碳化鎢復(fù)合軋輥在螺紋鋼棒材生產(chǎn)中的應(yīng)用

（江蘇永鋼集團(tuán)有限公司，江蘇張家港 215628）

軋輥是軋鋼生產(chǎn)中使用的主要工裝消耗件之一，通常軋輥消耗費(fèi)用約占軋鋼廠生產(chǎn)成本的5%～15%左右[1]。軋輥質(zhì)量不僅關(guān)系到本單位的生產(chǎn)成本和軋機(jī)生產(chǎn)作業(yè)率，很大程度上也影響軋材表面質(zhì)量。軋鋼廠現(xiàn)階段逐步使用含有大量合金成分的高速鋼合金軋輥，主要是應(yīng)用到中厚鋼板生產(chǎn)線。由于過鋼量提高不明顯、采購價(jià)格高、使用壽命短、綜合性價(jià)比低，高速鋼合金軋輥在螺紋鋼、角、槽鋼等型棒材軋制生產(chǎn)線很少應(yīng)用，在國內(nèi)的螺紋鋼生產(chǎn)線推廣和普及應(yīng)用十分困難[2]。研究新材質(zhì)和改進(jìn)制造方法是提高軋輥性能的主要途徑[3]。因此國內(nèi)某鋼廠成立了課題組，組織工藝、設(shè)備技術(shù)人員研究和發(fā)明提高軋槽過鋼量的新型軋輥。

1 問題的提出

國內(nèi)某鋼廠建有兩條平立交替的螺紋鋼生產(chǎn)線，主要生產(chǎn)φ10.0 mm～φ16.0 mm 的不同強(qiáng)度、不同外形尺寸的螺紋鋼棒材，大部分螺紋鋼材遠(yuǎn)銷東南亞、歐洲、非洲等地，生產(chǎn)線具有成品速度高、切分線數(shù)多、鋼材執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)雜等特點(diǎn)，難以組織以萬噸為單位的大批量生產(chǎn)。該生產(chǎn)線使用的平-立交替軋機(jī)全部使用球墨鑄鐵軋輥，其成品軋槽的磨損量很大，需要頻繁更換軋槽或者軋機(jī)；按照一個(gè)生產(chǎn)班8 小時(shí)計(jì)算，平均每班次需要停機(jī)更換成品軋槽3～4 次，每次更換需要30 min～40 min，嚴(yán)重影響了本產(chǎn)線的生產(chǎn)效率。如果能研發(fā)一種高耐磨性軋輥，提高成品螺紋鋼軋槽的過鋼量，減少停機(jī)時(shí)間，可有效提高生產(chǎn)線螺紋鋼棒的產(chǎn)量，增加公司的經(jīng)濟(jì)效益。為此迫切需要技術(shù)和設(shè)備研發(fā)人員研發(fā)出一種能明顯提高軋槽使用壽命的軋輥，改善生產(chǎn)現(xiàn)狀。

該生產(chǎn)線工藝流程為：使用160 mm 和165 mm兩種方坯，經(jīng)步進(jìn)式加熱爐加熱→φ610×6 粗軋機(jī)組→1#曲臂剪切頭、切尾（含碎斷）→φ470×4 中軋機(jī)組→預(yù)穿水實(shí)現(xiàn)控制軋制→φ470×2 精軋機(jī)組→2#飛剪切頭、切尾（含碎斷）→φ370×6 精軋機(jī)組→軋后穿水控制冷卻→冷床自然冷卻→冷剪定尺剪切→短尺剔除、計(jì)數(shù)、精整→打捆、稱重、吊運(yùn)、入庫。

2 成品軋輥試驗(yàn)方案

軋鋼生產(chǎn)線使用球墨鑄鐵軋輥時(shí)，成品軋機(jī)軋槽一般使用噸位為每槽200 t～300 t，需要頻繁更換。為減少成品軋槽的更換次數(shù)，降低調(diào)試品噸位以及因軋槽脫落產(chǎn)生的不合格品數(shù)量，提高機(jī)組的螺紋鋼生產(chǎn)量，研發(fā)人員在該生產(chǎn)線進(jìn)行了不同新材質(zhì)的成品軋輥試驗(yàn)，先后試用了鑄鋼軋輥、高速鋼軋輥、鍛鋼軋輥、合金軋輥，但成品軋槽的過鋼量增幅不明顯，綜合性價(jià)比沒有優(yōu)勢。碳化鎢輥環(huán)技術(shù)大量普及高線生產(chǎn)后，經(jīng)技術(shù)人員與這些廠家多次協(xié)商，由輥環(huán)廠家優(yōu)化模具和熱處理工藝，開發(fā)出超大直徑的φ370 mm/φ260 mm×90 mm（外徑/內(nèi)徑×厚度）碳化鎢輥環(huán)，并通過篩選YGR20-45 的不同牌號(hào)、不同硬度的輥環(huán)，最終采用YGR20 牌號(hào)的φ370 mm 碳化鎢，與球墨鑄鐵成功復(fù)合，制作出合金與鑄鐵的復(fù)合軋輥，數(shù)倍提高了成品軋槽的過鋼量。采用對(duì)碳化鎢輥環(huán)的再回收技術(shù)，有效降低了采購成本，為碳化鎢復(fù)合軋輥的大批量應(yīng)用到生產(chǎn)中創(chuàng)造了條件。

3 自制復(fù)合軋輥的制成

碳化鎢是利用粉末冶金技術(shù)，將碳化鎢與部分鐵、鎳、鈷等合金混合，壓制成型并在高于1 300 ℃的溫度下，利用石墨電阻爐或者在感應(yīng)電爐中燃燒氫氣燒結(jié)形成硬質(zhì)合金，并多次經(jīng)過特殊熱處理工藝穩(wěn)定其內(nèi)部組織、釋放鑄造內(nèi)應(yīng)力。因加工難度大、材質(zhì)硬度高、合金成本高、技術(shù)控制難度大等特點(diǎn)，通常以環(huán)狀交貨，俗稱碳化鎢輥環(huán)，如圖1 所示。

供應(yīng)商初始提供的碳化鎢材質(zhì)輥環(huán)，主要適合用于高線生產(chǎn)線的高速區(qū)軋機(jī)[4]，可顯著提高軋槽過鋼量和表面質(zhì)量，但能夠提供輥環(huán)最大規(guī)格為φ285 mm.對(duì)于棒材廠，因軋機(jī)外形、尺寸等特征，無法作為軋輥使用。而碳化鎢材質(zhì)鑄造設(shè)備、熱處理設(shè)備以及成本限制，很難制作成棒材廠使用的普通形狀的軋輥。一支普通的球墨鑄鐵軋輥單價(jià)一般在8 000 元左右，而一支外形尺寸與普通軋輥完全相同的碳化鎢材質(zhì)軋輥，按照碳化鎢的售價(jià)（約320 元/kg，每個(gè)軋輥質(zhì)量在900 kg～10 000 kg）估算，售價(jià)為26.0 萬元以上，且輥環(huán)制造廠家也沒有這種規(guī)格的鑄造模具和熱處理爐，因此使用全材質(zhì)的碳化鎢軋輥是不現(xiàn)實(shí)的。為此課題組研發(fā)人員認(rèn)定采用碳化鎢加球墨鑄鐵的組合軋輥。

圖1 提供棒材使用的WC 材質(zhì)輥環(huán)

將兩種不同尺寸、不同材質(zhì)、不同硬度的多個(gè)部件如何組裝并保證各其功能正常使用，是制作復(fù)合軋輥的關(guān)鍵點(diǎn)，通過實(shí)驗(yàn)，研發(fā)人員主要解決了如下難題：

1）成品軋輥（φ370 mm）及其切分導(dǎo)衛(wèi)、相關(guān)部件的尺寸精心測繪，找到軋輥中心線、各個(gè)碳化鎢輥環(huán)和鑄鐵環(huán)寬度、厚度中心線并精準(zhǔn)定位，保證組裝后的軋輥能夠與軋制線、導(dǎo)衛(wèi)中心線重合；

2）克服了球墨鑄鐵輥外徑加工精度與碳化鎢輥環(huán)內(nèi)徑尺寸的配合精度，保證碳化鎢環(huán)在軋制力和軋輥旋轉(zhuǎn)的前提下，發(fā)揮正常功能及精度。

3）研究碳化鎢輥環(huán)無橫裂工藝。要考慮輥環(huán)的安裝工藝，輥環(huán)與軋輥軸的配合間隙，使得復(fù)合軋輥具備大批量生產(chǎn)能力。

4）輥環(huán)材質(zhì)選型試驗(yàn)。不同生產(chǎn)線不同控軋工藝，不同材質(zhì)的過鋼量有一定差異，分別對(duì)YGR20-45、YGH20-40 兩種材質(zhì)不同牌號(hào)的碳化鎢輥環(huán)進(jìn)行試驗(yàn)，選定YGR20 牌號(hào)的輥環(huán)能具有較佳過鋼量。

5）采用低溫冷凍技術(shù)。通過低溫冷凍技術(shù)，將車削好的外徑為φ260 mm 的球墨鑄鐵軋輥與碳化鎢輥環(huán)精確安裝，形成過盈配合，有效避免輥環(huán)與軋輥配合間隙大、軋制中輥環(huán)打滑、無法正常生產(chǎn)的缺點(diǎn)。

6）采用鑄鐵環(huán)夾持碳化鎢輥環(huán)技術(shù)。碳化鎢輥環(huán)與球墨鑄鐵軋輥安裝完成后，在碳化鎢外側(cè)，依次放置一個(gè)規(guī)格、型號(hào)與碳化鎢輥環(huán)完全相同的鑄鐵環(huán)，利用鑄鐵環(huán)夾持碳化鎢輥環(huán)，防止輥環(huán)打滑。

7）克服了不同組織的球墨鑄鐵軋輥和碳化鎢的焊接性能差異，采用特殊焊接技術(shù)，保證焊接部位與軋輥本體焊接牢固，且不出現(xiàn)裂紋、打滑等異常問題。

8）優(yōu)化輥環(huán)結(jié)構(gòu)。在復(fù)合軋輥滿足生產(chǎn)后，研究優(yōu)化輥環(huán)結(jié)構(gòu)，減小廠家提供的輥環(huán)壁厚，增加作為受力本體的球墨鑄鐵軋輥直徑，降低復(fù)合軋輥的斷輥次數(shù)，同時(shí)也降低了公司采購碳化鎢輥環(huán)成本。

經(jīng)過技術(shù)人員的多次試驗(yàn)，有效解決了輥環(huán)打滑、環(huán)裂、軸向間隙的配合等問題，將每支軋輥上各裝配4 支碳化鎢輥環(huán)，最終成功制作出滿足生產(chǎn)要求的三切分碳化鎢與球墨鑄鐵的復(fù)合軋輥（見圖2），達(dá)到預(yù)期目的。

圖2 自制碳化鎢與球墨鑄鐵復(fù)合軋輥

4 新型復(fù)合軋輥應(yīng)用的改進(jìn)效果

使用復(fù)合軋輥后，技經(jīng)指標(biāo)得到很大改善，主要表現(xiàn)如下：

1）鐵型穩(wěn)定、軋槽磨損小、成品精度提高，螺紋鋼表面光潔度好；

2）成品負(fù)偏差容易控制。由于減少更換軋槽和生產(chǎn)長期處于穩(wěn)定狀態(tài)，螺紋鋼負(fù)偏差控制的波動(dòng)范圍?。?/p>

3）節(jié)省了大量換輥換槽時(shí)間、有效提高生產(chǎn)作業(yè)效率，平均班次生產(chǎn)噸位明顯提高；

4）碳化鎢材質(zhì)的K1 軋槽過鋼量是原來使用貝氏體型球墨鑄鐵軋輥、針狀鐵素體型球墨鑄鐵軋輥的3～5 倍。

5）有效減少因更換軋槽帶來的調(diào)試品量，堆鋼次數(shù)明顯減少，技經(jīng)指標(biāo)明顯改善。

表1 為使用WC 復(fù)合輥環(huán)前后技經(jīng)的改善情況對(duì)比。

目前碳化鎢復(fù)合軋輥代替球墨鑄鐵軋輥，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了軋線的生產(chǎn)作業(yè)效率的提高和成材率的改善。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每月可以增產(chǎn)約7 500 t，即使按照噸鋼效益200 元計(jì)算，每月可以增加近150 萬元的經(jīng)濟(jì)效益，效果顯著。

表1 技改前后的指標(biāo)變化情況

經(jīng)過一年的使用復(fù)合軋輥，已經(jīng)成功軋制超100 萬噸的螺紋鋼直棒鋼材，沒有發(fā)生輥環(huán)打滑、爆裂等生產(chǎn)事件，完成了小批量實(shí)驗(yàn)、大批量生產(chǎn)和工藝固化的工作，復(fù)合軋輥的開發(fā)達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

5 結(jié)論

1）經(jīng)科研小組的技術(shù)、設(shè)備人員相互協(xié)作，有效克服了碳化鎢輥環(huán)與球墨鑄鐵軋輥的安裝精度和輥環(huán)爆裂、打滑等難題，碳化鎢復(fù)合軋輥已成功應(yīng)用到大批量生產(chǎn)中。

2）復(fù)合軋輥有效解決了成品球墨鑄鐵軋輥在軋制螺紋鋼直條棒材生產(chǎn)中，軋槽使用壽命低的問題，大大提升了軋線的生產(chǎn)作業(yè)效率。

3）使用該復(fù)合軋輥，主要缺點(diǎn)軋輥的采購噸鋼成本有小幅度上升，但通過提高軋線產(chǎn)量、成材率、作業(yè)率和減少生產(chǎn)誤時(shí)等指標(biāo)，有效提高了企業(yè)的作業(yè)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)有效降低了更換軋槽帶來的調(diào)試副、次品噸位以及堆鋼次數(shù)等指標(biāo)。

4）碳化鎢與球墨鑄鐵制作的復(fù)合軋輥，在軋制螺紋鋼時(shí)的使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通的球墨鑄鐵、鑄鋼和高速鋼軋輥，具有很高推廣價(jià)值。