H型鋼用石墨合金鋼輥環(huán)的研究

曹光宇，郭華樓，楊金剛，白思諾，王保宏，王滟偉

（1.軋輥復(fù)合材料國家重點(diǎn)試驗(yàn)室，河北054025；2.中鋼集團(tuán)邢臺機(jī)械軋輥有限公司，河北054025）

0 引言

H型鋼是在一對上下對稱放置的主動水平輥和一對左右對稱放置的被動立輥所形成的輥縫中軋制成形的。水平輥通過摩擦力將軋件咬入輥縫，軋件的摩擦力又拖動立輥轉(zhuǎn)動。而上下水平輥端面及兩個(gè)側(cè)壁均為熾熱的軋件包裹著，此處形變量較大，軋制力大，摩擦力大，同時(shí)水冷效果較差，因此槽底及側(cè)壁磨損較快，容易形成裂紋，裂紋邊刺被軋件帶走，使得軋輥表面形成微凹。軋件在擠壓與摩擦力的作用下，產(chǎn)生金屬流動，形成形變，部分外突毛刺與軋輥微凹形成互補(bǔ)，“阻礙”了軋件運(yùn)動，最終形成粘鋼問題。另外在軋制過程中，軋件易形成氧化鐵皮剝落，軋件與軋輥之間沒有很好的潤滑作用，部分滯留在軋件或軋輥上，加劇了粘鋼問題[1-2]。

為解決上述弊端，一種專用于H型鋼軋制的高硬度石墨合金鋼軋輥研發(fā)取得進(jìn)展。石墨合金鋼材質(zhì)中含有較高的提高基體強(qiáng)韌性的多種合金元素，配合科學(xué)、先進(jìn)的冶煉澆注工藝以及合理控制形成石墨化元素和碳化物元素的含量及相應(yīng)比例，可使合金鋼在細(xì)珠光體基體上析出部分球狀石墨。石墨具有極好的導(dǎo)熱性，并起著自然潤滑劑的作用，有利于粘鋼問題的避免。而且均勻分布的球型石墨，其阻尼性能可以使抗裂性能大大提高[3]。因此，石墨合金鋼軋輥材質(zhì)兼有優(yōu)良的抗熱裂性、抗事故沖擊能力和高耐磨性。

1 化學(xué)成分的研究

為了滿足H型鋼軋輥使用性能，一般軋輥要求外層高硬度、高耐磨性，內(nèi)層要求高強(qiáng)度、高韌性。輥環(huán)采用兩層或多層材質(zhì)離心復(fù)合鑄造生產(chǎn)，外層（工作面）與軋件接觸部位選用高碳高合金半鋼材質(zhì)；內(nèi)層（非工作面）選用高碳鋼材質(zhì)。

C：碳是與Fe、Cr、Mo形成M3C、M7C3、M2C等化合物，用于提高硬度、耐磨性，同時(shí)碳也是石墨化的重要元素。石墨合金鋼是依據(jù)高碳半鋼優(yōu)化而來，仍采用過共析的基體組織，總碳量控制在1.5%以上。但是隨著碳含量的增加，滲碳體在基體組織中數(shù)量會增加，軋件脆性增大，抗熱裂性能降低。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用效果，石墨合金鋼碳含量的選擇控制在1.5%～2.2%為宜。

Si：硅可以促進(jìn)石墨化，也可以的強(qiáng)化鐵素體，直接決定球狀石墨分布及形狀。為保證石墨合金鋼形成彌散的球狀石墨，硅的含量必須在1.3%以上。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用效果，石墨合金鋼碳含量的選擇控制在1.3%～2.0%為宜。

Mn：錳為阻止石墨化元素，可控制在0.6%～1.0%。

Cr：鉻是碳化物形成元素，是石墨合金鋼軋輥中重要的合金元素。Cr在軋輥中形成M7C3或者M(jìn)3C化合物，可以改善軋輥表面抗粗糙性，可降低粘鋼問題的發(fā)生率。鉻元素可以使C曲線右移，推遲奧氏體轉(zhuǎn)變，從而提高淬透性。鉻含量提高還有利于改善石墨合金鋼軋輥的抗熱沖擊能力。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用效果，石墨合金鋼鉻含量一般控制在2.5%～4%。

Mo：鉬元素在奧氏體轉(zhuǎn)變過程中，可以析出細(xì)小二次碳化物M6C、MC，均勻分布在基體上，提高基體硬度及耐磨性。鉬也可使C曲線右移，推遲奧氏體轉(zhuǎn)變，從而提高淬透性。同時(shí)鉬元可以提高鋼的抗熱裂性能。因此，石墨合金鋼鉬含量控制在0.5%～1%。

Ni：鎳元素可以為了改善高速鋼基體韌度，與鉻共存，可顯著提高石墨合金鋼軋輥的綜合性能。因此，石墨合金鋼鎳含量控制在1.5～2.5%。

Mg：稀土中的鎂，可以促進(jìn)球化作用，使石墨合金鋼石墨成球化，因此，石墨合金鋼殘鎂含量≥0.04%。

采用SPSS 17.0軟件，比較鼻出血患者血型構(gòu)成比與同期我院住院患者中創(chuàng)傷類患者血型構(gòu)成比，采用χ2檢驗(yàn)。以P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

根據(jù)上述的成分設(shè)計(jì)原則，確定石墨合金鋼化學(xué)成分范圍如表1所示。

表1 石墨合金鋼化學(xué)成分 /%

2 孕育及球化工藝的研究

石墨合金鋼軋輥關(guān)鍵在于基體上產(chǎn)生分布均勻的球狀石墨，用于提高與軋件之間的潤滑作用，而孕育和球化處理是產(chǎn)生球狀石墨的關(guān)鍵。

2.1 球狀石墨化處理

球狀石墨的形成分為兩個(gè)階段，即形核與長大。球狀石墨形核的物質(zhì)主要為稀土金屬的氧、硫化合物的夾雜。

鈣元素是非?；顫姷膲A金屬元素，它與鐵液中的氧，硫等元素形成化合物從而起到凈化鐵液的作用。同時(shí)產(chǎn)生的化合物也是石墨形核的物質(zhì)之一起到強(qiáng)化稀土和鎂元素的變質(zhì)作用，促進(jìn)石墨球化的作用。硅、鋁可以使碳的溶解度降低，凝固過程中，碳以游離的石墨形態(tài)析出[4]。

一般情況下，鋼水在爐內(nèi)進(jìn)行終脫氧，在包內(nèi)加入球化劑進(jìn)行球化處理，同時(shí)包內(nèi)加入孕育劑對鋼水進(jìn)行補(bǔ)充孕育，澆前執(zhí)行二次孕育，可有效抵消球化衰退現(xiàn)象，澆注時(shí)加硅鐵粒隨流孕育，發(fā)揮孕育劑瞬時(shí)孕育的效果。

經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，達(dá)到最佳孕育和球化效果，需要三級處理，即出鋼過程球化孕育，澆前二次孕育，澆注過程瞬時(shí)孕育[5]。

（1）出鋼過程球化孕育。石墨合金鋼外層出鋼水前，爐內(nèi)進(jìn)行終脫氧，包底加入1#合金、球化劑，鋼水出爐隨流沖入Si-Ca粒，硅、鈣元素可發(fā)揮孕育作用。

（2）澆鑄前球化孕育。澆注前再次沖入硅鐵粒二次孕育。

（3）澆注過程球化孕育。澆注過程中隨流沖入硅鐵粒瞬時(shí)孕育。

2.2 金相組織分析

采用上述三級處工藝，能使石墨合金鋼輥環(huán)工作層基體組織中均勻分布有大量細(xì)小、形狀較圓的球狀石墨，最終得到珠光體+碳化物的組織。

由于外圓余量較小，受激冷層影響，外圓石墨量偏低，外圓石墨含量在0.60%～1.2%左右，端面石墨含量1.40%～2.20%左右，石墨成團(tuán)、團(tuán)蟲、蠕蟲狀隨著軋制消耗，石墨含量會逐漸升高，潤滑作用增強(qiáng)，抗氧化鐵皮粘附性能增強(qiáng)。輥環(huán)外圓金相組織見圖1～3，輥環(huán)端面金相組織見圖4～6。

通過對圖1～6金相組織的分析可以看出：

（1）石墨細(xì)小彌散分布在基體組織上，極大地提高了基體組織的導(dǎo)熱性，在軋制過程中，降低了熾熱的軋件形成的熱應(yīng)力。

（2）游離點(diǎn)球狀石墨起著自然潤滑劑的作用，降低軋輥與軋件之間的摩擦力，增強(qiáng)抗氧化鐵皮粘附性能力，有利用解決粘鋼問題的發(fā)生。

圖4～6，輥環(huán)端面金相組織（珠光體+10.36%碳化物+1.7%球狀石墨）

（3）同時(shí)彌散的球狀石墨具有良好的耐磨性、極小的硬度落差，大大提高了輥環(huán)抗熱裂性能和抗事故沖擊性能。由于解決了粘鋼問題，使軋材的表面光潔度大幅度提高。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)室檢測：輥環(huán)外圓及側(cè)壁硬度為60～70HSD，抗拉強(qiáng)度≥600 MPa，兩項(xiàng)指標(biāo)完全滿足H型鋼軋制需求。

圖1～3，輥環(huán)外圓金相組織（珠光體+12.74%碳化物+0.77%球狀石墨

3 萬能軋機(jī)應(yīng)用

萬能型鋼軋機(jī)按用途可分為H型鋼萬能軋機(jī)、軌梁萬能軋機(jī)；按結(jié)構(gòu)可分為普通型萬能軋機(jī)、預(yù)應(yīng)力高剛度萬能軋機(jī)和緊湊式萬能軋機(jī)。根據(jù)工藝要求和產(chǎn)品規(guī)格不同，常采用串列式、半連續(xù)式和連續(xù)式布置方式。典型萬能型鋼軋機(jī)布置如圖7所示：

圖7 萬能型鋼軋機(jī)典型布置

H型鋼在軋制過程中粘鋼較為嚴(yán)重，成因很多，與軋輥完好程度、軋輥表面粘結(jié)氧化鐵皮、軋件帶來雜質(zhì)以及生產(chǎn)節(jié)奏等方面都有很大關(guān)系。通過一些設(shè)備改造比如增加吹掃裝置、增加除磷水壓與水量，控制合理的換輥周期及合理的生產(chǎn)節(jié)奏等取得了一定效果。

國內(nèi)某H型鋼廠，使用一組H700×300系列水平輥環(huán)，分別為UR上、UR下、UF上、UF下，往復(fù)軋制7道次。輥面材質(zhì)為石墨合金鋼，第一次軋制4 200 t，較常規(guī)半鋼材質(zhì)軋輥提升20%。僅在軋制第一支H型鋼時(shí)，UR軋輥工作面上下R角有一處輕微粘鋼，粘鋼位置上下輥對應(yīng)，說明軋材咬入時(shí)產(chǎn)生粘鋼。修磨后，其余軋制正常，無粘鋼現(xiàn)象。再次上機(jī)使用，軋制4 300 t，無粘鋼現(xiàn)象，后續(xù)直到該輥壽命結(jié)束，也沒有發(fā)生粘鋼問題。石墨合金軋輥的應(yīng)用，使得軋機(jī)綜合生產(chǎn)效率提高20%以上，同時(shí)軋材表面質(zhì)量大大提升，得到客戶認(rèn)可。

4 結(jié)論

目前該材質(zhì)輥環(huán)已經(jīng)在國外、國內(nèi)主要H型鋼廠進(jìn)行推廣應(yīng)用，效果良好，解決了粘鋼問題，提高了生產(chǎn)效率，軋材表面質(zhì)量也得到了改善。其主要工藝特點(diǎn)是：

（1）石墨合金鋼通過合理的化學(xué)成分設(shè)計(jì)，軋輥具有較高的強(qiáng)度，極好的耐磨性和抗熱疲勞裂紋性能，顯著提高使用壽命。

（2）石墨合金鋼通過合理的孕育和球化工藝，使其基體組織中一定數(shù)量彌散分布的球狀石墨，起著自然潤滑劑的作用，抗氧化鐵皮粘附性能得到增強(qiáng)。

（3）墨合金鋼軋輥應(yīng)用于H型鋼輥環(huán)，消除粘鋼效果明顯，生產(chǎn)效率得到提高，軋材質(zhì)量得到明顯改善。