冶金工業(yè)高速鋼軋輥研究現(xiàn)狀

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1前言

現(xiàn)代鋼鐵工業(yè)誕生于19世紀中葉,一個半世紀以來,鋼鐵工業(yè)得到了很大發(fā)展,尤其是20世紀80年代以來,鋼鐵工業(yè)進入了全盛的發(fā)展時期。各國鋼鐵工業(yè)界在生產(chǎn)中開發(fā)并應(yīng)用了一系列新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備、新材料,使之形成鋼鐵生產(chǎn)的最佳工藝流程,實現(xiàn)了高效、低耗、高精度、連續(xù)化、智能化、清潔化生產(chǎn)。大量高技術(shù)含量、高附加值的“雙高”鋼鐵產(chǎn)品不斷地被研制出來,滿足了各國國民經(jīng)濟發(fā)展的需要。由于鋼鐵材料具有生產(chǎn)規(guī)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(yōu)點,是人類生產(chǎn)和生活的基本材料,也是重要的戰(zhàn)略物資。從材料的生產(chǎn)、加工、價格、應(yīng)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(yù)見的未來鋼鐵仍是主要的金屬材料。

2冶金工業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1鋼鐵生產(chǎn)工藝流程逐步優(yōu)化

20世紀90年代以來,世界鋼鐵工業(yè)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(guī)模、增加產(chǎn)量為主轉(zhuǎn)向降低消耗、降低成本、提高質(zhì)量、增加品種和保護環(huán)境。鋼鐵工業(yè)技術(shù)進步的主流是縮短生產(chǎn)流程,減少工序,提高質(zhì)量,降低消耗,提高效率。技術(shù)進步中有兩大主要趨向:一是尋找可以替代傳統(tǒng)工藝的新工藝流程的研究開發(fā);二是現(xiàn)有工藝和技術(shù)裝備的完善化。兩大技術(shù)進步趨向互相競爭、相互滲透,促使鋼鐵工業(yè)不斷提高鋼材質(zhì)量、減少消耗、降低成本、減輕對環(huán)境的污染,進一步走向集約化。傳統(tǒng)的鋼鐵生產(chǎn)工藝流程是一種“冷態(tài)”下間歇式生產(chǎn)的工藝流程。日本在20世紀60年代建設(shè)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(yè)已逐步將上述傳統(tǒng)的鋼鐵生產(chǎn)工藝流程改造成為現(xiàn)代化“熱態(tài)”連續(xù)生產(chǎn)工藝流程。這種工藝流程具有高效、連續(xù)、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(yè)發(fā)達國家開發(fā)成功接近最終鋼材產(chǎn)品形狀的連鑄、連軋技術(shù),如帶鋼、型鋼的連鑄連軋等。由于該技術(shù)具有工藝流程緊湊、生產(chǎn)周期短、物料消耗少、生產(chǎn)效率高等一系列優(yōu)點,在近十多年來得到了快速發(fā)展。自從1989年世界第一條薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)線在美國紐柯公司克勞福茲維爾廠投產(chǎn)以來,經(jīng)過10多年發(fā)展,到2002年底,世界上已有38個薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)廠共56條生產(chǎn)線,總生產(chǎn)能力已超過5500萬噸[1]。我國現(xiàn)已有5個鋼鐵企業(yè)建成8條薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)線,到目前為止又有5個鋼鐵企業(yè)正在建設(shè)厚板坯連鑄連軋生產(chǎn)線,不久的將來總生產(chǎn)能力將達2000萬噸,預(yù)計屆時將占全世界同類生產(chǎn)線能力的1/4以上。2001年我國連鑄比達到89.71%,已經(jīng)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(yè)中,連鑄比達到99%以上的企業(yè)已達41家。帶鋼連鑄連軋技術(shù)是世界主要鋼鐵生產(chǎn)國家正在積極開發(fā)應(yīng)用的一項重大鋼鐵生產(chǎn)前沿技術(shù),它將是21世紀鋼鐵生產(chǎn)技術(shù)的一個主要發(fā)展方向。

2.2鋼鐵產(chǎn)量不斷增長

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

3冶金工業(yè)對軋輥的需求

鋼鐵工業(yè)的持續(xù)發(fā)展,為軋輥制造業(yè)提供了廣闊的發(fā)展空間。一方面,隨著鋼產(chǎn)量的不斷增加,軋輥需求量大幅增長。僅就國內(nèi)而言,據(jù)統(tǒng)計,每年消耗的軋輥材料有50萬噸以上,價值數(shù)十億元[5]。另一方面,隨著軋鋼技術(shù)和裝備水平的不斷提高,對軋輥的質(zhì)量也提出了更高的要求。而國內(nèi)軋輥生產(chǎn)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(nèi)的只占30%,國外的占70%。因此,不斷研究新型軋輥材質(zhì)及制造工藝,為軋機配備高性能的軋輥已成為國內(nèi)軋輥生產(chǎn)行業(yè)面臨的重要課題。

4軋輥材料的研究現(xiàn)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(fā)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(zhì)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(jié)合的方式結(jié)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(shù)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(jié)構(gòu)特征:(1)碳化物的種類、形狀、體積分數(shù)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(jié)構(gòu)與合金成分及工藝條件有關(guān)。因材料成分和工藝條件的不同,出現(xiàn)了各種不同的研究結(jié)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(tài)、硬度及使用性能的比較。

4.2高速鋼軋輥的生產(chǎn)工藝及其特點

圍繞著軋輥外層與芯部的結(jié)合問題,高速鋼軋輥的制造技術(shù)不斷發(fā)展。目前國外主要采用離心鑄造法(CF)、連續(xù)澆鑄復(fù)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(fā)展中。CPC法制造軋輥裝備復(fù)雜,我國仍無法生產(chǎn);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(chǎn)軋輥裝備簡單,工藝穩(wěn)定,效率高,是制造高速鋼軋輥的重要方法。離心鑄造法生產(chǎn)高速鋼軋輥盡管存在著合金元素容易產(chǎn)生偏析的問題,但由于其突出的優(yōu)點,使它在相當長一段時間內(nèi)仍處于高速鋼軋輥生產(chǎn)的主導(dǎo)地位。上述幾種高速鋼軋輥生產(chǎn)工藝的技術(shù)經(jīng)濟指標各不相同,其比較情況見表2。

4.3變質(zhì)處理高速鋼軋輥的研究現(xiàn)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(nèi)層正好相反。為減少離心鑄造法生產(chǎn)高速鋼軋輥時合金元素的偏析,研究人員分析了產(chǎn)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(jié)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(zhì)處理可以顯著改善軋輥中碳化物的形態(tài)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(fù)合變質(zhì)處理和耐磨性實驗研究。復(fù)合變質(zhì)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(jié)果表明,變質(zhì)處理可以細化晶粒、改善碳化物的形態(tài)和分布。變質(zhì)處理后,單位面積內(nèi)的晶粒數(shù)由1200增加到1600;碳化物形態(tài)也由變質(zhì)前的以針片狀和連續(xù)網(wǎng)狀分布于晶界變?yōu)椴贿B續(xù)網(wǎng)狀和顆粒狀。同時,變質(zhì)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(fā)現(xiàn),堿金屬K/Na[12~14]在改善Fe-C合金微結(jié)構(gòu)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(zhì)劑(成分為Fe-15K/Na-10Si-2C),對成分為(質(zhì)量分數(shù),%)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(zhì)處理。結(jié)果表明,不加變質(zhì)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(xù)網(wǎng)狀沿晶界分布。當SG變質(zhì)劑的加入量增加到0.15%(質(zhì)量分數(shù))時,碳化物的形態(tài)、尺寸和分布發(fā)生了很大的變化。碳化物均被凈化,均勻分布在組織中,網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)消失。

4.4高速鋼軋輥的應(yīng)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(shù)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(zhì)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(zhì)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(shè)備研究院采用普通離心鑄造方法生產(chǎn)了高速鋼輥環(huán),其成分(質(zhì)量分數(shù),%)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(chǎn)高速鋼輥環(huán)于1998年2~3月在酒鋼二軋鋼廠線材軋機預(yù)精軋機架使用,使用效果見表3。河北唐山聯(lián)強冶金軋輥有限公司也生產(chǎn)鑄造高速鋼復(fù)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(shù)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(yīng)用于熱軋和冷軋生產(chǎn)中,并取得了較好的經(jīng)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(yīng)用方面,還存在著較大的差距。為此,我們應(yīng)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(fù)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?shù)臒崽幚砉に?以兼顧工作層和芯部的性能。國外開發(fā)出了差溫熱處理工藝,但未對工藝作詳細報道,我國應(yīng)結(jié)合具體的成分和工藝條件,加強熱處理工藝的系統(tǒng)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(xiàn)裂紋、剝落等缺陷。因此,應(yīng)根據(jù)實際軋制條件確定合適的水壓力和水流量,并實現(xiàn)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(shù)和軋輥表面溫度,減少熱裂紋和軋輥表面的剪應(yīng)力,改善軋輥表面狀況及輥面凸度控制,提高板形質(zhì)量。

(3)加強高速鋼軋輥組織轉(zhuǎn)變規(guī)律的研究

由于高速鋼軋輥的生產(chǎn)成本高,不適于進行反復(fù)的工業(yè)性試驗。應(yīng)利用計算機建立相關(guān)的模擬模型,進行軋輥用高速鋼材料的組織轉(zhuǎn)變規(guī)律研究,縮短軋輥的研制周期,為實際生產(chǎn)提供合理的工藝參數(shù),以便于穩(wěn)定化的工業(yè)生產(chǎn)。

(4)加強變質(zhì)處理計算機控制技術(shù)的研究

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

5結(jié)語

隨著軋機向自動化、連續(xù)化、重型化方向發(fā)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(chǎn)廠、研究機構(gòu)和鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)必須加強冶金軋輥材料的基礎(chǔ)性研究、軋輥生產(chǎn)技術(shù)的研究、軋輥工藝裝備的研究和軋輥使用技術(shù)的研究,不斷提高我國軋輥制造業(yè)和鋼鐵產(chǎn)品的國際競爭力。