連軋產線和半連軋產線的軋輥氧化行為研究

李繼新，周 旬，徐海衛，肖寶亮，楊孝鶴

（首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司，河北 唐山 063000）

1 概述

軋輥是帶鋼的熱軋鋼鐵生產中消耗量最大的消耗品之一，在常規半連軋產線，其消耗量為0.5～1千克/噸，在連軋產線上，其消耗量約為1.0～1.5千克/噸。軋輥的輥耗主要來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，無限冷硬軋輥等不同類型軋輥。不同廠商供應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，對軋輥的氧化行為，輥面質量和軋輥壽命影響顯著。生產節奏及產品品種和規格的安排也會對軋輥的使用產生明顯影響[1-3]。

粗軋和精軋的軋輥在使用過程中，因工作輥在與熱帶鋼接觸時的周期性加熱(由于帶鋼、變形和摩擦的熱傳導)，軋輥接觸弧和板坯接觸溫度＞500℃，軋輥基體以馬氏體為主，氧化時間增加，氧化膜逐漸增長，對軋輥本身的基體產生保護作用。同時，軋制過程伴隨著氧化膜的磨損，磨損減薄后，氧化速率又繼續上升，形成一個相對穩定平衡的狀態。同時，軋輥存在匹配的冷卻系統，溫度的快速變化會導致氧化的發展，熱裂紋和工作輥表面的疲勞的發生。適當的氧化膜能夠降低帶鋼與軋輥間的摩擦系數，防止熱裂紋擴展，具有延長工作輥壽命的作用。然而過快的氧化膜生長，氧化膜的增厚也導致界面結合力減弱，并在軋制應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影響軋輥的使用性能、加速軋輥的磨損，還會使熱軋帶鋼發生氧化鐵皮壓入等缺陷，影響帶鋼的表面質量。在正常的生產過程中，溫度高，氧化層厚度薄，則氧化速度增加，氧化層相對致密。隨著氧化層增厚，氧化速率會下降，但是結構會輸送，摩擦系數增加，容易剝落[4，5]。

本研究計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線的不同工藝條件下的氧化行為及氧化膜的生長狀態。為不同軋線為保證產品質量和生產順穩，提供軋輥使用特征和策略的依據。

2 生產工藝的區別

由于設備的配置不同，半連軋工序和全連軋工序的過程工藝偏差大，控軋控冷的方式有明顯的區別。①常規半連軋的粗軋工序通常使用高鉻鑄鐵軋輥，粗軋的使用公里數約為200公里， 精軋前段使用高速鋼軋輥，后段為無限冷硬軋輥，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而連續生產線較常規產線有所不同，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，后段為無限冷硬軋輥軋輥，單輥期軋制長度為100公里左右。粗軋區域的板坯平均溫度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

軋輥的氧化是循環氧化的過程，雖然高溫氧化是氧化膜生長最重要的過程，控制氧化，首先要研究氧化膜在加熱過程中的生產動力學，為溫度控制提供準確參數。然后對軋輥組織的影響，表面粗糙度的變化對軋輥氧化膜的維護以及使用壽命進行影響分析。

3.1 連續加熱條件下軋輥氧化動力學

熱重試驗顯示，高鉻鑄鐵軋輥連續加熱，當溫度小于250℃時的氧化增重不大，溫度升高，氧化增重增加，當溫度升高到450℃～50℃時，氧化增重隨溫度的變化不大，當高于680℃時，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，隨加熱溫度的增加，氧化增重緩慢增加；當溫度高于550 ℃時，其氧化增重的速率開始增大，而當溫度高于700℃時，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，而高速鋼的溫度應控制的低溫的水平，從而控制氧化膜的快速增大。

3.2 連續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，表面沒有明顯的氧化，當溫度達到300℃時，基體表面開始出現氧化膜，隨溫度的升高，氧化速度加快。但網狀碳化物基本沒有氧化發生，即使溫度達到700℃時，碳化物仍保持原來特征。另外基體氧化也存在不均勻現象，靠近共晶碳化物的區域，氧化數率略高于內部區域。但當溫度高于 600℃時，氧化膜隨溫度升高，形態變化不明顯。

高速鋼軋輥在連續加熱條件下加熱至不同溫度時的表面形貌。當溫度低于400℃時，表面沒有明顯的變化，即沒有明顯氧化；當溫度到達500℃時，基體表面明顯出現氧化膜，當溫度高于600℃時，氧化明顯加快。總體看，無論點、棒狀碳化物，還是較大的碳化物，在連續加熱的過程中，均沒有明顯的氧化發生，還保持原始的形態。

圖1 連續加熱時TG氧化增重曲線

高鉻鑄鐵軋輥在300℃時就開始有明顯氧化，高速鋼軋輥則在500 ℃時開始氧化，并隨溫度的升高氧化膜快速生長，這一結果和熱重實驗的結果一致。另外由氧化膜生長狀態看，碳化物沒有明顯的氧化，氧化膜主要由基體開始生長，而基體的不同區域氧化速度也略有不同，靠近共晶碳化物區域氧化數率略高于基體。

3.3 粗糙度

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

高鉻鑄鐵經氧化后，表面粗糙多較小，說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。相對高速鋼，其氧化后的粗糙度顯著增加，達到幾十微米，說明其氧化最為嚴重。這也證明了，TG及表面觀察結果的正確性。

4 結果與討論

在軋制同鋼種、同規格、同公里數的條件下，半連軋產線的粗軋軋輥的下機溫度比連軋產線平均低20℃。半連軋產線精軋前段的軋輥平均下機溫度65℃，連軋精軋前段的軋輥平均下機溫度75℃，連軋產線同樣比半連軋產線高10℃。連軋和半連軋產線的粗軋工序軋輥在機接觸溫度處于700℃～800℃的范圍，在此范圍內，連軋產線軋輥氧化溫度高20℃。在該工序，連軋產線氧化膜厚度25um，半連軋產線氧化膜厚度為30um，對應的氧化膜厚度增加約10%～20%。由動力學曲線可知，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，碳化物比較負責，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，氧化層生產的熱穩定性略低，即在較低溫度開始迅速增加。由動力學曲線可以看出，高速鋼軋輥＞700℃的氧化速率大于高鉻鑄鐵軋輥。

實際生產過程中，軋輥表面氧化膜處于動態平衡。由于軋制過程的溫度變化連續，因此氧化膜生長均勻。軋制過程由于除鱗系統，冷卻系統或者產品自身的溫度不均勻，可能會導致局部區域硬度異常了，軋制負荷增加，磨損加大，嚴重情況會造成局部的氧化膜大片剝落，粗糙度大幅增加。而高速鋼軋輥的優勢是耐磨性是高鉻鑄鐵軋輥的三倍以上[7]。

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

5 總結

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

（2）對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構，高速鋼的初始氧化速度高，但是后期增長速度迅速增長。高鉻鑄鐵軋輥低溫有個短時間增長，大于700℃的高溫段，增速加大，但是對高速鋼軋輥的高溫氧化速率低。

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