超大規格型鋼水平輥環制造與研究

曹光宇，陳風林，郭華樓，白思諾，朱志磊，王滟偉，王國菊

（1.軋輥復合材料國家重點實驗室，河北邢臺 054025；2.邢臺軋輥異型輥有限公司，河北邢臺 054025）

0 前言

H 型鋼是一種截端面為H 型的經濟型材，具有強度高、自重輕、抗震性能好、施工速度快、工業化程度高、環保等一系列優點，廣泛應用于各類建筑的鋼結構及橋梁、海洋采油平臺等方面，被譽為綠色鋼材，已經在發達國家廣泛應用。

當今世界發達國家在大型建筑中廣泛采用H型鋼、逐漸淘汰鋼筋混凝土結構。目前我國H 型鋼建筑面積僅占整個建筑面積的4%～6%，H 型鋼的發展空間巨大。而且，近年來，購物中心、商務酒店、跨海橋梁、鉆井平臺等大空間高層建筑和設施，更傾向于使用較高、跨度大、尺寸大的結構件。超大規格H 型鋼有效提升安全性，發展前景良好。另外，大規格熱軋H 型鋼組合梁技術的發展，可以提高橋梁建設工業化水平，并且能夠限制降低工程造價，進而促進鋼混組合梁的推廣。

本公司依托中鋼邢機全球領先的軋輥研發平臺，并憑借自身H 型鋼輥環生產優勢及擁有國內最大立式離心機，研發并制造出全球最大H 型鋼水平輥環（?2000mm/940mm×1120mm），填補了國際空白，也為客戶創造出巨大價值。

1 超大型型鋼水平輥環化學成分的設計

為了滿足軋輥耐磨性和組合裝配質量的要求，超大型型鋼水平輥環（以?2000mm/940mm×1120mm 為例）采用多層離心復合鑄造而成，與軋件接觸的外層材質采用高碳半鋼材質，用以提高軋輥的耐磨性和軋制產品的尺寸精度；內層材質采用性能優良的石墨鋼材質，用以提高軋輥的強度和韌性。

1.1 工作層

工作層參與軋制過程，并且工作層厚度要求≥360mm，因此，必須具備高硬度、高耐磨性、高抗熱裂性等特點。其化學成分設計如下：

C：碳的作用是提高軋輥的硬度、紅硬性、耐磨性。基體中形成碳化物，確定碳含量為1.6%～2.4%。

Cr：鉻的作用改善輥面抗粗糙性，降低軋制力。確定鉻含量為1%～2%。

Mo：鉬的作用是提高軋輥耐回火性，其形成的碳化物非常堅硬，提高了軋輥的耐磨性及熱硬性。確定鉬含量為0.5%～1.0%。

Ni：鎳的作用是改善軋輥基體韌度，但鎳會降低軋輥的高溫強度。確定鎳含量為1.2%～2.0%。

1.2 內層

內層材質采用改進型石墨鋼成分，熱處理時形成珠光體組織。奧氏體轉變時，使其析出鐵素體及滲碳體，二者成粒狀，相互均勻分布，最終形成粒狀珠光體組織，具有較高的強度及較好的韌性。根據上述的成分設計原則，確定超大規格型鋼水平輥環材質化學成分范圍如表1 所示。

表1 超大規格型鋼水平輥環化學成分 w/%

2 超大型型鋼水平輥環澆注工藝設計

超大規格（以?2000mm/940mm×1120mm 為例）型鋼輥環澆注工藝設計是關鍵環節之一，由于輥環工作層厚度大，鐵水液態時間長，一方面結合層熔蝕區控制難度增大，易出現工作層厚度不足或結合不良、界面強度低的問題；另一方面，產品規格發生變化，鐵水的凝固過程發生變化，容易出現端面碳化物聚集裂紋、組織偏析及其他影響使用的鑄造缺陷。為解決上述質量問題，采用分層技術及動態效應技術。

分層技術：由于輥環外層鋼水量大，散熱效果差，液相向固相轉變時，越遠離冷型內表面的部分，組織逐漸粗化，影響工作層使用質量。分層技術即把外層鋼水分為多層澆注，由于外層鋼水成分一致，各層之間的界面僅發生熔合與擴散，并且元素間沒有勢差，因此，控制好間隔時間及澆注溫度，就不會出現層與層之間的界面，組織也會變的細小。

動態效應技術：所謂動態效應技術是指澆注過程中，各層間通過變換重力倍數，用于調整雷諾數，實現層流向紊流的轉變，使枝晶破碎，形成新的核心，實現細化晶粒的目標，進而降低成分偏析。下面就該技術進行重點論述。

立式離心澆注公式如下：

式中，F 為離心力（N）；m 為鐵液的質量（kg）；ω 為冷型旋轉角速度（rad/s）；R 為鐵液任意點的旋轉半徑（cm）；n 為轉數（r/min）；g 為重力加速度（981cm/s2）。

式中，G 為重力系數；P 為物體所受的重力（N）。

動態效應可根據流體力學雷諾公式如下：

式中，υ 為金屬液相對于鑄型流動的平均線速度（m/s）；b 為鑄型中金屬液體層的厚度（m）；ν 為金屬液的運動粘度系數（m2/s）。

根據向心力公式：

根據公式2、3、4 可以得到重力系數與雷諾系數之間的關系。

根據公式5 可知，離心鑄造過程中，適當調整重力倍數G，則Re 成倍數級變化。

實施動態效應后，不斷增大其重力倍數G，Re也將成倍數增大，使結晶前沿晶粒運動加強，使金屬液與鑄型形成紊流狀態，金屬液從層流轉變為紊流。隨著鋼液溫度降低，形成大量枝晶，而枝晶由于處于紊亂狀態，收到剪切力的作用，不斷被折斷、脫落，形成枝晶碎片。重力倍數G 越大，Re 增長越快，產生的枝晶碎片越多，最終枝晶碎片形成新的形核核心，并在紊流層中劇烈運動，均勻分布在整個未凝固的金屬液中，阻止了成分偏析，輥環工作層成分趨于均勻，最終形成等軸晶，使新型雙金屬輥環在后續熱處理過程中，性能得到進一步提升。

3 超大型型鋼水平輥環熱處理工藝設計

由于超大型型鋼水平輥環的幾何尺寸大，工作層要求厚，在多層復合澆注過程中，層間存在一定的內應力，這種應力在后續加工過程中會被釋放出來進而影響界面結合。因此，毛坯開箱后先進行一次熱處理“球化等溫退火”，其目的是：使組織均勻化，消除鑄造應力。一次熱處理工藝曲線見圖1，其中H 為輥環厚度。

圖1 一次熱處理工藝曲線

產品球化等溫退火結束，并完成粗加工，粗加結束后，進行超聲波探傷，確認無層間缺陷后，進行二次熱處理。為確保產品具有足夠的硬層深度情況下，最大限度降低熱應力及組織應力，采用油冷淬火+兩次回火工藝。二次熱處理工藝曲線見圖2，其中H 為輥環厚度。

圖2 二次熱處理工藝曲線

4 超大型型鋼水平輥環性能檢測

4.1 成分偏析檢測

檢測水平輥環上下端面，每10mm 檢測一點，Cr、Ni、Mo 均勻分布，未出現偏析現象，進一步印證了分層澆注技術與動態效應技術的成功應用。

4.2 硬度落差檢測

對輥環上下端面每隔40mm 檢測硬度落差，見表2，從檢測結果分析，工作層范圍內硬度均勻分布，符合設計要求。

表2 超大型型鋼水平輥環硬度（HSD）

4.3 金相組織檢測

檢測輥環外圓金相組織，為珠光體+碳化物，見圖3，檢測輥環芯部組織，為石墨+珠光體+碳化物，見圖4。

圖3 外圓金相組織：珠光體+碳化物

圖4 芯部組織：石墨+碳化物+珠光體

4.4 強度檢測

取輥身試環，做拉伸試驗及沖擊試驗，檢測結果見表3。

表3 大型水平輥環強度檢測值

4.5 應力檢測

在水平輥環內孔邊部、中間采用盲孔法測量殘余應力，應力結果見表4。

表4 大型水平輥環殘余應力檢測值

5 超大型型鋼水平輥環應用

2019 年我公司為國內某型鋼廠型超大規格型鋼水平輥環，同年上機使用表現良好，單次軋制量超過6000t，得到了客戶認可，同時助力該公司成為世界首家生產1100mm 超大規格H 型鋼，填補了國際空白。輥環實物照片見圖5、軋制過程見圖6。

圖5 輥環實物照片

圖6 軋制過程

公司在大型及超大型型鋼輥環的制造技術上，產品性能已經達到或超過國外水平，并得到了國內、外大型、重型型鋼企業的認可，已經實現國產化替代，為國家高端基礎建設做出貢獻。

6 結論

（1）超大規格型鋼水平輥環通過化學成分設計、澆注工藝參數控制、兩次熱處理使得軋輥性能得到提升。

（2）超大規格型鋼水平輥環利用動態效應原理，通過不斷變化重力倍數G，來改變Re，使金屬液始終處于紊流狀態，破碎的枝晶形成晶核核心，消除了成分偏析，形成等軸晶，性能進一步提升。

（3）超大規格型鋼水平輥環采用兩次熱處理工藝，消除了產品鑄造應力及熱處理應力。

（4）世界最大型鋼水平輥環的研制成功，助力國內某型鋼企業成為世界首家生產1100mm 超大規格H 型鋼的廠家，填補了國際空白。