冶金工业高速钢轧辊研究现状

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1前言

现代钢铁工业诞生于19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20世纪80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,因此在可预见的未来钢铁仍是主要的金属材料。

2冶金工业的发展现状

2.1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[1]。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%[2],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。

2.2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。国内外市场的持续高需求,为钢铁高增长提供了广阔的市场空间。据国际钢铁协会的统计,2004年,全世界65个从事钢铁生产的国家和地区,总计粗钢产量达到10.35亿吨,这也是有史以来,全世界钢产量首次突破10亿吨大关。2003年我国钢产量首次突破2亿吨,达2.223亿吨,连续八年居世界第一位,这也是人类历史上单个经济体钢铁产量首次突破2亿吨。2004年我国钢产量达到了2.728亿吨,人均产钢量为210kg,超过世界平均水平50kg。2005年钢产量增幅达到26.46%,是近五年来增幅最高的一年。全年产钢量达到3.494亿吨,占世界钢铁产量的1/3,这一比例比1996年高出20%[3]。

3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[5]。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。

4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。

4.1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。

4.1.1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。

4.1.2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[6]。表1为几种碳化物的形态、硬度及使用性能的比较。

4.2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。上述几种高速钢轧辊生产工艺的技术经济指标各不相同,其比较情况见表2。

4.3变质处理高速钢轧辊的研究现状

在普通离心铸造条件下,高速钢轧辊中合金元素偏析严重,外层V含量低,而W、Mo含量高,内层正好相反。为减少离心铸造法生产高速钢轧辊时合金元素的偏析,研究人员分析了产生偏析的原因。认为主要是VC与金属液的密度相差较大,致使一次结晶VC碳化物的偏析,采取添加Nb元素提高MC型碳化物密度,限制添加偏析元素W、Mo,使MC型碳化物的密度与钢水密度接近,减少VC型碳化物的量,可有效地控制离心铸造高速钢轧辊时碳化物的偏析,提高轧辊的耐磨性。但含Nb高速钢轧辊的成本高,组织中缺少高硬度的W碳化物,耐磨性不如含W高速钢轧辊好。另外,采用变质处理可以显著改善轧辊中碳化物的形态和分布,提高轧辊的性能。刘海峰等人[10]利用富铈混合稀土+钛铁对高碳高速钢进行了复合变质处理和耐磨性实验研究。复合变质处理后,在试样组织中存在着大量尺寸细小且呈弥散分布的颗粒状MC型碳化物,同时分布在晶界上的M6C型碳化物明显减少。与高铬铸铁进行的耐磨性对比实验表明,其耐磨性是高铬铸铁的7.64倍。宋延沛等人[11]的研究结果表明,变质处理可以细化晶粒、改善碳化物的形态和分布。变质处理后,单位面积内的晶粒数由1200增加到1600;碳化物形态也由变质前的以针片状和连续网状分布于晶界变为不连续网状和颗粒状。同时,变质处理后,在硬度基本不变的情况下,冲击韧性提高了73.6%。近来研究发现,碱金属K/Na[12~14]在改善Fe-C合金微结构和性能方面效果明显。但由于K/Na易氧化、沸点低、密度小,很难直接加入到铸造合金中。山东大学的YichuanPan等人[15]利用SG变质剂(成分为Fe-15K/Na-10Si-2C),对成分为(质量分数,%)2.0Fe,5.0C,9.0V,2.5Cr,2.0Mo,1.0W,0.9Si,Mn的高速钢轧辊材料进行了变质处理。结果表明,不加变质剂的组织中存在着粗大的M7C3、M2C及纤细的MC碳化物,并呈连续网状沿晶界分布。当SG变质剂的加入量增加到0.15%(质量分数)时,碳化物的形态、尺寸和分布发生了很大的变化。碳化物均被净化,均匀分布在组织中,网状结构消失。

4.4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。加拿大Dofasco公司自1993年试用铸造高速钢轧辊以来,比例不断提高,目前F2、F3和F4机架上已全部采用铸造高速钢轧辊,F4机架的平均过钢量从1992年6月的360t/h提高到1994年11月的490t/h,带钢表面质量也提高20%。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。国产高速钢辊环于1998年2~3月在酒钢二轧钢厂线材轧机预精轧机架使用,使用效果见表3。河北唐山联强冶金轧辊有限公司也生产铸造高速钢复合轧辊,在两辊热轧窄带钢成品机架上使用,轧制厚2.1mm、宽120mm~183mm普碳钢时,与高镍铬钼铸铁轧辊相比,每次轧制量分别为470t和160t,每次修磨量分别为0.5mm和2.0mm,使用次数分别为50次和13次,每对轧辊轧制量分别为23500t和2080t,辊耗分别为0.11kg/吨钢和1.3kg/吨钢。

4.5高速钢轧辊研究的主要方向

高速钢轧辊因具有良好的力学性能,目前已广泛应用于热轧和冷轧生产中,并取得了较好的经济效益。但与国外先进水平相比,我国在高速钢轧辊的研究和应用方面,还存在着较大的差距。为此,我们应加强以下几方面的研究。

(1)加强高速钢轧辊热处理工艺的研究

为提高高速钢轧辊的使用性能,要将高速钢复合轧辊表面工作层加热到较高的温度(1150℃以上)进行热处理。如此高的温度对芯部材料的组织和性能不利,甚至会使芯部熔化。这就需要采用适当的热处理工艺,以兼顾工作层和芯部的性能。国外开发出了差温热处理工艺,但未对工艺作详细报道,我国应结合具体的成分和工艺条件,加强热处理工艺的系统研究,不断提高轧辊性能。

(2)加强高速钢轧辊使用特性的研究

尽管高速钢轧辊具有良好的耐磨性和耐热疲劳性能,但如果使用不当,也会出现裂纹、剥落等缺陷。因此,应根据实际轧制条件确定合适的水压力和水流量,并实现计算机的自动控制,以对轧辊进行良好的冷却。防止轧辊表面氧化膜过度增厚,使氧化膜在高温氧化气氛下,具有良好的抗剥落性,防止造成表皮氧化膜脱落和轧辊表层剥落。同时,选用合适的轧制润滑油和加入量,降低轧辊的摩擦系数和轧辊表面温度,减少热裂纹和轧辊表面的剪应力,改善轧辊表面状况及辊面凸度控制,提高板形质量。

(3)加强高速钢轧辊组织转变规律的研究

由于高速钢轧辊的生产成本高,不适于进行反复的工业性试验。应利用计算机建立相关的模拟模型,进行轧辊用高速钢材料的组织转变规律研究,缩短轧辊的研制周期,为实际生产提供合理的工艺参数,以便于稳定化的工业生产。

(4)加强变质处理计算机控制技术的研究

影响变质处理效果的因素很多,除了与变质剂的种类、加入量、加入方法有关外,还与变质处理时钢液的温度、变质剂加入后钢液的静置时间及变质剂加入前的钢液成分尤其是钢液中的S、O含量密切相关。以往变质剂的加入多数是凭经验、以手工操作的方式加入,致使高速钢的变质效果稳定性差,为稳定和提高变质高速钢的性能,应采用计算机技术对变质处理工艺进行自动控制。

5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。