热轧板带粗轧高速钢工作辊的研发与应用

周 军，冯喜锋

（江苏共昌轧辊股份有限公司，江苏 宜兴 214253）

高速钢轧辊由于其良好的耐磨性和高温红硬性，近三十年来一直在不断的研发和应用试验，材质也不断地进行更新换代，目前在热轧精轧前段的应用基本比较成熟，但是在粗轧和精轧后段应用较少，主要是由于不同机架轧制环境和特性不同造成的，所以需要研究特定环境试用下的高速钢，研发个性化材质来适应，本文主要研究热轧粗轧环境下高速钢的研发与应用[1]。

1 粗轧高速钢的服役特点及性能设计方向

热轧粗轧机架分布常用的一般有两种：单机架4辊或者两辊R1+四辊R2，通常工作辊采用半钢、高铬钢材质，少量使用工具钢或者半高速钢，首先我们需要对使用环境和特点与精轧前段做一个对比分析：

表1 使用环境对比分析

通过使用环境对比分析可以得出：无论是压下量、轧制压力，还是换辊周期、板坯温度及过钢方式，粗轧的工作辊的轧制条件和要求都高于精轧前段，这就要求轧辊具有较强的咬入性能、抗事故性，同时又要具有较好的高温红硬性及耐磨性。针对以上性能要求我们的设计思路主要有以下几点：

（1）适当降低C的含量。与精轧前段高速钢钢相比，适当降低C的含量，可以提高材料摩擦系数，从而改善轧辊的咬入性能，同时C含量适当降低，可以降低碳化物的总量，这样可以降低裂纹敏感性和提高抗事故性[2]。

（2）优化合金配比。降低Cr7C3碳化物的含量，一方面防止生产过量的共晶性质的网状碳化物，另一方面提高颗粒状的MC型碳化物的含量，使细小弥散的颗粒状碳化物更加均匀地分布在整个基体，从而降低网状热裂纹敏感度，提高辊面表面光洁度与氧化膜附着能力。

（3）设计新的热处理工艺以提高淬硬层深度。由于一般精轧前段轧辊单边使用厚度为35mm～50mm，而粗轧工作辊单边使用厚度都在50mm～75mm，需要设计新的热处理工艺以提高淬硬层深度、减小硬度落差，保证轧辊全寿命周期使用性能的一致性。

（4）选用高强度高韧性球墨铸铁。由于粗轧机架轧制压力大，瞬时轧制压力最大可达7000t～8000t，而且偶然会发生卡钢事故，所以采取先进的“双线四喂”进行球化和孕育，保证芯部强度，防止断辊恶性事故的发生。

（5）优化轧辊的使用维护方案。制定专门针对高速钢工作辊的使用维护方案，方案包括磨削量、换辊周期、检测跟踪、烫辊等制度，以及试用时对轧辊表面氧化膜的评估。

2 粗轧机架高速钢轧辊的设计

2.1 含碳量的设计理论方向及选用范围

碳含量：一部分和不同的合金结合形成合金碳化物，剩余部分以过饱和的碳溶于基体中，基体中碳的含量决定材质的属性、凝固特点、淬透性等。鉴于粗轧机架要求材质高韧性、高压下量等特点，碳含量设计稍低于传统高速钢，定为1.3%～1.8%。

2.2 合金的种类及含量选用

鉴于粗轧机架较高的轧制温度，为了提高轧辊的抗热裂性能，选用红硬性保持能力较好的钼元素为主，钼含量控制在3.0%～5.0%之间。

为了提高轧辊的耐磨性能、淬透性、高温强度等，必须有一定的铬含量，铬在基体中，主要和碳结合以Cr7C3、Cr3C形式存在，在基体中呈断续网状分布；另一方面，铬虽然提高材质耐磨性能、增加材质淬透性，但是铬含量不能太高，铬含量较高时，容易使Cr3C以连续网状形式存在，增加材质的热裂纹倾向，综合以上，铬含量稍低于精轧前段的高速钢轧辊，范围定在4.0%～6.0%。此外，为了提高材质的高温表面光洁度，以及促进轧辊使用过程中整体均匀磨损性能，避免“沟槽式”磨损，必须显著提高基体中弥散的、硬度较高的颗粒状碳化物的数量。弥散分布的颗粒状碳化物，以VC应用最为广泛，基于上述，钒含量定为3.0%～5.0%。

2.3 化学成分最终设计见表2

2.4 粗轧高速钢轧辊的热处理工艺设计

设计思路：粗轧高速钢轧辊因含有较高的合金含量，同时碳含量适当降低，因此基体组织中含有过饱和的合金元素，会进一步增加残余奥氏体含量，为了促进残余奥氏体转变充分，热处理工艺进行了重新调整[3]，主要特点如下：

（1）高温保温阶段温度高，保温时间长，使所有外层充分奥氏体化，促进偏析组织充分溶解。

（2）淬火冷却速度快，均匀旋转淬火，整体冷却均匀，得到细小的马氏体组织。

（3）三次低温回火得到细小弥散分布的二次颗粒状碳化物，促进残奥充分转变，得到回火马氏体+少量回火贝氏体组织，精准控制辊身硬度[4]。

（4）热处理工艺设计曲线如下图1。

图1 粗轧高速钢简易热处理曲线

表2 粗轧高速钢化学成分表

表3 粗轧高速钢轧辊的物理性能

2.5 内层球墨铸铁设计

辊颈作为传动部位以高韧性、高强度为主，目前普遍采用高强度球墨铸铁，其抗拉强度控制在450MPa以上，为了保证大截面球墨铸铁的球化和孕育效果，我司采用国际先进的“双喂四线”的球化喂丝技术。球化过程实现边球化边孕育，球化过程平稳均匀，球化效果明显优于传统的包底堤坝式球化法[5,6]。

经辊颈部位球墨铸铁取样检测，腐蚀前与腐蚀后的金相组织如图2、图3。

图2 腐蚀前 100X

图3 腐蚀后 100X

经过喂丝球化的芯部组织，球化级别控制在2级左右，石墨大小可以达到5级（球墨铸铁金相检验 GB/T9441-2009），材料的强韧性得到了有效保证。

3 粗轧高速钢轧辊性能特点

（1）粗轧高速钢轧辊的显微组织如图4、图5所示。

图4 辊身外层 100X

碳化物基本以MC、M6C、M7C3、M2C型碳化物为主，碳化物含量约10%～15%，呈断续网状分布，基体组织为回火马氏体，其中断续网状分布的合金碳化物，在轧辊的使用过程中起到骨架作用，为轧辊的耐磨性能提供保证。

图5 辊身外层 500X

（2）物理性能。①经过稳定的铸造及热处理工艺，粗轧高速钢轧辊的物理性能控制见表3，较高的硬度及硬度均匀性，为轧辊的辊型保持能力提供较好保障。②残奥量控制：≤5%。③残余应力控制：≤－300N/mm2。

4 粗轧高速钢轧辊的使用效果

粗轧高速钢轧辊研制完成后，在国内某1780不锈钢热轧线及2250热轧生产线进行了试用，试用效果非常成功，表面光洁度、单次过钢量等性能指标达到国际领先水平，主要优点如下：

（1）辊面光洁度对比表现。①在国内某1780不锈钢热轧线线上试用的效果对比如下图6、图7所示。②在国内某2250不锈钢热轧线上使用效果对比如图8、图9所示。

图6 本厂研发轧辊下机表面

图7 日本某厂轧辊下机表面

图8 本厂研发轧辊下机表面

图9 国内某厂轧辊下机表面

（2）辊面磨损对比数据如表4。

表4 对比数据

5 结语

粗轧用高速钢轧辊与传统的高铬钢材质相比，从设计方面来看，具有更高的合金含量、基体中析出较多的颗粒状碳化物，基体含碳量更低，硬质碳化物总量更高。在使用方面的表现为耐磨性高、韧性更好、表面网状热裂纹更加细小，同时单次过钢量高、辊面光洁度更好，辊型保持能力更优，完全可以取代国外进口轧辊。

该新型高速钢材质的开发并成功试用，对钢铁企业进行轧辊材质的升级换代、提高劳动生产率、降低生产成本、降低劳动强度、提高轧钢产品质量等具有重要意义，加快推进了粗轧机架高速钢的国产化进程和步伐，值得各钢铁企业热轧板带生产线进行推广和应用。