連軋產(chǎn)線和半連軋產(chǎn)線的軋輥氧化行為研究

李繼新，周 旬，徐海衛(wèi)，肖寶亮，楊孝鶴

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，河北 唐山 063000）

1 概述

軋輥是帶鋼的熱軋鋼鐵生產(chǎn)中消耗量最大的消耗品之一，在常規(guī)半連軋產(chǎn)線，其消耗量為0.5～1千克/噸，在連軋產(chǎn)線上，其消耗量約為1.0～1.5千克/噸。軋輥的輥耗主要來(lái)源于在線的高溫軋輥氧化加劇磨損和線下的成型磨削。熱軋使用的軋輥包括：高速鋼，高鉻鑄鐵，高鉻鑄鋼，鍛鋼，無(wú)限冷硬軋輥等不同類型軋輥。不同廠商供應(yīng)軋輥的成分和組織存在差異，氧化行為也有明顯特征。不同類型合金加入，不同類型的碳化物，對(duì)軋輥的氧化行為，輥面質(zhì)量和軋輥壽命影響顯著。生產(chǎn)節(jié)奏及產(chǎn)品品種和規(guī)格的安排也會(huì)對(duì)軋輥的使用產(chǎn)生明顯影響[1-3]。

粗軋和精軋的軋輥在使用過(guò)程中，因工作輥在與熱帶鋼接觸時(shí)的周期性加熱(由于帶鋼、變形和摩擦的熱傳導(dǎo))，軋輥接觸弧和板坯接觸溫度＞500℃，軋輥基體以馬氏體為主，氧化時(shí)間增加，氧化膜逐漸增長(zhǎng)，對(duì)軋輥本身的基體產(chǎn)生保護(hù)作用。同時(shí)，軋制過(guò)程伴隨著氧化膜的磨損，磨損減薄后，氧化速率又繼續(xù)上升，形成一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定平衡的狀態(tài)。同時(shí)，軋輥存在匹配的冷卻系統(tǒng)，溫度的快速變化會(huì)導(dǎo)致氧化的發(fā)展，熱裂紋和工作輥表面的疲勞的發(fā)生。適當(dāng)?shù)难趸つ軌蚪档蛶т撆c軋輥間的摩擦系數(shù)，防止熱裂紋擴(kuò)展，具有延長(zhǎng)工作輥壽命的作用。然而過(guò)快的氧化膜生長(zhǎng)，氧化膜的增厚也導(dǎo)致界面結(jié)合力減弱，并在軋制應(yīng)力及摩擦力的作用下使軋輥氧化膜的剝落。氧化膜的剝落不僅會(huì)影響軋輥的使用性能、加速軋輥的磨損，還會(huì)使熱軋帶鋼發(fā)生氧化鐵皮壓入等缺陷，影響帶鋼的表面質(zhì)量。在正常的生產(chǎn)過(guò)程中，溫度高，氧化層厚度薄，則氧化速度增加，氧化層相對(duì)致密。隨著氧化層增厚，氧化速率會(huì)下降，但是結(jié)構(gòu)會(huì)輸送，摩擦系數(shù)增加，容易剝落[4，5]。

本研究計(jì)劃以最常見的高鉻鑄鐵軋輥和Mo-V體系的高速鋼為例，研究其在連軋和半連軋產(chǎn)線的不同工藝條件下的氧化行為及氧化膜的生長(zhǎng)狀態(tài)。為不同軋線為保證產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)順?lè)€(wěn)，提供軋輥使用特征和策略的依據(jù)。

2 生產(chǎn)工藝的區(qū)別

由于設(shè)備的配置不同，半連軋工序和全連軋工序的過(guò)程工藝偏差大，控軋控冷的方式有明顯的區(qū)別。①常規(guī)半連軋的粗軋工序通常使用高鉻鑄鐵軋輥，粗軋的使用公里數(shù)約為200公里， 精軋前段使用高速鋼軋輥，后段為無(wú)限冷硬軋輥，單輥期軋制50～100公里。粗軋板坯平均溫度1000℃～1100℃，精軋前段中間坯平均溫度1050℃～950℃，后段中間坯平均溫度950℃～800℃。②而連續(xù)生產(chǎn)線較常規(guī)產(chǎn)線有所不同，粗軋目前是以高鉻鑄鐵為主，在逐步更換為高速鋼，精軋前段為高速鋼軋輥，后段為無(wú)限冷硬軋輥軋輥，單輥期軋制長(zhǎng)度為100公里左右。粗軋區(qū)域的板坯平均溫度1000℃～1150℃，精軋前段中間坯平均溫度1150℃～1000℃，精軋后段的中間坯平均溫度1000℃～800℃。

3 軋輥的氧化行為

軋輥的氧化是循環(huán)氧化的過(guò)程，雖然高溫氧化是氧化膜生長(zhǎng)最重要的過(guò)程，控制氧化，首先要研究氧化膜在加熱過(guò)程中的生產(chǎn)動(dòng)力學(xué)，為溫度控制提供準(zhǔn)確參數(shù)。然后對(duì)軋輥組織的影響，表面粗糙度的變化對(duì)軋輥氧化膜的維護(hù)以及使用壽命進(jìn)行影響分析。

3.1 連續(xù)加熱條件下軋輥氧化動(dòng)力學(xué)

熱重試驗(yàn)顯示，高鉻鑄鐵軋輥連續(xù)加熱，當(dāng)溫度小于250℃時(shí)的氧化增重不大，溫度升高，氧化增重增加，當(dāng)溫度升高到450℃～50℃時(shí)，氧化增重隨溫度的變化不大，當(dāng)高于680℃時(shí)，氧化增重隨溫度變化開始明顯增加。

高速鋼在溫度低于550℃時(shí)，隨加熱溫度的增加，氧化增重緩慢增加；當(dāng)溫度高于550 ℃時(shí)，其氧化增重的速率開始增大，而當(dāng)溫度高于700℃時(shí)，其氧化增重隨溫度的增重呈線性快速增。高速鋼的氧化速率顯著大于高鉻鑄鋼，從氧化膜的控制上，高鉻鑄鋼可以采用高的溫度，而高速鋼的溫度應(yīng)控制的低溫的水平，從而控制氧化膜的快速增大。

3.2 連續(xù)加熱條件下軋輥氧化膜微觀組織

高鉻鑄鐵軋輥在溫度低于250℃時(shí)，表面沒(méi)有明顯的氧化，當(dāng)溫度達(dá)到300℃時(shí)，基體表面開始出現(xiàn)氧化膜，隨溫度的升高，氧化速度加快。但網(wǎng)狀碳化物基本沒(méi)有氧化發(fā)生，即使溫度達(dá)到700℃時(shí)，碳化物仍保持原來(lái)特征。另外基體氧化也存在不均勻現(xiàn)象，靠近共晶碳化物的區(qū)域，氧化數(shù)率略高于內(nèi)部區(qū)域。但當(dāng)溫度高于 600℃時(shí)，氧化膜隨溫度升高，形態(tài)變化不明顯。

高速鋼軋輥在連續(xù)加熱條件下加熱至不同溫度時(shí)的表面形貌。當(dāng)溫度低于400℃時(shí)，表面沒(méi)有明顯的變化，即沒(méi)有明顯氧化；當(dāng)溫度到達(dá)500℃時(shí)，基體表面明顯出現(xiàn)氧化膜，當(dāng)溫度高于600℃時(shí)，氧化明顯加快。總體看，無(wú)論點(diǎn)、棒狀碳化物，還是較大的碳化物，在連續(xù)加熱的過(guò)程中，均沒(méi)有明顯的氧化發(fā)生，還保持原始的形態(tài)。

圖1 連續(xù)加熱時(shí)TG氧化增重曲線

高鉻鑄鐵軋輥在300℃時(shí)就開始有明顯氧化，高速鋼軋輥則在500 ℃時(shí)開始氧化，并隨溫度的升高氧化膜快速生長(zhǎng)，這一結(jié)果和熱重實(shí)驗(yàn)的結(jié)果一致。另外由氧化膜生長(zhǎng)狀態(tài)看，碳化物沒(méi)有明顯的氧化，氧化膜主要由基體開始生長(zhǎng)，而基體的不同區(qū)域氧化速度也略有不同，靠近共晶碳化物區(qū)域氧化數(shù)率略高于基體。

3.3 粗糙度

連軋產(chǎn)線的特點(diǎn)是軋制過(guò)程板坯不間斷，軋輥受熱頻率高，升溫塊，輥身溫度高。同時(shí)，連軋產(chǎn)線的粗軋段和精軋前段的板坯溫度高于半連軋產(chǎn)線50℃～100℃，溫度直接影響了軋輥輥身溫度。

高鉻鑄鐵經(jīng)氧化后，表面粗糙多較小，說(shuō)明基體氧化膜增加不大。而高鉻鑄鋼表面氧化較厚，其氧化后的粗糙度也明顯增加。相對(duì)高速鋼，其氧化后的粗糙度顯著增加，達(dá)到幾十微米，說(shuō)明其氧化最為嚴(yán)重。這也證明了，TG及表面觀察結(jié)果的正確性。

4 結(jié)果與討論

在軋制同鋼種、同規(guī)格、同公里數(shù)的條件下，半連軋產(chǎn)線的粗軋軋輥的下機(jī)溫度比連軋產(chǎn)線平均低20℃。半連軋產(chǎn)線精軋前段的軋輥平均下機(jī)溫度65℃，連軋精軋前段的軋輥平均下機(jī)溫度75℃，連軋產(chǎn)線同樣比半連軋產(chǎn)線高10℃。連軋和半連軋產(chǎn)線的粗軋工序軋輥在機(jī)接觸溫度處于700℃～800℃的范圍，在此范圍內(nèi)，連軋產(chǎn)線軋輥氧化溫度高20℃。在該工序，連軋產(chǎn)線氧化膜厚度25um，半連軋產(chǎn)線氧化膜厚度為30um，對(duì)應(yīng)的氧化膜厚度增加約10%～20%。由動(dòng)力學(xué)曲線可知，氧化增重增加約10%[6]。

典型高鉻鑄鐵軋輥的成分包括：C:1.3%～1.4%，Mn：0.9%，Cr: 12%，Ni：0.5%，Mo：1%，V：0.4%。大量的添加鉻元素主要是增加高溫下軋輥和氧化膜的熱穩(wěn)定性。組織以Cr7C3，氧化膜是以FeCr2O4和Fe3O4為主。鐵鉻尖晶石高溫下的耐磨性和致密性高于氧化鐵。而而典型高速鋼軋輥的成分包括：C:1.9%～2.0%，Mn：0.4%，Cr: 4.5%，Ni：0.5%，Mo：6.5%，V：6%，W：0.15%。高速鋼加入了Mo、V、W等元素，碳化物比較負(fù)責(zé)，分布更為分散，因合金的總加入量較高鉻鑄鐵中的鉻含量低，氧化層生產(chǎn)的熱穩(wěn)定性略低，即在較低溫度開始迅速增加。由動(dòng)力學(xué)曲線可以看出，高速鋼軋輥＞700℃的氧化速率大于高鉻鑄鐵軋輥。

實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，軋輥表面氧化膜處于動(dòng)態(tài)平衡。由于軋制過(guò)程的溫度變化連續(xù)，因此氧化膜生長(zhǎng)均勻。軋制過(guò)程由于除鱗系統(tǒng)，冷卻系統(tǒng)或者產(chǎn)品自身的溫度不均勻，可能會(huì)導(dǎo)致局部區(qū)域硬度異常了，軋制負(fù)荷增加，磨損加大，嚴(yán)重情況會(huì)造成局部的氧化膜大片剝落，粗糙度大幅增加。而高速鋼軋輥的優(yōu)勢(shì)是耐磨性是高鉻鑄鐵軋輥的三倍以上[7]。

如果單獨(dú)考慮氧化行為的問(wèn)題，使用高鉻鑄鐵軋輥更好。如果單獨(dú)考慮磨損問(wèn)題，肯定高速鋼軋輥有優(yōu)勢(shì)。但是綜合考慮軋輥的氧化和磨損考慮，在半連軋產(chǎn)線，粗軋區(qū)域高溫，使用高鉻鑄鐵軋輥，而精軋前段F1-F4，隨著溫度降低，軋制公里數(shù)的增加，磨損的嚴(yán)重程度增加，投入高速鋼軋輥更有優(yōu)勢(shì)。而在連軋產(chǎn)線，粗軋和精軋屬于連續(xù)軋制，軋輥沒(méi)有軋制間隙的冷卻，溫度高，磨損更重。因此可以和半連軋產(chǎn)線一樣，粗軋使用高鉻鑄鐵，精軋前段使用高速鋼。更有優(yōu)勢(shì)的方式是：在粗軋和精軋均使用高速鋼軋輥，提高軋輥的耐磨損能力，需要對(duì)高速鋼軋輥進(jìn)行成分調(diào)整，比如增加鉻含量，提高熱穩(wěn)定性，提高高溫氧化膜的穩(wěn)定性。從而整體減少輥耗。

5 總結(jié)

（1）通過(guò)對(duì)半連軋產(chǎn)線和連軋產(chǎn)線的工藝分析，判斷連軋產(chǎn)線，不論在粗軋工序還是精軋工序，軋輥使用環(huán)境更惡劣，軋輥溫度更高，磨損更重。

（2）對(duì)比典型高速鋼軋輥和高鉻鑄鐵軋輥的氧化行為和氧化膜的結(jié)構(gòu)，高速鋼的初始氧化速度高，但是后期增長(zhǎng)速度迅速增長(zhǎng)。高鉻鑄鐵軋輥低溫有個(gè)短時(shí)間增長(zhǎng)，大于700℃的高溫段，增速加大，但是對(duì)高速鋼軋輥的高溫氧化速率低。

（3）建議半連軋產(chǎn)線粗軋使用高鉻鑄鐵軋輥，精軋使用高速鋼軋輥更有優(yōu)勢(shì)。連軋產(chǎn)線投入提高鉻含量的高速鋼，效益更為顯著。