鋼板樁用大型高碳半鋼軋輥的生產(chǎn)研制

李紅宇，張 杰，趙海軍，馬永紅 ,高玉章，何 新，劉 宇

（1.唐山鋼鐵集團(tuán)重機(jī)裝備有限公司，河北唐山 063306;2.唐山鋼鐵集團(tuán)集團(tuán)有限責(zé)任公司，河北唐山 063016）

鋼板樁是一種邊緣帶有聯(lián)動(dòng)裝置且這種聯(lián)動(dòng)裝置可以自由組合以便形成一種連續(xù)緊密的擋土或者擋水墻的鋼結(jié)構(gòu)體，廣泛應(yīng)用于水力工程（港口）、運(yùn)輸路線(xiàn)的建筑物、公路和鐵路、水路民用工程、水利工程建筑物污染的控制（被污染的地方圍欄填方），承載力強(qiáng)，自身結(jié)構(gòu)輕，構(gòu)成的連續(xù)墻體具有很高的強(qiáng)度與剛性，水密性好，連接處鎖口結(jié)合緊密，可自然防滲。鋼板樁所具有的這些特點(diǎn)，決定了對(duì)鋼板樁的性能參數(shù)要求嚴(yán)格，相應(yīng)的對(duì)軋制鋼板樁的軋輥也提出了更高的要求。

合金半鋼軋輥通常碳含量在（1.4～2.3）%，機(jī)械性能介于鋼、鐵之間，具有硬度落差小、耐磨性能優(yōu)越等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代型鋼軋機(jī)粗軋和中軋機(jī)架、熱軋帶鋼連軋機(jī)粗軋和精軋前段工作輥，是一種比較理想的軋制鋼板樁的軋輥新材質(zhì)。我公司為國(guó)內(nèi)某鋼板樁企業(yè)生產(chǎn)的常法半鋼工作輥，規(guī)格為?1600mm×1200mm，凈重25.1t，采用靜態(tài)澆注工藝，用于精軋機(jī)架，取得了不錯(cuò)的使用效果。

1 鋼板樁用大型高碳半鋼軋輥化學(xué)成分及技術(shù)條件

鋼板樁用大型高碳半鋼軋輥化學(xué)成分及表面硬度執(zhí)行GB/T 1503-2008《鑄鋼軋輥》，結(jié)合我公司半鋼軋輥生產(chǎn)實(shí)踐與需方軋輥技術(shù)要求，確定該精軋軋輥材質(zhì)為AD180，其化學(xué)成分及表面硬度要求如表1 所示。

該軋輥工藝難點(diǎn)在于：碳含量高，合金含量高，尤其是元素Cr，偏析嚴(yán)重，同時(shí)碳化物含量高，容易形成化學(xué)成分不均勻及斷輥；高碳高合金，白點(diǎn)敏感性強(qiáng)，容易產(chǎn)生裂紋;P、S 含量控制嚴(yán)格；熱應(yīng)力低溫脆性容易產(chǎn)生裂紋或斷裂；軋輥斷面直徑大，鋼水補(bǔ)縮效果不好容易產(chǎn)生縮松或縮孔；夾雜物控制不好，容易在軋鋼過(guò)程中形成裂紋源，導(dǎo)致軋輥剝落、裂紋等。

針對(duì)以上工藝難點(diǎn)，我公司認(rèn)真研究軋輥生產(chǎn)工藝，新設(shè)計(jì)了一套生產(chǎn)該軋輥的工藝路線(xiàn)，相較于傳統(tǒng)的工藝路線(xiàn)：中頻爐熔煉-常法造型與澆注—冷開(kāi)箱—粗加工—熱處理—精加工—成品，新的工藝路線(xiàn)：電弧爐+中頻爐冶煉—LF 精煉—VD 精煉—常法造型與澆注—熱拆箱—熱處理—粗加工—精加工—成品，并在相關(guān)生產(chǎn)環(huán)節(jié)采取有效措施，以圖解決上述問(wèn)題。

表1 化學(xué)成分及表面硬度要求

2 生產(chǎn)研制情況

2.1 電弧爐+中頻爐熔煉

該軋輥需要鋼水46 噸，其中電弧爐公稱(chēng)容量30 噸，熔煉鋼水30 噸；中頻爐公稱(chēng)容量20 噸，熔煉鋼水16 噸。電弧爐出鋼完畢，鋼包車(chē)開(kāi)入LF 精煉工作位升溫、造渣，準(zhǔn)備接受中頻爐鋼水；中頻爐出鋼完畢，吊包將鋼水折入精煉鋼包，精煉作業(yè)。此時(shí)，要盡可能確保電弧爐和中頻爐混合鋼水化學(xué)成分符合LF 進(jìn)站成分要求，減少增碳，只需微調(diào)成分。電弧爐與中頻爐聯(lián)合熔煉鋼水，能夠確保中頻爐熔煉過(guò)程中的Cr、Ni、Mo 貴重合金元素?fù)p耗小，有利于降低生產(chǎn)成本。

2.1.1 電弧爐冶煉

電弧爐配料選用半鋼類(lèi)廢輥返回料、高NiCr離心廢輥和鋼鐵屑等鋼鐵料。

電弧爐初煉控制脫碳量≥0.3%,前期低溫深脫P(yáng)，開(kāi)始脫P(yáng) 溫度≤1570℃，后期高溫深脫碳，開(kāi)始脫碳溫度≥1560℃,強(qiáng)烈氧化反應(yīng)會(huì)促使夾雜物聚集上?。缓侠砜刂平K點(diǎn)碳含量（要充分考慮中頻爐碳含量）;造好高堿度泡沫渣，鋼液中夾雜物會(huì)向渣中轉(zhuǎn)變；出鋼溫度控制在1560～1620℃；控制偏心底電爐出鋼下渣，高溫潔凈鋼包加入預(yù)熱烘烤后的合金預(yù)脫氧，再加入復(fù)合脫氧劑改變夾雜物組成，出鋼過(guò)程強(qiáng)吹氬攪拌，以達(dá)到去P、降碳、去氣、去夾雜、升溫的目的。

2.1.2 中頻爐熔煉

中頻爐配料選用唐鋼優(yōu)質(zhì)廢鋼、Cr5 廢輥和半鋼類(lèi)鋼鐵屑等鋼鐵料，要確保所用優(yōu)質(zhì)鋼鐵料低P、低S。

中頻爐熔煉過(guò)程中，熔煉時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，特別由于感應(yīng)線(xiàn)圈電磁攪拌的作用，鋼水翻騰導(dǎo)致鋼水中氣體相應(yīng)增多，也容易造成鋼水氧化形成較多渣子。因此，要做好扒渣工作，勤扒渣、扒徹底，并及時(shí)向中頻爐中加入碎玻璃以保護(hù)鋼水；出鋼前，要清理干凈中頻爐熔煉平臺(tái)、爐嘴等區(qū)域以及高溫鋼包等，防止雜物進(jìn)入鋼水中；出鋼溫度要根據(jù)包況等控制在1580～1640℃，確保鋼水在鋼包內(nèi)足夠的靜置時(shí)間，利于夾雜物上?。讳摪捎玫状禋鍤?，去氧、去氫、減小夾雜物尺寸，凈化鋼水。

2.2 LF 精煉

精煉喂入Al 線(xiàn)，大渣量深脫S，造三元渣系（CaO+Al2O3+SiO2）精煉渣，爐渣堿度控制在3.0～3.5，渣白時(shí)間≤20min，白渣保持時(shí)間≥30min，弱吹氬氣攪拌喂入CaSi 線(xiàn)，出站溫度控制在1530～1570℃，從而達(dá)到縮短冶煉周期、去S、去O 和夾雜物變性的目的。

2.3 VD 精煉

鋼包吊入真空罐，進(jìn)泵時(shí)間≤15min，待初始條件符合要求后，進(jìn)行抽真空、保持真空（≥10min）、破真空作業(yè)，吊包溫度控制在1440～1490℃。該精煉是利用真空條件下碳脫氧原理，生成CO“真空室”去除鋼水中H、O、N 和夾雜，提高鋼水純凈度，改善產(chǎn)品質(zhì)量。

精煉完畢，向鋼包鋼水中加入稀土硅鐵合金，抑制晶粒長(zhǎng)大,彌散硬化，除氣除渣。稀土元素在晶界上偏聚與其他元素交互作用,引起晶界結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分和能量的變化。稀土元素化學(xué)性能活潑，與氧和硫的親和力強(qiáng)，能夠與鋼中的氧和硫等有害雜質(zhì)形成高熔點(diǎn)稀土氧化物和稀土硫化物；吸附大量氫氣，減少鋼中的氫含量，消除氫的有害作用，減少鋼的白點(diǎn)敏感性；稀土氧化物和稀土硫化物在鋼水中是懸浮質(zhì)點(diǎn)，分散在鋼液中作為不均勻形核所需的現(xiàn)成基底，細(xì)化晶粒。

2.4 常法造型與澆注

2.4.1 常法造型

現(xiàn)代連軋機(jī)對(duì)冶金軋輥輥身硬度、耐磨性和抗事故性等綜合性能提出了更高的要求，促使鑄造軋輥生產(chǎn)造型材料質(zhì)量要求不斷提高。合理選用造型材料，當(dāng)砂型與鋼水接觸時(shí)，在鋼水的熱作用、化學(xué)作用和機(jī)械應(yīng)力作用下，軋輥毛坯表面不致產(chǎn)生粘砂、夾砂、氣孔和裂紋等鑄造缺陷，提高軋輥實(shí)物質(zhì)量。鋼板樁用大型高碳半鋼軋輥各部分型砂配比如表2 所示。

表2 型砂配比

鋯英粉涂料有很高的耐火度，優(yōu)異的高溫化學(xué)惰性，熱脹系數(shù)低，熱導(dǎo)率和蓄熱系數(shù)高，同時(shí)又具有很強(qiáng)的燒結(jié)能力，具有極佳的抗粘砂及剝離能力，廣泛應(yīng)用于各類(lèi)大型鑄造軋輥生產(chǎn)。刷涂涂料過(guò)程中，要用波美度計(jì)準(zhǔn)確測(cè)量鋯英粉涂料濃度，以一定波美度的鋯英粉涂料（由稀到稠）均勻刷涂3 次，尤其是插入節(jié)部分第三遍刷涂膏狀涂料，并應(yīng)在涂料陰干后進(jìn)行再次刷涂。

控制下輥頸吃砂量≤30mm，適當(dāng)加快下輥頸鋼水凝固速度，防止沒(méi)有足夠的鋼水補(bǔ)縮。

造型完畢，要及時(shí)清理干凈浮砂；均勻刷涂涂料完畢，適當(dāng)清理涂料與浮砂；合箱前后，清理干凈澆注系統(tǒng)內(nèi)的雜物，杜絕夾雜物的來(lái)源，以減少夾雜幾率。

2.4.2 澆注

各類(lèi)鑄鋼支承輥和不同用途的熱軋輥通常采用底注和頂注等整體鑄造工藝。

采用底注工藝時(shí)，鋼水沿直型澆注磚管，通過(guò)切線(xiàn)或雙切線(xiàn)內(nèi)澆管進(jìn)入型腔。其優(yōu)點(diǎn)是有助于將隨鋼水一并進(jìn)入型腔內(nèi)的浮渣和氣體順利上浮，同時(shí)可以調(diào)整澆注系統(tǒng)相關(guān)尺寸和進(jìn)口方式，提高鋼水的壓力和旋轉(zhuǎn)力，實(shí)現(xiàn)快的澆注速度，減少軋輥上下溫度差，促使鋼水在型腔內(nèi)形成一個(gè)順序凝固的溫度場(chǎng)使軋輥內(nèi)部宏觀組織致密；缺點(diǎn)是當(dāng)澆注系統(tǒng)不合理、澆注速度控制不當(dāng)，一方面極易造成軋輥下部溫度偏高，在輥身與下輥頸相接部位形成一個(gè)“熱節(jié)”區(qū)和在輥身與上輥頸相接部位形成“V”偏析，使強(qiáng)度降低，另一方面由于軋輥上部溫度偏低，對(duì)冒口補(bǔ)縮不利，產(chǎn)生縮孔和疏松。

采用頂注工藝時(shí)，鋼水直接從放置在冒口上面的澆口杯進(jìn)入型腔。其優(yōu)點(diǎn)是取消了底注時(shí)所配置的澆注管系統(tǒng)，減少了工裝制作費(fèi)用和節(jié)省了鋼水量，有利于降低生產(chǎn)成本；缺點(diǎn)是鋼水從冒口上端直接注入時(shí)，不僅落差大，飛濺嚴(yán)重，而且從鋼水進(jìn)入軋輥下輥頸底部時(shí)開(kāi)始，直至澆注完畢，鋼水始終是通過(guò)層疊方式上升的，浮渣和氣體難以排除，如采用偏低的澆注溫度，更易產(chǎn)生相當(dāng)嚴(yán)重的夾雜缺陷，更加惡化軋輥輥身次表層質(zhì)量。

經(jīng)權(quán)衡考慮與生產(chǎn)實(shí)踐，公司決定采用底注工藝生產(chǎn)鋼板樁用大型高碳半鋼軋輥，其示意圖如圖1 所示。

圖1 底注工藝示意圖

圖2 熱處理工藝

采取底注低溫澆注與其他措施并舉，保證鋼水補(bǔ)縮效果與減少夾雜。吊包前，鋼包加入覆蓋劑吸附上浮夾雜物。鋼包包底水口處加入烘烤干燥的引流砂，澆注時(shí)鋼水自動(dòng)下流，避免二次氧化?？刂茲沧囟仍?440～1490℃，澆注至保溫冒口以上300mm。澆注完畢（15～30）min 后，進(jìn)行“撤磚”作業(yè)。以澆注完畢時(shí)刻計(jì)時(shí)，間隔35～45min，使用中頻爐中鋼水分3 次進(jìn)行點(diǎn)冒口作業(yè)，搗冒口與添加保溫補(bǔ)縮劑，防止冒口過(guò)早凝固。

2.5 熱拆箱與熱處理

采取有效的熱處理工藝，避免熱應(yīng)力低溫脆性，消除成分偏析、均勻成分，盡可能消除軋輥內(nèi)應(yīng)力。

大型高碳半鋼軋輥熱處理時(shí)從室溫升溫至100～250℃區(qū)間的初期階段；以及經(jīng)過(guò)最終回火以后，在200～250℃較高溫度范圍出爐；甚至在澆鑄后鑄坯在冷型內(nèi)降至≤300℃的低溫范圍，或多或少地在輥身由下而上2/3 的高度部位，出現(xiàn)垂直于軸線(xiàn)的橫向脆性裂紋或斷裂。該“熱應(yīng)力低溫脆性”致廢，經(jīng)濟(jì)損失十分嚴(yán)重。為避免或減輕大型高碳半鋼軋輥發(fā)生低溫脆性和斷裂，采取的主要措施是：一是澆注24～30 小時(shí)以后，鑄坯本體溫度降至600～700℃時(shí)，進(jìn)行熱開(kāi)箱，并隨即熱裝爐（熱處理爐提前開(kāi)始預(yù)熱、緩慢升溫至500℃），軋輥裝入熱處理爐時(shí)的溫度大于500℃，以此回避鑄造軋輥在型內(nèi)降溫和裝入熱處理爐開(kāi)始升溫兩個(gè)過(guò)程中可能發(fā)生的低溫脆性和斷裂事故的情況；二是控制熱處理爐升溫速度≤30℃/h，同時(shí)在低溫區(qū)對(duì)鑄造軋輥進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間的保溫，從一開(kāi)始就注意松弛殘余應(yīng)力的破壞作用。

鋼板樁用大型高碳半鋼軋輥熱開(kāi)箱后的熱處理工藝是：擴(kuò)散+正回火，如圖2 所示。高溫?cái)U(kuò)散退火有助于消除晶內(nèi)偏析，均勻成分；經(jīng)正火處理后，消除網(wǎng)狀碳化物，部分改善碳化物形態(tài)，有利于在不影響耐磨性的前提下提高機(jī)械性能；風(fēng)冷與空冷后入爐回火處理，可保證獲得所需的輥身硬度以及盡可能消除軋輥輥身的內(nèi)應(yīng)力。

3 試制結(jié)果

目前澆注2 支供國(guó)內(nèi)軋輥?1600mm×1200mm，熱開(kāi)箱毛坯軋輥表面光滑、無(wú)肉眼可見(jiàn)的裂紋、砂眼和氣孔、非金屬夾雜等缺陷；按照工藝路線(xiàn)進(jìn)行工序檢驗(yàn)，最終檢驗(yàn)結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)和用戶(hù)要求。

軋輥化學(xué)成分符合工藝要求，如表3 所示。

表3 軋輥化學(xué)成分

軋輥輥身、輥頸硬度符合工藝要求，見(jiàn)表4。

軋輥下輥頸取樣，制取抗拉試棒，抗拉強(qiáng)度均為650MPa≥490MPa。

軋輥輥身和輥頸金相組織（索氏體+碳化物）良好，如圖3 和圖4 所示。軋輥探傷符合GB/T 1503-2008 要求。軋輥成品尺寸、光潔度等符合圖紙要求。

表4 軋輥輥身、輥頸硬度

圖3 輥身金相（100×）

圖4 輥頸金相（100×）

4 使用情況

軋輥生產(chǎn)檢測(cè)完成后，交付用戶(hù)進(jìn)行使用。該兩支軋輥單輥軋制量5000 噸以上/次，單輥總軋制量3 萬(wàn)噸以上，完全滿(mǎn)足用戶(hù)要求。

5 結(jié)論

（1）鋼水經(jīng)LF 和VD 精煉后，以及經(jīng)稀土硅鐵合金變形處理，鋼水純凈度高。

（2）合理選擇型砂配比與涂料，底注低溫澆注與相關(guān)措施，能夠保證毛坯軋輥表面質(zhì)量與致密性。

（3）毛坯軋輥熱開(kāi)箱+擴(kuò)散+正回火，能夠有效避免熱應(yīng)力低溫脆性，消除偏析，均勻成分，有效降低應(yīng)力。