（钢铁冶金专业论文）轧辊钢脱氧及夹杂物控制技术研究.pdf

b l ， ad i s s e r t a t i o ni nf e r r o u sm e t a l l u r g y r e s e a r c ho n t e c h n o l o g i e so f d e o x i d i z a t i o na n d i n c l u s i o nc o n t r o lo f r o l l i n gs t e e l b y m a q i n g q u a n s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rj i a n gz h o u h u a p r e l e c t o rz h a nd o n g p i n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u l y2 0 0 8 l b l o ， 一 l “ l - v i ， i k 东北大学硕士学位论文独创性声明 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 = c 己 恩。 学位论文作者签名：弓 菊求 日期： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文 的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：签字日期： ， ， k l 0 、lr q 户 d l 各 i - 、 气 - ， 东北大学硕士学位论文摘要 摘要 随着轧钢工业迅速发展，轧机速度和自动化程度不断提高，对轧辊质量提出了更高 的要求，如何提高轧辊的使用寿命以适应轧机的需要是轧辊研制者面临的新课题。近年 来我国冶金行业使用的重要耐磨件轧辊的生产工艺水平虽有较大提高，但与发达国家相 比，仍有相当大的差距。 中钢邢台机械轧辊，目前是国内生产规模最大、品种规格最全的轧辊专业生产企 业。课题针对其铸钢厂l f v d 精炼工艺进行系统分析研究，进一步提高钢水质量。轧 辊钢中含有一定量的合金元素，不同程度的含有各种类型的夹杂物，给钢材的性能的提 升带来不利的影响。本文从冶金热力学计算角度出发，对现行冶炼工艺和制度下生产轧 辊钢时的夹杂物种类和牛成条件进行了预测；在轧辊钢生产过程中进行了取样，对钢样 中非金属夹杂物进行扫描电镜和显微镜观察，对其形貌、成分、大小等性质方面进行定 性分析，阐明各精炼环节对其生成的影响；通过使用不同的脱氧剂，对现行工艺脱氧制 度进行改进，进一步提高冶炼过程中的去气水平，尤其是进一步降低钢水中溶解氧和全 氧含量。全文结论如下： ( 1 ) 在冶炼过程中，生成的主要夹杂物为氧化物、硫化物以及两者的复合夹杂；浇 注后的凝固过程中有少量氮化物的生成和析出。成品钢中夹杂物平均直径小于3 9 m ，钢 中9 5 以上的夹杂物小于1 0 9 m ，仅有个别夹杂物尺寸大于1 0 9 m ： ( 2 ) 使用铝脱氧可以获得很低的溶解氧水平，且极易生成a 1 2 0 3 夹杂，但当氧含量 降低到2 l o 击之后，继续使用铝脱氧效果将不明显；同时会产生一定量的m g o 和镁铝 尖晶石夹杂； ( 3 ) 精炼过程中，冶炼阶段的含t i 夹杂物主要是少量的t i o ( s ) ；在钢液浇注后的凝 固过程中由于温度的下降和元素的偏析引起氮、钛、钒在液相中的富集，从而析出t i n 、 t i c 和v n 等夹杂物； ( 4 ) 喂线过程、终脱氧处理、真空操作中脱氧效果较好，合金化过程出现较大的增 氧情况；软吹环节的增加和软吹时间的延长有利于夹杂物的上浮和排除，但必须控制好 惰性气体的喷吹流量，以防止钢液的二次氧化； ( 5 ) 工艺改进阶段使用a i 代替硅铝钡进行沉淀脱氧降低了钢液中的初始溶解氧含 量，很好的控制了冶炼过程中的氧含量，全氧含量有明显的下降趋势，且有效的降低了 精炼过程的用渣量。 关键词：轧辊钢；夹杂物；t i ；v n ；热力学；脱氧制度 ，0_t- 1；矿n 一 l 、 k 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c ho nt e c h n o l o g i e so fd e o x i d i z a t i o na n d i n c l u s i o nc o n t r o lo f r o l l i n gs t e e l a b s t r a c t i ti sr e q u i r e dt oi m p r o v et h er o l l e rq u a l i t ya l o n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p i n go fs t e e lr o l l i n g t e c h n i q u e ，s p e e da n da u t o m a t e dl e v e lo fr o l l i n gm i l l s t h ep r o b l e mh o w t oi m p r o v et h e o p e r a t i n gl i f eo fr o l l e rt os a t i s f y i n gt h ed e s i r eo fr o l l i n gm i l l sh a sb e e nan e ws u b j e c tw h i c h r o l l e rm a n u f a c t o r i e sw i l lr e s e a r c h i nr e c e n ty e a r s ，p r o d u c t i o nt e c h n o l o g yo fs i g n i f i c a n t w e a r i n gr o l l e ru s e di nm e t a l l u r g yi n d u s t r yo fc h i n ah a sb e e nw i d e ra d v a n c e d ，b u tt h e r ei ss t i l l s i z e a b l ed i s p a r i t yc o m p a r e dt od e v e l o p e dc o u n t r i e s a tp r e s e n t ，s i n os t e e lx i n g t a im a c h i n e r y & m i l lr o l lc o l t di st h et o p - r a n ks p e c i a l r o l l e rm a n u f a c t u r e rw h i c hd o m i n a t e sa tp r o d u c t i o nc a p a c i t ya n dv a r i e t ys p e c i f i c a t i o no fr o l l e r i no u rn a t i o n b a s i n go nt h ea b o v ec o n d i t i o n ，t h es u b j e c tr e s e a r c hi sr e t r o f i t t i n gl f - v d p r o c e s s i n go fs t e e l - c a s t i n gf o u n d r y i no r d e rt oi m p r o v eq u a l i t yo fm o l t e ns t e e lf u r t h e r b e c a u s et h er o l ls t e e lc o n t a i n sd e f i n i t em a g n i t u d ea l l o y i n ga g e n t ，v a r i o u si n c l u s i o n sc o u l d f o r m a ta n dp r e c i p i t a t ew h i c hr e s u l ti nb a de f f e c t st op e r f o r m a n c eo fr o l l t h et h e s i s p r e s u m p t i v ea n dp r e d i c t i v ei n c l u s i o nf o r m a t t i n ga n dp r e c i p i t a t i n gf r o mr o l l s t e e li nc u r r e n t t e c h n o l o g ya n ds y s t e mo f t h ef a c t o r yb a s i n go nt h et h e r m o d y n a m i c sa n dd y n a m i c sc a l c u l a t i o n ； i l l u m i n a t et h ee f f e c ta b o u ti n c l u s i o nf o r m a t t i n gi nv a r i o u ss m e l t i n gp r o c e s sb ys t e r e o s c a n e n e r g ys p e c t r u ma n a l y s i sa n dm i c r o s c o p i ce x a m i n a t i o nw h i c hc o u l da n a l y z et h eq u a l i t a t i v e i n c l u d i n gp a t t e m ，c o m p o n e n t ，s i z eo fi n c l u s i o n ；i m p r o v et h el e v e lo fd e o x i d i z es y s t e mi n c u r r e n tc r a f tt h o u g h tu s i n gd i f f e r e n td e o x i d i z i n ga g e n ti no r d e rt oi m p r o v et h ed e g a sl e v e lo f s m e l t i n gp r o c e s s ，e s p e c i a l l yt or e d u c et h ed i s s o l v e do x y g e na n dt o t a lo x y g e no fs t e e li na g r e a t e rd e g r e e t h ec o n c l u s i o n so fp a p e ra r ef o l l o w i n g ： ( 1 ) i nt h ep r o c e s so fl f - v d ，t h em a j o ri n c l u s i o n sa r eo x i d e ，s u l f i d ea n do x i d e - s u l f i d e c o m p l e x e si nm e l t i n gp r o c e s s ；as m a l la m o u n tn i t r i d e si n c l u d i n gt i n ，t i ca n dv nf o r m a ta n d p r e c i p i t a t e i nt h ec o a g u l a t i n gp r o c e s sa f t e rc a s t i n g ；t h ea v e r a g ed i a m e t e ro fi n c l u s i o ni n f i n i s h e ds t e e li sl e s st h a n3 t m ，a n dt h ed i a m e t e r so fa b o v e9 5 i n c l u s i o n sa r el e s st h a n10j - t m t h a to n l yaf e wo n e sa r eg r e a t e rt h a n10 x m ( 2 ) u s i n ga l u m i n u mf o rd e o x i d i z i n gc o u l da c h i e v el o wo x y g e nc o n t e n t ，a n da 1 2 0 3 i n c l u s i o nw i l lg e n e r a t em u c hm o r ee a s i l y b u tw h e na 【o 】w i l lb eb e l o w2 10 巾，i n c r e a s i n g q u a n t i t yo fa ic o n t i n u i n g l yi sf u t i l i t y s i m u l t a n e i t y ，as m a l la m o u n to fm g oa n dm g o 。a 1 2 0 3 w i l lg e n e r a t e ( 3 ) i nr e f i n i n gp r o c e s s ，t h em a i nt i - i n c l u s i o na r et i o ( s ) ；d u r i n gt h es o l i d i f y i n gp r o c e s s i i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t b e c a u s eo fvt ia n dne n r i c h m e n ti ns t e e l ，i ti sb e t t e rf o rt i n ，t i ca n dv ng e n e r a t i n g ( 4 ) i nw i r ef e e d i n go p e r a t i n g ，f i n a ld e o x i d i z eo p e r a t i n ga n dv a c u u mp r o c e s sa r e p r e f e r a b l ef o rd e o x i d i z i n g ，b u td u r i n ga ll o y i n go p e r a t i n go x y g e nc o n t e n ti si n c r e a s i n gl a r g e l y ； t h ei n c r e m e n to fs o f tf l o w i n ga n dt i m ee x p a n d i n ga r eb e t t e r f o r r i s i n ga n de x h a u s t i n g i n c l u s i o n s ，b u tt h ef l o wr a t i os h o u l db ec o n t r o lw e l li no r d e rt oa v o i ds e c o n d a r yo x y g e n i z i n g ( 5 ) i ti so b v i o u st h a tt h em e t h o du s i n ga id e o x i d i z e ri n s t e a do fs i a i - b ad e o x i d i z e r w h i c hr e d u c e st h ei n i t i a ld i s s o l v e do x y g e nc o n t e n t ，i sb e t t e rf o rc o n t r o l l i n gt h eo x y g e n c o n t e n ti nr e f i n i n gp r o c e s s a n di ti se f f e c t i v et or e d u c et h eq u a n t i t yo fs l a gd u r i n gr e f i n i n g p r o c e s s k e yw o r d s ：r o l ls t e e l ；i n c l u s i o n ；t i n ；v n ；t h e r m o d y n a m i c s ；o x y g e nc o n t e n t ；d e o x i d i z e d s y s t e m i v 广q； i ，l；，-_ k 、 ， 东北大学硕士学位论文目录 目录 独创性声明i 学位论文版权使用授权书1 摘要i i a bs t r a c t v 目录。v 第一章绪论l 1 1 选题背景与意义l 1 2 本课题的研究内容和目的。3 第二章文献综述5 2 1 轧辊的发展5 2 1 1 冷轧辊的发展历程5 2 1 2 轧辊的成分及其分类8 2 1 3 冷轧辊的主要性能1 l 2 1 4 冷轧辊的国家标准12 2 1 5 冷轧辊的生产工艺14 2 2 夹杂物19 2 2 1 夹杂物的来源1 9 2 2 2 夹杂物的分类。2 0 2 2 3 夹杂物对轧辊钢性能的影响2 l 2 2 4 减少夹杂物的途经。2 2 第三章轧辊钢夹杂物生成的热力学分析2 3 3 1 轧辊钢夹杂物生成热力学分析2 3 3 1 1 主要元素活度系数的确定。2 3 3 1 2 铝脱氧热力学分析2 4 3 1 3 镁铝尖晶石夹杂物生成热力学分析2 5 3 1 4 含t i 杂牛成的热力学2 7 3 1 5 含c r 夹杂物生成的热力学3 3 v 东北大学硕士学位论文目录 3 1 6 含v 夹杂物牛成的热力学3 5 3 2 凝固过程含t i 、v 夹杂物的热力学分析3 7 3 2 1t i n 在钢液凝固过程的热力学分析3 7 3 2 2v c 、v n 在钢液凝固过程的热力学分析。3 9 3 3 本章小结4 l 第四章邢机钢的脱氧和夹杂物控制技术研究4 2 4 1 工艺概况4 2 4 1 1 工艺参数4 3 4 1 2 取样过程。4 4 4 2 钢中夹杂物的检测4 2 4 2 1 精炼过程中夹杂物尺寸分布情况。4 3 4 2 2 试样中典型夹杂物的形貌分析4 4 4 2 3 精炼过程夹杂物分析5 2 4 3 典型钢种冶炼过程气体分析5 3 4 3 1 全氧含量分析5 4 4 3 2 氮含量5 6 4 3 3 氢含量5 7 4 4 工业精炼试验5 8 4 4 1 精炼工艺方案5 8 4 4 2 精炼工艺试验对比数据5 9 4 5 本章小结6 l 第五章结论6 3 参考文献6 4 致谢6 8 作者简介：6 9 论文包含图、表、公式及文献。7 0 v i ， - l r ， 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题背景与意义 现代钢铁工业诞生于1 9 世纪中叶，一个半世纪以来，钢铁工业得到了很大发展， 尤其是2 0 世纪8 0 年代以来，钢铁工业进入了全盛的发展时期。各国钢铁工业界在生产 中开发并应用了一系列新技术、新工艺、新设备、新材料，使之形成钢铁生产的最佳工 艺流程，实现了高效、低耗、高精度、连续化、智能化、清洁化生产。大量高技术含量、 高附加值的“双高 钢铁产品不断地被研制出来，满足了各国国民经济发展的需要。由 于钢铁材料具有生产规模庞大、价格低廉、性能可靠、易于加工、使用方便、便于回收 等优点，是人类生产和生活的基本材料，也是重要的战略物资。从材料的生产、加工、 价格、应用和社会作用等方面综合评估，目前还没有任何材料能够全面取代钢铁材料。 因此，钢铁行业是衡量一个国家综合国力和工业水平的重要指标【1 ，2 】。 2 0 世纪9 0 年代以来，世界钢铁工业在激烈的国际市场竞争中，钢铁生产工艺流程 逐步优化，其主流是缩短生产流程、减少工序、提高质量、降低消耗、提高效率。技术 进步中有两大主要趋向：一是寻找可以替代传统工艺的新工艺流程的研究开发；二是现 有工艺和技术装备的完善化。两大技术进步趋向互相竞争、相互渗透，促使钢铁工业不 断提高钢材质量、减少消耗、降低成本、减轻对环境的污染，进一步走向集约化。传统 的钢铁生产工艺流程是一种“冷态”下间歇式生产的工艺流程。日本在2 0 世纪6 0 年代 建设的1 0 多个大型钢铁厂都是采用这种工艺流程。2 0 世纪8 0 年代以后，世界钢铁业已 逐步将上述传统的钢铁生产工艺流程改造成为现代化“热态 连续生产工艺流程。这种 工艺流程具有高效、连续、紧凑、智能等特点。2 0 世纪8 0 年代末期，德国、法国、日 本、意大利、美国等钢铁工业发达国家开发成功接近最终钢材产品形状的连铸、连轧技 术，如带钢、型钢的连铸连轧等。由于该技术具有工艺流程紧凑、生产周期短、物料消 耗少、生产效率高等一系列优点，在近十多年来得到了快速发展。自从1 9 8 9 年世界第 一条薄板坯连铸连轧生产线在美国纽柯公司克劳福兹维尔厂投产以来，经过1 0 多年发 展，到2 0 0 2 年底，世界上已有3 8 个薄板坯连铸连轧生产厂共5 6 条生产线，总生产能 力已超过5 5 0 0 万吨【3 4 1 。 随着世界经济的复苏和结构调整的加快，特别是我国经济的快速发展，拉动了我 国钢铁工业呈现持续高增长的发展态势。据国际钢铁协会的统计2 0 0 4 年，全世界6 5 个 从事钢铁生产的国家和地区，总计粗钢产量达到1 0 3 5 亿吨，这也是有史以来，全世界 钢产量首次突破1 0 亿吨大关。从1 9 4 9 年到1 9 9 6 年，我国用4 7 年时间登上年产l 亿吨 钢的台阶；之后又用了7 年时间，2 0 0 3 年我国钢产量首次突破2 亿吨，达2 2 2 3 亿吨， 东北大学硕士学位论文第一章绪论 是人类历史上单个经济体钢铁产量首次突破2 亿吨：2 0 0 4 年我国钢产量达到了2 7 2 8 亿 吨，人均产钢量为2 1 0 k g ，超过世界平均水平5 0 k g ；2 0 0 5 年钢产量增幅达到2 6 4 6 ， 突破3 4 亿吨；0 6 年突破4 亿吨；0 7 年我国钢产量同比增长1 5 7 ，至4 8 9 2 亿吨，我 国己经连续1 1 年钢产量居世界第一位。 目前，我国钢铁产品的消费市场主要集中在建筑、机械、轻工、汽车、集装箱、造 船、铁路、石化等8 大行业，占钢材消费总量的8 5 。其中用于汽车、电力设备、家电、 电子消费品、造船等行业消费的钢材品种主要是板材【5 6 1 。目前约有9 0 的钢材都是通 过轧制方法牛产的，有色金属成材也丰要用轧制方法【7 j 。 近年来随着我国汽车、电子、家电和造船等制造业的快速发展，我国对钢材的需求 仍呈快速增长趋势，特别是对冷轧板及其延伸产品的需求量日益增加【8 】。我国虽然是钢 铁大国，但并非是钢铁强国，在产品结构、企业管理、劳动生产率等方面与世界钢铁强 国还存在很大差距【9 】。“九五”期间，我国钢铁工业在品种结构调整中取得了很大进展， 国产钢材市场占有率由1 9 9 6 年的8 5 提高到2 0 0 0 年的9 0 左右【l0 1 ，但在板材发展上， 尤其是冷轧薄板、涂镀层板、冷轧硅钢片、冷轧不锈钢等高附加值、高技术含量板材产 品等方面，虽然取得了较大的进展，冷轧薄钢板年产量由2 0 0 0 年的7 6 3 5 万吨增加到 2 0 0 3 年的1 1 4 9 3 万吨，但仍不能满足国民经济各部门产品升级换代的需求，是国内缺 口最大、进口最多、供需矛盾最为突出的品种。2 0 0 3 年进口的3 7 1 7 万吨钢材中，绝大 多数为冷轧薄板、镀锌板、冷轧硅钢片等高附加值板带材产品【l 。从长远来看，钢材生 产的板带比增加仍然是我国钢材生产结构调整的重要方向。 加入世贸组织后，我国钢铁工业面临更加激烈的国际竞争。日本、欧盟、俄罗斯、 韩国等国家在全球钢铁出口贸易中占有主导地位。根据英国s s b 的统计数据，2 0 0 0 年 全球钢铁出口量约为2 2 亿吨，其中日本居世界钢铁出口之冠，俄罗斯次之，德国第三， 乌克兰位居第四，比卢联盟位居第五。这些国家的钢材大量涌向我国市场，给中国钢铁 行业带来巨大冲击【1 2 ，1 3 j 。 我国的高附加值板材产品之所以远远不能满足国内的需求，主要是因为我国的轧钢 设备太落后，在国内轧钢设备中，具有国际先进技术水平的设备不到5 0 。而轧辊是钢 铁行业中用量很大的关键部件，工况条件恶劣，磨损量大。轧辊消耗约为轧钢生产成本 的5 1 5 。2 0 0 0 年全球轧辊需求量约1 0 m t ，而据轧辊信息网最新统计【l4 1 ，我国轧 辊年需求量2 0 多万吨。现代化建设对型材的质量要求越来越高，轧辊的耐用性已成为 决定生产成本、生产效率、劳动强度及社会可持续性发展的重要因素之一。随着先进轧 机和高效轧制技术的问世，推动了轧钢工业迅速发展，轧机速度和自动化程度不断提高， 对轧辊质量尤其是轧辊的耐磨性、强度和韧性等提出了更高的要求【l5 1 ，这也促进了轧辊 制造业迈向新的技术领域，如何提高轧辊的使用寿命以适应轧机的需要是轧辊研制者面 - 2 - k t ， 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 临的新课题。近年来我国冶金行业使用的重要耐磨件轧辊的牛产工艺水平虽有较大提 高，f u 与发达国家相比，仍有相当大的差距。2 0 0 4 年，我国共牛产钢材2 7 亿吨，超过 美国和日本之和，占全球钢材的l 5 以上。我国轧辊消耗为2 6 k g t 钢，年消耗轧辊近 7 0 万吨，年消耗资金8 0 亿元以上。而日本同期辊耗为1 0 1 4 k g t 钢，仅为我国辊耗 量的3 8 - 5 4 。同时，为了满足引进轧机的实际生产需要，每年进口优质轧辊超过l 亿 美元。如果国内能自行研制出优质轧辊替代进口，就能节省大量外汇。如果我国轧辊消 耗量能降到接近日本水平，就能产牛巨大的社会经济效益【1 6 】。 因此，不断研究新型轧辊材质及制造工艺，为轧机配备高性能的轧辊已成为国内轧 辊生产行业面临的重要课题。 1 2 本课题的研究内容和目的 中钢邢台机械轧辊厂目前是国内生产规模最大、品种规格最全的轧辊专业生产企 业。经过近5 0 年的发展，目前公司拥有完整的铸钢、铸铁、锻钢轧辊及冶金设备生产 线：掌握优质离心铸造轧辊技术、静态铸造大型复合铸钢支承辊技术、大型锻钢冷轧辊 制造技术和成套冶金设备制造技术；拥有世界先进的深淬硬层锻钢冷轧辊生产装备。主 导产品轧辊是用于轧制各种钢材和有色金属制品，是集冶炼、铸造、热处理及机加 工为一体的高技术含量和高附加值的产品，年生产能力9 万吨，占全国商品轧辊总量的 3 0 以上。轧辊及冶金设备销往3 0 多个国家和地区，年出口额3 0 0 0 万美元。2 0 0 6 年经 营规模l6 8 9 亿元，2 0 0 7 年经营规模2 3 亿元，2 0 0 8 年计划经营规模达到3 0 亿元。 按照中钢集团的总体发展规划，“十一五 期间计划技改投入二十多亿元，进行技 术改造和产能扩张，将公司发展成为具有国际化视野和全球竞争观念的世界一流的专业 轧辊制造企业，整体经营规模做到世界第一。 本课题的主要研究内容就是对其铸钢厂电炉一精炼工艺进行优化。在此工艺过程 中，主要存在以下问题： ( 1 ) 电炉出钢过程中不同程度的混有炉渣，且每一炉的带渣量与成分都有可能不同， 进站后直接加入精炼渣难以到达精炼的目的，对于钢包的去气、去夹杂有一定的影响； ( 2 ) 轧辊中含有一定量的合金元素，所生产的轧辊钢中，不同程度的还有各种类型 的夹杂物，对钢材的性能的提升有着不利的影响。 针对上文提出的研究内容，本课题的研究目的主要有以下几点： ( 1 ) 从热力学和动力学计算角度出发，对邢机现行工艺和制度所生产的轧辊材质进 行夹杂物生成的预测和推断，挖掘其生成的本质原因； ( 2 ) 通过取样，对钢样中非金属夹杂物进行扫描电镜和显微镜观察，对其形貌、成 分、大小等性质方面进行定性分析，阐明各精炼环节对其生成的影响： - 3 - 东北大学硕士学位论文第一章绪论 ( 3 ) 对现行工艺脱氧制度进行改进，进一步提高冶炼过程中的去气水平，尤其是进 一步降低成品中的全氧含量。 4 ， - - ， 一 东北大学硕士学位论文 第二章文献综述 第二章文献综述 弟一早义i 孤练怂 2 1 轧辊的发展 2 1 1 冷轧辊的发展历程 回顾冷轧辊制造工艺的发展历史，把这一过程可分为四个重要的发展阶段。第一阶 段是1 9 4 0 1 9 6 0 年，轧辊钢中c r 含量仅为1 1 5 2 1 0 ，轧辊的表层使用深度可达 9 1 5 1 2 1 7 m m ，锻钢轧辊多用作冷轧工作辊，用电弧炉冶炼，不经真空脱气，目标是辊 身硬度均匀，在轧辊制造过程中和使用过程中不发生灾难性断裂。第二阶段是1 9 6 0 - 1 9 7 0 年，在此期间开始用电渣重熔法制造高质量冷轧辊，夹杂物级别大为改善，轧辊质量明 显提高。同时出现了用真空脱气法冶炼轧辊用钢的工艺，采用无损探伤法检查轧辊，使 断辊和剥落事故大大减少。含2 1 5 - - - 3 1 0 c r 的冷轧工作辊的有效淬硬层深度达到 1 5 1 8 1 5 1 9 m m 。第三阶段是1 9 8 0 1 9 9 1 年，轧机改进、对冷轧薄板质量要求提高，因 而对轧辊质量要求提高。轧辊维护水平也在提高，超声波探伤、涡流探伤技术的应用， 减少了轧辊的剥落。同时在此期间内又出现了轧辊表面镀铬技术 1 7 1 。第四阶段是最近几 年，出现了l o c r 的加t i 强化的冷轧辊【1 8 】，并且出现了高速钢冷轧辊。冷轧辊材质的 发展历史如图2 1 所示【19 1 。 图2 1 冷轧辊材质发展历史 f i g 2 it h ed e v o l o p e m e n th i s t o r yo fc o l dr o l l s 2 1 1 1 国外冷轧辊的发展状况 国外从7 0 年代后期就已研究和开发含3 c r 的深淬硬层轧辊【2 0 1 。 从8 0 年代初开始出现了l o c r 系和半高速钢系轧辊。1 9 8 5 年欧共体的一份调查报 告称，高铬辊在英国钢铁公司塔尔伯特港带钢厂的冷连轧机与平整机上与锻钢辊作对比 - 5 - 东北大学硕士学位论文 第二章文献综述 试验中取得优异成绩，并在欧共体内逐渐推广，从而动摇了锻钢在冷轧辊市场上的垄断 地位。9 0 年代初独联体的轧辊行业又将高铬材质用于型钢轧辊并取得显著效果，这是型 钢轧辊方面的重大革新。 自2 0 世纪8 0 年代末以来，高速钢复合轧辊自1 9 8 8 年在日本首次应用以来，取得 良好的效果【2 1 1 。随后，欧美各国钢铁企业也纷纷开发使用高速钢轧辊【2 2 2 4 】。铸造高速钢 轧辊最初用于带钢热连轧机精轧机前段代替高铬铸铁轧辊，后来精轧后段和粗轧段、钢 管轧机和线材、棒材及冷轧带钢轧机上也开始使用铸造高速钢轧辊，并获得了满意的效 果。 目前，世界上包括日本新日铁公司、n k k 、住友金属、川i 崎制铁、美国i n l a n d 钢 公司、加拿大d o f a s c o 公司等数十家钢铁企业己应用了高速钢复合轧辊，并取得了可喜 的成果。使用高速钢轧辊后，毫米轧钢量显著提高，换辊次数明显减少，轧辊的研磨量 也随之减少，提高了轧机生产能力，降低了动力和燃料消耗，提高了带钢质量。 日本新日铁先后研制出含钒4 - - 8 与2 1 0 、铬0 - - 一8 的高钒高速钢，这种 高钒高速钢轧辊的寿命一般是高铬铸铁辊的3 7 倍 2 5 , 2 6 1 。用c p c 法生产的高速钢复合 轧辊具有极高的耐磨性。使用高速钢轧辊后，辊耗明显下降，换辊次数显著减少，轧辊 研磨量减少，轧机能力提高，燃料和动力消耗降低，有助于降低轧制成本和提高带钢质 量，其用于热轧带钢前段机架的辊耗为3 3 6 8 0 t m m ；用于后段机架的辊耗为l1 7 2 5 t m m 。 n k k 公司京滨制铁所高速钢轧辊使用情况是轧辊单位消耗在f l 机架高速钢轧辊是 原来使用高铬铸铁轧辊的l 5 ，f 2 机架是1 7 ，f 4 机架是1 1 3 ，f 5 机架是1 8 。 日本川崎制铁公司知多厂在连续轧管机组上试用了高速钢轧辊，其成分为 2 3 c 、5 7 旷8 c r 、5 7 v 、1 , - , 3 n b 。结果表明，使用球墨铸铁轧辊时，孔型 底部的平均粗糙度( r a ) 随着轧制量的增加而增加，轧制2 0 0 0 根时需进行换辊；使用高铬 铸铁轧辊时，在轧制初期r a 随着轧制量的增加而增加，其后r a 变化不大；而使用高速 钢轧辊后，从轧制初期开始，r a 就稳定在较低值，可以连续轧制1 2 0 0 0 根钢管。因此， 使用高速钢轧辊后，可大幅度提高轧辊使用寿命和降低轧辊消耗【2 ”。 日本日立公司开发成功的高速钢复合轧辊，与过去的高铬铸钢轧辊相比，高速钢复 合轧辊的碳化物为1 0 - - - 15 ，硬度h s 7 5 8 5 ，体硬度6 0 0 时为h v 2 0 0 - - - 3 0 0 。模拟磨 损试验表明，高铬铸钢轧辊为l8 1 m a ，而高速钢轧辊仅为8 岬，可见高速钢轧辊的耐磨 性比高铬铸钢轧辊好得多【2 8 】。在热带钢连轧机f 6 上使用，表面磨耗量仅为冷硬铸铁轧 辊的1 4 ，用e s r 法生产的高速钢冷轧工作辊( 硬度h s 9 2 ) ，轧制难变形钢种每次换辊周 期的轧制量比5 c r 锻钢辊成倍增加【2 9 1 。 日本神户钢铁公司采用h i p 法制造内层为锻钢、外层为高碳高速钢的复合轧辊，具 有良好的耐磨性和耐表面粗糙性，使用寿命比冷硬铸铁轧辊提高9 倍，而且还具有足够 的强韧性，已在热轧机、棒材及扁钢轧机的中轧、精轧机组上获得应用p 。 日本三菱公司开发出了一种高铬锻钢冷轧辊，这种轧辊主要是通过电渣重熔工艺和 6 l d 东北大学硕士学位论文 第二章文献综述 选择合理的化学成分和热处理工艺牛产出来的，其中的c r 含量提高到了8 1 0 左右， 此种轧辊韧性好、无断辊故障、硬度较高，耐磨性增加近2 倍，使用寿命大大延长l j 。 加拿大d o f a s c o 公司自1 9 9 3 年试用铸造高速钢轧辊以来，比例不断提高，目前f 2 、 f 3 和f 4 机架上已全部采用铸造高速钢轧辊，使用高速钢轧辊后，轧辊消耗明显减少， 轧机作业率明显提高，f 4 机架的平均过钢量从1 9 9 2 年6 月的3 6 0 t 提高到1 9 9 4 年1 1 月 的4 9 0 t ，带钢表面质量提高了2 0 。至1 9 9 2 年，已有1 5 0 支以上的半高速钢复合轧辊 由日本日立公司生产并在轧机上使用【3 3 】，轧辊直径为2 5 0 6 3 0 m m ，在实际轧制中取得 了良好的效果，与常规的含5 c r 和含1 0 c r 的整体锻钢轧辊相比，半高速钢轧辊的磨 损少、疲劳层浅，因而轧辊消耗显著减少生产相同数量的冷轧带钢，轧辊消耗量仅为 5 c r 钢的2 1 。 法国【3 2 k u r e 热轧厂精轧机架使用离心铸造高速钢工作辊，其耐磨性是冷硬辊的5 倍，过去每轧1 8 0 0 t 带钢后就需换辊，采用高速钢复合辊后，在精轧前段机架可轧制 9 0 0 0 t ，在后段机架可轧制5 4 0 0 t ，此外采用高速钢复合辊后，还可减轻磨削工作量，改 善板带表面质量、降i l e a l 辊消耗。 瑞典某厂用o s p r e y 法制造3 c 、6 c r 、4 m o 、7 w 、6 c o 、8 v 成分的轧 辊，硬度h r c 6 0 ，用于棒材精轧机架上，轧制量为6 1 9 0 t m m 。 南非v a n d e r b i j l p a r k 厂的2 0 5 0 热轧机上应用比利时m a r i c h a l k e t i n 公司开发出的新型 h s s 7 高速钢轧辊，高速钢轧辊每1 m m 轧钢量由高铬铸铁轧辊的5 0 0 0 t 提高到1 2 0 0 0 t ， 而且热轧带钢表面质量大大改进，因氧化铁皮致使带钢质量降级的问题减少了2 3 1 3 4 1 。 近年，高速钢轧辊在冷轧带钢轧机上也获得了较好的应用【3 5 1 ，高速钢轧辊取代5 c r 锻钢轧辊后，过钢量由6 0 0 t m m 提高到2 5 0 0 t m m 以上，而且带钢表面质量明显提高。 高速钢轧辊用于轧制大型角钢，耐磨性达到了铸造半钢轧辊的8 4 倍【3 6 1 。 2 1 1 2 我国冷轧辊的发展状况 我国冷轧辊用钢是随着冷轧机和轧制技术的发展而发展起来的。 1 9 3 5 年，鞍钢轧辊厂的前身开始生产冶金轧辊；1 9 5 0 年，上海新沪钢铁厂开始生 产轧辊。 6 0 年代中期我国自制的9 c r 2 m o 系冷轧辊在数量、质量和品种上基本满足了冶金厂 的需求，实现了冷轧辊生产立足于国内的目标。在此后二十多年时间里，由于我国没有 新建冷轧机组，也没有较大的技术更新，所以冷轧辊用钢也基本处于原有状态。 7 0 年代末，随着我国改革开放的进行，武汉钢铁公司从德国引进1 7 0 0 m m 大型冷 轧机组，同时也引进了德国冷轧辊用钢8 6 c r m o v 7 。该牌号冷轧辊用钢虽然也属于2 c r 锻钢，但在总体性能上优于国产9 c r 2 m o 系冷轧辊用钢。后来，8 6 c r m o v 7 冷轧辊经北 满特钢采用电渣重熔工艺试制后，性能超过德国进口辊，成为国内代替进口产品被广泛 使用。但该类材质的合金化程度较低，淬火层深度一般在1 2 1 5 m m ，而轧辊的设计有 效使用层厚度一般在3 0 m m 以上，因此，要充分利用轧辊的有效工作层，必须重淬l _ 7 东北大学硕士学位论文 第二章文献综述 2 次，每次重淬不仅需要一定的热处理费用，而且每次热处理要损失5 m m 左右，另外 轧辊还要变形，难以满足高精度轧辊的形位公差要求 3 7 - 3 9 】。 8 0 年代鞍钢试制的高铬辊用于热连轧机及冷轧窄带钢轧机上，验证了高铬辊的高耐 磨性以及优异的抗事故性能。 9 0 年代，宝钢等钢厂相继引进国外大型冷轧机组。1 9 9 5 年，常州轧辊制造公司和 宝山钢铁股份有限公司联合研制成功了两种m c 3 型材料的冷轧工作辊，并在宝钢冷轧 机组上开始使用。在此基础之上，1 9 9 7 年又试制成功“m c 5 锻钢冷轧辊”，m c 5 锻钢冷 轧辊有效淬硬层深度在半径方向上己达到4 0 m m ，比m c 3 材质提高了2 5 ，可取消二次 淬火，其耐磨性和抗事故性能均优于m c 3 材质，毫米轧制量有显著提高m 4 。宝钢从 9 8 年开始从比利时o