锻钢冷轧辊辊坯制造技术

１锻钢冷轧辊辊坯制造技术张洪奎,徐明华（宝山钢铁股份有限公司特殊钢分公司上海200940）摘要：本文阐述了锻钢冷轧辊的发展历程、锻钢冷轧辊对辊坯送技术要求、辊坯的制造技术及发展方向。辊坯制造通常采用电渣重熔技术、高温扩散处理技术、锻造变形的热加工技术及锻后正火处理、球化退火处理和扩氢处理技术。并指出微合金化技术是提高冷轧辊使用寿命的发展方向；开发电炉精炼钢冷轧辊是提高锻钢冷轧辊市场竞争力的有效途径。关键词：锻钢冷轧辊；辊坯制造；电渣重熔；电炉精炼；锻造；锻后热处理TechnologyofForgingcoldrollBlankZhangHongkui,XuMinghua(BAOSHANIRON&STEELCO.,LTDSpecialSteelBranch,Shanghai,200940)Abstract:Thedevelopmentprocessofforgingcoldroll,therequirementsforcoldrollerblank,themanufacturingtechnicofcoldrollblankandthedevelopmentdirectionhavebeendiscussedinthispaper.Theelectricslagrefining,thediffusenessunderhightemperature,forgingdeformation,normalizing,sphereannealinganddiffusenesshydrogenhavebeenappliedinmanufacturingcoldroll.Tinyalloyedtechnicisthedevelopmentdirectionofimprovingthelifeofcoldroller.Developmentladlefurnacevacuumrefiningcoldrollerisaneffectivemethodforpromotioncompetitionadvantageofforgingcoldroller.KeyWords:Forgingcoldroll；Manufacturingofcoldrollblank；Electricslagrefining；Vacuumrefining；Forging；Heattreatmentafterforging1锻钢冷轧辊的发展历史冶金轧辊是金属轧制设备上必备的主要部件，作为一种特殊工具用来使金属产生塑性变形，轧制出各种轧材产品。在轧机部件中，轧辊的工作条件最为复杂，服役中受到各种周期性应力的作用——弯曲、扭转、剪切、冲击、磨擦和热应力等交互作用。高速运转的轧辊不但要能承受正常轧制时的高磨损应力和高交变应力，而且在轧制出现故障时，还要能够承受局部应力过载和热负荷过载而不造成损坏。因此对轧辊的使用性能提出了很高的要求，在轧辊的抗折断性、耐磨性、抗剥落性等均有严格的要求，目的是追求轧辊使用的长寿命。锻钢冷轧工作辊最早是采用轴承钢GCr15,我国从70年代至90年代就一直使用9Cr2Mo、86CrMoV7材质的Cr2（含2％Cr）冷轧辊，由于该类材质的合金化程度较低，淬硬层深度一般在12～15mm（半径方向），而轧辊的设计有效使用层厚度一般在30mm（半径方向）以上，因此，要充分利用轧辊的有效工作层，必须重淬1～2次，每次重淬不仅需要一定的热处理费用，而且每次热处理要损失5mm左右（直径)，另外轧辊在重新热处理时还要产生变形，难以满足高精度轧辊的形位公差要求。因此，国外从七十年代后期就已研究、开发含3％Cr的深淬硬层轧辊。MC3（含3％Cr）冷轧２工作辊和中间辊能达到一次使用至最小尺寸，不需重淬，各项指标也比Cr2材质好。MC3型冷轧辊的最大优势是有效淬硬层深度明显大于Cr2型冷轧辊，有效淬硬层深由Cr2的10-15mm提升至25-30mm。为了进一步提高冷轧辊的淬透性和耐磨性，国外开发成功了MC5（含5％Cr）锻钢冷轧辊，其有效淬硬层深度在半径方向上已达到40mm，比MC3材质提高了25%，可取消二次淬火。其耐磨性和抗事故性能均优于MC3材质，毫米轧制量有显著提高。2锻钢冷轧辊对辊坯的技术要求2.1耐磨性能冷轧辊在高速旋转工作状态承受很大的摩擦力，因此要求冷轧辊工作层具有高的硬度和耐磨性能，提高轧辊抵抗失重和尺寸变小的能力。2.2抗剥落性能轧辊在长时间工作的情况下，轧辊表面承受周期性交变应力的作用容易导致疲劳裂纹而产生剥落，因此要求冷轧辊应具有良好的抗剥落性能。2.3抗事故性能高速运转的轧辊不但要能承受正常轧制时的高磨损应力和高交变应力，而且在轧制出现故障时，还要承受局部应力过载和热负荷过载，因此要求冷轧辊应具有高的抗事故性能。为了满足冷轧辊的使用性能要求，轧辊制造企业更是对辊坯的冶金质量提出了更高的要求。要求辊坯材质致密，成份均匀，通常应满足低倍组织中的中心疏松≤3级，锭型偏析≤3级（按GB/T1299-2000标准评定）；辊坯材质的纯净度与轧辊的使用寿命息息相关，大颗粒夹杂物或夹杂物聚集易引起轧辊表面剥落，因此对硫化物、氧化物夹杂级别要求在1.5级以下；由于锻钢冷轧辊的材质为高碳Cr-Ni-Mo-V钢，钢中不可避免地存在碳化物的偏析，如液析碳化物、带状碳化物和网状碳化物，严重的碳化物偏析会导致组织不均匀，从而产生硬度不均匀及应力分布不均匀，导致轧辊表面局部产生软点影响轧辊使用寿命，因此要求锻钢冷轧辊坯的带状碳化物≤2.5级、液析碳化物≤2.0级、网状碳化物≤2.5级（按GB/T1299-2000标准评定）；另外通过采用超声波探伤方法对轧辊的内部质量进行控制，要求辊坯内部不允许存在2当量的连续性缺陷。正是基于对锻钢冷轧辊坯内在质量的严格要求，才保证了锻钢冷轧辊良好的使用性能和高的使用寿命。3锻钢冷轧辊坯的冶炼技术随着冷轧辊使用寿命要求的不断提高，制造冷轧辊所选用的材质逐步向高铬化发展（2%Cr→5%Cr）。目前，5%Cr系列MC5冷轧辊的应用已较为普遍。众所周知，Cr元素具有使C曲线向右移动的作用，使珠光体转变孕育期增长，从而提高钢的淬透性。同时，Cr含量的提高还具有提高强度和硬度的作用，形成的Cr23C6碳化物有利于耐磨性的提高[3]，因此国内外均开发出了MC3、MC5系列冷轧辊。因冷轧辊对耐磨淬硬层深度及抗事故性能等有很高的要求，为了满足轧辊的这些高性能要求，锻钢冷轧辊材料一般采用电渣钢辊坯制造成品冷轧辊。电渣重熔是通过强烈的渣钢作用去除夹杂物，获得纯净度高的材质。另外，在电渣重熔过程中，电极熔化和熔融金属的结晶同时进行，在底水箱冷却水的作用下，钢锭从下部和侧面同时结晶，不但消除了电渣锭边缘向中心的选向结晶，而且钢锭组织致密、均匀。虽然电渣重熔技术在锻钢冷轧辊方面获得了普遍的应用，但是随着冷轧辊市场竞争的日趋激烈，国内外冶金工作者纷纷尝试采用电炉精炼钢制造锻钢冷轧辊。所谓炉外精炼，就是按传统工艺，将在常规炼钢炉中完成的精炼任务，如去除杂质、成分及温度的调整和均匀化等任务部分或全部移到钢包或其它容器中进行。炉外精炼是顺应钢材质量在纯净度及使用性能愈来愈高的要求而发展起来的。炉外精炼与传统的一步炼钢法相比具有很强的去夹杂、脱硫、脱氧及脱气能力，因此采用炉外精炼的钢材的质量在不断地提高，为开发炉外精炼钢锻造冷轧辊创造了条件。炉外精炼冷轧辊首先３要解决的问题就是如何保证钢的纯净度。钢中的非金属夹杂物主要为硫化物及氧化物，提高钢的纯净度应从钢水的脱硫、脱氧及防止钢水二次氧化等方面加强控制。为此采取了诸如根据电炉终点氧位确定脱氧剂及渣料的加入量；真空前加大脱氧剂Al的加入量；保证足够的弱搅拌时间以利于夹杂物充分上浮；采用气体保护浇注防止钢水二次氧化等措施收到了良好的效果，硫化物及氧化物等非金属夹杂物可控制在1.5级以下。4锻钢冷轧辊坯的锻造技术采用自由锻造方法对冷轧辊坯进行热加工具有心部变形量大，致密性高的优点。因此表面质量要求高的冷轧薄板均采用锻钢冷轧辊进行轧制。锻钢冷轧辊大多用在冷连轧机组上，辊身直径大多在400mm以上，因此锻造用的锭型较大,通常选用6吨以上的钢锭进行锻打。锻造用的锭型目前仍采用传统的模铸的方法浇注钢锭。模铸钢锭不可避免地存在疏松和偏析等缺陷。图1示出了模铸钢锭横断面不同部位地组织，钢锭中心区域存在V形偏析区[1]。偏析区内碳含量较高，导致碳化物偏析较为严重。改善成份偏析的常用方法是进行高温扩散处理，通过碳及合金原子在高温下的扩散，成份偏析得以改善[3]。图1模铸钢锭纵断面宏观组织示意图Figure1Theshowfigureofmicrostructureofingot采用锻造的变形方式制造辊坯可改善钢锭的铸态组织，有利于提高辊坯内在质量。钢锭锻造达到一定的变形程度时，铸态组织中的树枝状晶粒被击碎，通过再结晶形成新的等轴晶粒组织，从而提高金属的塑性和强度等性能；对钢锭进行锻造，还可将聚集在晶界的碳化物和非金属夹杂物击碎，再加上高温扩散和互相溶解作用，使之较均匀的分散在金属基体内，从而提高锻件的使用性能[2]。辊坯的锻造普遍采用自由锻造法。锻造过程包括镦粗和拔长。上下平砧锻造在拔长时因钢锭中心可能受拉应力的作用，不利于钢锭心部的锻透。而采用型砧锻造可保证钢锭心部受三向压应力作用，有利于钢锭心部的锻透，保证锻件的内部质量。４5锻钢冷轧辊坯的锻后热处理技术通过锻造可以改善钢锭的铸态组织，但是由于锻钢冷轧辊用钢为高碳合金钢，在终锻之后的冷却过程中析出二次碳化物，严重的时候还会形成封闭的网状碳化物。网状碳化物的形成对辊坯的调质处理硬度的均匀性有很大影响。因此在锻造之后一般均采用正火处理消除网状碳化物，细化晶粒，提高辊坯的超声波探伤的探透性能。辊坯的锻后热处理的另外一个作用就是为后步的调质处理做好组织准备。珠光体组织中的碳化物若已球状存在，则会提高调质处理奥氏体化过程碳化物的溶解速度，提高奥氏体中固溶的碳含量，从而提高淬透性。因此辊坯锻后还需进行球化退火处理。辊坯锻后热处理还有防止白点缺陷产生的作用。钢中的白点缺陷与钢中含有过高的氢含量有关，因此通过扩氢处理将钢中的氢部分扩散出去，同时降低钢中氢的偏聚，提高氢在钢中分布的均匀性，达到防止白点缺陷的目的。6锻钢冷轧辊坯制造技术的发展方向缺6.1对冷轧辊的淬透性和耐磨性的要求的不断提高，使锻钢冷轧辊的材质向高铬方向发展，由最初的1.5%Cr发展到5%Cr，甚至曾经将锻钢冷轧辊中的Cr含量一度提高到8～10％。Cr含量的提高虽然使钢中的碳化物的含量进一步增多，耐磨性提高，但是韧性不足，导致抗事故能力降低，因此高铬冷轧辊材质没有得到普遍应用。目前的发展趋势是在5%Cr的基础上采用微合金化技术进行改进。6.2锻钢冷轧辊坯制造技术的发展从前面介绍的锻钢冷轧辊的制造技术不难看出，锻钢冷轧辊是一类技术含量高，生产工艺流程长，制造工艺复杂的高技术含量的产品。尤其是目前普遍采用电渣重熔技术制造锻钢冷轧辊导致冷轧辊坯的制造成本很高。虽然国内外的一些冷轧辊制造厂商也曾尝试过采用电炉钢制造锻钢冷轧辊，但都没有能够起到替代电渣钢冷轧辊的作用。宝钢股份特殊钢分公司开展了电炉钢冷轧辊的研制工作。通过精炼辊坯与电渣重熔辊坯性能方面的全面比较，可以看出MC3精炼辊坯的低倍组织、非金属夹杂物、珠光体球化组织、碳化物带状、网状等检测结果均达到了电渣钢的水平，而且精炼辊坯的气体含量大大低于电渣钢；力学性能对比结果显示，MC3精炼辊坯的强度、塑性及冲击功指标与电渣钢相当。MC5精炼辊坯的非金属夹杂物、珠光体球化组织、碳化物带状、网状等检测结果均达到了电渣钢的水平，中心疏松级别稍高于电渣钢[4]。精炼轧辊的使用情况良好，武钢冷轧厂双机架上使用MC3精炼轧辊轧制量619.05t/mm，未发生过断径、剥落等异常情况，能够满足使用要求，说明精炼轧辊可在一定程度上替代电渣钢轧辊。随着电炉炼钢技术的不断发展，由炉外精炼真空脱气向真空浇注技术方向发展，电炉钢的纯净度和气体含量进一步降低，电炉钢锻钢冷轧辊将会得到进一步发展。a）MC3精炼辊坯带状组织