冶金轧辊的分类及选材

冶金轧辊的分类及选材宫开令一、轧辊的分类二、轧辊材质的选择三、国内外对棒材连轧机轧辊选材上差距四、离心复合轧辊的诞生及发展一、轧辊的分类轧辊的种类很多，其分类方法也不统一，但一般习惯上按以下三种方法分类：A．按轧辊用途分类：1．初轧轧辊板坯初轧辊、方坯初轧辊（这两种轧辊随连铸比的增加而被取代）2．板带轧辊中厚板轧辊、薄板轧辊、热轧带钢轧辊、窄带钢轧辊、冷轧带钢轧辊3．型钢轧辊大型型钢轧辊、中小型型钢轧辊、棒材轧辊、线材轧辊、钢管轧辊B．按轧辊材质分类1．铸铁轧辊冷硬铸铁轧辊、无限冷硬铸铁轧辊、半冷硬铸铁轧辊、球墨铸铁轧辊、高铬铸铁轧辊2．铸钢轧辊合金铸钢轧辊、合金半钢轧辊、石墨钢轧辊、高铬钢轧辊、高速钢轧辊3．锻钢轧辊合金锻钢轧辊、高铬锻钢轧辊、锻造高速钢轧辊等4．特种轧辊碳化钨轧辊、陶瓷钢轧辊C．按轧辊重量分类：1．大型轧辊，重量大于10吨；2．中型轧辊，重量3-10吨；3．小型轧辊，重量小于3吨；二、轧辊材质的选择轧辊是轧钢生产过程中重要的消耗工具，它直接影响到轧材的尺寸精度和表面质量，由于每种轧机的轧制条件、轧材的品种和规格不同，因此，正确地设计轧辊特性和合理地选用轧辊材质是十分重要的。1、初轧机轧辊初轧机主要分为板坯轧机和方坯轧机，初轧机是以钢锭为坯料，而钢锭的铸态组织是粗大的树枝晶组织，极易产生偏析。为了消除铸造组织，都是控制较高的开轧温度和大的变形量，以便使粗大晶粒断开，同时，初轧机压下量大，轧制扭矩大。因此，轧辊的抗热裂纹性能和强度是初轧辊的关键。上个世纪50年代以前，国外初轧辊大多选用锻钢轧辊。后来，部分改用铸钢轧辊，这类轧辊虽然强度大，但存在的主要问题一方面是不耐磨；另一方面是抗热裂纹性差，常常由于产生环裂而断辊。在初轧机轧辊中，球墨铸铁轧辊的应用被认为是很有成效的一大创举。1958年，我国在世界上首先将球铁轧辊用于初轧机上，取得了满意的轧制效果，为球墨铸铁应用领域的扩大做出了卓有成效的贡献。以往使用的铸钢初轧辊硬度为27-35HSD，而改用合金球铁轧辊，硬度可达到43-48HSD，具有较好的耐磨性和抗热裂纹性能，但缺点是容易打滑。在强度方面，只要轧辊球化效果较好，而且经过很好的热处理，轧辊强度是足以保证的。2、中厚板轧辊中厚板轧机从结构型式上有二辊可逆式轧机、三辊劳特式轧机和四辊可逆式轧机；按机架数量有单机架、双机架和多机架的半连轧或全连轧。三辊劳特式轧机，除中辊是工作辊外，上下辊既是支承辊又是工作辊，要求轧辊不仅要具有良好的耐磨性和耐热性，而且还应具有良好的抗剥落性和抗折断性。因此轧辊应该采用低镍铬钼或中镍铬钼无限冷硬铸铁轧辊，辊身表面硬度为60-70HSD。四辊可逆式轧机是现代应用最广泛的中厚板轧机，它综合了二辊和三辊劳特式轧机的优点，既降低了轧制压力，又大大增强了轧机刚性。这种轧机对轧辊的选择几经变化，支承辊通常是采用铸钢辊，硬度为45-52HSD，粗轧机架工作辊开始采用合金无限冷硬铸铁轧辊，硬度为65-70HSD，而将高铬铸铁轧辊用于该机架是一大创举。精轧机架工作辊在50年代前后国外是采用全冲洗工艺生产的高合金无限冷硬铸铁轧辊，硬度为75-82HSD，这一材质一直延续到今天，只不过是石墨的形态和碳化物的状态有所改进，平整辊采用离心复合高合金无限冷硬铸铁轧辊，硬度为70-80HSD。3、叠轧薄板轧辊目前，叠轧薄板轧机在国际上已基本淘汰，但我国现阶段尚有几十台，该种轧机具有以下特点：1）不可逆周期式轧制，轧件的空跑时间较长。2）因轧件的厚度小而表面积大，故在轧制过程中散热快，再加上空跑时间长，使轧件温度很快下降到不适于继续轧制的程度，往往需中间回炉再加热。3）由于轧机弹性变形的限制，在产品厚度小于2毫米时，就必须进行多片叠轧，轧制厚度一般在0.28-4.0毫米之间。4）为了减少轧件在轧制过程中的冷却，一般轧辊不进行水冷，轧辊的工作温度为500-600℃。5）轧辊在安装和正常轧钢之前均需对轧辊进行预热和烫辊，轧辊预热温度为380-420℃6）轧机轧制压力大，一般达到900吨以上，最大压力可高达到1600吨。根据以上特点可见叠轧薄板轧机轧辊的工作条件是相当恶劣的。要求轧辊导热性能和抗剥落性能好，轧辊抗冲击和抗折断性能高。因此，这种轧辊通常选用合金含量低的CrMo无限冷硬球墨复合铸铁轧辊，硬度为57-63HSD，轧辊最易出现的问题是断辊和剥落。4、热轧带钢轧辊热轧带钢轧机分为半连轧、3/4连轧、全连轧和薄板连轧，仅有一架可逆式粗轧机和一组精轧机架所组成的叫做半连轧；具有数台粗轧机，其中有一台可逆式的称为3/4连轧；具有数台粗轧机和一组精轧机架的连轧机称为全连轧；坯料不是经初轧机开坯，而是由薄板连铸坯直接进入全连续轧机轧制称为薄板连轧。二辊式粗轧辊必须具有高的抗扭曲、抗弯曲强度和良好的抗热裂纹性能，因此大多使用整体浇注的，硬度为43-50HSD的合金铸钢轧辊或使用硬度为55-60HSD高强度合金球铁轧辊。近年来，国外一些国家采用外层为石墨钢的复合铸钢轧辊。获得了很好的使用效果。在3/4连轧和全连续轧机中，粗轧机架因为有支承辊，所以不用担心工作辊断辊问题，关键是轧辊的磨损、热裂问题。上个世纪60年代和70年代热轧带钢连轧机粗轧机架主要选用硬度为50-55HSD的镍铬钼无限冷硬复合铸铁轧辊或半钢轧辊。80年代，欧洲开始使用高铬复合铸铁轧辊，并取得迅速推广，轧辊的硬度也提到70-75HSD。90年代，半高速钢轧辊在热轧带钢连轧机粗轧机架上取得成功的应用，半高速钢轧辊具有以下优点：高的耐磨损性；良好的抗热裂纹性；较好的抗剥落性和咬入性。精轧机架由5-7架组成，通常称第1架为F1，第2架为F2等，精轧机架为四辊轧机，支承辊用于防止工作辊因轧制力而挠曲。支承辊一般选用硬度为40-50HSD的铸钢轧辊，也有的国家采用硬度为60-70HSD的锻钢轧辊。总之，支承辊材料的选择必须具有良好的疲劳强度和抗折断性，这是由于支承辊与工作辊接触的部位承受极大的压力，每个轧制周期都出现加工硬化，如果不能及时去除，将会导致剥落。精轧前段（F1-F3）工作辊八十年代也经历了一场变革，当采用厚板坯轧制时，出现了一种被称为粘辊的现象，黑色的氧化物会粘在工作辊表面，直到达到某一个临界厚度便开始脱落，这种脱落的氧化物由于轧辊辗压的结果将使带钢产生质量问题。为了解决这个问题，硬度为70-80HSD的高铬复合铸铁轧辊被用于精轧前段，取得了较好的使用效果。当然不是所有的轧机都能使用这种轧辊，如果冷却水不足或水质不好，将产生严重的剥落。当高铬复合铸铁轧辊尚未得到普遍采用时，高速钢轧辊在精轧前段却取得了很好的使用效果，使用寿命是高铬铸铁轧辊的3倍以上，现已基本完全取代了高铬铸铁轧辊。相同的轧机对轧辊的选用也不是千篇一律的，应根据具体的使用情况和轧机的作业条件来确定最适应的轧辊精轧后段（F4-F7）工作辊是在最后几个架次上使用，因此轧辊的硬度、耐磨性、抗热裂纹性和抗剥落性是主要的性能要求。基于这种特性要求，国内外几乎所有的热轧带钢连轧机精轧后段工作辊都选用高镍铬钼无限冷硬复合铸铁轧辊。其硬度范围为75-85HSD。这种轧辊最重要的特点是耐磨性极佳，从而确保带钢具有很高的尺寸精度和表面光洁度。然而随着材料的发展，轧辊研制者将高速钢材料用于轧辊的制造上取得了显著的效果，它不仅适用于精轧前段工作辊，而且还适用于精轧后段工作辊，每次的换辊周期比原来提高3-5倍，轧辊的硬度可达到80-90HSD。目前不仅是F1-F3架普遍采用高速钢轧辊，而且F4、F5架也全部采用高速钢轧辊。F6、F7架还是采用改进性高镍铬钼无限冷硬铸铁轧辊，硬度为78-83HSD。平整辊采用硬度为70-80HSD的离心复合金无限冷硬铸铁轧辊。5、热轧窄带钢轧辊通常人们把带宽小于500毫米的带钢称为窄带钢，窄带钢轧机的机架形式和布局与热带连轧机很相似，因此，在轧辊选用上也基本接近。粗轧机架通常选用硬度为40-50HSD的合金铸钢轧辊或硬度为45-55HSD的合金球墨铸铁轧辊。精轧机组前段采用硬度为60-70HSD的贝氏体球墨铸铁轧辊或中高合金无限冷硬铸铁轧辊；精轧后段采用硬度为75-85HSD的高合金无限冷硬铸铁轧辊或硬度为80-90HSD的高速钢轧辊。支承辊采用半钢轧辊较好。6、冷轧带钢轧辊冷轧带钢连轧机是由三到六架组成，它们是具有较大型支承辊的四辊轧机，工作辊的直径较小。冷轧时，采用乳化油，既润滑带钢也起到冷却作用。冷轧工作辊采用80-95HSD的锻钢辊，也有的轧机采用硬度为75-80HSD的高合金无限冷硬铸铁辊，优点是辊形易于控制，但缺点是由于石墨的原因，常使带钢表面产生污染。近年来，半高速钢轧辊和高铬锻钢轧辊用于冷轧工作辊又是一项很大的突破。7、大型型钢轧辊大型型钢轧机一般分为粗轧、中轧和精轧，所以根据机架不同，所选用的轧辊材质也应有所区别。粗轧机架轧辊通常加工有较深的孔槽，而且轧制温度高、轧制压力大，要求轧辊应具有较高的强度和耐热性，因此，国外大多数厂家采用铸造带槽的镍铬钼合金铸钢轧辊或石墨钢轧辊。近年来一些厂家为了提高轧材表面质量，已开始使用硬度为45-50HSD的合金半钢轧辊。只要改善了轧辊的冷却条件，在使用过程中辊温控制在60℃以下时，合金半钢轧辊达到了最佳的使用效果。用于中间机架的轧辊必须同时具备良好的抗热裂性和耐磨性，因此该机架轧辊一般选用硬度为50-60HSD的合金球墨铸铁轧辊或铸造带槽合金球墨铸铁轧辊。大型型钢精轧机架的轧制操作是保证实现按负公差轧制、减少允许偏差、提高大型型材尺寸精度的重要操作环节。因此，用于大型型钢轧机精轧机架的轧辊，应同时具有一定的强度和优良的耐磨性。因此，该轧辊基本上选用耐磨性好的珠光体球墨铸铁轧辊或高碳半钢轧辊。8、中、小型型钢轧辊中、小型型钢轧辊一般分为粗轧、中轧和精轧，其材质选择应根据轧机的类型、产品的规格和轧机的架次等具体条件来确定。粗轧机架一般孔槽较深，要求轧辊要具有较高的强度和耐热裂纹性。因此，大多数采用合金半钢轧辊或高强度合金球墨铸铁轧辊。中间机架轧辊在轧制过程中负荷较重，要求轧辊既要具有良好的抗热裂纹性，又要具有一定的耐磨性，因此，一般选用合金球墨铸铁轧辊或无限冷硬铸铁轧辊。精轧机架轧辊承受的轧制压力较小，一般不易产生断辊现象。但是，该机架是产品的成品架或成品前架，为了保证轧材的尺寸精度，确保轧机按负公差轧制，轧辊的耐磨性是首要问题。所以，精轧机架轧辊通常选用耐磨性较好的珠光体球墨铸铁轧辊、贝氏体球墨铸铁轧辊或镍铬钼无限冷硬铸铁轧辊，轧辊的硬度为65-75HSD。9、棒材轧辊棒材轧机是属于小型型钢轧机之列。据统计，截止到2003年底，我国相继引进和自制棒材连轧机118套，这些轧机产量高、轧制压力大，因而对轧辊的选用提出了更高的要求，特别是近年来引进的无头轧制技术，由于轧辊烘热时间久，轧材定尺长，因此对轧辊的要求不仅是耐磨性好、强度高，而且要具有更好的抗热裂纹性和强韧性。粗轧机架轧辊首先由于轧机轧制压力大、轧辊孔型深，大压下量而引起的高切断力必须使轧辊具有较高强度、不断辊；另一方面，由于该机架轧制速度慢、轧辊烘热时间长，因此必须保证具有良好的抗热裂纹性能和抗剥落性能；同时，轧辊还必须具有良好的耐磨性、抗冲击性及咬入性。很明显，其中一些性能是相互矛盾的。钢轧辊比球墨铸铁轧辊具有较好的咬入性，而且强度高，但其耐磨性和抗热裂纹性能却不如球墨铸铁轧辊。有的厂家粗轧机架采用半钢轧辊，尽管从强度和耐磨性方面可以满足轧机要求，但轧辊的热裂纹却非常严重。所以，目前大多数厂家粗轧机组第一架选用硬度为45-50HSD的铁素体球墨铸铁轧辊，其它机架选用硬度为50-55HSD的珠光体球墨铸铁轧辊。其实粗轧机组最理想的材质应该是无碳化物贝氏体轧辊（NCC轧辊），硬度为48-55HSD，该种轧辊由于组织中无网状碳化物存在，不仅耐磨性高，而且抗热裂纹扩展能力强，缺点就是价位高。中轧机架轧辊一方面具有较深的孔型和较大的轧制压力，所以轧辊的强度仍然是至关重要的；另一方面由于轧辊孔型尺寸较大，槽底的冷却不能充分进行，因此，轧辊的抗热裂纹性和冲击韧性仍然不可忽视。同