ESP无头带钢精轧后段高速钢轧辊的研发和使用

奚国仙 冯喜锋 邵黎军

（江苏共昌轧辊股份有限公司，宜兴 214253）

随着钢铁工业的发展，一种短流程的无头带钢轧制技术（Endless Strip Production，ESP）在日照钢铁被成功引进。该产线具备能耗低、排放小、节构紧凑等特点，单次轧钢量最高可超过200 km。因此，要求配套轧辊具备高耐磨性、高辊面光洁度、辊型保持好和抗疲劳性能高等特点。传统的热轧板带线精轧工作辊材质性能已经难以满足使用需求，因此开发一种ESP专用的新型轧辊成为了该行业的必然选择。经过不断的实验及现场试用等，高耐磨新型高速钢轧辊成功研发，为ESP生产线的轧辊国产化打下了基础。

1 ESP无头带钢精轧后段轧辊服役特点

与传统的半连续式热轧线相比，ESP精轧后段工况有下列特点：第一，带钢连续轧制，辊面温度起伏小，无频繁的咬入和抛钢，且穿带少；第二，粗轧机架除鳞水压强较高，最高可达40 MPa[1]，氧化皮清除彻底，对辊面的局部硌伤率较低；第三，单次轧制周期长，轧辊过钢边部疲劳位置变化小，疲劳时间长，容易产生疲劳裂纹；第四，轧辊单次过钢长度一般为普通热轧的3～4倍，单次上机磨损量较大，疲劳裂纹深；第五，精轧后段轧辊辊面温度较低，氧化膜基本无法形成，不利于提高板面光洁度。

2 生产工艺设计

2.1 设计方向

ESP无头带钢精轧后段高速钢轧辊的设计方向为：第一，高耐磨性，单次上机周期可以满足轧制3 000～4 000 t，后辊面磨损曲线符合设计预期；第二，晶粒比传统高速钢更细，碳化物以弥散分布为主，下机后辊面光洁度在1.5 μm以下；第三，具备较好的抗事故能力，抗冲击、抗疲劳裂纹扩展能力好，轧制稳定。

2.2 化学成分设计思路

2.2.1 合金元素设计整体方向

合金元素设计的整体设计目标是从红硬性好转变为基体硬度高，碳化物颗粒弥散。因此，在普通高速钢的基础上，提高Cr含量、降低W含量、大幅度提高Mo的含量是本次设计的设计思路。整体成分设计如表1所示。

表1 ESP无头带钢精轧后段高速钢成分表

2.2.2 C的设计

碳元素在组织中的主要作用：一是与合金生成合金碳化物，从而为材质的耐磨性提供耐磨骨架；二是碳部分溶于基体中，以提高淬透性，并且能够在淬火时生成马氏体，回火时合金碳化物再次析出形成二次硬化[2]。碳含量过高基体容易形成过饱和的间隙原子，且会使残余奥氏体和残余应力增加；碳含量过低，则无法提供足够的碳形成合金碳化物，不利于提高耐磨性，且基体硬度也较低，对降低摩擦系数不利。经过综合分析，含碳量设计为1.8%～2.2%。

2.2.3 Cr的设计

Cr部分溶解于合金基体中能够改善铸铁轧辊的淬透性，促使合金生成马氏体。另外，它与C元素结合后，会生成合金碳化物Cr7C3，从而成为微观耐磨骨架。

2.2.4 Mo和W的设计

Mo和W形成的碳化物硬度较强，作用相似。Mo和W同时加入含有C的铁基合金中，能形成Mo2C、W2C、Fe2C或Mo6C、W6C、Fe6C等复合碳化物。此类碳化物的高温硬度更好，因此常用于精轧前段高速钢。Mo的作用虽然和W相似，但相关研究表明[3]，含Mo高速钢的共晶碳化物组织更加细小和弥散，晶粒分布比W的碳化物更加均匀。因此，考虑到精轧后段高速钢要求组织细腻、辊面光洁度高，这两种元素的设计思路为低W高Mo。W和Mo的含量分别控制在1.5%～2.0%和5.0%～5.5%。

2.2.5 V的设计

V在高速钢中主要以VC的形式存在。VC的显微硬度可达3 000 HV。V在传统高速钢轧辊中加入较多，但阿根廷的LECOMTE B J等人的研究表明[4]，由于VC硬度过高，镶嵌在基体上时，基体被磨损后会使VC颗粒凸出，可能会在板材表面形成划痕，不利于钢板表面质量控制。综合考虑，精轧后段高速钢成分设计未加入V。

2.2.6 Nb的设计

Nb在基体中主要和C形成MC型碳化物。NbC的密度和Fe接近，在离心铸造过程中不易形成宏观偏析。此外，Nb还可以减少网状碳化物，细化组织，减少脱碳倾向。综合考虑，设计Nb含量控制在0.3%～0.6%。

2.3 热处理工艺的确立

2.3.1 高速钢轧辊的热处理组织转变特点

由于高速钢中加入了大量合金元素，会使高速的过冷奥氏体连续冷却转变曲线（Continuous Cooling Transformation，CCT）右移，提高淬透性，因此高速钢轧辊在冷速较慢的风淬条件下也很容易得到马氏体组织。

2.3.1 高速钢的淬火温度设定

相关研究表明[5]，随着淬火温度升高，高速钢的硬度和红硬性升高，冲击韧性下降。同时，淬火温度过高，材质的晶粒生长过于粗大，反而对提高硬度和性能均匀性不利。综合考虑后淬火温度设计为1 050 ℃。淬火时，根据轧辊的尺寸选择雾淬或风淬。

2.3.1 高速钢回火温度设定

相关文献表明[6]，高速钢回火温度较低会使残留奥氏体增多，减弱二次硬化效果。当回火温度过高时，合金碳化物长大，硬度反而下降。因此，制定了550 ℃一次回火和500 ℃二次及三次回火的回火方案。经过三次回火，基体硬度得到了提高，整体热处理工艺简图如图1所示。

图1 ESP无头带钢精轧后段高速钢轧辊的热处理工艺

3 ESP无头带钢精轧后段高速钢轧辊的微观组织

3.1 传统高速钢的微观组织特点

传统高速钢材质中共晶碳化物含量20%～25%，碳化物类型以M7C3、M23C6、M2C和MC型为主，形态呈断续网状分布，晶界处有轻微碳化物聚集（呈菊花或短棒状），不同放大比例下的微观组织分别如图2和图3所示。

图2 传统高速钢放大100倍

图3 传统高速钢放大500倍

3.2 ESP无头带钢精轧后段高速钢轧辊的金相组织

新型高速钢轧辊由于采用了高Mo、高V的合金碳化物，其颗粒状的MC型碳化物增多，且更加弥散、均匀，整体碳化物含量为20%～25%，形状以短棒状、颗粒状为主。不同放大比例下的微观组织形貌分别如图4和图5所示。

图4 ESP精轧后段高速钢放大100倍

图5 精轧后段高速钢放大500倍

4 ESP无头带钢精轧后段高速钢轧辊的使用效果

4.1 ESP精轧后段高速钢轧辊的下机表面辊面质量对比

新型高速钢轧辊研发完成后，在国内某ESP无头轧制线进行了试用，并与传统高速钢、同机架高镍铬无限冷硬铸铁等材质进行了效果对比。辊面效果分别如图6和图7所示，下机表面粗糙度对比如表2所示。

表2 几种不同材质轧辊的下机粗糙度及耐磨性对比

图6 ESP精轧后段高速钢下机辊面

图7 传统高速钢下机辊面

4.2 ESP精轧后段高速钢轧辊与高镍铬轧辊的辊型保持能力对比

ESP精轧后段高速钢由于耐磨性高，整体磨损均匀，因此辊型保持能力优良，为板材的稳定轧制和超薄规格轧制提供了保障。其与高镍铬无限冷硬轧辊的磨损量分别如图8和图9所示。

图8 高镍铬无限冷硬（ICDP）轧辊磨损量曲线

图9 ESP精轧后段高速钢轧辊磨损量曲线

经过上机使用，ESP精轧后段高速钢轧辊在耐磨性、表面光洁度等方面表现优异，完全替代了ESP精轧后段高镍铬材质的轧辊，填补了ESP无头带钢精轧后段机架高速钢材质的空白，对ESP无头带钢精轧后段机架材质的发展具有重要意义。

5 结论

（1）新型高速钢采用了高C、高Cr、高Mo，以及一定的Nb合金的设计思路，其耐磨性、辊面光洁度和辊型保持能力更好，更适合精轧后段成品机架使用。

（2）新型高速钢微观组织中网状碳化物更少，细颗粒型碳化物弥散更加均匀。

（3）新型高速钢采用了高温淬火加三次回火的热处理工艺，基体为回火马氏体，二次碳化物弥散析出提高了基体硬度。

（4）新型高速钢在国内某ESP无头轧制线上投入了批量使用，取得了优秀的使用效果，为高端轧辊的国产化打下了基础。