适用于棒材轧机高速钢轧辊的研制.doc

适用于棒材轧机高速钢轧辊的研制李荣光 张伟 郑建柱 席波涛 温超（轧辊信息网交流论文，唐山钢铁集团轧辊有限责任公司，河北 唐山 063100）摘要：针对棒材轧机的轧制特性，通过化学成份的合理调配，运用特殊的变质处理及热处理工艺技术，研制出特别适合棒材轧机预切分、成品前、成品架使用的高速钢复合轧辊。唐钢棒线厂使用结果表明：正常轧制状态下，成品架轧辊从初始上机到自然报废的整个轧制周期内不会出现槽孔掉肉及裂纹缺陷的比率超过80%，而且轧制12带肋钢筋单槽一次过钢量稳定在610吨以上。关键词：高速钢轧辊；棒材轧机；辊槽缺陷；适应性高速钢轧辊； 使用效果1.前言： 轧辊制造技术的发展始终伴随着轧钢和轧制技术的进步而发展。二十世纪八十年代末为适应现代化热宽带钢轧机对轧材尺寸、表面精度和轧材性能、规格的更高要求，日本率先研发成功高速钢复合轧辊。时至今日，高速钢轧辊已广泛使用于热带连轧机的精轧FW1-4机架，并有逐渐向精轧FW5-7机架扩展的趋势。然而，高速钢轧辊在连续棒线轧机上的应用尚处于初始阶段。据不完全统计，棒材轧机成品架使用高速钢轧辊时，在服役期基本上由于槽肩掉肉、槽内裂纹而提前报废，它成为高速钢轧辊不能普及推广的主要原因。随着小规格带肋钢筋多切分轧制、无头轧制技术的推广应用，棒材轧机生产能力成倍增加，为进一步满足钢筋生产过程中负偏差轧制及钢材表面质量的稳定性，延长軋制周期，非常有必要进行高速钢轧辊与棒材軋机的适应性研究，促进高速钢轧辊在棒材轧机上的推广应用。2.常规高速钢轧辊的性能特点 高速钢轧辊作为二十世纪九十年代初研发成功并应用于热带轧制领域的新材质，具有优良的耐磨损性能，毫米轧制量较传统材质轧辊成倍提高。经过十几年的发展，虽然国外知名轧辊企业已将高速钢材质系列化，推出满足轧机个性化需求的抗剥落型、抗热裂型、抗磨损型轧辊，但不同类型轧辊的制造工艺仍是基于带钢热轧过程中轧辊辊身应力分布、温度场、变形、氧化膜形成与保持特性等实验数据得出的，而棒材轧机与带钢轧机在轧制特性方面有本质区别。因此研制适合棒材轧机的高速钢轧辊，必须深入了解棒材轧辊的使用特性。表1为适用于热带钢轧制的高速钢轧辊的成份、组织和性能。表1.常规高速钢轧辊化学成份、组织和性能化学成份硬度HS显微组织CCrMoVWCo80-90MC M2C M6C+回火马氏体 碳化物含量13-20%1.5-2.43.0-8.02.0-8.02.0-10.02.0-10.010力学性能抗拉强度/Mpa700-1100抗压强度/Mpa2500-3200断裂强度/Mpa1200断裂韧度/MpaM1/225-283.棒材轧机成品架轧辊轧制特性 众所周知，热带精轧前架使用高速钢工作辊，轧制过程中辊身与带钢接触部位形成一层8-14um的致密氧化膜，氧化膜形成和保持是轧辊稳定軋制的基础。氧化膜承受金属带流动而产生的压应力和剪切应力，大大提高了轧辊的耐磨损性能。总而言之，适用于热连轧精轧机架的高速钢应具有如下特性：形成和保持致密氧化膜特性 融合良好的结合层质量。 我们认为，高速钢轧辊在棒材轧机上的使用，特别是使用于成品机架，不能形成致密的氧化膜，成品架轧辊槽内肋筋及商标刻字破坏了辊槽内表面的完整性，扁钢在槽内流动时对槽肩、槽底的机械和热冲击使上次轧制初始形成的细微氧化膜迅速破解，重新裸露出金属表面。钢筋在槽内流动过程就是氧化膜一次次形成又迅速脱落的过程。 成品槽槽肩、槽侧、槽底承受金属流动形成的应力状态见图1图1 辊槽各部位应力状态示意图其中S、S1、S2、受力方向与钢筋流动方向相反 由图1可以看出，槽内不同部位受力状态各不相同，由于辊槽内表面得不到稳定致密氧化膜的保护，再加上肋筋及商标刻字的割裂作用，使其在承受钢筋冲击时容易出现槽肩掉块，槽底裂纹及掉肉缺陷。图2为成品孔缺陷照片。图2轧辊成品孔缺陷照片 按照断裂力学常识，在弹塑性条件下，当应力场强度因子增大到某一临界值裂纹便失稳扩展而导致材料断裂，这个临界或失稳扩展的应力场强度因子亦即断裂韧度，它反映了材料抵抗裂纹失稳扩展即抵抗脆断的能力。 带肋钢筋的轧制过程类似具有尖锐裂纹的金属材料在循环热应力和机械应力作用下裂纹失稳、扩展的过程。因此，高速钢轧辊工艺制定应从提高材料的耐冷热疲劳及提高材料断裂韧度K1C方面入手。4.适合棒材轧机高速钢轧辊成份选择：高速钢是由大量W、Mo、Cr、V、Co等合金元素组成的高合金钢。表1给出了常规高速钢轧辊的成份、组织与机械性能。我们认为，材料的抗冷热疲劳能力主要取决于共晶碳化物的数量、分布和细化程度，同时还与基体组织的类型相关。因此。在兼顾较高耐磨性能前提下，将MC、M2C、M6C数量控制在7-12%范围内，同时降低回火马氏体的显微硬度HV，据此，将C含量设定为1.0-1.7%之间。 根据GSteven的平衡碳计算公式，高速钢的总碳量C总与各合金元素重量百分比间的关系是：C总=0.033W+0.063Mo+0.06Cr+0.2V V在高速钢中主要以碳化物形式存在，MC型碳化物以VC为主，它呈粒状、块状、杆状在基体内弥散分布，增加V含量，可以使共晶碳化物显著细化，有利于提高耐磨性，因此，将V设定为2-6%之间是合适的。W、Mo是典型的红硬性元素，它们部分与碳形成M2C、M6C型碳化物，其余溶入基体组织，产生二次硬化效应。但W元素过多，会形成大块鱼骨状碳化物，同时在离心过程中产生过量偏析。因此，在成份设计时应将Mo、W控制在一个合理范围内。Cr元素主要形成Cr7C3碳化物，其易在晶界析出，减弱材料韧性，因此，C、Cr成份设计中，应尽量避免过多Cr7C3型碳化物产生。成份设计中还应考虑加入一定量的Nb，它不但减轻W、V两种元素的偏析程度，而且还可以析出对耐磨性有利的NbC。综合各元素影响，我们制定出高速钢轧辊外皮成份。见表2表2 试制高速钢轧辊外层成份范围元素CWMoCrVCo百分比（%）1.0-1.72.0-7.02.0-5.02.0-5.02.0-8.05.05.试验方案 唐钢棒线厂轧制12带肋钢筋采用四切分，精轧辊规格365*600*1617，采用卧式离心浇注方式，按照不同的铸造和热处理工艺生产了三支365*600轧辊毛坯，分别标记为A辊、B辊、C辊，表3为A、B、C三支毛坯浇注及热处理工艺参数，图2、3、4为最终热处理后，三支轧辊的显微组织。表3 A、B、C轧辊工艺参数，检测情况简表化学成份%变质剂处理热处理HS工作层厚度（mm）结合状况CCrMoVWCoA2.235.043.286.247.89101#稀土Si-Ca合金8508h球化退火1050淬火+二次回火9042-55良好B1.884.752.986.015.9410Y-K-Na复合变质剂8508h球化退火1050淬火+二次回火8447-56良好C1.0/1.72.0/5.02.0/5.02.0/8.02.0/7.05 多元复合特殊变质剂特殊热处理7546-53良好图2 A辊显微组织 400 400图3 B辊显微组织 400 400 图4 C辊显微组织 400 4005.1轧辊材料抗热裂、抗断裂性能试验 轧辊的抗热裂性能通过模拟热轧过程中温度变化的试验确定。从A、B、C轧辊辊身端面工作层部位取环样，采用电火花切割机制备252510mm柱状试块，经过研磨抛光成镜面。根据轧辊使用条件，确定了冷热疲劳的温度上限，考虑到试样在实验过程中的变化情况，制定了冷热疲劳试验方案。 加热温度350-400，疲劳频率10次/分。试样步骤、1 试样经1分钟疲劳循环以后，抛光疲劳面，观察裂纹萌生情况。2 发现微观裂纹产生，就视为裂纹萌生，记录循环次数和时间。3 三支试块都出现疲劳裂纹后，再经5分钟冷热疲劳试验，观察裂纹扩展情况，并计算裂纹长度。表4 裂纹萌生试验结果试样裂纹萌生时循环次数萌生裂纹总长度（um）萌生裂纹个数A42327.52B63253.42C108123.81表5 裂纹扩展10分钟试验结果试样裂纹总长度（mm）裂纹扩展速率（um/s）A6.7410.69B4.827.61C1.061.56 综合试验数据得出，试块C具有最强的抗裂纹萌生与扩展能力，试块A表现最差，这表明裂纹萌生与扩展主要取决于共晶碳化物的数量、分布和大小，并与基体组的特性相关。 在A、B、C轧辊辊身端面截取环样，使用电火花切割机制备紧凑拉伸（CT）试样，试样尺寸如图5。图5 紧凑拉伸（CT）试样 采取ASTME399断裂韧度试验标准，用3541型夹式引伸计连续测量裂纹嘴张开位移V随载荷P的变化，取得A、B、C三种高速钢材料的平面应变断裂韧度K1C值，见表6。5.2材料的抗拉、断裂强度，磨损率指标检测 制取A、B、C三支轧辊的抗拉、断裂强度试样，测量材料的抗拉、断裂强度。见表6。 材料的磨损率通过针盘耐磨试验测量磨损量和距离之比的角系数而获得。检测数值见表6。表6 A、B、C三种材料各项检测数据材料基体组织碳化物含量%组织HV宏观硬度HS断裂韧度K1C抗拉强度断裂强度磨损率mgm-1A回火马氏体+少量残奥217129020MPam1/2723MPa9850.0385B回火马氏体+少量残奥166938426 MPam1/2824MPa11050.0487C回火马氏体+少量屈氏体105627535 MPam1/21120MPa12400.0823 综合检测数据可知，C辊断裂韧度值明显高于A、B辊，从而可预知C辊具有优异的抗裂纹扩展能力。C辊磨损率较高，磨损率数值比A辊高一倍多，证明其耐磨损能力稍逊一筹。尽管如此，我们认为C辊的磨损率数值处于高速钢材料正常磨损范围内，其使用于棒材成品机架，在正常的轧制周期内，由孔型磨损导致的钢筋尺寸偏差亦应在要求范围内。6.适合棒材轧机高速钢轧辊的生产 我们按上述工艺参数为唐钢棒线材厂生产了10支3656001617高速钢轧辊。基本工艺参数为：采取卧式离心机浇注外层，冷型规格390*640，冷型内腔涂料使用覆膜砂，滚挂厚度2.5mm，外层钢水出炉时采用多元复合变质剂处理。外层钢水熔炼温度、精炼去气措施、浇注温度、中间层成份、中间层填充时间、离心时间、填芯温度等都是实际生产中必须准确控制的工艺参数。采用特殊的热处理将基体组织控制为隐针马氏体与屈氏体的混合组织，显微硬度HV控制在500-600范围内，它与特殊变质剂控制碳化物分布和细化效能一起共同构成适应型高速钢轧辊制造工艺的两大特点。7.高速钢轧辊使用效果 生产的10支高速钢轧辊全部用于轧制12带肋钢筋。两支使用于成品前扁孔（K2），8支使用于成品孔（K1）。如今有9支轧辊已正常使用至报废，只有1支K1辊第五次上机时槽肩发生小块掉肉缺陷，导致另外7个槽废弃，剩余两组槽正常使用至报废。表7为我公司高速钢与同期使用的A厂高速钢轧辊使用情况对比。表7我公司高速钢与同期使用的A厂高速钢轧辊使用情况对比（轧制12带肋钢筋）厂家成品孔使用支数槽孔缺陷支数缺陷发生率（%）平均重