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离心轧辊在中轧机组上的推广应用

作者:李济玉

离心轧辊在中轧机组上的推广应用

杭州中强轧辊有限公司  李济玉


   摘要:中小型棒材、线材、板带等轧机中轧机组配辊,长期以来采用常法浇注的中镍铬钼或低镍铬钼球墨无限冷硬铸铁轧辊。由于其生产成本较高和强度较低,不仅轧辊的性价比较低.而且断辊常有发生。离心轧辊在中轧机组上推广应用之后,不仅轧辊成本大幅度下降,而且由于轧辊强度大幅度提高,基本上解决了断辊的技术问题。

  关键词离心轧辊;中轧机组;推广;应用


Popularization and Application of Centrifugal

Roller in the Medium Rolling Mill

Li Jiyu

( Hangzhou Zhongqiang Roll Co. , Ltd)

  Abstract: Collocation roll of rolling mill for bar rod, wire rod and plate are always poured by routine method and produced by medium or low indefinite chilled Ni~Cr~Mo ductile iron. Due to its high production cost and low strength, the ratio of performance to price is quite low and broken roller phenomenon always occurs. However, when the centrifugal roller in the medium rolling mill can be widely used, the production cost of roller will be decreased and the broken roller can be avoided because of the improved strength value.

  Key words: centrifugal roller; application; popularization; medium rolling mill;


  杭州中强轧辊集团有限公司近年来先后研制成功棒材、线材、窄带钢、不锈钢等轧机中轧机组用中镍球离心轧辊和中镍无限离心轧辊。特别是中镍无限离心轧辊在中轧机组上成功应用,是杭州中强轧辊集团有限公司首创,在GB/T1504~2008《铸铁轧辊》中尚无此材质离心轧辊。

  离心轧辊内层有高强度的保证,外层适当调整化学成分就能比较容易获得中轧辊所需要的辊身硬度、耐磨性和耐热性。据统计,在同期生产中镍球常法辊与中镍球离心辊,其钢铁料和铁合金价格完全相同的情况下,中镍球离心辊的成本比中镍球常法辊可降低30%左右,经济效益显著,同时,中镍球离心辊的抗拉强度比中镍球常法辊高150 MPa,由于抗拉强度大幅度提高,自2007年以来因轧辊质量问题引起的断辊事故基本为零。杭州中强轧辊集团有限公司离心轧辊在中轧机组上推广应用获得成功,并全部替代中镍球常法辊之后,公司的离心辊产量大幅度上升,离心辊产量占轧辊总产量的百分比从2006年的37. 14%,2007年、2008年分别上升到64. 40%、59. 36%。离心轧辊产量占轧辊总产量百分比的高低,代表轧辊企业产品结构水平以及高附加值产品的比重,是轧辊企业产品是否先进的重要指标之一。

一、中轧用离心辊的研制

  用于中轧机组的离心辊研制,拟分两步走,首先研制中镍球离心辊,然后研制中镍无心辊。

  1.中镍球离心辊

  中镍球离心辊的全称为中镍铬钼球墨无限冷硬离心复合轧辊,其外层(工作层)为含Ni1.0%~2.0%镍铬钼球墨无限冷硬铸铁,内层为高强度球墨铸铁。轧辊外层要求具有一定的耐磨性和耐热性,以满足中轧机组对轧辊耐磨性和耐热性的要求。轧辊内层要求有较高强度(>450MPa),以满足中轧机组轧辊压下量较大对强度的要求。

  自2006年下半年起镍价飞涨,每吨镍价从19万元左右上涨到近40万元,由此造成含镍常法辊的成本大幅度上升。为了降低含镍轧辊的成本并提高其内在质量,20069月把“中镍球离心辊在中轧机组上的推广应用”列入研制课题。经过近3个月的不断试验和改进,于2006年底中镍球离心辊在中轧机组上的推广应用获得成功,从2007年起进入批量生产。第一批研制的中镍球离心辊在杭州中强轧辊集团有限公司轧一车间K9~K10机架上使用。

  经实际轧制证明,中镍球离心辊的耐磨性与原来使用的中镍铬钼球墨无限冷硬常法辊(简称中镍球常法辊》相当,但轧辊的强度比中镍球常法辊高出120~150MPa。试制初期采用低硅稀土镁球化剂(RE3%~5%、Mg7%~9%、Si10%~12%),由于此类球化剂是机械混合压制而成.其质量不太稳定,离心辊外层出现球化不良和结合层不良报废较多。经过讨论分析,一致认为选用球化剂的好坏,是中镍球离心辊成败的关键,为此决定外层铁液球化剂改用铜镁合金+包头稀土镁硅铁合金进行第二轮试验。第二轮试验由于采用的球化剂质量较好,球化比较稳定.球化不良大幅度减少。严格控制外层停转内壁温度和填芯铁液浇注温度,离心辊结合层的质量明显好转。经过不断摸索改进,初步掌握外层铁液含C、Si量与辊身硬度的关系,于2006年底中镍球离心辊研制戚功,并从2007年初起投入大批量生产。据统计,中镍球离心辊的生产成本比中镍球常法辊大幅度下降,平均每吨毛坯轧辊降低约2500元,经济效益显著,而且其抗拉强度又比后者提高120~150MPa,这对防止中轧辊断辊事故十分有效。中镍球离心辊经过一年的实际使用证明它完全可以替代中镍球常法辊在中轧机组上的应用。

  2.中镍无限离心辊

  中镍无限离心辊的全称为中镍铬钼无限冷硬离心复合轧辊,其外层(工作层)为含Ni1.0%~2.0%镍铬钼无限冷硬铸铁,内层为高强度球墨铸铁。

  为了进一步提高中轧机组轧辊的质量和扩大品种,在中镍球离心辊在中轧机组上推广应用获得成功,并在技术上有所进步和经济效益显著的基础上,提出研制中镍(含Ni1.0%~2.0%)无限离心辊在中轧机组上的应用新课题。经过2008年上半年的不断改进、完善,中镍无限离心辊在中轧机组上应用又获成功并投人大批量生产。经轧钢厂实际使用证明,中镍无限离心辊在中轧机组上使用效果比中镍球离心辊还要好,而且质量也比较稳定。中镍无限离心辊与中镍球离心辊相比,在合金含量和轧辊中心强度基本相同的情况下,中镍无限离心辊具有下列优点:①工作层的硬度均匀度好,硬度落差小,轧辊的耐磨性提高;②工作层为无限冷硬铸铁,不会出现球铁辊球化不良的缺陷;③轧辊质量合格率提高2.61%;④轧辊成本有所下降,平均每吨下降约250元;⑤外层铁液不用铜镁和稀土镁进行球化处理,可以减少镁蒸气对车间环境的污染。由于中镍无限离心辊在中轧机组上使用效果良好,并具有以上优点点,经讨论研究决定,在中轧机组上用中镍无限离心辊可以替代中镍球离心辊。中镍无限离心辊现已投入大批量生产。

二、中轧用离心辊技术要求

   (1)化学成分。外层化学成分:中镍球离心辊外层的化学成分和中镍无限离心辊外层的化学成分见表l。内层化学成分:中镍球离心辊和中镍无限离心辊其内层均为高强度球铁,其化学成分见表1。

表1 中镍离心辊化学成分

部位

材质

代号

C

Si

Mn

P

S

Cr

Mo

Ni

Mg

外层

中镍球离心

Q2QL

3.00~3.60

1.20~2.00

0.40~1.00

<0.20

<0.03

0.40~0.80

0.20~0.60

1.00~2.00

>0.03

中镍无限离心

W2QL

2.90~3.50

0.60~1.20

0.40~1.00

<0.20

<0.08

0.70~1.20

0.20~0.60

1.00~2.00


内层

高强度球铁

QT450

3.00~3.50

1.90~2.50

0.40~1.00

<0.10

<0.03

<0.03



>0.03


注:Q2QL、QT450中均含有稀土。


(2)辊身硬度:55-65HSD,棍颈硬度小于45HSD

(3)棍颈抗拉强度:大于450MPa

(4)离心复合轧辊外层厚度=工作层厚度+5mm以上。


三、中轧用离心辊质量控制关键

  用于中轧的中镍球离心辊和中镍无限离心辊,由于材质不同,质量控制的关键虽有各异,但是相同之处仍较多,因此可以放在一起讨论。

  1.中镍球离心辊确保外层球化是成败的关键

  中镍球离心轧辊外层铁液经球化处理浇入离心机高速旋转的冷型内后,在离心力的作用下,铁液紧贴冷型内壁形成一定厚度的圆筒体外层,由于外层铁液浇注时间相对较长,在铁液浇注过程以及随后冷却过程中铁液与空气的接触面较大,接触时间较长,极易造成氧化,使铁液中的镁和稀土元素因氧化而减少。这是球铁离心轧辊所特有的问题。如果残余镁量和残余稀土元素含量不足时就会导致球化不良或不球化而失败。因此,铁液中球化剂的加入量和球化处理正常与否至关重要,必须确保外层球化。

  经过实践证明,外层铁液球化剂采用铜镁合金(Cu87Mg13)+稀土镁硅铁合金(FeSiMg8RE5)比较可靠、稳定。球化剂加入量:铜镁合金1.3%-1.5%,稀土镁硅铁合金0.50%-0.70%。为保证球化稳定:①球化包底坝必须保持完好,堤坝缺损,容易引起球化剂过早反应,MgRE吸收率降低引起球化不良或不球化;②球化剂加在球化包底出铁方向内侧堤坝内,球化剂上面应覆盖铁屑,并要求打紧实,减缓球化剂反应速度,提高MgRE吸收率,覆盖用铁屑要烘干;③铁液先出2/3,待球化反应结束之后补放铁液时加入孕育硅铁(0.50%<~0.80%),经充分搅拌均匀后方可扒渣;④外层铁液出炉温度1480~1500℃,浇注量度为1370~1400℃

    2.提高内外层冶金结合质量防止工作层剥落

  实现内外层冶金结合的关键是离心浇驻外层完毕加入玻璃渣。玻璃渣在固态时的密度为2.2~2.5g/cm3,熔点≤l200℃。玻璃渣加入后立即熔融,由于密度小,在离心力作用下“浮”向外层内壁自由表面,并均匀严密地覆盖自由表面,防止离心铸造外层内壁自由表面的氧化。但是玻璃渣在l000℃的黏度值不高,在100Psi以内,在填芯铁液注入后又能容易地脱开内层自由表面“浮”向冒口部位。

  严格控制好外层铁液的浇注温度、外层停转内壁温度和填芯铁液浇注温度,以及外层停转至填芯开始的时间,是获得内外层良好冶金结合的另一个关键。根据经验,对于中小型(D<600mm)中镍离心辊外层和填芯铁液的浇注温度见表2。外层停转内壁温度为l090-1100℃。外层停转至填芯开始的时间间隔控制在3min以内。


表2 中镍离心轧辊外层和填芯铁液浇注温度(℃)



辊身直径

(mm)

外层

填芯

中镍球

中镍无限

中镍球

中镍无限

380-600

1370-1380

1360-1370

1390-1400

1380-1390

300-379

1380-1390

1370-1380

1400-1410

1390-1400

<300

1390-1400

1380-1390

1410-1420

1400-1410


  此外,正确选择离心复合铸造时外层内表面的保护渣也十分重要。以前选用某技术公司的O型玻璃渣,现改用北京亚康特种玻璃有限责任公司新型玻璃渣yk-107。经实际使用证明,新型玻璃渣yk-107对于提高离心辊内外层冶金结合质量效果更好。

  实践证明,采用卧式离心铸造复合轧辊工艺,只要有玻璃渣,而且玻璃渣在自由表面均匀严密覆盖,停转温度在1090~1100℃,停转到填芯的间隔时间不超过3min,填芯铁液浇注温度为1380~1420℃,内外层的冶金结合是完全可以做到的。

  离心轧辊应逐支进行超声探伤,认真检查内外层冶金结合质量是否合格,要严把质量关,决不允许把内外层冶金结合质量有问题的离心辊出厂,这对防治工作层剥落十分有效。

   3.控制辊身硬度满足中轧机组对硬度的要求

  用于中轧机的中镍离心轧辊,其辊身硬度必须满足中轧机组轧辊的要求。对于中轧辊而言,工作层不仅要具有一定的硬度和耐磨性,而且要具有一定强度和耐热性,避免工作层早期出现裂纹。对于珠光体为基体的中轧辊,其辊身硬度与耐磨性有直接关系只要工作层硬度适中,其耐磨性也就有保证。中镍离心辊辊身工作层硬度是参照以往用于中轧的中镍球常法辊辊身硬。经过不断试验和改进之后,认为用于中轧的中镍离心辊其辊身硬度控制在5865HSD比较理想。在离心铸造工艺稳定的情况下,辊身硬度主要取决于离心轧辊外层的化学成分。为了使辊身硬度达到58~65HSD的技术要求,在首先确定C、Ni、Mo含量的础上,主要调整Si、Cr含量,使其辊身硬度达标。用于中轧的中镍离心辊,工作层的基体组织为细珠光体,含C量高低对其辊身硬度影响很大。根据经验,当C、Ni、Mo按设计要求含量的情况下,调整Si、Cr的含量是调整辊身硬度的主要手段。经过不断改进,为了使辊身硬度达到58~65HSD,认为中轧用离心辊工作层比较理想的化学成分见表3


表3 中轧用离心辊工作层化学成分

材质

化学成分

C

Si

Mn

P

S

Cr

Mo

Ni

Mg

中镍球离心

3.10-3.40

1.50-1.80

0.50-0.80

<0.20

<0.03

0.40-0.70

0.30-0.40

1.40-1.80

>0.03

中镍无限离心

3.00-3.30

1.80-1.10

0.50-0.80

<0.20

<0.05

0.80-1.10

0.30-0.40

1.40-1.80



4.提高工作层的强度和耐热性避免工作层早期裂纹

  为了提高中镍无限离心辊工作层的强度和耐热性,避免在轧制过程中产生早期裂纹和掉块,除了适当降低含C量(C<3.3%)外,在外层铁液出炉时增加孕育硅铁加入量,提高工作层的强度.外层铁液孕育硅铁加入量由原来的0.20%提高到0.30%。孕育硅铁加入量增加之后,离心辊工作层的石墨数量增多,石墨变小,这对于提高工作层的强度和耐热性十分有利。

  5.离心辊外层厚度要达标确保轧辊的使用次数

  棒材、线材等中轧机组用中轧辊,辊身开槽一般较深,因此,用户爱求中轧离心辊工作层较深,以满足轧制工艺要求。国际规定:离心辊外层厚度应等于工作层厚度+5mm以上,以保证轧辊的使用次数和轧制量。外加5mm以上厚度的理由是:保证最后一次开槽时,槽底部分仍有一定的硬度、强度和耐磨性,避免因槽底部分工作层太薄而引起裂纹和掉块。为了保证外层厚度达标:①离心轧辊工艺设计时应按外层厚度=工作层厚度+5mm以上编制工艺卡;②轧辊工艺设计时应考虑填芯铁液浇注后,一般被熔化厚度为10~15mm.中轧辊取15mm;③严格控制外层停转内壁温度与填芯铁液浇注温度。外层停转温度过高,填芯铁液温度过高,均会使外层展厚度减小;相反,外层厚度会增大。对于中小型离心轧辊而言,外层停转内壁温度控制在1090~1100℃。填芯铁液浇注温度根据辊身直径而定(表2)。

  6.提高轧辊中心强度防止断辊

  过去中轧辊采用常法浇注时,因其强度相对较低,断辊时有发生,为此,中镍离心辊的内层采用高强度球铁,可以有效防止断辊。离心辊填芯铁液的球化剂采用稀土镁硅铁合金FeSiMg8RE5),加入量为1.80%~2.50%.孕育剂采用硅铁(FeSi75)。为了提高孕育效果,填芯铁液进行二次孕育,即填芯铁液球化后加硅铁进行第一次孕育硅铁加入量为0.40%~0.80%,填芯铁液浇注时进行第二次孕育(随流孕育),硅铁加入量为0.15%~O.25%。填芯铁液经过二次孕育处理之后,离心辊的辊颈抗拉强度可以达到500~650MPa。这种高强度的中轧离心辊自推广应用之后,断辊事故极少发生。

  7.中轧用离心辊必须进行热处理;减少辊身 裂纹和掉块

  采用离心复合浇注的轧辊,轧辊的铸造应力较大。中轧用离心辊虽然基体组织为细珠光体,但在轧辊粗加工后也必须进行热处理,消除铸造应力,否则离心轧辊在轧制时容易产生裂纹和掉块。实践证明,中镍离心辊热处理虽然不会改变组织,但能有效消除应力,这对于减少工作层的裂纹和掉块,以及提高轧辊的中心强度都是十分有效的。

四、中镍球常法辊与中镍离心辊成本比较

  1.中镍球常法辊与中镍球离心辊成本比较

  根据杭州中强轧辊有限公司铸造车间统汁,2007年全年中镍离心辊与中镍球常法辊铸造毛坯轧辊车间成本见表4。

表4 中镍球离心辊与中镍球常法辊

铸造毛坯轧辊车间成本比较

中镍球离心辊

中镍球常法辊

产量(t

车间成本(元/t

产量(t

车间成本(元/t

1746.58

5140.89

151.09

7630.79


  从表4中可以看出,在同期生产的两种轧辊,其钢铁料和铁合金价格完全相同的情况下,每吨中镍球离心辊毛坯轧辊车间成本比中镍球常法辊降低2489.90元(成本下降32.63%)。按全年生产中镍球离心辊1746.58t计算,全年可降低车间成本435万元,经济效益显著。

  2.中镍无限离心辊与中镍球离心辊成本比较

  2008年全年中镍球无限离心辊与中镍球离心辊铸造毛坯轧辊车间成本见表5。


表5 中镍无限离心辊与中镍球离心辊

   铸造毛坯轧辊车间成本比较

中镍无限离心辊

中镍球离心辊

产量(t

车间成本(元/t

产量(t

车间成本(元/t

2056.56

5462.48

530.71

5711.37


  从表5中可以看出,在同期生产两种离心辊,其钢铁料和铁合金价格完全相同的情况下,每吨中镍无限离心辊毛坯轧辊车间成本比中镍球离心辊降低248.89元。按全年生产中镍无限离心辊2056.56t计算,全年可降低车间成本51万元。

五、中镍球常法辊与中镍离心辊物理性能和金相组织比较

  小镍球常法辊、中镍球离心辊和中镍无限离心辊,其禽Ni量均为1.00%~2.00%,含Mo量均为0.20%~0.60%,同属一个档次产品,但由于制造工艺不同,轧辊的物理性能和金相组织有较大差异,因而,轧辊的使用寿命也有所不同。辊身硬度、辊颈抗拉强度、金相组织比较见表6。

  用于中轧机组的中镍球常法辊,由于抗拉强度相对较低,因此,在使用中断辊事故时有发生,而改用中镍离心辊和中镍无限离心辊之后,由于辊颈抗拉强度大幅度提高,自2007年以来因轧辊质量问题引起的断辊事故基本为零。此外,中镍球常法辊辊身硬度落差为1.60HSD/lOmm,中镍无限离心辊辊身硬度落差为0.57HSD/10mm。离心辊工作层基体组织较细,以及工作层的硬度落差很小,因此,中镍离心辊的耐磨性比中镍球常法辊有所提高。


表6 中镍球常法辊和中镍离心辊物理性能和金相组织

类别

中镍球常法辊

中镍球离心辊

中镍无限离心辊

辊身硬度

(HSD

55~67

58~68

58~65

辊颈平均

抗拉强度

(MPa)

449

599

569

辊身金

相组织

珠光体+莱氏体+渗碳体+少量球状石墨

珠光体+莱氏体+渗碳体+少量球状石墨

珠光体+莱氏体+渗碳体+少量球状石墨

辊颈金

相组织

珠光体+渗碳体+球状石墨

珠光体+牛眼状铁素体+球状石墨

珠光体+牛眼状铁素体+球状石墨


六、结论    

   (1)在中轧机组上用中镍离心辊替代中镍球常法辊获得成功。离心辊内层有高强度的保证,离心辊外层硬度可调范围大,完全可以满足棒材,线材、板带等轧机中轧机组轧辊对强度、硬度、耐磨性、耐热性的各项技术要求。

  (2)中镍球离心辊和中镍无限离心辊在中轧机组上应用均获得成功,两者均具有不同的优缺点,可以根据不同的需要进行合理选用。

  (3)由于中镍离心辊的辊颈抗拉强度大幅度提高(比中镍球常法辊高出150MPa左右),近3年来中轧辊因质量问题引起的断辊事故基本为零。

  (4)确保离心辊外层厚度的3个要素:外层停转内壁温度、填芯铁液浇注温度、外层停转至填芯开始的间隔时间。