连轧产线和半连轧产线的轧辊氧化行为研究

李继新，周 旬，徐海卫，肖宝亮，杨孝鹤

（首钢京唐钢铁联合有限责任公司，河北 唐山 063000）

1 概述

轧辊是带钢的热轧钢铁生产中消耗量最大的消耗品之一，在常规半连轧产线，其消耗量为0.5～1千克/吨，在连轧产线上，其消耗量约为1.0～1.5千克/吨。轧辊的辊耗主要来源于在线的高温轧辊氧化加剧磨损和线下的成型磨削。热轧使用的轧辊包括：高速钢，高铬铸铁，高铬铸钢，锻钢，无限冷硬轧辊等不同类型轧辊。不同厂商供应轧辊的成分和组织存在差异，氧化行为也有明显特征。不同类型合金加入，不同类型的碳化物，对轧辊的氧化行为，辊面质量和轧辊寿命影响显著。生产节奏及产品品种和规格的安排也会对轧辊的使用产生明显影响[1-3]。

粗轧和精轧的轧辊在使用过程中，因工作辊在与热带钢接触时的周期性加热(由于带钢、变形和摩擦的热传导)，轧辊接触弧和板坯接触温度＞500℃，轧辊基体以马氏体为主，氧化时间增加，氧化膜逐渐增长，对轧辊本身的基体产生保护作用。同时，轧制过程伴随着氧化膜的磨损，磨损减薄后，氧化速率又继续上升，形成一个相对稳定平衡的状态。同时，轧辊存在匹配的冷却系统，温度的快速变化会导致氧化的发展，热裂纹和工作辊表面的疲劳的发生。适当的氧化膜能够降低带钢与轧辊间的摩擦系数，防止热裂纹扩展，具有延长工作辊寿命的作用。然而过快的氧化膜生长，氧化膜的增厚也导致界面结合力减弱，并在轧制应力及摩擦力的作用下使轧辊氧化膜的剥落。氧化膜的剥落不仅会影响轧辊的使用性能、加速轧辊的磨损，还会使热轧带钢发生氧化铁皮压入等缺陷，影响带钢的表面质量。在正常的生产过程中，温度高，氧化层厚度薄，则氧化速度增加，氧化层相对致密。随着氧化层增厚，氧化速率会下降，但是结构会输送，摩擦系数增加，容易剥落[4，5]。

本研究计划以最常见的高铬铸铁轧辊和Mo-V体系的高速钢为例，研究其在连轧和半连轧产线的不同工艺条件下的氧化行为及氧化膜的生长状态。为不同轧线为保证产品质量和生产顺稳，提供轧辊使用特征和策略的依据。

2 生产工艺的区别

由于设备的配置不同，半连轧工序和全连轧工序的过程工艺偏差大，控轧控冷的方式有明显的区别。①常规半连轧的粗轧工序通常使用高铬铸铁轧辊，粗轧的使用公里数约为200公里， 精轧前段使用高速钢轧辊，后段为无限冷硬轧辊，单辊期轧制50～100公里。粗轧板坯平均温度1000℃～1100℃，精轧前段中间坯平均温度1050℃～950℃，后段中间坯平均温度950℃～800℃。②而连续生产线较常规产线有所不同，粗轧目前是以高铬铸铁为主，在逐步更换为高速钢，精轧前段为高速钢轧辊，后段为无限冷硬轧辊轧辊，单辊期轧制长度为100公里左右。粗轧区域的板坯平均温度1000℃～1150℃，精轧前段中间坯平均温度1150℃～1000℃，精轧后段的中间坯平均温度1000℃～800℃。

3 轧辊的氧化行为

轧辊的氧化是循环氧化的过程，虽然高温氧化是氧化膜生长最重要的过程，控制氧化，首先要研究氧化膜在加热过程中的生产动力学，为温度控制提供准确参数。然后对轧辊组织的影响，表面粗糙度的变化对轧辊氧化膜的维护以及使用寿命进行影响分析。

3.1 连续加热条件下轧辊氧化动力学

热重试验显示，高铬铸铁轧辊连续加热，当温度小于250℃时的氧化增重不大，温度升高，氧化增重增加，当温度升高到450℃～50℃时，氧化增重随温度的变化不大，当高于680℃时，氧化增重随温度变化开始明显增加。

高速钢在温度低于550℃时，随加热温度的增加，氧化增重缓慢增加；当温度高于550 ℃时，其氧化增重的速率开始增大，而当温度高于700℃时，其氧化增重随温度的增重呈线性快速增。高速钢的氧化速率显著大于高铬铸钢，从氧化膜的控制上，高铬铸钢可以采用高的温度，而高速钢的温度应控制的低温的水平，从而控制氧化膜的快速增大。

3.2 连续加热条件下轧辊氧化膜微观组织

高铬铸铁轧辊在温度低于250℃时，表面没有明显的氧化，当温度达到300℃时，基体表面开始出现氧化膜，随温度的升高，氧化速度加快。但网状碳化物基本没有氧化发生，即使温度达到700℃时，碳化物仍保持原来特征。另外基体氧化也存在不均匀现象，靠近共晶碳化物的区域，氧化数率略高于内部区域。但当温度高于 600℃时，氧化膜随温度升高，形态变化不明显。

高速钢轧辊在连续加热条件下加热至不同温度时的表面形貌。当温度低于400℃时，表面没有明显的变化，即没有明显氧化；当温度到达500℃时，基体表面明显出现氧化膜，当温度高于600℃时，氧化明显加快。总体看，无论点、棒状碳化物，还是较大的碳化物，在连续加热的过程中，均没有明显的氧化发生，还保持原始的形态。

图1 连续加热时TG氧化增重曲线

高铬铸铁轧辊在300℃时就开始有明显氧化，高速钢轧辊则在500 ℃时开始氧化，并随温度的升高氧化膜快速生长，这一结果和热重实验的结果一致。另外由氧化膜生长状态看，碳化物没有明显的氧化，氧化膜主要由基体开始生长，而基体的不同区域氧化速度也略有不同，靠近共晶碳化物区域氧化数率略高于基体。

3.3 粗糙度

连轧产线的特点是轧制过程板坯不间断，轧辊受热频率高，升温块，辊身温度高。同时，连轧产线的粗轧段和精轧前段的板坯温度高于半连轧产线50℃～100℃，温度直接影响了轧辊辊身温度。

高铬铸铁经氧化后，表面粗糙多较小，说明基体氧化膜增加不大。而高铬铸钢表面氧化较厚，其氧化后的粗糙度也明显增加。相对高速钢，其氧化后的粗糙度显著增加，达到几十微米，说明其氧化最为严重。这也证明了，TG及表面观察结果的正确性。

4 结果与讨论

在轧制同钢种、同规格、同公里数的条件下，半连轧产线的粗轧轧辊的下机温度比连轧产线平均低20℃。半连轧产线精轧前段的轧辊平均下机温度65℃，连轧精轧前段的轧辊平均下机温度75℃，连轧产线同样比半连轧产线高10℃。连轧和半连轧产线的粗轧工序轧辊在机接触温度处于700℃～800℃的范围，在此范围内，连轧产线轧辊氧化温度高20℃。在该工序，连轧产线氧化膜厚度25um，半连轧产线氧化膜厚度为30um，对应的氧化膜厚度增加约10%～20%。由动力学曲线可知，氧化增重增加约10%[6]。

典型高铬铸铁轧辊的成分包括：C:1.3%～1.4%，Mn：0.9%，Cr: 12%，Ni：0.5%，Mo：1%，V：0.4%。大量的添加铬元素主要是增加高温下轧辊和氧化膜的热稳定性。组织以Cr7C3，氧化膜是以FeCr2O4和Fe3O4为主。铁铬尖晶石高温下的耐磨性和致密性高于氧化铁。而而典型高速钢轧辊的成分包括：C:1.9%～2.0%，Mn：0.4%，Cr: 4.5%，Ni：0.5%，Mo：6.5%，V：6%，W：0.15%。高速钢加入了Mo、V、W等元素，碳化物比较负责，分布更为分散，因合金的总加入量较高铬铸铁中的铬含量低，氧化层生产的热稳定性略低，即在较低温度开始迅速增加。由动力学曲线可以看出，高速钢轧辊＞700℃的氧化速率大于高铬铸铁轧辊。

实际生产过程中，轧辊表面氧化膜处于动态平衡。由于轧制过程的温度变化连续，因此氧化膜生长均匀。轧制过程由于除鳞系统，冷却系统或者产品自身的温度不均匀，可能会导致局部区域硬度异常了，轧制负荷增加，磨损加大，严重情况会造成局部的氧化膜大片剥落，粗糙度大幅增加。而高速钢轧辊的优势是耐磨性是高铬铸铁轧辊的三倍以上[7]。

如果单独考虑氧化行为的问题，使用高铬铸铁轧辊更好。如果单独考虑磨损问题，肯定高速钢轧辊有优势。但是综合考虑轧辊的氧化和磨损考虑，在半连轧产线，粗轧区域高温，使用高铬铸铁轧辊，而精轧前段F1-F4，随着温度降低，轧制公里数的增加，磨损的严重程度增加，投入高速钢轧辊更有优势。而在连轧产线，粗轧和精轧属于连续轧制，轧辊没有轧制间隙的冷却，温度高，磨损更重。因此可以和半连轧产线一样，粗轧使用高铬铸铁，精轧前段使用高速钢。更有优势的方式是：在粗轧和精轧均使用高速钢轧辊，提高轧辊的耐磨损能力，需要对高速钢轧辊进行成分调整，比如增加铬含量，提高热稳定性，提高高温氧化膜的稳定性。从而整体减少辊耗。

5 总结

（1）通过对半连轧产线和连轧产线的工艺分析，判断连轧产线，不论在粗轧工序还是精轧工序，轧辊使用环境更恶劣，轧辊温度更高，磨损更重。

（2）对比典型高速钢轧辊和高铬铸铁轧辊的氧化行为和氧化膜的结构，高速钢的初始氧化速度高，但是后期增长速度迅速增长。高铬铸铁轧辊低温有个短时间增长，大于700℃的高温段，增速加大，但是对高速钢轧辊的高温氧化速率低。

（3）建议半连轧产线粗轧使用高铬铸铁轧辊，精轧使用高速钢轧辊更有优势。连轧产线投入提高铬含量的高速钢，效益更为显著。