冶金业高速钢轧辊发展分析

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1.冶金工业的发展现状

1.1钢铁生产工艺流程逐步优化

20世纪90年代以来,世界钢铁工业在激烈的国际市场竞争中,由20世纪80年代以前的以扩大规模、增加产量为主转向降低消耗、降低成本、提高质量、增加品种和保护环境。钢铁工业技术进步的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20世纪60年代建设的10多个大型钢铁厂都是采用这种工艺流程。20世纪80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。20世纪80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1989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10多年发展,到2002年底,世界上已有38个薄板坯连铸连轧生产厂共56条生产线,总生产能力已超过5500万吨。我国现已有5个钢铁企业建成8条薄板坯连铸连轧生产线,到目前为止又有5个钢铁企业正在建设厚板坯连铸连轧生产线,不久的将来总生产能力将达2000万吨,预计届时将占全世界同类生产线能力的1/4以上。2001年我国连铸比达到89.71%,已经超过了2000年的世界平均水平。2003年达到了96.96%,目前,全国重点大中型企业中,连铸比达到99%以上的企业已达41家。带钢连铸连轧技术是世界主要钢铁生产国家正在积极开发应用的一项重大钢铁生产前沿技术,它将是21世纪钢铁生产技术的一个主要发展方向。

1.2钢铁产量不断增长

冶金行业的发展受到国内与国际宏观经济环境的共同影响。国内方面,国家采取的宏观调控措施初见成效,钢铁行业投资规模过大,低水平重复建设得到遏制,有效打击了“地条钢”等劣质产品冲击钢材市场的行为,进一步净化了市场,钢铁生产企业对市场更加理性化。消费结构的升级和城镇化速度加快为钢铁行业发展提供了基本的保障;西部大开发和振兴东北老工业基地的战略也为钢铁行业提供了新的发展机会。国际方面,世界经济仍保持总体向好的发展态势,全球钢铁需求持续增长。

2.冶金工业对轧辊的需求

钢铁工业的持续发展,为轧辊制造业提供了广阔的发展空间。一方面,随着钢产量的不断增加,轧辊需求量大幅增长。仅就国内而言,据统计,每年消耗的轧辊材料有50万吨以上,价值数十亿元。另一方面,随着轧钢技术和装备水平的不断提高,对轧辊的质量也提出了更高的要求。而国内轧辊生产厂家的制造水平还较落后。仅以宝钢为例,2000年,宝钢用于轧辊的采购资金超过2亿元,其中国内的只占30%,国外的占70%。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。

3.轧辊材料的研究现状

为提高热轧辊的表面耐磨性,热轧辊材料不断地得到改进,其基本的发展过程是从冷硬铸铁到高铬铸铁到半高速钢和高速钢。高速钢材料用于轧辊制造,使轧辊性能显著提高,轧材质量明显改善。

3.1高速钢轧辊的特点

高速钢轧辊是用具有高硬度,尤其是具有很好的红硬性、耐磨性和淬透性的高速钢作为轧辊的工作层,用韧性满足要求的高强度灰铁、球铁、铸钢及锻钢作为轧辊的芯部材料,把工作层和芯部以冶金结合的方式结合起来的高性能轧辊。

3.1.1高速钢轧辊的化学成分特点

(1)含有较多的C和V。C和V可以形成高硬度的MC型碳化物,提高轧辊耐磨性;(2)有较高的Cr含量。Cr含量高,可在轧辊组织中形成一定数量的M7C3型碳化物,有利于降低轧制力并改善轧辊辊面的抗粗糙性;(3)含有一定量的Co(≤10%)。Co可提高高速钢轧辊的红硬性,从而提高轧辊耐磨性;(4)离心铸造高速钢轧辊中含有≤5%的Nb。Nb可降低轧辊组织中因合金元素密度差大而引起的偏析。

3.1.2高速钢轧辊的组织特点

高速钢轧辊的性能取决于其微观组织结构特征:(1)碳化物的种类、形状、体积分数及分布;(2)马氏体基体的性能特点;(3)晶粒尺寸大小。轧辊用高速钢材料的微观组织结构与合金成分及工艺条件有关。因材料成分和工艺条件的不同,出现了各种不同的研究结果。同以往的高铬铸铁轧辊相比,高速钢轧辊中的碳化物类型较多,除含有MC型碳化物外,还含有M2C、M6C和M7C3型碳化物。

3.2高速钢轧辊的生产工艺及其特点

围绕着轧辊外层与芯部的结合问题,高速钢轧辊的制造技术不断发展。目前国外主要采用离心铸造法(CF)、连续浇铸复合法(CPC)和电渣熔铸法(ESR)制造,而热等静压法(HIP)和喷射成形法(Osprey)仍在完善和发展中。CPC法制造轧辊装备复杂,我国仍无法生产;ESR法制造轧辊能耗高,仅适合于制造冷轧辊;用离心铸造法生产轧辊装备简单,工艺稳定,效率高,是制造高速钢轧辊的重要方法。离心铸造法生产高速钢轧辊尽管存在着合金元素容易产生偏析的问题,但由于其突出的优点,使它在相当长一段时间内仍处于高速钢轧辊生产的主导地位。

3.3高速钢轧辊的应用

自20世纪80年代以来,国外在热带钢连轧机上开始试用高速钢轧辊并取得良好效果。目前高速钢轧辊的比例不断提高,在某些机架上,甚至全部采用了高速钢轧辊。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。近年来我国也开展了铸造高速钢轧辊的研究,北京冶金设备研究院采用普通离心铸造方法生产了高速钢辊环,其成分(质量分数,%)为:2.0~2.4C,8~15W,2~3Mo,4~7V,3~5Co;金相组织为:马氏体+共晶碳化物+二次碳化物+残余奥氏体;力学性能为:硬度60~65HRC,冲击韧性(5~10)J/cm,抗拉强度(400~600)MPa。

4.结语

随着轧机向自动化、连续化、重型化方向发展,对轧辊的几何尺寸、表面精度和力学性能提出了更高的要求。轧辊生产厂、研究机构和钢铁生产企业必须加强冶金轧辊材料的基础性研究、轧辊生产技术的研究、轧辊工艺装备的研究和轧辊使用技术的研究,不断提高我国轧辊制造业和钢铁产品的国际竞争力。