热轧辊和冷轧辊的区别(冷轧工作辊的性能要求和材质发展趋势)

Posted 2023-06-02

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热轧辊和冷轧辊的区别(冷轧工作辊的性能要求和材质发展趋势)

冷轧薄板(包括镀锌、镀锡、涂层及搪瓷等薄钢板)由于具有强度高、厚度薄、厚度尺寸准确、表面光洁、加工容易、深冲性能好等特点，被广泛应用于化工、轻工、汽车、机械、建筑、水电、石油、煤炭和铁道等部门，是国民经济中不可或缺的一个重要的钢铁品种。轧辊是冷轧薄板生产所必需且非常重要的设备组件，冷轧板材需求量的增加，也使得轧辊生产企业明显增多，但国内高端冷轧锻钢轧辊产能仍十分稀缺，只有少数几家轧辊企业由于采用进口设备能提供一部分高端轧辊，不足部分仍只能通过进口来弥补。随着轧机数控化、现代化、自动化、连续化程度的逐渐提高，对轧辊质量也提出越来越高的要求。宝钢的生产过程中由于选用了高质量的轧辊材质，使得钢吨耗已经下降到0.2公斤以下，而国内大部分钢铁企业的钢吨耗才刚刚下降到1公斤，这与先进国家平均辊耗生产水平差距大，可节约钢铁生产成本空间也大。

冷轧工作辊产品的主要性能要求

①轧辊强度

冷轧过程中的变形抗力要远远高于热轧过程中的变形抗力。在咬入的初始阶段，冷轧工作辊表面不但要承受超过1×104MPa的压力，还要承受由于轧辊和板材界面间摩擦引起的剪切应力。为了满足使用时的苛刻要求，冷轧工作辊的抗拉强度σb约为2×103MPa，同时内部组织必须均匀。真空熔炼、真空除气、真空浇注等技术的出现不仅防止了氧化物的产生，而且通过控制注温、注速改善了钢锭中合金元素的偏析，提高了组织的致密性及成分均匀度。电渣重熔技术使钢的纯净度进入了一个新时代。钼、钒等合金元素的加入，增强了冷轧辊钢的强度，同时提高了冷轧工作辊用钢材质的各项性能。

②轧辊的耐磨性

冷轧辊在冷轧过程中的磨损形式主要有两种：径向上的宏观磨损和表面粗糙度的下降。宏观磨损量决定了冷轧辊的寿命。当坯料由钢锭变成板坯时，特别是高速轧制各种类型薄板时，由于在冷轧过程中的剧烈磨损消耗将会导致冷轧工作辊轧的使用寿命大大缩短，已成为一个急需解决的大问题。许多文献对冷轧工作辊的磨损问题进行了广泛而深刻的讨论：比如冷轧辊钢中由于铝的氧化物而引起的磨损;在大的循环轧制应力作用下可能使冷轧辊的辊面变形，从而产生细小的磨损颗粒，该颗粒被氧化后形成磨粒从而直接导致冷轧工作辊的磨损;冷轧工作辊在热带的冷轧过程中，辊面将会由于氧化而立即生成氧化物，进而由氧化物对轧辊产生磨损;冷轧辊在高速轧制时，表面粗糙度会随着坯料的咬入而逐渐上升，因此，轧辊表面能否得到再生决定了冷轧工作辊后续的轧役寿命。

归纳起来提高冷轧辊耐磨性能的措施如下：

(1) 增加铬元素的含量来提高冷轧辊服役寿命;

(2) 采用表面处理技术提高轧役寿命;

(3) 高速钢冷轧辊;

(4) 添加Ti提高耐磨性;

(5) 采用金属喷雾成型技术提高耐磨性。

③轧辊的抗事故性能

抗事故性能是指冷轧辊在使用过程中的抗热裂、抗剥落、抗热冲击性能。随着现代轧机向高速、高压方向发展，冷轧机在轧制过程中由于卡钢、叠轧、打滑等事故会造成冷轧辊表面磨擦加剧，产生瞬时温升。当温度高达1000℃时就造成粘钢。一般情况下，冷轧辊局部表面温度升高造成局部过热和组织性能改变。冷轧工作辊辊面的裂纹主要由轧制过程中的局部过热引起的热应力和组织应力共同作用而产生的。冷轧工作辊在前一轧制过程中生成的裂纹，必须及时通过修磨彻底清除，否则将在后一轧役过程中形成大而深的剥落，引起冷轧工作辊的早期失效。这种以微裂纹扩展形式引起的剥落是冷轧工作辊使用过程中早期失效的最主要原因。

④淬硬层深度

通过增加冷轧辊的淬硬层深度，可增大轧辊的实际使用直径，同时有效地延长了冷轧工作辊的使用寿命;由于减少了重新淬火的次数，可以有效降低冷轧辊的使用成本。冷轧辊用钢中铬含量从2%增加到3%时，冷轧工作辊的淬硬层深度也将由10mm增加到15mm。为了提高冷轧工作辊的硬度，我们可以在传统的铬系锻钢冷轧工作辊钢中加入适量的镍元素，增加冷轧辊硬度的同时可以将淬硬层深度也增加7~8mm。到80年代中期，液氮深冷处理和双频感应加热技术被广泛应用，合金元素铬的含量从3%提高到5%，不但淬硬层的深度将超过50mm，冷轧辊的初始表面硬度值也将高达100(HSD)。

冷轧工作辊的材质发展趋势

① 高铬冷轧辊

通过增加Cr元素的含量，可以提高冷轧工作辊材质的淬透性。三菱钢铁公司研发出了一种新型的高铬锻钢冷轧辊材质，试验结果证明：Cr元素含量为10%的冷轧辊耐磨性能比Cr元素含量为3%的冷轧辊要高两倍。进一步使Cr元素含量高达18%时，冷轧辊的耐磨性能也将随之提高。通过调整碳与铬的平衡，不但可以在较低的淬火温度下获得较高的硬度，还能降低轧辊材料断裂的敏感性，减少了断辊事故的发生。冷轧辊拥有较强的抗断辊能力，良好的粗糙度保持性，可以适应于轧制力大、产品要求精度高等苛刻工作条件下轧制。

② 高合金化改进型冷轧辊

为了提高新型冷轧工作辊的力学性能和使用性能，在5%Cr冷轧工作辊材质的基础上进行了改进，改变Mo、V等元素的百分含量或加入适量的强碳化物形成元素如Ti、Nb等，可以形成Cr5系轧辊新材质，新型Cr5系材质冷轧辊的耐磨性与热冲击强度可以被显著提高。

氮元素能强化轧辊的机械性能，它能与钢中铬、钒、钛、铌等合金元素有着极强的亲和力，可以生成以不同的形态存在于钢中稳定氮化物。氮化物更易形成细小弥散的第二相，抑制奥氏体晶粒的长大，具有显著的细化晶粒作用，使得轧辊材质的强度、硬度等机械性能显著提高。因此，我们通过控制冷轧辊材质中氮含量，可以提高冷轧工作辊的综合性能，这也为轧辊材料的开发提供了一个重要的方向。

③ 锻造半高速钢冷轧辊

冷轧工作辊在实际使用过程中，可能会遇到卡钢、粘钢、断带等生产事故，使得Cr3、Cr5系列材质冷轧工作辊辊身的局部组织和硬度会发生变化，导致辊面局部会产生微裂纹或块状剥落，从而使冷轧辊的抗事故能力降低。锻造半高速钢冷轧辊材质是在5%Cr冷轧工作辊材质的基础上发展出来的，由于强碳化物形成元素Cr、Mo、V的大量加入，使得淬火后所得碳化物类型主要以M7C3型(HV2500)和MC型(HV3000)碳化物为主，高硬度碳化物的存在确保了锻造半高速钢轧辊具有较好的耐磨性，且还具有高的抗事故能力。

④高速钢冷轧辊

1988年高速钢轧辊首先在日本投入实际生产应用，随后美国在上世纪90年代初也开始采用高速钢轧辊。同日本和美国相比，欧洲高速钢轧辊实际应用的起步要晚但发展迅速。目前，我国的大型高速钢轧辊制造尚处于起步阶段，关键性技术尚未突破，高速钢轧辊仅在以宝钢为首的几家大型钢铁企业中应用。开展高速钢轧辊的制造和使用技术研究，可以为新型高速钢轧辊的推广应用奠定基础，因而具有十分重要的实用价值。

目前，高速钢冷轧辊已经在美国Inland钢公司、加拿大Dofasco公司、瑞典Akers公司、新日铁公司等数十家钢铁企业中应用，并且使用效果较好。采用电渣重熔+传统锻造工艺生产高速钢冷轧辊的典型企业有Akers公司，采用CPC法生产高速钢冷轧辊的典型企业有新日铁公司。高速钢轧辊材质中含有大量的碳化物形成元素，碳化物类型以MC、M2C型为主，这将大大提高冷轧辊的强度、表面粗糙度、耐磨性。因此使用高速钢轧辊后，可以明显降低辊耗，减少换辊次数，有助于降低轧制成本和提高板材质量。由于高速钢冷轧辊碳及合金含量较高，其生产工艺就较复杂，目前还无可靠的冶炼、锻造、热处理方法，因而其加工工艺性较差，成材率也较低，这也是将来需要解决的关键技术。