冷軋輥雙頻感應(yīng)淬火熱處理工藝探討

華陳亮 張 偉 王 甫

(1.武漢鋼鐵集團(tuán)軋輥有限責(zé)任公司 湖北 武漢：430083；2.武漢鋼鐵集團(tuán)股份公司設(shè)備管理部 湖北 武漢：430083)

中國(guó)的冷軋輥?zhàn)哌^(guò)了50多年的歷程，從最初爐子整體加熱淬火、鹽浴爐加熱淬火到到工頻漸進(jìn)式單頻淬火。1978年武鋼引進(jìn)了一米七冷軋工程，作為冷軋機(jī)的配套工程從比利時(shí)OSB鍛鋼軋輥公司引進(jìn)了一套用于冷軋輥中間修復(fù)淬火設(shè)備，這是從中國(guó)單工頻淬火走向50/250 Hz雙頻淬火的開始，它使冷軋輥加熱時(shí)奧氏體化時(shí)間延長(zhǎng)，不僅淬火硬度達(dá)到HSD103，而且變換材質(zhì)如MC3、MC5可使淬火后硬化層深度達(dá)半徑25-40mm。

武鋼軋輥有限責(zé)任公司在多年充分消化吸收從比利時(shí)引進(jìn)的50/250Hz雙頻感應(yīng)淬火機(jī)組工藝、設(shè)備的基礎(chǔ)上，研究規(guī)范了冷軋輥制造的工藝步驟，制定了各工步質(zhì)量要因素使冷軋工作輥雙頻感應(yīng)淬火過(guò)程規(guī)范化，工藝系列化。在2008年6月使用50/250Hz雙頻感應(yīng)淬火機(jī)淬火出的MC5冷軋工作輥，輥身表面達(dá)到最佳的組織(隱針M+粒狀C+殘A)，最佳的硬度和均勻性及軟帶寬度，最佳的殘余應(yīng)力和殘余奧氏體，最佳的硬化層深度和過(guò)渡區(qū)曲線，最佳的芯部和表面探傷結(jié)果。MC5冷軋工作輥在武鋼五連軋機(jī)的成功使用，對(duì)武鋼乃至全國(guó)MC5冷軋輥的使用和發(fā)展有強(qiáng)大的推動(dòng)作用。

1 設(shè)備概況

1.1 50/250Hz雙頻淬火機(jī)

1.1.1 淬火機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

機(jī)床外形尺寸

5540mm×5540mm×16230mm(其中地下6500mm)

輥身直徑：350—1000mm

輥身長(zhǎng)度：800—3000mm

軋輥全長(zhǎng)：800—6000mm

最大軋輥重量：15 t

軋輥移動(dòng)速度：低速 0.2—2mm/s

可調(diào)高速16mm/s

軋輥旋轉(zhuǎn)速度：0—50r/min可調(diào)

圖1 50/250Hz雙頻感應(yīng)淬火機(jī)淬火情景

1.1.2 機(jī)械部分

其作用主要是懸掛、頂好軋輥，并轉(zhuǎn)動(dòng)和上下移動(dòng)軋輥，見(jiàn)圖2。

非淬火時(shí)：快速傳動(dòng)電機(jī)(17)→快速傳動(dòng)減速器(16) →兩根傳動(dòng)螺桿同步旋轉(zhuǎn)→帶動(dòng)上下移動(dòng)橫梁移動(dòng)(即軋輥上下移動(dòng))。電磁離合器脫開，交流電機(jī)(17)通過(guò)減速器帶動(dòng)傳動(dòng)螺桿快速上升或下降(16mm/s)。而電磁抱閘(18)則用于快速的剎車。

淬火時(shí)：慢速傳動(dòng)電機(jī)(1) →慢速傳動(dòng)減速器

圖2 50/250Hz雙頻感應(yīng)淬火機(jī)示意圖

(2) →兩根同步螺桿同步旋轉(zhuǎn)→帶動(dòng)上下移動(dòng)橫梁移動(dòng)(即軋輥上下慢速移動(dòng))。電磁離合器吸合，直流電機(jī)(1)通過(guò)減速機(jī)(2)帶動(dòng)傳動(dòng)螺桿同步旋轉(zhuǎn)并通過(guò)無(wú)級(jí)調(diào)速來(lái)實(shí)現(xiàn)淬火工藝所需要的軋輥移動(dòng)速度(0.2～2.0mm/s)。

1.1.3 電氣部分

雙頻感應(yīng)淬火機(jī)電氣控制系統(tǒng)圖如圖3所示，該淬火機(jī)工頻電源是將10kV高壓通過(guò)感應(yīng)調(diào)壓器、電容器及電感得到頻率為50Hz的300～800V電壓，再經(jīng)過(guò)可變電容器、扼流圈及淬火變壓器送給50 Hz感應(yīng)圈供電，功率在150～970kW可調(diào)；低頻電源是將10kV高壓通過(guò)變壓器(1000kVA)變成780V電壓，經(jīng)靜態(tài)變頻器得到頻率為250Hz的1200V電壓，再經(jīng)平波電抗器、電容器、扼流圈及淬火變壓器送250Hz感應(yīng)器供電，功率在75～750kW可調(diào)。

1.1.4 冷卻裝置

循環(huán)水池中的水，由循環(huán)水泵作用，水進(jìn)入冷卻塔，水泵的排水量在壓力為2kg/cm2時(shí)，是250m3/h。它由開路容量為75000千卡/小時(shí)，水溫從34℃下降到31℃。經(jīng)冷卻的水回到循環(huán)水池，通過(guò)二臺(tái)淬火水泵(其中一臺(tái)工作，一臺(tái)備用)，排水量為250m3/h，壓力10kg/cm2。水從水管進(jìn)入淬火環(huán)，對(duì)軋輥噴水淬火后，水流進(jìn)淬火冷卻水槽。淬火冷卻水槽中的水，水位過(guò)高，可以溢流口溢流到循環(huán)水池，也通過(guò)潛水泵不斷將水槽中的水，泵到循環(huán)池。潛水泵在壓力為2kg/cm2時(shí)，水泵排放量為250m3/h，防潮電動(dòng)馬達(dá)為12kW。電器冷卻水回路中，主要是對(duì)以下裝置冷卻：晶閘管、電抗器、連接銅排、感應(yīng)器，由兩臺(tái)12kW電機(jī)，流量35m3/h水泵供水，最大水壓可達(dá)0.6MPa，達(dá)到設(shè)備要求水壓。

為滿足快速降低水溫的需要，配備了兩套冷卻塔(每套冷卻能力250m3/h)?？墒闺姎饫鋮s水和淬火水的水溫控制在35℃以下。

1.2 冷處理設(shè)備

1.2.1 冷處理設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)

液氮罐容量：30m3

溫度控制范圍：-80℃～-120℃

降溫速率：0.1～10℃/min

溫度均勻性：±2℃(溫度平衡后0.5h)

控溫精度：±2℃

槽壁溫：≥5℃(槽內(nèi)溫度為-80℃)

過(guò)程槽內(nèi)腔尺寸：6000mm×1100mm×1100mm

開啟方式：臥式上開

圖3 雙頻感應(yīng)淬火機(jī)床電氣控制系統(tǒng)圖

圖4 淬火水回路/電器冷卻水回路圖

冷源：液氮

1.2.2 冷處理設(shè)備工藝性能

冷軋輥深冷處理(如圖5所示)是冷軋輥雙頻感應(yīng)淬火過(guò)程中的延續(xù)工序，是高鉻輥在淬火續(xù)冷后減少殘余奧氏體增加淬硬層深度和硬度的有效措施，也是制造MC3、Cr4、MC5冷軋輥的熱處理的必由途徑。

工藝上要求用正丙醇作介質(zhì)，用液氮作冷源，用氣氮攪拌，從室溫降到-80℃左右，保溫一段時(shí)間，然后回冷到室溫進(jìn)行回火。

2 冷軋工作輥工藝規(guī)范及結(jié)果

冷軋輥MC5、9Cr2Mo用線切割兩塊試樣抽查其表面硬度、淬硬層深度及由表及里的金相組織。冷軋工作輥的化學(xué)成分見(jiàn)表1，其熱處理工藝見(jiàn)表2。

2.1 輥身硬度檢測(cè)

MC5和9Cr2Mo冷軋工作輥硬度檢測(cè)見(jiàn)圖6(a)、(b)，由圖6可見(jiàn)，9Cr2Mo輥和MC5輥表面硬度已達(dá)到HSD95和98，其半徑≥90HSD硬度已達(dá)到13.8mm和36mm，且淬硬層和過(guò)渡區(qū)曲線平緩。

圖5 冷處理設(shè)備示意圖

表1 冷軋輥化學(xué)成分

表2 鍛鋼冷軋輥雙頻淬火工藝參數(shù)

圖6 冷軋工作輥硬度檢測(cè)

2.2 金相顯微檢測(cè)

圖7(a)、(d)顯示的是MC5和9Cr2Mo的冷軋工作輥表面金相組織，為隱針狀M、細(xì)小顆粒狀碳化物、殘余A，這種組織狀態(tài)表現(xiàn)出高的硬度、高的耐磨性以及一定的抗接觸疲勞性能，這也已經(jīng)被國(guó)內(nèi)外軋輥界普遍認(rèn)同，實(shí)際使用也證明了這一點(diǎn)。隨深度的增加，軋輥的冷卻速度降低，在淬硬層邊緣處有少量下貝氏體組織出現(xiàn)，但仍然以回火M為主，如圖7(b)、(e)所示。在過(guò)渡區(qū)位置，熱影響作用越來(lái)越小， M和B逐漸減少，回火T、S組織增加，在過(guò)渡區(qū)邊部區(qū)域，軋輥的組織主要以回火T為主，并伴有少量回火M、B以及粒狀碳化物、殘余A，如圖7(c)、(f)所示。

2.3 超聲波檢測(cè)

材質(zhì)MC5和9Cr2Mo的冷軋工作輥輥面采用頻率2MHz的表面斜探頭，芯部檢測(cè)采用頻率為2.5MHz的直探頭，按照GB/T13314-2008標(biāo)準(zhǔn)對(duì)輥身表面和芯部進(jìn)行超聲波無(wú)損檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷，輥面和芯部均完好，合乎成品冷軋工作輥的技術(shù)規(guī)范。

(圖(a)、(b)、(c)分別為9Cr2Mo軋輥表面、表面以下13mm、25mm處金相組織；圖(d)(e)(f)分別為MC5軋輥表面、表面以下24.5mm、44mm處金相組織)

2.4 冷軋輥的硬度及機(jī)械性能

冷軋輥9Cr2Mo和MC5的殘余奧氏體量控制在10%以下，殘余應(yīng)力控制在1000MPa以下，檢測(cè)的9Cr2Mo和MC5冷軋輥的殘余奧氏體和殘余應(yīng)力已達(dá)到用戶使用要求,見(jiàn)表3。

表3 鍛鋼冷軋輥殘余奧氏體、殘余應(yīng)力數(shù)據(jù)

2.5 冷軋輥硬度及機(jī)械性能(見(jiàn)表4)

表4 冷軋輥硬度及機(jī)械性能表

3 MC5冷軋輥在武鋼五連軋機(jī)的使用結(jié)果

武鋼軋輥公司提供武鋼股份公司冷軋總廠其中的MC5和9Cr2Mo材質(zhì)五機(jī)架工作輥各兩支使用的情況如下：

冷軋輥工作規(guī)格及具體信息見(jiàn)表5，其上機(jī)使用數(shù)據(jù)見(jiàn)表6。

表5 冷軋輥使用規(guī)格及信息表

表6 冷軋輥上機(jī)使用數(shù)據(jù)

注：1#軋輥因軋機(jī)斷帶粘鋼造成掉肉，損耗30.5mm，所以毫米軋制量計(jì)算分別為4898.47t/mm(不含異常損耗軋輥毫米數(shù)30.5mm，即取22.7mm毫米計(jì)算)；2090.14t/mm(含異常軋輥損耗量計(jì)算，即輥耗取53.2mm計(jì)算)。2#冷軋工作輥使用到報(bào)廢沒(méi)有異常損耗軋輥。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)兩年的工藝生產(chǎn)實(shí)踐證明，仿制的比利時(shí)50/250Hz雙頻感應(yīng)淬火熱處理工藝技術(shù)制訂和實(shí)施是到位的，設(shè)備是穩(wěn)定的，淬出的MC5冷軋工作輥質(zhì)量可靠的。

(2)MC5冷軋工作輥在武鋼五連軋機(jī)上機(jī)使用多支，其中部分冷軋工作輥已使用到報(bào)廢，毫米軋制量達(dá)到國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平(4800～4900t/mm)。

(3)本次的冷軋工作輥MC5的研制成功，為武鋼正在開發(fā)的高耐磨冷軋輥8Cr5Mo和抗輥印冷軋輥9Cr3Mo提供了成功經(jīng)驗(yàn)。

[1] 華陳亮，等.晶閘管在國(guó)產(chǎn)雙頻淬火機(jī)床上的應(yīng)用[J].中國(guó)冶金，2007，(5)：45-49.

[2] 沈偉芳，等.冷軋工作輥雙頻感應(yīng)加熱模擬測(cè)溫試驗(yàn)[J].金屬熱處理，1999，(6)：29-32.

[3] 華陳亮，等.鍛鋼冷軋工作輥雙中頻感應(yīng)淬火機(jī)組特點(diǎn)及工藝技術(shù)[J].冶金設(shè)備，2007，(3)：59-62.

[4] 陳龍華，等.大型冷軋工作輥雙頻淬火技術(shù)應(yīng)用與研究[J].江蘇冶金，2002，(3)：260-263.

[5] 劉德富，等.冷軋輥制造工藝的進(jìn)展[J].特殊鋼，2004，(1)：246-249.