棒材切分机用高速钢轧辊的生产

孙衍国

（山东广富集团有限公司，山东滨州 256217）

0 前言

目前，国内轧钢企业棒材K3 切分机普遍使用针状贝氏体球铁轧辊，受其基体组织限制，贝氏体轧辊存在耐磨性差、切分崩刃现象，严重影响轧钢效率。高速钢轧辊具有良好的强韧性和耐磨性，因极低的磨损率和出色的轧钢表面质量深受轧钢厂家的青睐，用高速钢轧辊替代常用的贝氏体球铁轧辊，可以解决贝氏体球铁轧辊硬度低、耐磨性差的问题。为提高棒材切分机用轧辊使用寿命，提高生产效率，公司决定采用高速钢轧辊代替针状贝氏体球铁轧辊。常规高速钢材料虽然耐磨性优良，但抗事故能力比贝氏体球铁轧辊差，K3 机架轧制过程中，切分刀刃时刻包裹在炽热的钢材中，冷却水达不到切分刀刃的根部，这种状况会引起高速钢切分刀刃的崩裂，材料的耐磨性得不到充分的发挥，性价比得不到体现，有时甚至不如贝氏体球铁轧辊。因此需要通过优化高速钢工艺，增强高速钢轧辊的工作层硬度和韧性，提高抗热疲劳性能，确保轧辊在整个工作层内都具有极好的耐磨性和热疲劳性。

1 生产工艺

1.1 技术路线

工作层：1t 中频炉熔炼→离心浇注，见图1、2。

图1 工作层熔炼

图2 工作层离心浇注

图3 芯部熔炼

图4 芯部静态浇注

芯部：5t 中频炉熔炼→静态浇注，见图3、4。

1.2 成分设计

常规高速钢轧辊化学成分一般组成见表1。

表1 常规高速钢轧辊化学成分 w/ %

该成分具有较高的W、Mo 含量，钨当量W+2Mo=8.5%～14.5%，表明该材料具有很高的红硬性，在棒材K1 轧机上使用，单槽过钢量达到贝氏体轧辊的三倍以上，显示出超强的耐磨损性能。但随着W、Mo 含量的增加，材料的导热性能将显著下降，会影响材料的热疲劳性能，而棒材K3 轧机在轧制过程中，切分刀刃时刻包裹在炽热的钢材中，冷却水冲不到刀尖和侧部，这种状况会引起高速钢切分刀刃处金属流动结瘤或崩裂，导致切分锲提前破坏，轧辊的耐磨性得不到充分的发挥，因此，适用于棒材轧机K3 机架轧辊化学成分需要重新设计。

Cr 是增加基体抗氧化和热稳定性的最主要元素，研究证实，当马氏体中溶有3.5%以上的Cr，会使材料的抗热疲劳能力显著提高，但Cr 的碳化物Cr7C3显微硬度不如V、Mo 形成的VC、M2C 高，在成份设计中加入一定量的V、Mo、Nb 元素，增加耐磨质点VC、M2C，使材料在优异抗热疲劳能力基础上具有较强的耐磨损性能。

经反复论证，将切分机用高速钢轧辊成分设计见表3，提高Cr 含量，并加入稀土和氮、钛等微量元素，细化凝固组织，减轻元素偏析，提高轧辊的力学性能、热疲劳性能和耐磨性。

表2 不同合金共晶碳化物显微维氏硬度数据（负荷10g）

表3 常规高速钢轧辊化学成分w/%

1.3 主要技术措施

（1）优化材料工作层凝固技术，减小元素偏析。钢水进入铸型后，立即喷水冷却铸型，通过实时监控铸型和型腔温度，控制喷水强度，保证铸型内高速钢钢水的凝固冷却速度控制在（18～32）℃/s，钢水浇注完毕3～5min 后，用非接触式测温仪测量高钨高速钢外层内表层温度，当温度为1220～1280℃时，停止铸型的喷水冷却，离心机停转，热开箱装炉退火处理。

（2）采用Re-Ti-N 复合变质剂变质处理技术，控制奥氏体结晶晶粒度保持在8 级以上，保证高速钢材料金相组织为：（5%～10%）MC+M6C+（8%～15%）Cr7C3+高硬度和适度韧性的隐晶马氏体，确保碳化物呈颗粒状、小型鱼骨状、菊花状断网分布。颗粒尺寸控制在10～40μm 左右，隐针马氏体常温显微硬度HV550～700。

（3）控制高速钢切分轧辊强韧化热处理工艺。首先将高速钢轧辊加热至1030～1050℃，目的是使基体奥氏体化，有利于随后冷却过程中获得高硬度的马氏体组织。轧辊经保温后置于控冷装置中，并使轧辊冷却过程中以25～35rpm 的速度旋转，有利于轧辊辊面冷却均匀，对提高辊面硬度的均匀性有利。同时在轧辊辊颈表面涂敷隔热材料，且辊颈置于控冷装置以外，可确保辊颈冷却缓慢，有利于提高辊颈强韧性，防止辊颈使用中出现断裂事故。

轧辊在控冷装置中，先喷雾冷却5～15min，然后气冷20～60min。喷雾冷却速度快，有利于促进奥氏体向马氏体转变，提高轧辊淬硬层深度，但是喷雾冷却时间过长，辊身内应力大，易萌生裂纹，因此，将喷雾冷却时间控制在5～15min，然后降低冷却速度，采用气冷20～60min。最后空冷至辊面温度低于300℃时入炉回火处理。回火的目的是为了稳定组织，消除应力，确保轧辊使用安全可靠。

2 结果分析

2.1 工作层组织

通过Re-Ti-N 复合变质剂变质处理技术,使高速钢材料在≥80g 离心力的作用下结晶，外层组织晶粒度达到8 级以上，成品状态下基体组织为隐针马氏体+（5%～10%）MC+M6C+（8%～15%）Cr7C3碳化物，见图6 所示。

图5 高温电阻炉加热

图6 工作层淬火回火后的组织

2.2 辊颈组织

辊颈采用高强度球墨铸铁材料，其金相组织为珠光体+5%左右渗碳体，见图7 所示。

图7 辊颈组织100×

2.3 轧辊实测指标

轧辊的力学性能、晶粒度等测试指标见表4。

表4 轧辊各项测试指标

2.4 使用效果

通过使用，新生产的棒材K3 切分机用高速钢轧辊寿命是原贝氏体轧辊的4 倍，以螺纹∅12mm×4 切分为例，使用贝氏体切分辊每天换4 次槽，单组槽过钢量800t 左右；使用高速钢切分辊后每天换1 次槽，单槽过钢量超过3500t，减少了换槽次数，提高了轧机作业率，产量每天提高300t 以上。

3 结论

（1）通过提高轧辊的Cr 含量和采用Re-Ti-N复合变质剂处理技术，提高了轧辊工作层的抗氧化和热稳定性。

（2）通过优化基体组织中VC、Mo2C 碳化物的形态、分布和数量，使轧辊工作层兼具高铬钢的抗热裂性和高速钢的耐磨性能，提升了轧辊使用寿命。

（3）研发的棒线材切分机用高速钢轧辊经用户使用，表现出良好的强韧性和耐磨性，应用效果良好。