是45 t偏心底电弧炉熔化钢水，进入40 LF精炼炉精炼和40 t VD炉真空脱气冶炼较纯净钢水，底注式静态浇注，铸坯本体到600℃～700℃时进行保温热拆箱［1］转入热处理高温扩散、球化退火，粗车预开孔型，检验合格转入处理正火、回火，精车至成品尺寸。

2 合金半钢轧辊生产质量控制技术

2.1 钢水纯净度控制技术

轧辊钢水纯净控制技术贯穿于配料、初炼、精炼、铸造等各环节，采用全流程夹杂物控制技术控制内生夹杂物和外来夹杂物，明显减少夹杂物数量，减少大尺寸夹杂物并改善其在钢中的分布和形态[2]。

采用锰铁、硅钙、稀土镁等复合脱氧，含氧量降到（40～60）×10-6，较以前Al脱氧大幅降低［[3]，各类夹杂物含量变化见表1.

表1 控制效果情况

2.2 钢水化学成分控制技术

按照不同用途调整合金半钢中碳和合金元素的含量，优化合金窄成分控制，添加V、Ti元素（见表2），起到细化晶粒和弥散强化的作用，在弥散强化和析出强化的共同作用下，达到了提高轧辊组织性能的目的，成分优化前后性能对比如表3所示。

钢水采用稀土孕育方法使碳化物孤立化与球团化，增加耐磨性。

珠光体以不同形态在组织中的存在将影响热处理产生的组织应力及内应力的形成，片状或针状珠光体有可能导致微裂纹的形成，在内应力的促进作用下有可能使裂纹扩大并最终造成轧辊开裂，而粒状珠光体形成后就大大减少了热裂倾向的发生，对轧辊的抗事故能力也有所提高。

表2 合金半钢轧辊合金成分优化情况（质量分数，%）

2.3 轧辊外在质量控制技术

2.3.1 缩孔、缩（疏）松

轧辊产品结构特殊，横截面大，轴向长决定了铸造时不可避免的会产生缩松、疏松等铸造缺陷。缩孔易产生于大型半钢轧辊冒口端，缩（疏）松易产生于在下辊颈，出现的缩孔缩松类缺陷在轧辊辊身工作面范围内，影响轧辊质量。

表3 合金半钢轧辊合金成分优化前后性能对比情况

铸造工艺设计采取了下辊颈砂型≤30 m m，辊身冷型挂砂12 m m~15 m m，冒口砂型≥60 m m等工艺措施；准确控制开浇温度，一般在液相线以上50℃~60℃；严格控制冷型模温，一般在80℃～100℃；用高温钢水点铸冒口时间一般掌握在30 m i n之内，温度超过液相线80℃~100℃，距冒口上平面以下400 m m处开始点注冒口，点注时间6 m i n以上，点满为上，加发热剂2 kg/t，盖保温罩；引用自主研发的电加热专利技术［4］，采用合理的电加热工艺，使冒口的补缩通道仍保持畅通；采用凝固模拟技术设计冒口尺寸满足补缩要求，以保证体积收缩所需要的钢液。采取以上工艺措施，可以减缓缩孔、缩（疏）松缺陷的产生。

2.3.2 夹渣、夹砂

采用专用砂轮器具打磨冷型内表面，清除冷型及其他砂箱内腔表面脏物，保证表面无粘结物。砂型采用缓慢升温至400℃干燥工艺。

合箱前各接合部要求磨平整，吸出内腔、浇注管道杂物，严格检查型腔质量，如有损坏要修补烘干后方可使用，冷型内壁不允许有裂纹和涂料剥落。

用切线型内浇道，使杂质集中在轧辊中心部位，以利于夹杂物上浮，浇口杯采用平稳封闭阶梯式设计[5]。

2.3.3 裂纹、断辊

铸造裂纹有热裂纹和冷裂纹，热裂产生一般是工艺原因，如果轴向收缩受阻，容易造成热裂。轧辊能够自由收缩变形，要有良好的由底至顶的顺序定向凝固；模型尽可能与最终轧辊外形接近，表面良好的柱状晶组织在最终轧辊中能表现出良好的耐磨性。必须严格执行浇注工艺参数，及时撤离插入节支撑体等。Ni、M n、M o等元素增加了白点的敏感性，容易产生裂纹，必须控制好入炉原料的干燥。

热处理出现裂纹原因：轧辊经热处理高温扩散退火后，在距下辊颈端辊身三分之一处产生横向裂纹，在热处理高温扩散退火阶段产生，温度范围在680℃~1 040℃ 之间。轧辊在冷却和加热过程中主要有两种应力，即热应力和组织应力。热处理升温加热阶段，表面受热膨胀在轴向和径向产生拉应力，温度相对偏低的地方产生压应力，从轧辊装炉位置和炉内温度分布来看，炉内上部温度高，下部温度低，结合裂纹位置氧化程度分析，轧辊在升温加热过程中存在高温长时间过烧，温度高，必然加大上下温度梯度，有可能造成轧辊组织产生内应力，形成微裂纹，并逐渐发展形成裂纹。

轧辊结构轴向长，横截面大，半钢轧辊的导热性仅为45钢的一半，导热性差；铸造时，冒口端温度高，下端温度低，客观上存在上下温度梯度，其轴向拉应力远远大于切向及径向应力，造成轧辊身产生横向裂纹的可能性存在；吹风冷却时，风机风量小，吹风位置调整不合适，使风履盖轧辊辊身面不完全，轧辊局部膨胀或收缩不一致，也有可能造成轧辊身产生横向裂纹；加工过程台肩倒角小或径向扩展。

采用热拆箱，严格控制升温速度，特别是680℃以后的升温速度尽可能缓慢升温，680℃保温时间延长至16 h，升温速度修改为小于或等于100℃.第二，在升温和保温阶段，根据炉内温度变化情况，及时调整控制温度；辊身上表面覆盖硅酸铝纤维毡防护；调整好风机高度，使之对准辊身中线或转入喷拌机进行旋转吹风。

2.3.4 粘砂

轧辊粘砂不仅影响铸件的外观质量，甚至引起报废。金属液渗入砂型或砂芯砂粒间隙中，与砂烧结并粘附在轧辊表面或金属液化学反应生成的金属氧化物与造型材料作用形成的粘着力很强的硅酸铁浮渣形成粘砂。

保证砂型干强度在70M Pa以上，浇注过热度在50℃~60℃；保证石英砂Si O2纯度在95%以上，用砂粒度40目~100目；使用醇基锆英耐火涂料，涂料厚度2 m m～3 m m.

2.2.5 气孔

通常在轧辊内部和表面上经常看到一些太小不等的光滑孔洞，常见的有侵入性气孔、析出性气孔以及皮下气孔等。

出现气孔的原因有很多，例如炉料不干或含氧化物、杂质多；型砂含水过多或起模和修型时刷水过多；型芯烘干不充分或型芯通气孔被堵塞；浇注温度过低或浇注速度太快等。

对侵入性气孔尽快控制型砂或芯砂中发气物质的含量，减少发气量，而且要降低湿型砂的含水量，保证砂芯的干燥。对皮下气孔的预防控制，包括适当提高浇注温度。

排气系统，考虑冒口系统设计优化，排气系统布局合理，使型腔和砂芯排气顺畅，有利于防止产生气孔和粘砂等缺陷，砂型和砂芯不仅排气好，还要发气量低、透气性好[6]。

2.2.6 砂眼、渣孔

砂眼、渣孔产生原因：型砂的强度过低、或者是砂型和型芯不够结实、合箱时砂型出现了局部破坏、浇注系统不合理，合型时型腔或浇口内散砂未清理干净，形状呈现出不规则性，且缺陷内部填充着夹杂物。

尽量提高型砂的强度以及砂型的结实度，紧实度，减少砂芯的毛刺，从而防止出现冲砂的现象；合型前将型腔和砂芯表面的浮砂清理干净，严格避免钢液对型壁过大的冲刷力。

2.2.7 硬度不合

对平辊进行粗开孔型再进行淬火处理，半钢轧辊基体组织决定了轧辊的耐磨性和抗事故性能[7]。

轧辊显微组织，基本上可以看作是渗碳体和铁素体的混合物，尤其是高碳材质，虽然需要渗碳体量来保证其硬度和耐磨性，但在凝固过程中必须控制渗碳体网的发展，将铸态碳化物网切断并球化，以免过脆。通过优化改进热处理工艺，满足轧辊硬度均匀性。

3 效果评价

3.1 使用消耗情况比较

表4 轧辊使用消耗情况

同材质同规格轧辊在相同使用条件下消耗情况如表4所示：工艺改进后半钢轧辊其使用性能明显优于工艺改进前轧辊，平均车削量降低15.9%，磨损量降低10.3%，单位毫米轧制量提高14.2%.

3.2 轧辊综合性能比较

通过分析合金半钢轧辊的冶炼、铸造和热处理关键工序工艺对轧辊质量影响，创新研究形成大型铸造半钢轧辊的制造技术，该质量控制技术应用取得了成功，轧辊各类铸造缺陷基本消除。

［1］文铁铮，郭玉珍.轧辊制造技术新论［M］.石家庄：河北科学技术出版社：2014，106-107.

［2］ 肖连华.铸钢轧辊熔炼夹杂物控制技术［J］.铸造，2016（12）；1221-1223.

［3］ 李伟，姜伟航，曹松，等.中频感应电炉脱氧工艺对非金属夹杂物的影响［J］.铸造，2016（2）；172-174.

［4］ 唐山钢铁集团有限责任公司.一种铸钢轧辊电加热装置及其电加热方法:中国，ZL201410501531.9［P］.2016-08-31.

［5］ 李强，杜强，李殿中，等.大型轧辊铸造凝固中缩孔预报［J］.铸造，2002（5）：297-298.

［6］ 纪汉成，汤叶卫.浅谈砂型铸造排气系统的设计［J］.铸造，2017（3）：263-267.

［7］ 许健，黄进群，孙铎基.粗开孔型二次热处理精轧半钢轧辊的研制［J］.铸造技术，2009（5）：623-625.

Research and Application of the Quality Control Technology of Alloy Semi-steel Roll

XIAO Lian-hua1，YAO Yong-kui2
（1.Tangshan Iron and Steel Group Heavy Machinery&Equipment CO.，LTD.，Tangshan Hebei 063036，China；2.Tangshan Iron and Steel Group Technology Center，Tangshan Hebei 063006，China）

Alloy semi-steel roll is a roll material with excellent comprehensive performance，suitable for many rolling conditions and widely used.In this paper，through controlling inclusion content，designing the content of carbon and alloying elements according to different application，selecting different heat treatment process to control matrix

organization，as well as improving the casting process，carrying out quality control technology，the quality defects were reduced to meet the user requirements.

alloy half steel，roll，quality control，research，application

TG28，TG162

A

1674-6694（2017）04-0039-03

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2017.04.014

2017-04-29

肖连华（1967-），男，汉族，高级工程师，工程硕士，从事轧辊生产工艺研究。