轧辊的材质

15m宽厚板轧辊材质的选择和使用管理（钢板生产工艺培训班的培训内容：轧辊部分。授课人：杜希恩）由于5m宽厚板轧机轧辊消耗较大，按目前国内平均吨钢轧辊消耗0.8Kg/吨（宽厚板单机生产可能超过1Kg/吨）来计算，每年宽厚板的轧辊消耗将达到1200吨以上，轧辊消耗费用达6000余万元。轧辊作为一种长期反复使用在恶劣环境下工作的轧钢工具，其正常的磨损消耗只是经济损失的一部分。而由于材质选择不当、使用和维护不当等原因造成的轧辊事故，常常造成更多的相关损失和间接损失。例如事故的同时往往有可能使配对辊或支撑辊受损、轧废、轧机和配套设备的损坏、非计划换辊停机、事故处理影响时间和成本、合同不能兑现等损失。因此，深入研究轧辊材质的选择、轧辊使用和维护技术，以进一步提高板材表面质量，降低轧机故障率，降低轧辊消耗，已经成为我们亟待解决的课题。一、轧辊材质的选择轧辊按制造材料主要分为：铸钢系列轧辊、铸铁系列轧辊、锻造系列轧辊三大类别。铸钢轧辊有碳素铸钢轧辊、合金铸钢轧辊、半钢轧辊、石墨钢轧辊、高铬钢轧辊、复合铸钢轧辊、高速钢轧辊、半高速钢轧辊等。铸铁轧辊有冷硬铸铁轧辊、无限冷硬铸铁轧辊、球墨铸铁轧辊、高铬铸铁轧辊四大类。锻钢轧辊主要有：热作模具钢类、铬轴承钢类、冷轧模具钢类、高速钢和半高速钢类、锻造半钢和锻造白口铁类等。轧辊材质的选择是一个比较复杂的工程，要综合考虑轧机的特点、轧辊的工作条件、各类轧辊材质特性、辊型设计等因素。因此，要根据5M宽厚板轧机特点，轧制坯料和产品的种类规格，轧制节奏、产量，轧制温度、轧制速度、轧制力、压下量、换辊周期、磨削制度等轧机和轧辊工作的基本条件的基本情况，得出本机架对轧辊的性能要求，根据各类轧辊所具有性能特点，考虑本机架轧辊设计要求或目前使用的轧辊主要失效形式以及用户急需解决的问题等因素，最终确定适合本机架的轧辊材质、技术性能指标等。1、5m宽厚板轧机轧辊材质的选择5m宽厚板轧机为四辊可逆式单机架轧机，粗轧和精轧都在同一机架上完成。工作辊材质的选择要考虑以下几个方面：（1）板坯厚度大，轧辊必须具有较好的咬入性。（2）板坯温度高，轧制速度较慢，轧件和轧辊接触时间较长。轧辊必须具有较好的抗热裂性、抗热疲劳性。（3）工作辊直径大（Φ1210/1110mm）、辊身长度大（5050mm），承受的轧制力高，主电机带动工作辊传动。要求轧辊有较高的抗断裂性，轧辊辊身和辊颈必须有较高的强度。（4）高的轧制温度也要求轧辊具有高温耐磨性。（5）由于粗轧和精轧在同一机架完成，所以既要考虑到粗轧时轧件厚度大，宽度小，轧辊所受冲击大，轧辊使用面积少，轧件与轧辊间易出现打滑等。也要考虑精轧时，轧件宽而长，轧辊使用面积大。同时，单机架四辊轧机，在轧制低合金专用钢和高强度品种钢时，要采用控制轧制和控制冷却技术，通常进行交叉轧制，轧制温度低，轧制力大。要求轧辊具有耐磨性好、抗热裂性好、耐表面粗糙能力好、强度高、对热的敏感低等性能。传统的四辊精轧机，往往是前面有一架粗轧机（二辊、三辊或四辊）。粗轧用四辊轧机2工作辊通常采用高镍铬无限冷硬铸铁轧辊。近年来，开始使用高铬铸铁轧辊，这种轧辊组织中碳化物含量较高，摩擦系数小，硬度高，耐磨性能优良。但对热的影响十分敏感，易打滑，而且出现卡钢等事故时形成的热裂纹较深。而精轧机轧辊工作条件相对较好，热影响及机械冲击也小，选择材质时主要考虑耐磨性和耐表面粗糙能力,保证钢板表面质量。5m宽厚板四辊轧机的粗轧和精轧都是同样的轧辊来完成。经过多年的实践，同时考虑到其他新开发新品种如高速钢轧辊等价格昂贵等因素，5m宽厚板轧机的工作辊采用高镍铬无限冷硬铸铁轧辊。这种轧辊多采用立式离心复合铸造而成。由于外层镍、铬、钼等合金元素的作用，珠光体转变推迟，因而铸态下的组织为贝氏体+马氏体残奥+碳化物+短片状石墨。经过热处理后的组织为贝氏体+少量马氏体残奥+碳化物+短片状石墨。轧辊心部组织为贝氏体+片状石墨或珠光体+少量碳化物（+牛眼状铁素体）+团球状石墨。其典型成分范围如表：高镍铬无限冷硬铸铁轧辊典型成分范围：%CSiMnCrNiMo2.8～3.50.6～1.20.4～1.21.4～2.03.0～4.50.2～0.8其主要性能特点：a、基体组织控制为贝氏体，强度高，韧性好。b、耐磨质点碳化物虽仍是M3C型，但（Fe.Cr）3C型增多，硬度高，耐磨性好。c、基体组织中含有一定量的石墨，导热性好，抗热烈性高，石墨的自润滑作用可以保证轧材表面质量防止粘辊。d、外层中自外向里石墨含量逐渐增多，工作层内存在一定的硬度降落。e、心部采用灰口铸铁，韧性高，或采用球墨铸铁，强度高。基于轧制力不断增加的趋势，目前，高镍铬铸铁复合轧辊的心部主要采用高强度球墨铸铁。5M宽厚板工作辊选用的材质：镍铬钼无限冷硬离心复合铸铁轧辊，工作层为高镍铬钼无限冷硬铸铁，芯部为球墨铸铁。工作辊牌号：ASIII机架辊身硬度辊颈硬度工作层厚度(mm)基本尺寸(mm)厚板轧机68/74HSC35-40HSC≥60（半径方向）1210/1110×5050×9720轧辊表面硬度均匀性：±2HSC到报废辊径时硬度落差：≤5HSC残余奥氏体量：10%化学成分双方确认的轧辊化学成分见下表：(%)CSiMnPSCrMoNi辊身3.0/3.50.8/1.50.5/1.5≤0.20≤0.081.0/2.00.3/0.83.0/4.5芯部2.6/3.61.6/2.60.15/0.8≤0.08≤0.012注：轧辊的化学成分仅供参考，不作验收依据，但应保证轧辊的机械性能要求。机械性能3轧制吨位在正常使用和维护的情况下，每对轧辊使用到报废尺寸，直径上平均毫米轧制量为4500~6500吨/毫米。随着轧辊制造技术的发展，在高镍铬无限冷硬轧辊的基础上，改进型高镍铬无限冷硬轧辊已经被开发并且逐步应用到少数轧机上，且评价良好，被认为耐磨性和抗事故性兼优。5m宽厚板轧机轧辊今后将考虑引用。支撑辊材质的选择应考虑以下因素：（1）辊身直径大（2300/2100mm），长度大（4900mm），承受的轧制力高（max﹒10000KN），要求轧辊具有较高的抗断裂性，轧辊辊身和辊颈具有较高的强度。（2）轧辊工作层材质具有较好的抗接触疲劳性能，以防止使用中因局部过度接触所引起的辊面小剥落产生，或由于接触加工硬化在硬化层下产生疲劳裂纹，引起剥落。（3）轧辊应具有足够的耐磨性，避免使用中过早出现磨损不均匀，即轧辊中部磨损大、边部磨损小、轧制力集中在轧辊边部，造成边部剥落。目前，中厚板轧机支撑辊的选择主要有锻钢、复合铸钢和镶套组合支撑辊。其中前两种使用较多。5m宽厚板轧机的支撑辊可选用Cr2、Cr3、Cr4、Cr5系列的复合铸钢支撑辊。目前5m宽厚板选择的是铬钼锻钢。其化学成分：C:0.7—1.0,Si:Max0.50,Mn:Max1.60,Cr:0.9—1.60,Mo:0.3—0.60,S、P不大于0.025辊身硬度：40—50HSC，辊颈硬度：37—47HSC，工作层厚度：≥95mm，基本尺寸：2300/2110×4900×10930mm复合铸钢支撑辊的典型成分范围%材质CSiMnCrNiMoVCr2复合铸钢0.6～1.00.3～0.81.4～2.41.4～2.40.4～1.50.2～0.6Cr3、Cr4Cr5复合铸钢0.3～0.80.3～0.80.4～0.82.0～5.00.4～1.50.4～1.0≤0.6复合铸钢支撑辊的组织特点：复合铸钢支撑辊外层材质从铬锰钼系列发展到目前的3%~5%铬钼系列，硬度在HS55~70之间。随着外层铬等合金元素含量的提高，支撑辊的显微组织也发生变化，Cr2、Cr3系列基轧辊名称工作层辊颈+芯部屈服强度（MPa）420-620360-480抗拉强度（MPa）420-620400-650延伸率（%）小于12-12弹性模量（kN/mm2）160-180160-180疲劳强度（MPa）约200约180导热系数(50℃,m2/s)5.07e-610.77e-6热膨胀系数（10/℃）----4体以回火索氏体为主，Cr4系列是回火屈氏体加少量马氏体；Cr5系列则以回火马氏体为主加少量贝氏体，与之相对应显微组织中基体显微硬度得到明显提高，因而使支撑辊具有很好的耐磨性、抗接触疲劳性能和高的抗剥落能力。心部材质选择低合金中碳钢，具有较高的屈服强度和韧性。其性能特点：（1）辊身外层材料与心部及辊颈的韧性材料是用冶金熔接的方式结合成一体的，使支撑辊工作层具有很高的耐磨性、耐裂纹产生和扩展，同时具有良好的抗断裂性能。（2）内部应力状态合理。由于支撑辊直径大、硬度要求高，在制造过程中就会产生很高的残余应力。复合支撑辊可选择韧性良好的低合金中碳钢做心部材料，降低了支撑辊热处理产生的内部残余应力级别，一般辊身残余应力可控制在-200~300MPa。（3）工作层硬度降落小，复合支撑辊采用整体加热和淬火，工作层内奥氏体化温差小、冷却速度均匀，使支撑辊在长期运行中磨损均匀，能保持良好的辊形。（4）凝固状态好。外层和心部材料分别浇注，轧辊有效结晶直径减小，使心部成分偏析小，降低了中心缩孔倾向。（5）复合铸钢较锻钢支撑辊制造周期短、成本低，因此具有很强的实用性。立辊轧机的立辊材质的选择：5m宽厚板立辊轧机的主要性能参数：最大轧制力为5000KN；轧制速度最大7.3m/s；轧辊尺寸为Φ1000/900×600mm；主电机为2×AC1200KW×305/720r/min，输出力矩最大450KN·m；立辊轧机通过给予钢板大的侧压量，达到调整钢板宽度的目的。轧辊接触的钢坯温度也较高。因此，轧辊必须具有良好的抗热裂性能，同时也要有较高的硬度和耐模性。工艺要求其表面硬度达到HS45—50。宜采用强韧性良好的合金铸钢或锻钢轧辊。合金铸钢轧辊的组织特点：合金铸钢轧辊是一种成分在共析钢及过共析钢范围，合金含量大于0.8%的铸钢轧辊，其碳含量一般在0.4—1.3之间，并含有铬、镍、钼、钒等合金元素，其基体组织通过正火+回火热处理过程，一般控制为索氏体及回火索氏体。典型材质如：60CrMnMo、65CrNiMo、70Mn2Mo、75CrMo、75NiMo等。合金铸钢轧辊的基本组织以珠光体类型为主，含有少量的碳化物，硬度范围在HS35—50，由于基体中含有少量二次碳化物，因此较碳素钢轧辊耐磨性大有提高。同时由于消除了基体中的块状条状铁素体，所以轧辊的冲击韧性得到提高。合金铸钢轧辊的性能特点是强度高、韧性好，具有很好的咬入性、抗热裂性和抗冲击能力。5m宽厚板立轧机选用的立轧辊材质为：半钢立轧辊的规格及材质名称材质轧辊规格(mm)牌号重量（KG）立辊半钢Ф11501000/900X600ZuB165CrNiMo8854(图纸重量)立辊的化学成分，%5名称材质牌号化学成分CSiMnPSNiCrMo立轧辊半钢ZuB165CrNiMo1.55～1.750.30～0.600.70～1.100.0350.0300.60～1.501.00～1.500.20～0.80二、轧辊的使用和管理1、轧辊使用技术简介：轧辊的使用技术是指各相关部门为保障轧机作业率、提高轧材质量和降低使用成本所运用的科学管理方法和技能的总称。该技术是轧钢技术和轧辊制造技术的延伸和补充，又是轧辊测量技术、轧辊机械加工技术、轧辊表面处理技术、生产运行管理科学等许多相关交叉领域的实用性技术。其特点有：以服务轧机提高轧材质量为核心；检测量化数据为基础；预见性为特征，柔性化管理和持续改进为特色；轧辊制造、使用、维护三位一体的合作性、互补性、促进性是该技术的平台；各部门无边界合作；轧辊管理工程技术人员具备更高素质等。2、轧辊使用技术的主要作用：提高轧机效能：通过监控使用过程中和待机周转轧辊的实物质量，减少轧辊在机事故率、减少非计划换辊率，保证各种轧钢新工艺的实施，科学使用延长换辊周期，发挥轧机的最大效能。保证钢板质量：通过轧辊使用过程的辊面质量稳定监控技术、最佳辊形控制技术、控制均匀磨损技术、辊面强化技术等，辅助轧制控制系统轧制出形状、表面质量、性能合格的钢板。降低轧辊使用成本：轧辊使用技术通过从轧辊