粗开孔型二次热处理精轧半钢轧辊的生产

粗开孔型二次热处理精轧半钢轧辊的研制1/101粗开孔型二次热处理精轧半钢轧辊的研制黄进群周国祥戴中华(常州凯达轧辊集团技术中心，江苏，常州)摘要：本文介绍了粗开孔型二次热处理精轧半钢轧辊生产研制情况。采用球化退火后，粗开孔型，再进行二次热处理，使辊身表面和槽底得到相同的索氏体金相组织，从而取得了良好的轧制效果；并将此经验成功移植到普通合金铸钢轧辊上。得出一个重要结论:半钢轧辊、铸钢轧辊，热处理后的基体组织决定了其耐磨度和抗事故性能，耐磨度与轧辊硬度没有必然联系。关键词：孔型;二次热处理;半钢;精轧工作辊;铸钢轧辊StudyonSemiSteelPrecisionRollafterCrudeRollPassandSecondHeatingTreatmentHUANGJin-qun,ZHOUGuo-xiangDAIZhong-hua(ChangzhouKaidaRollGroupCO.,LTD.,Changzhou,Jiangsu213155)Abstract:Thestudyandproductionofthesemisteelprecisionrollsaftercruderollpassandsecondheatingtreatmentareintroducedinthispaper.Thesorbitestructurecanbeobtainedonthesurfaceofrollbodyandinthegroovebottomofrollafterspheroidizingannealingandcruderollpassandsecondheatingtreatment.Thesecanresultinbetterrollingeffects.Thetechnologyisalsosuitablefortheproductionofordinaryalloycaststeels.Animportantconclusioncanbedrawn,i.e.forthesemisteelrollsandthecaststeelrolls,thewearresistanceandanti-accidenceperformancedependonthematrixstructureaftertheheatingtreatment,andthewearresistancehasnotpositiveconnectionwiththerollhardness.Keywords:rollpass;secondheatingtreatment;semisteel;precisionroll;caststeelroll1、前言随着国内大型型钢轧机数量的不断增加，型钢轧制的规格和品种也越来越多，轧辊材质更新换代也越来越复杂，仅轧钢用精轧工作辊而言，也换了好几类材质。有使用半冷硬球墨铸铁轧辊的，如武钢股份公司大型厂，在2007年改造前，一直使用半冷硬球墨铸铁轧辊，采取挂砂工艺铸造，辊身硬度为3845HSD，开槽后，组织粗大，不耐磨，换辊频繁；有些厂家选用CrMo、NiCrMo无限冷硬球墨铸铁轧辊，辊身硬度为5360HSD，采用冷型喷涂方式，通过增加过冷度，使辊身石墨（G）、碳化物(K)、基体组织均得到细化，由于型钢轧辊孔型较深，孔型底部激冷性很弱，硬度下降很快，传统的无限冷硬球墨铸铁轧辊，甚至无限冷硬珠光体球墨铸铁轧辊，其耐磨性能也远不能满足轧制要求，如对比几家型钢厂，[16成品机架单孔一次过钢量仅在300吨左右，且损孔频繁、辊耗大、轧机作业仍然低下。我公司研制开发了大型带槽合金AIC、SGP铸铁轧辊（见图1），通过几个厂家的使用证粗开孔型二次热处理精轧半钢轧辊的研制2/102明：一次过钢量是平辊开槽轧辊的2倍以上，[16型钢一次过钢量平均在700吨，最多一次过钢达1200吨，得到客户的充分肯定。图1带槽SGP铸铁轧辊Figure1SGPcastironrollwithcastgrooves随着轧钢对轧辊新材质的进一步发展，带槽铸铁轧辊也逐渐退出了历史的舞台。主要原因在于：1、虽然无限冷硬带槽轧辊工作表面光洁、硬度均匀、落差小，但也存在相当大的不能克服的问题，轧辊整体强度低，即使是改进后的材质，如高合金化为珠光体球墨铸铁轧辊（SGP），其抗拉强度也只在350MPa左右，在使用中特别是轧制大型角钢时，槽底位置极易出现断辊事故；2、孔型内易出现龟裂现象，导致某些孔型不能使用到位；3、球墨带槽铸造轧辊因为型腔复杂，阻碍铁水流动旋转，致使铁水中杂质不易浮出，轧辊制造容易夹渣；4、石墨漂浮造成轧辊孔型阴阳面。在轧制过程中虽然不会出现断辊等事故，轧制量也比平辊开槽多，但由于轧辊工作面存在细小可视石墨及杂质，在轧制中石墨易脱落，影响了轧件表面质量。而且阳面硬度高，阴面硬度低，孔型内磨损不均匀，造成型材表面质量粗糙；随着国内型钢市场的不断变化，为满足实现负公差轧制和表面粗糙度的要求，带槽铸铁轧辊已经不能满足轧制要求。5、制作带槽轧辊的冷型模具，因孔型不同而无通用性，使得制造成本高。为开发新材质，我公司与国内外轧辊技术专家进行了多次交流。借鉴国外大型型钢用成品轧辊材质选用向钢基发展的趋势，我公司自2005年起，先后与轧制∠14、[14以上型钢的八家客户建立了协作关系，包括莱钢、马钢、苏钢、杭钢、柳钢、唐钢等。将高碳半钢轧辊用于精轧段，投入使用后获得了良好的效果，赢得了型钢客户的一致好评，大大提高了我公司在型钢用辊方面的声望和地位，轧辊一时出现供不应求的局面。表1为无限冷硬带槽球墨铸铁轧辊和半钢轧辊化学成分、硬度、抗拉强度对比。表1半钢、中NiCrMo珠光体材质轧辊化学成分及性能Table1ChemicalconstituentsandpropertiesofsemisteelrollsandmiddleNiCrMopearliterolls材质化学成分/%硬度HSD抗拉强度MPaCSiMnCrNiMoMgSGP3~3.61~2.40.2~1.20.2~0.81~3.5O.2~0.80.03~0.0850~70≥350AIC3~3.60.7~1.20.5~1.00.5~1.51~3.50.2~0.8-50~70≥180AD1.5~1.90.3~10.7~10.8~20.2~10.3~0.8-45~60≥450粗开孔型二次热处理精轧半钢轧辊的研制3/103用于大型型钢、轨梁轧机精轧机架的成品轧辊不仅要考虑具有一定的强度、优良的耐磨性能和抗龟裂性能，还要有良好的孔型表面质量。作为轧辊制造企业和铸造工作者，应研究符合上述要求的新材质轧辊，并付于实施。既要使轧辊耐磨，又要轧制出高质量的轧材，在充分分析和讨论的基础上，我公司开发了粗开孔型二次热处理高碳半钢轧辊，并将其用在型钢精轧段轧制，其轧制量比平辊开槽的提高了近一倍。2、粗开孔型二次热处理高碳半钢轧辊的可行性2．1半钢轧辊有优良的淬火性能，即热处理性能对于铁基轧辊而言，其热处理性能比钢基轧辊要差得多，要获得高的耐磨性，只能通过带槽铸造；充分利用钢基轧辊的热处理性能，对平辊进行粗开孔型，再进行淬火处理，理论上是完全可行的。2．2基体组织决定半钢轧辊的耐磨性，硬度并不能决定其的耐磨性以我公司为A厂生产的大型型钢精轧辊为例，由于其孔型深，在第一次上机使用时最大直径￠1150，槽底最小直径￠810，半径方向差170㎜。轧辊在连续冷却过程中，芯部热量是通过表面向外扩散，其冷却速度有很大差异，虽然相对硬度落差很小，从轧辊由表及里过冷度越来越小，越往轧辊芯部，基体组织中珠光体团直径和片间距也越来越大。我厂对φ1150×1800轧辊采取正火加连续冷却转变方式从奥氏温度冷却到表面温度550度时所用时间为5小时35分。通过孔型加工，其硬度和基体组织表2和图2。表2轧辊硬度落差Table2Rollhardnessfall辊号辊身直径硬度HSD辊号辊身直径硬度HSD1301-001φ115045.61301-002φ115044.2φ85345.4φ85344.9φ81044.8φ81044.5φ1150轧辊辊面的索氏体φ810孔型槽底的珠光体图2平辊开槽辊身表面和槽底组织Figure2Structureofslottingflatrollbodysurfaceandgroovebottom半钢轧辊硬度落差极小，大量测定表明，沿半径方向500mm，硬度落差不超过1HSD，几乎没有硬度落差，见图3；但这并不意味槽底和辊面一样耐磨。我们通过大量的事例证明：半钢轧辊基体组织决定了轧辊的耐磨度和抗事故性能。粗开孔型二次热处理精轧半钢轧辊的研制4/104图3合金半钢、球墨无限冷硬铸铁轧辊辊身工作层硬度变化[1]Figure3Hardnesschangeoftheworklayerofalloysemisteelrollandindefinitechillnodularcastironroll合金半钢轧辊，通过高温扩散退火、球化退火、正火和回火后，辊身基体组织为索氏体、均匀分布12%左右的粒状二次碳化物。越往轧辊芯部，其珠光体团和片层间距越大。我们对半钢轧辊CCT曲线进行研究，根据CCT曲线，见图4[2]，半钢轧辊作为大型铸件在正火过程中，不可能采用等温转变方式而只能采用连续冷却转变方式。当冷却到A1线以下，奥氏体即开始转变成珠光体。通过等温转变，在A1-650温度范围内可得到单一的片间距约0.3um粗片状在珠光体，硬度小于38HSC；在650-600温度范围内可得到单一的片间距约0.1-0.3um细片状的索氏体，硬度范围在38-45HSC；在600-550温度范围内可得到单一的片间距约0.1um极细片状的索氏体，硬度范围在45-53HSC；在550-350温度范围内可得到单一的羽毛状的上贝氏体，硬度范围在53-60HSC；在350-Ms范围内可得到单一的细小黑片针状的下贝氏体，硬度范围在60-70HSC；在Ms温度经下可得到马氏体等组织，半钢轧辊和铸钢轧辊作为大断面铸件一般也不可能通过淬火，获得到贝氏体或马氏体组织（通过等温淬火形式也难以获得）[3]。而采用在连续冷却转变方式，其转变产物的基体组织不会是单一的，根据冷却速度的变化，有可能是珠光体加索氏体、索氏体加马氏体等组织。平辊热处理与开槽后二次热处理的本质区别：平辊热处理在奥氏化恒温后采用连续冷却转变的过程中，轧辊整个工作层的热量是热传导的方式从辊身表面传出，整个工作层冷却速度差别很大，工作层由表向里得到基体组织的片间距和团直径由及里逐渐变大，导致整个孔型表面耐磨性由表向里越来越差。而留放一定余量车出孔型后热处理，在奥氏化衡温后采用连续冷却转变的过程中，轧辊整个工作面完全与空气接触，整个工作面的冷却速度是一致的，因此工作面从辊身表面到孔型根部得到基体组织的片间距变基本一致，从而保证整个孔型工作面有相同耐磨性。钢基轧辊片状珠光体的机械性能主要决定于片间距和珠光体团的直径，珠光体团的直径和片间距越小，钢的强度和硬度越高，随着珠光体团和片间距的减小，相界面增多，对位错运动的阻碍增大，塑性变形抗力增大，从而提高表面耐磨性和抗表面变形能力。粗开孔型二次热处理精轧半钢轧辊的研制5/105图4半钢轧辊CCT曲线图[2]Figure4CCTcurveofsemisteelroll3、粗开孔型二次热处理高碳半钢轧辊的生产3．1化学成分的确定半钢轧辊可用于轧制大型型钢,原因有两个：1、硬度从辊面到芯部是一样的,不担心有不良石墨存在的影响；2、其强度较高,可以轧制需开深孔型的各种大型型钢。要使轧辊具有以上两个特征，除了合理的热处理工艺外，正确选择化学成分尤为重要。钢基的基体组织内存在初生碳化物Fe3C，基体分片状珠光体、球状珠光体，或贝氏体。为控制轧辊基体组织，使C曲线右移，使轧辊通过热处理后能得到更多的贝氏体组织，合金元素的合理匹配是我们生产高碳钢基轧辊的重要步骤。(1).碳：基体中碳化物的含量多少，取决于碳含量，碳化物多，硬度高。反之，硬度低。而且可以根据机架进行选择，一般含碳量低的用于粗轧,而含