冶金工業高速鋼軋輥研究現狀

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1前言

現代鋼鐵工業誕生于19世紀中葉,一個半世紀以來,鋼鐵工業得到了很大發展,尤其是20世紀80年代以來,鋼鐵工業進入了全盛的發展時期。各國鋼鐵工業界在生產中開發并應用了一系列新技術、新工藝、新設備、新材料,使之形成鋼鐵生產的最佳工藝流程,實現了高效、低耗、高精度、連續化、智能化、清潔化生產。大量高技術含量、高附加值的“雙高”鋼鐵產品不斷地被研制出來,滿足了各國國民經濟發展的需要。由于鋼鐵材料具有生產規模龐大、價格低廉、性能可靠、易于加工、使用方便、便于回收等優點,是人類生產和生活的基本材料,也是重要的戰略物資。從材料的生產、加工、價格、應用和社會作用等方面綜合評估,目前還沒有任何材料能夠全面取代鋼鐵材料,因此在可預見的未來鋼鐵仍是主要的金屬材料。

2冶金工業的發展現狀

2.1鋼鐵生產工藝流程逐步優化

20世紀90年代以來,世界鋼鐵工業在激烈的國際市場競爭中,由20世紀80年代以前的以擴大規模、增加產量為主轉向降低消耗、降低成本、提高質量、增加品種和保護環境。鋼鐵工業技術進步的主流是縮短生產流程,減少工序,提高質量,降低消耗,提高效率。技術進步中有兩大主要趨向:一是尋找可以替代傳統工藝的新工藝流程的研究開發;二是現有工藝和技術裝備的完善化。兩大技術進步趨向互相競爭、相互滲透,促使鋼鐵工業不斷提高鋼材質量、減少消耗、降低成本、減輕對環境的污染,進一步走向集約化。傳統的鋼鐵生產工藝流程是一種“冷態”下間歇式生產的工藝流程。日本在20世紀60年代建設的10多個大型鋼鐵廠都是采用這種工藝流程。20世紀80年代以后,世界鋼鐵業已逐步將上述傳統的鋼鐵生產工藝流程改造成為現代化“熱態”連續生產工藝流程。這種工藝流程具有高效、連續、緊湊、智能等特點。20世紀80年代末期,德國、法國、日本、意大利、美國等鋼鐵工業發達國家開發成功接近最終鋼材產品形狀的連鑄、連軋技術,如帶鋼、型鋼的連鑄連軋等。由于該技術具有工藝流程緊湊、生產周期短、物料消耗少、生產效率高等一系列優點,在近十多年來得到了快速發展。自從1989年世界第一條薄板坯連鑄連軋生產線在美國紐柯公司克勞福茲維爾廠投產以來,經過10多年發展,到2002年底,世界上已有38個薄板坯連鑄連軋生產廠共56條生產線,總生產能力已超過5500萬噸[1]。我國現已有5個鋼鐵企業建成8條薄板坯連鑄連軋生產線,到目前為止又有5個鋼鐵企業正在建設厚板坯連鑄連軋生產線,不久的將來總生產能力將達2000萬噸,預計屆時將占全世界同類生產線能力的1/4以上。2001年我國連鑄比達到89.71%,已經超過了2000年的世界平均水平。2003年達到了96.96%[2],目前,全國重點大中型企業中,連鑄比達到99%以上的企業已達41家。帶鋼連鑄連軋技術是世界主要鋼鐵生產國家正在積極開發應用的一項重大鋼鐵生產前沿技術,它將是21世紀鋼鐵生產技術的一個主要發展方向。

2.2鋼鐵產量不斷增長

冶金行業的發展受到國內與國際宏觀經濟環境的共同影響。國內方面,國家采取的宏觀調控措施初見成效,鋼鐵行業投資規模過大,低水平重復建設得到遏制,有效打擊了“地條鋼”等劣質產品沖擊鋼材市場的行為,進一步凈化了市場,鋼鐵生產企業對市場更加理性化。消費結構的升級和城鎮化速度加快為鋼鐵行業發展提供了基本的保障;西部大開發和振興東北老工業基地的戰略也為鋼鐵行業提供了新的發展機會。國際方面,世界經濟仍保持總體向好的發展態勢,全球鋼鐵需求持續增長。國內外市場的持續高需求,為鋼鐵高增長提供了廣闊的市場空間。據國際鋼鐵協會的統計,2004年,全世界65個從事鋼鐵生產的國家和地區,總計粗鋼產量達到10.35億噸,這也是有史以來,全世界鋼產量首次突破10億噸大關。2003年我國鋼產量首次突破2億噸,達2.223億噸,連續八年居世界第一位,這也是人類歷史上單個經濟體鋼鐵產量首次突破2億噸。2004年我國鋼產量達到了2.728億噸,人均產鋼量為210kg,超過世界平均水平50kg。2005年鋼產量增幅達到26.46%,是近五年來增幅最高的一年。全年產鋼量達到3.494億噸,占世界鋼鐵產量的1/3,這一比例比1996年高出20%[3]。

3冶金工業對軋輥的需求

鋼鐵工業的持續發展,為軋輥制造業提供了廣闊的發展空間。一方面,隨著鋼產量的不斷增加,軋輥需求量大幅增長。僅就國內而言,據統計,每年消耗的軋輥材料有50萬噸以上,價值數十億元[5]。另一方面,隨著軋鋼技術和裝備水平的不斷提高,對軋輥的質量也提出了更高的要求。而國內軋輥生產廠家的制造水平還較落后。僅以寶鋼為例,2000年,寶鋼用于軋輥的采購資金超過2億元,其中國內的只占30%,國外的占70%。因此,不斷研究新型軋輥材質及制造工藝,為軋機配備高性能的軋輥已成為國內軋輥生產行業面臨的重要課題。

4軋輥材料的研究現狀

為提高熱軋輥的表面耐磨性,熱軋輥材料不斷地得到改進,其基本的發展過程是從冷硬鑄鐵到高鉻鑄鐵到半高速鋼和高速鋼。高速鋼材料用于軋輥制造,使軋輥性能顯著提高,軋材質量明顯改善。

4.1高速鋼軋輥的特點

高速鋼軋輥是用具有高硬度,尤其是具有很好的紅硬性、耐磨性和淬透性的高速鋼作為軋輥的工作層,用韌性滿足要求的高強度灰鐵、球鐵、鑄鋼及鍛鋼作為軋輥的芯部材料,把工作層和芯部以冶金結合的方式結合起來的高性能軋輥。

4.1.1高速鋼軋輥的化學成分特點

(1)含有較多的C和V。C和V可以形成高硬度的MC型碳化物,提高軋輥耐磨性;

(2)有較高的Cr含量。Cr含量高,可在軋輥組織中形成一定數量的M7C3型碳化物,有利于降低軋制力并改善軋輥輥面的抗粗糙性;

(3)含有一定量的Co(≤10%)。Co可提高高速鋼軋輥的紅硬性,從而提高軋輥耐磨性;

(4)離心鑄造高速鋼軋輥中含有≤5%的Nb。Nb可降低軋輥組織中因合金元素密度差大而引起的偏析。

4.1.2高速鋼軋輥的組織特點

高速鋼軋輥的性能取決于其微觀組織結構特征:(1)碳化物的種類、形狀、體積分數及分布;(2)馬氏體基體的性能特點;(3)晶粒尺寸大小。軋輥用高速鋼材料的微觀組織結構與合金成分及工藝條件有關。因材料成分和工藝條件的不同,出現了各種不同的研究結果。同以往的高鉻鑄鐵軋輥相比,高速鋼軋輥中的碳化物類型較多,除含有MC型碳化物外,還含有M2C、M6C和M7C3型碳化物[6]。表1為幾種碳化物的形態、硬度及使用性能的比較。

4.2高速鋼軋輥的生產工藝及其特點

圍繞著軋輥外層與芯部的結合問題,高速鋼軋輥的制造技術不斷發展。目前國外主要采用離心鑄造法(CF)、連續澆鑄復合法(CPC)和電渣熔鑄法(ESR)制造,而熱等靜壓法(HIP)和噴射成形法(Osprey)仍在完善和發展中。CPC法制造軋輥裝備復雜,我國仍無法生產;ESR法制造軋輥能耗高,僅適合于制造冷軋輥;用離心鑄造法生產軋輥裝備簡單,工藝穩定,效率高,是制造高速鋼軋輥的重要方法。離心鑄造法生產高速鋼軋輥盡管存在著合金元素容易產生偏析的問題,但由于其突出的優點,使它在相當長一段時間內仍處于高速鋼軋輥生產的主導地位。上述幾種高速鋼軋輥生產工藝的技術經濟指標各不相同,其比較情況見表2。

4.3變質處理高速鋼軋輥的研究現狀

在普通離心鑄造條件下,高速鋼軋輥中合金元素偏析嚴重,外層V含量低,而W、Mo含量高,內層正好相反。為減少離心鑄造法生產高速鋼軋輥時合金元素的偏析,研究人員分析了產生偏析的原因。認為主要是VC與金屬液的密度相差較大,致使一次結晶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型碳化物的密度與鋼水密度接近,減少VC型碳化物的量,可有效地控制離心鑄造高速鋼軋輥時碳化物的偏析,提高軋輥的耐磨性。但含Nb高速鋼軋輥的成本高,組織中缺少高硬度的W碳化物,耐磨性不如含W高速鋼軋輥好。另外,采用變質處理可以顯著改善軋輥中碳化物的形態和分布,提高軋輥的性能。劉海峰等人[10]利用富鈰混合稀土+鈦鐵對高碳高速鋼進行了復合變質處理和耐磨性實驗研究。復合變質處理后,在試樣組織中存在著大量尺寸細小且呈彌散分布的顆粒狀MC型碳化物,同時分布在晶界上的M6C型碳化物明顯減少。與高鉻鑄鐵進行的耐磨性對比實驗表明,其耐磨性是高鉻鑄鐵的7.64倍。宋延沛等人[11]的研究結果表明,變質處理可以細化晶粒、改善碳化物的形態和分布。變質處理后,單位面積內的晶粒數由1200增加到1600;碳化物形態也由變質前的以針片狀和連續網狀分布于晶界變為不連續網狀和顆粒狀。同時,變質處理后,在硬度基本不變的情況下,沖擊韌性提高了73.6%。近來研究發現,堿金屬K/Na[12~14]在改善Fe-C合金微結構和性能方面效果明顯。但由于K/Na易氧化、沸點低、密度小,很難直接加入到鑄造合金中。山東大學的YichuanPan等人[15]利用SG變質劑(成分為Fe-15K/Na-10Si-2C),對成分為(質量分數,%)2.0Fe,5.0C,9.0V,2.5Cr,2.0Mo,1.0W,0.9Si,Mn的高速鋼軋輥材料進行了變質處理。結果表明,不加變質劑的組織中存在著粗大的M7C3、M2C及纖細的MC碳化物,并呈連續網狀沿晶界分布。當SG變質劑的加入量增加到0.15%(質量分數)時,碳化物的形態、尺寸和分布發生了很大的變化。碳化物均被凈化,均勻分布在組織中,網狀結構消失。

4.4高速鋼軋輥的應用

自20世紀80年代以來,國外在熱帶鋼連軋機上開始試用高速鋼軋輥并取得良好效果。目前高速鋼軋輥的比例不斷提高,在某些機架上,甚至全部采用了高速鋼軋輥。使用高速鋼軋輥后,輥耗明顯下降,換輥次數顯著減少,軋輥研磨量減少,軋機能力提高,燃料和動力消耗降低,有助于降低軋制成本和提高帶鋼質量。加拿大Dofasco公司自1993年試用鑄造高速鋼軋輥以來,比例不斷提高,目前F2、F3和F4機架上已全部采用鑄造高速鋼軋輥,F4機架的平均過鋼量從1992年6月的360t/h提高到1994年11月的490t/h,帶鋼表面質量也提高20%。近年來我國也開展了鑄造高速鋼軋輥的研究,北京冶金設備研究院采用普通離心鑄造方法生產了高速鋼輥環,其成分(質量分數,%)為:2.0~2.4C,8~15W,2~3Mo,4~7V,3~5Co;金相組織為:馬氏體+共晶碳化物+二次碳化物+殘余奧氏體;力學性能為:硬度60~65HRC,沖擊韌性(5~10)J/cm,抗拉強度(400~600)MPa。國產高速鋼輥環于1998年2~3月在酒鋼二軋鋼廠線材軋機預精軋機架使用,使用效果見表3。河北唐山聯強冶金軋輥有限公司也生產鑄造高速鋼復合軋輥,在兩輥熱軋窄帶鋼成品機架上使用,軋制厚2.1mm、寬120mm~183mm普碳鋼時,與高鎳鉻鉬鑄鐵軋輥相比,每次軋制量分別為470t和160t,每次修磨量分別為0.5mm和2.0mm,使用次數分別為50次和13次,每對軋輥軋制量分別為23500t和2080t,輥耗分別為0.11kg/噸鋼和1.3kg/噸鋼。

4.5高速鋼軋輥研究的主要方向

高速鋼軋輥因具有良好的力學性能,目前已廣泛應用于熱軋和冷軋生產中,并取得了較好的經濟效益。但與國外先進水平相比,我國在高速鋼軋輥的研究和應用方面,還存在著較大的差距。為此,我們應加強以下幾方面的研究。

(1)加強高速鋼軋輥熱處理工藝的研究

為提高高速鋼軋輥的使用性能,要將高速鋼復合軋輥表面工作層加熱到較高的溫度(1150℃以上)進行熱處理。如此高的溫度對芯部材料的組織和性能不利,甚至會使芯部熔化。這就需要采用適當的熱處理工藝,以兼顧工作層和芯部的性能。國外開發出了差溫熱處理工藝,但未對工藝作詳細報道,我國應結合具體的成分和工藝條件,加強熱處理工藝的系統研究,不斷提高軋輥性能。

(2)加強高速鋼軋輥使用特性的研究

盡管高速鋼軋輥具有良好的耐磨性和耐熱疲勞性能,但如果使用不當,也會出現裂紋、剝落等缺陷。因此,應根據實際軋制條件確定合適的水壓力和水流量,并實現計算機的自動控制,以對軋輥進行良好的冷卻。防止軋輥表面氧化膜過度增厚,使氧化膜在高溫氧化氣氛下,具有良好的抗剝落性,防止造成表皮氧化膜脫落和軋輥表層剝落。同時,選用合適的軋制潤滑油和加入量,降低軋輥的摩擦系數和軋輥表面溫度,減少熱裂紋和軋輥表面的剪應力,改善軋輥表面狀況及輥面凸度控制,提高板形質量。

(3)加強高速鋼軋輥組織轉變規律的研究

由于高速鋼軋輥的生產成本高,不適于進行反復的工業性試驗。應利用計算機建立相關的模擬模型,進行軋輥用高速鋼材料的組織轉變規律研究,縮短軋輥的研制周期,為實際生產提供合理的工藝參數,以便于穩定化的工業生產。

(4)加強變質處理計算機控制技術的研究

影響變質處理效果的因素很多,除了與變質劑的種類、加入量、加入方法有關外,還與變質處理時鋼液的溫度、變質劑加入后鋼液的靜置時間及變質劑加入前的鋼液成分尤其是鋼液中的S、O含量密切相關。以往變質劑的加入多數是憑經驗、以手工操作的方式加入,致使高速鋼的變質效果穩定性差,為穩定和提高變質高速鋼的性能,應采用計算機技術對變質處理工藝進行自動控制。

5結語

隨著軋機向自動化、連續化、重型化方向發展,對軋輥的幾何尺寸、表面精度和力學性能提出了更高的要求。軋輥生產廠、研究機構和鋼鐵生產企業必須加強冶金軋輥材料的基礎性研究、軋輥生產技術的研究、軋輥工藝裝備的研究和軋輥使用技術的研究,不斷提高我國軋輥制造業和鋼鐵產品的國際競爭力。