轧辊制造技术的工艺及发展历程

轧辊制造技术的工艺及发展历程随着轧制技术的不断发展，轧辊的工作环境也越来越苛刻，以热连轧为例，轧辊长期处于高温、高负荷、高速度的恶劣条件下，对轧辊的性能要求更高。目前国内几大钢铁公司轧钢厂陆续进行改造，引入先进的轧制生产线，但国内轧辊厂却不能完全生产高性能的配套轧辊，还需花费巨资进口国外轧辊。因此，为轧机配备高性能的轧辊成为我国轧辊行业面临的新课题，而选择最优的轧辊生产方法是制造不同种类轧辊的关键。轧辊的常规制造方法有一体铸造、溢流铸造、离心铸造及锻造四种方法。一体铸造轧辊的铸型分为三部分，冒口、上辊颈和下辊颈，一般用圆砂箱、干砂型制造，而中间部分需要激冷，故使用金属型且表面敷以涂料，采用底注式浇注。高速、重载轧机的发展，要求轧辊具有更高耐磨性的同时，还需进一步提高心部的韧性，而采用一体铸造法获得的单一成分札辑难于满足要求。为此，需要分别熔炼轧辊工作表面、轧辊心部和辊颈用金属液，并采用溢流铸造或离心铸造（CF)法生产轧辊。用离心铸造法生产的轧辊与一体铸造法、溢流铸造法相比具有如下优点：金属液收得率高；节约大量合金材料；轧辊表面质量得到改善；轧辊强度显著提高；轧辊使用效率明显提高。此外，离心铸造法生产轧辊还具有生产效率高、操作简便和易于控制等特点。因此，离心铸造复合轧辊引起了国内外的重视，目前在我国绝大多数轧辊厂均采用离心铸造法生产轧辊。锻造法的原理最简单，它的生产过程如下：浇注一些小型铸坯；将浇注的小型铸坯进行电渣重熔；锻造铸坯成形；热处理前粗加工；热处理；因此不存在结合层问题，但是制造过程复杂，价格昂贵。在上面介绍的四种常规方法中，由于离心铸造法具有明显优点，因此应用较广。20世纪90年代以后，日本、欧洲相继研制开发了CPC法（连续铸造复合法），乌克兰、瑞典和美国分别研制了ESSL量(液态金属电渣复合法）、Spray法（喷射成形法）等。CPC装置是用一支锻造的钢芯轴，芯轴表面涂助熔剂，用感应线圈对芯轴表面进行预热，熔化的工作层金属浇入芯轴和带感应线圈的中间包之间，感应线圈加热熔融金属，控制温度使之与芯轴形成结合。为形成结合层，少量芯轴材料会被熔化，必须严格控制熔化金属量，以免污染工作层材质。结合层的形成影响芯轴的下降速度，也就决定了CPC法的生产效率。相对来讲，CPC法的生产效率较低。ESSL量在专门设计的水冷铜型中进行。把需炉内熔化的钢液通过轧辊芯轴的表面与铜型壁之间的缝隙注入型中，水冷铜型不仅可以使钢液凝固形成复合层，同时也作为非消耗性电极，靠它向渣池中提供电能，以补充不断消耗的热能。轧辊芯轴表面很薄的一层被熔化，需要复合的液态金属来填充，在轧辊芯轴和铜型之间形成复合层，填充的钢液可以是连续的或按预先设定的程序逐步进行。钢液把渣排挤至顶部，并占据渣原来的位置与轧辊芯轴熔化的部分融合，形成复合层。在复合过程中，融合凝固后的部分从铜型中拉出(或复合的锭子被固定时，铜型沿辊轴提升）并进行下一部分的连续浇注。这种新技术最为重要和独特的优点之一是生产效率高，ESSL量方法的生产效率是传统电渣重熔方法的几十倍。更为重要的优点是它可以使用各种化学成分的材料进行复合，诸如铸铁、高速钢、工具钢、不锈钢和耐热镍基合金等，包括了那些既不能用冷加工，也不能用热加工的方法固态成形的材料。因为这些材料不易加工成形，也就不可能用于传统的电渣重熔方法。使用ESSL量技术已经生产了新一代高速钢材质的复合轧辊，这种轧辊含碳化物形成元素的总量大于25%，轧辊使用寿命提高了数倍，不但能抵抗热疲劳，还耐各种腐蚀。Spray工艺可以使雾化金属快速冷却至凝固温度。熔融金属从喷雾头浇入并从下流口变成细小的液滴。喷雾器将注入的气体加速以产生振动波，从而产生雾状的金属液滴，并将金属液滴沉积在收集表面。该工艺的关键是在整个喷射成形中控制已沉积表面的形状，它将决定沉积质量。而沉积质量又受金属液滴的大小和它们在碰撞之前冷却温度的影响。主要工艺参数包括：熔化温度；金属从喷雾器流出的速度；雾化气体的压力；喷射高度。有两种极限沉积状态：颗粒沉淀和非颗粒沉淀。在颗粒沉淀模式下，碰撞之前液滴已凝固，这样的沉淀是分层的、有方向性且不均匀的，应尽量避免。非颗粒沉淀产生与颗粒沉积不同。喷雾器是可控制的，能使颗粒在与沉积表面相碰撞时处于半固态。液态部分在沉积表面形成“糊状带”，固态颗粒在碰撞时分开并粘在“糊状带”表面上。很高的形核速率使沉积层具有致密的、无偏析的显微结构，与传统铸造工艺生产的轧辊相比具有更细的晶粒尺寸。同时，在轧辊材质方面的进步也很快，20世纪90年代，世界轧辊材质发展的一个明显趋势是广泛使用合金元素以及合金化程度的不断提高。例如在欧洲、日本，高碳、高铬钢轧辊在热带钢粗轧机上得封广泛应用。铸造高速钢轧辊已在热带连轧机精轧机组上游机架上使用，寿命是高铬铸钢轧辊的3倍，日本所有热带连轧机精轧机组上游架都使用了高速钢轧辊，欧美各国也在这些轧、机上大量使用高速钢轧辊，铸造高速钢轧辊也已被用于冷轧辊。20世纪末，铸造高速钢轧辊的兴起已成为世界轧辊发展史上的一件大事，并迅速占领了大部分市场。我国从20世纪70年代末80年代初以来，开发研制成功离心铸造复合轧辊、半钢轧辊、石墨钢轧辊、深淬硬层锻钢冷轧辊、高铬铸铁轧辊等，这些轧辊的成功研制缩小了与发达国家在轧辊技术方面的差距。中国冶金行业网