冶金轧辊的分类及选材.ppt

冶金轧辊的分类及选材宫开令,一、轧辊的分类二、轧辊材质的选择三、国内外对棒材连轧机轧辊选材上差距四、离心复合轧辊的诞生及发展,一、轧辊的分类,轧辊的种类很多，其分类方法也不统一，但一般习惯上按以下三种方法分类：A按轧辊用途分类：1初轧轧辊板坯初轧辊、方坯初轧辊（这两种轧辊随连铸比的增加而被取代）2板带轧辊中厚板轧辊、薄板轧辊、热轧带钢轧辊、窄带钢轧辊、冷轧带钢轧辊3型钢轧辊大型型钢轧辊、中小型型钢轧辊、棒材轧辊、线材轧辊、钢管轧辊,B按轧辊材质分类,1铸铁轧辊冷硬铸铁轧辊、无限冷硬铸铁轧辊、半冷硬铸铁轧辊、球墨铸铁轧辊、高铬铸铁轧辊2铸钢轧辊合金铸钢轧辊、合金半钢轧辊、石墨钢轧辊、高铬钢轧辊、高速钢轧辊3锻钢轧辊合金锻钢轧辊、高铬锻钢轧辊、锻造高速钢轧辊等4特种轧辊碳化钨轧辊、陶瓷钢轧辊,C按轧辊重量分类：1大型轧辊，重量大于10吨；2中型轧辊，重量3-10吨；3小型轧辊，重量小于3吨；,二、轧辊材质的选择,轧辊是轧钢生产过程中重要的消耗工具，它直接影响到轧材的尺寸精度和表面质量，由于每种轧机的轧制条件、轧材的品种和规格不同，因此，正确地设计轧辊特性和合理地选用轧辊材质是十分重要的。1、初轧机轧辊初轧机主要分为板坯轧机和方坯轧机，初轧机是以钢锭为坯料，而钢锭的铸态组织是粗大的树枝晶组织，极易产生偏析。为了消除铸造组织，都是控制较高的开轧温度和大的变形量，以便使粗大晶粒断开，同时，初轧机压下量大，轧制扭矩大。因此，轧辊的抗热裂纹性能和强度是初轧辊的关键。,上个世纪50年代以前，国外初轧辊大多选用锻钢轧辊。后来，部分改用铸钢轧辊，这类轧辊虽然强度大，但存在的主要问题一方面是不耐磨；另一方面是抗热裂纹性差，常常由于产生环裂而断辊。在初轧机轧辊中，球墨铸铁轧辊的应用被认为是很有成效的一大创举。1958年，我国在世界上首先将球铁轧辊用于初轧机上，取得了满意的轧制效果，为球墨铸铁应用领域的扩大做出了卓有成效的贡献。以往使用的铸钢初轧辊硬度为27-35HSD，而改用合金球铁轧辊，硬度可达到43-48HSD，具有较好的耐磨性和抗热裂纹性能，但缺点是容易打滑。在强度方面，只要轧辊球化效果较好，而且经过很好的热处理，轧辊强度是足以保证的。,2、中厚板轧辊中厚板轧机从结构型式上有二辊可逆式轧机、三辊劳特式轧机和四辊可逆式轧机；按机架数量有单机架、双机架和多机架的半连轧或全连轧。三辊劳特式轧机，除中辊是工作辊外，上下辊既是支承辊又是工作辊，要求轧辊不仅要具有良好的耐磨性和耐热性，而且还应具有良好的抗剥落性和抗折断性。因此轧辊应该采用低镍铬钼或中镍铬钼无限冷硬铸铁轧辊，辊身表面硬度为60-70HSD。四辊可逆式轧机是现代应用最广泛的中厚板轧机，它综合了二辊和三辊劳特式轧机的优点，既降低了轧制压力，又大大增强了轧机刚性。这种轧机对轧辊的选择几经变化，支承辊通常是采用铸钢辊，硬度为45-52HSD，粗轧机架工作辊开始采用合金无限冷硬铸铁轧辊，硬度为65-70HSD，而将高铬铸铁轧辊用于该机架是一大创举。精轧机架工作辊在50年代前后国外是采用全冲洗工艺生产的高合金无限冷硬铸铁轧辊，硬度为75-82HSD，这一材质一直延续到今天，只不过是石墨的形态和碳化物的状态有所改进，平整辊采用离心复合高合金无限冷硬铸铁轧辊，硬度为70-80HSD。,3、叠轧薄板轧辊目前，叠轧薄板轧机在国际上已基本淘汰，但我国现阶段尚有几十台，该种轧机具有以下特点：1）不可逆周期式轧制，轧件的空跑时间较长。2）因轧件的厚度小而表面积大，故在轧制过程中散热快，再加上空跑时间长，使轧件温度很快下降到不适于继续轧制的程度，往往需中间回炉再加热。3）由于轧机弹性变形的限制，在产品厚度小于2毫米时，就必须进行多片叠轧，轧制厚度一般在0.28-4.0毫米之间。4）为了减少轧件在轧制过程中的冷却，一般轧辊不进行水冷，轧辊的工作温度为500-600。5）轧辊在安装和正常轧钢之前均需对轧辊进行预热和烫辊，轧辊预热温度为380-4206）轧机轧制压力大，一般达到900吨以上，最大压力可高达到1600吨。,根据以上特点可见叠轧薄板轧机轧辊的工作条件是相当恶劣的。要求轧辊导热性能和抗剥落性能好，轧辊抗冲击和抗折断性能高。因此，这种轧辊通常选用合金含量低的CrMo无限冷硬球墨复合铸铁轧辊，硬度为57-63HSD，轧辊最易出现的问题是断辊和剥落。,4、热轧带钢轧辊,热轧带钢轧机分为半连轧、3/4连轧、全连轧和薄板连轧，仅有一架可逆式粗轧机和一组精轧机架所组成的叫做半连轧；具有数台粗轧机，其中有一台可逆式的称为3/4连轧；具有数台粗轧机和一组精轧机架的连轧机称为全连轧；坯料不是经初轧机开坯，而是由薄板连铸坯直接进入全连续轧机轧制称为薄板连轧。二辊式粗轧辊必须具有高的抗扭曲、抗弯曲强度和良好的抗热裂纹性能，因此大多使用整体浇注的，硬度为43-50HSD的合金铸钢轧辊或使用硬度为55-60HSD高强度合金球铁轧辊。近年来，国外一些国家采用外层为石墨钢的复合铸钢轧辊。获得了很好的使用效果。,在3/4连轧和全连续轧机中，粗轧机架因为有支承辊，所以不用担心工作辊断辊问题，关键是轧辊的磨损、热裂问题。上个世纪60年代和70年代热轧带钢连轧机粗轧机架主要选用硬度为50-55HSD的镍铬钼无限冷硬复合铸铁轧辊或半钢轧辊。80年代，欧洲开始使用高铬复合铸铁轧辊，并取得迅速推广，轧辊的硬度也提到70-75HSD。90年代，半高速钢轧辊在热轧带钢连轧机粗轧机架上取得成功的应用，半高速钢轧辊具有以下优点：高的耐磨损性；良好的抗热裂纹性；较好的抗剥落性和咬入性。精轧机架由5-7架组成，通常称第1架为F1，第2架为F2等，精轧机架为四辊轧机，支承辊用于防止工作辊因轧制力而挠曲。支承辊一般选用硬度为40-50HSD的铸钢轧辊，也有的国家采用硬度为60-70HSD的锻钢轧辊。总之，支承辊材料的选择必须具有良好的疲劳强度和抗折断性，这是由于支承辊与工作辊接触的部位承受极大的压力，每个轧制周期都出现加工硬化，如果不能及时去除，将会导致剥落。,精轧前段（F1-F3）工作辊八十年代也经历了一场变革，当采用厚板坯轧制时，出现了一种被称为粘辊的现象，黑色的氧化物会粘在工作辊表面，直到达到某一个临界厚度便开始脱落，这种脱落的氧化物由于轧辊辗压的结果将使带钢产生质量问题。为了解决这个问题，硬度为70-80HSD的高铬复合铸铁轧辊被用于精轧前段，取得了较好的使用效果。当然不是所有的轧机都能使用这种轧辊，如果冷却水不足或水质不好，将产生严重的剥落。当高铬复合铸铁轧辊尚未得到普遍采用时，高速钢轧辊在精轧前段却取得了很好的使用效果，使用寿命是高铬铸铁轧辊的3倍以上，现已基本完全取代了高铬铸铁轧辊。相同的轧机对轧辊的选用也不是千篇一律的，应根据具体的使用情况和轧机的作业条件来确定最适应的轧辊,精轧后段（F4-F7）工作辊是在最后几个架次上使用，因此轧辊的硬度、耐磨性、抗热裂纹性和抗剥落性是主要的性能要求。基于这种特性要求，国内外几乎所有的热轧带钢连轧机精轧后段工作辊都选用高镍铬钼无限冷硬复合铸铁轧辊。其硬度范围为75-85HSD。这种轧辊最重要的特点是耐磨性极佳，从而确保带钢具有很高的尺寸精度和表面光洁度。然而随着材料的发展，轧辊研制者将高速钢材料用于轧辊的制造上取得了显著的效果，它不仅适用于精轧前段工作辊，而且还适用于精轧后段工作辊，每次的换辊周期比原来提高3-5倍，轧辊的硬度可达到80-90HSD。目前不仅是F1-F3架普遍采用高速钢轧辊，而且F4、F5架也全部采用高速钢轧辊。F6、F7架还是采用改进性高镍铬钼无限冷硬铸铁轧辊，硬度为78-83HSD。平整辊采用硬度为70-80HSD的离心复合金无限冷硬铸铁轧辊。,5、热轧窄带钢轧辊,通常人们把带宽小于500毫米的带钢称为窄带钢，窄带钢轧机的机架形式和布局与热带连轧机很相似，因此，在轧辊选用上也基本接近。粗轧机架通常选用硬度为40-50HSD的合金铸钢轧辊或硬度为45-55HSD的合金球墨铸铁轧辊。精轧机组前段采用硬度为60-70HSD的贝氏体球墨铸铁轧辊或中高合金无限冷硬铸铁轧辊；精轧后段采用硬度为75-85HSD的高合金无限冷硬铸铁轧辊或硬度为80-90HSD的高速钢轧辊。支承辊采用半钢轧辊较好。,6、冷轧带钢轧辊,冷轧带钢连轧机是由三到六架组成，它们是具有较大型支承辊的四辊轧机，工作辊的直径较小。冷轧时，采用乳化油，既润滑带钢也起到冷却作用。冷轧工作辊采用80-95HSD的锻钢辊，也有的轧机采用硬度为75-80HSD的高合金无限冷硬铸铁辊，优点是辊形易于控制，但缺点是由于石墨的原因，常使带钢表面产生污染。近年来，半高速钢轧辊和高铬锻钢轧辊用于冷轧工作辊又是一项很大的突破。,7、大型型钢轧辊大型型钢轧机一般分为粗轧、中轧和精轧，所以根据机架不同，所选用的轧辊材质也应有所区别。粗轧机架轧辊通常加工有较深的孔槽，而且轧制温度高、轧制压力大，要求轧辊应具有较高的强度和耐热性，因此，国外大多数厂家采用铸造带槽的镍铬钼合金铸钢轧辊或石墨钢轧辊。近年来一些厂家为了提高轧材表面质量，已开始使用硬度为45-50HSD的合金半钢轧辊。只要改善了轧辊的冷却条件，在使用过程中辊温控制在60以下时，合金半钢轧辊达到了最佳的使用效果。用于中间机架的轧辊必须同时具备良好的抗热裂性和耐磨性，因此该机架轧辊一般选用硬度为50-60HSD的合金球墨铸铁轧辊或铸造带槽合金球墨铸铁轧辊。大型型钢精轧机架的轧制操作是保证实现按负公差轧制、减少允许偏差、提高大型型材尺寸精度的重要操作环节。因此，用于大型型钢轧机精轧机架的轧辊，应同时具有一定的强度和优良的耐磨性。因此，该轧辊基本上选用耐磨性好的珠光体球墨铸铁轧辊或高碳半钢轧辊。,8、中、小型型钢轧辊中、小型型钢轧辊一般分为粗轧、中轧和精轧，其材质选择应根据轧机的类型、产品的规格和轧机的架次等具体条件来确定。粗轧机架一般孔槽较深，要求轧辊要具有较高的强度和耐热裂纹性。因此，大多数采用合金半钢轧辊或高强度合金球墨铸铁轧辊。中间机架轧辊在轧制过程中负荷较重，要求轧辊既要具有良好的抗热裂纹性，又要具有一定的耐磨性，因此，一般选用合金球墨铸铁轧辊或无限冷硬铸铁轧辊。精轧机架轧辊承受的轧制压力较小，一般不易产生断辊现象。但是，该机架是产品的成品架或成品前架，为了保证轧材的尺寸精度，确保轧机按负公差轧制，轧辊的耐磨性是首要问题。所以，精轧机架轧辊通常选用耐磨性较好的珠光体球墨铸铁轧辊、贝氏体球墨铸铁轧辊或镍铬钼无限冷硬铸铁轧辊，轧辊的硬度为65-75HSD。,9、棒材轧辊棒材轧机是属于小型型钢轧机之列。据统计，截止到2003年底，我国相继引进和自制棒材连轧机118套，这些轧机产量高、轧制压力大，因而对轧辊的选用提出了更高的要求，特别是近年来引进的无头轧制技术，由于轧辊烘热时间久，轧材定尺长，因此对轧辊的要求不仅是耐磨性好、强度高，而且要具有更好的抗热裂纹性和强韧性。,粗轧机架轧辊首先由于轧机轧制压力大、轧辊孔型深，大压下量而引起的高切断力必须使轧辊具有较高强度、不断辊；另一方面，由于该机架轧制速度慢、轧辊烘热时间长，因此必须保证具有良好的抗热裂纹性能和抗剥落性能；同时，轧辊还必须具有良好的耐磨性、抗冲击性及咬入性。很明显，其中一些性能是相互矛盾的。钢轧辊比球墨铸铁轧辊具有较好的咬入性，而且强度高，但其耐磨性和抗热裂纹性能却不如球墨铸铁轧辊。有的厂家粗轧机架采用半钢轧辊，尽管从强度和耐磨性方面可以满足轧机要求，但轧辊的热裂纹却非常严重。所以，目前大多数厂家粗轧机组第一架选用硬度为45-50HSD的铁素体球墨铸铁轧辊，其它机架选用硬度为50-55HSD的珠光体球墨铸铁轧辊。其实粗轧机组最理想的材质应该是无碳化物贝氏体轧辊（NCC轧辊），硬度为48-55HSD，该种轧辊由于组织中无网状碳化物存在，不仅耐磨性高，而且抗热裂纹扩展能力强，缺点就是价位高。,中轧机架轧辊一方面具有较深的孔型和较大的轧制压力，所以轧辊的强度仍然是至关重要的；另一方面由于轧辊孔型尺寸较大，槽底的冷却不能充分进行，因此，轧辊的抗热裂纹性和冲击韧性仍然不可忽视。同时，该机架轧辊的耐磨性与粗轧机架相比提出了更高的要求，特别是槽底的硬度应与槽顶的硬度保持相近，因此，中轧机架采用硬度为60-68HSD的珠光体球墨铸铁轧辊比较理想，也很经济，而且轧辊使用后辊面磨损情况及热裂纹情况都较好，尽管针状贝氏体球铁耐磨性较好，但抗热裂纹性能却比珠光体球铁稍差。中轧机架轧辊今后发展的趋势是采用硬度为68-75HSD的半高速钢轧辊，其耐磨性是针状贝氏体球铁轧辊的2倍。,精轧机架轧辊既要保证轧机的正常作业率、减少换辊次数、提高钢材产量，又要保证钢材的表面质量，也就是多出钢、出好钢，因此轧辊的耐磨性是关键的问题。同时，由于螺纹钢的轧制，轧辊的韧性和抗剥落性仍然至关重要，所以该机架目前普遍选用硬度为68-75HSD的针状贝氏体球墨铸铁轧辊。因为这种轧辊基体组织是针状的贝氏体，轧辊的耐磨性和强韧性均较好。近年来，随着材料的发展，高速钢轧辊和碳化钨辊环以优良的耐磨性和显著的使用效果，越来越受到广大轧钢界的欢迎，特别是用于棒材连轧机的成品架、成品前架、切分机架和予切分机架效果更佳。高速钢轧辊的耐磨性比贝氏体球铁轧辊可提高3-5倍，碳化钨辊环的耐磨性比贝氏体球铁轧辊可提高5-10倍，但高速钢轧辊的价格仅为碳化钨辊环的十分之一，价格性能比高，前景广阔。同时也说明轧钢厂在选辊的观念上也发生转变，不再是热衷低价位的轧辊，而是看重轧辊的价格性能比，对轧机作业率的提高，对轧材质量的提高等因素。,10、高速线材轧辊高速线材轧机，也分为粗轧、中轧和精轧，在精轧之前还有2-4架预精轧。粗轧机组通常由4-8个机架组成，由于开轧温度高、截面大、轧机孔型较深，因此，用于粗轧机架的轧辊应兼有良好的抗折断、抗热裂纹、耐磨损和良好的咬入性能。通常粗轧机架采用硬度为50-60HSD的珠光体球墨铸铁轧辊或硬度为45-55HSD的合金半钢轧辊。中轧机组轧辊，一般要求具有良好的耐磨性和抗表面粗糙性能。所以高速线材轧机中轧机组一般选用硬度60-70HSD的珠光体球墨铸铁轧辊或贝氏体球墨铸铁轧辊，也有的厂家采用无限冷硬轧辊，应根据轧机的具体情况而定。,高速线材轧机的预精轧机组可以减少精轧的轧制事故，提高成品线材的尺寸精度。因此，预精轧机组选用轧辊材料的原则应当是，用于该机组的轧辊能够起到承前启后的作用，应以保证轧辊的耐磨性为主要依据。提高轧辊辊身工作层的硬度，尤其是增加辊身工作层基体组织中的硬质耐磨相是减少磨损的有效途径。因此，在辊身工作层基体组织中，增加上述硬质合金碳化物的数量，并控制其析出形态，是提高预精轧轧辊（或辊环）耐磨性的重要保证。多数预精轧机架轧辊是组合式结构，由辊环和芯轴套装而成。目前国外对辊环的材料选择很杂，如高硬度针状球铁、高铬铸铁、高钒合金铸铁、高钨铬合金铸铁、碳化钨复合辊环等。我国高速线材轧机预精轧辊环大多数选用外层硬度为75-80HSD的高镍铬钼无限冷硬铸铁，内层为合金球墨铸铁的离心复合辊环，取得了很好的使用效果。也有的厂家采用碳化钨硬质合金辊环，尽管耐磨性很好，但强度低，往往出现断裂现象。但是高速钢辊环以3倍于高镍铬钼无限冷硬铸铁轧辊的耐磨性，以比碳化钨硬质合金辊环更高的强度，更适应于高速线材轧机的预精轧。,高速线材轧机精轧机组是保证线材实现高精度轧制的重要因素。因而高速线材轧机精轧机组必须采用硬度为82-90HSD的碳化钨辊环。否则轧制的速度和辊环的耐磨性均将无法保证。到目前为止，高速线材轧机精轧机组的碳化钨硬质合金辊环还没有任何材料能够取代。,三、国内外对棒材连轧机轧辊选材上差距,前几年在轧辊选用上，国内各轧钢厂与国外存在较大差距，如瑞典山特维克生产的CIC碳化钨硬质合金辊环在90年代初就已推向中国，前后经历十几年的时间，最初只有上钢一厂在少量试用，到目前也不超过5家。尽管近几年许多轧钢厂也在积极选用进口的碳化钨辊环，但都是出于对该产品的兴趣而试用，很少有哪家再重复选购，最大的障碍是限于碳化钨辊环的价位和使用条件上，因为象这种轧辊，其使用效果的好坏，不仅取决于轧辊本身的质量，而且更重要取决于轧辊的使用条件和对轧辊的维护与保养。仅从该点而言，也是轧辊使用者在短期内无法接受的。从本质上来说，这是用辊观念的问题。两年前英国的英钢联、德国的巴顿公司棒材连轧机精轧机组就全部采用高速钢轧辊。,今年联强公司负责外销的领导考察日本很多轧钢厂时，发现日本轧钢厂在选辊上与两年前发生了根本的转变，粗轧机架普遍采用珠光体球墨铸铁轧辊，中轧机架选用半高速钢轧辊，精轧机架全部为高速钢轧辊。联强公司现在供给美国的棒材轧辊还是珠光体球铁轧辊和贝氏体球铁轧辊，甚至还有一定量的常法轧辊，但是他们自己认为3-5年之后，也会象日本一样，轧辊的选材将彻底改变。就我国而言，要想彻底做到选辊观念上的转变将需要更长的时间。,四、离心复合轧辊的诞生及发展,在人类创造了轧机的同时，便有了轧辊，先期的轧辊是采用砂型整体浇注，后来便发明了金属型铸造。当人们开始从铸型底部以切线浇口浇注轧辊时，轧辊的制造技术便发生了一个飞跃。随着轧钢工业的发展，轧钢工作者对轧辊的性能要求越来越高，要求辊身硬度高、耐磨性好，抗冲击和抗热裂纹性能好而且不打滑，而对轧辊芯部的要求是强度高、不断辊而且变形量要小。这些性能往往是相互矛盾的。为了解决这个问题轧辊研制者想到了采用半冲洗法或全冲洗法生产复合轧辊。半冲洗法是将合金铁水从铸型底部浇入，当铁水达到上辊颈与辊身交界处时停止浇注，静置一段时间，当辊身形成一层外壳时将包内剩余的铁水加入一定量的硅铁粉搅拌后再继续浇注，从而达到提高轧辊芯部强度的目的。,全冲洗法是将合金铁水从铸型底部浇入，当铁水达到上辊颈与辊身交界处时，停止浇注，静置一段时间，当辊身形成一层外壳时换另一包高强度的芯部铁水沿底浇口继续浇注，并将原芯部铁水从冒口端置换上去。复合轧辊的诞生，使轧辊的生产技术又一次产生飞跃。1968年日本久保田首先宣布离心复合铸铁轧辊研制成功，使复合轧辊的制造技术更加完善。三十五年来，离心复合轧辊的制造技术取得了迅速发展，可以说已经形成了八代离心复合轧辊。第一代为冷硬复合轧辊和无限冷硬复合轧辊。即轧辊的外层材料为冷硬铸铁或无限冷硬铸铁，轧辊的芯部材料为灰铸铁。这一代复合轧辊的技术关键是解决离心复合工艺、保护渣的研制及冷型涂料的研制。第二代为球芯复合轧辊。即轧辊的外层材料为冷硬铸铁或无限冷硬铸铁，轧辊的芯部材料为球墨铸铁。这一代复合轧辊的技术关键是解决轧辊结合层黑线对轧辊抗剥落性能的影响。,第三代为球墨复合铸铁轧辊。即轧辊的外层材料为合金球墨铸铁，轧辊的芯部材料也为球墨铸铁。这一代复合轧辊的技术关键是如何防止外层球墨铸铁的球化衰退和重熔问题。第四代为高铬复合铸铁轧辊。即轧辊的外层材料为高铬铸铁，轧辊芯部材料为球墨铸铁。这一代复合轧辊的技术关键是如何防止或减少外层的铬向芯部扩大散而造成的危害。因此，有时不得不采用三层复合。第五代为高铬复合铸钢轧辊。即轧辊的外层材料为高铬钢，轧辊的芯部材料为球墨铸铁或石墨钢。这一代复合轧辊的技术关键仍然是减少外层的铬向芯部扩散问题以及离心复合工艺参数的确定。第六代为复合铸钢或复合半钢轧辊。即轧辊外层材料为合金钢或半钢，轧辊芯部材料为普通铸钢或石墨钢。这一代复合轧辊的技术关键是离心复合工艺参数的确定和高熔点保护渣的研制。,第七代为高速钢或半高速钢复合轧辊。即轧辊的外层材料为高速钢或半高速钢，轧辊的芯部材料为球墨铸铁或石墨钢或锻钢。这一代复合轧辊的技术关键是离心复合工艺参数的确定及热处理工艺方案的制定。第八代为碳化钨复合轧辊。即轧辊的外层材料为碳化钨或陶瓷钢等非晶体，轧辊的芯部材料为球墨铸铁或铸钢。这一代复合轧辊的技术关键是离心工艺参数的确定以及收缩应力而造成的铸态裂纹等问题。,结束！,谢谢大家！,