我国轧辊业现状及技术发展报告.doc

我国轧辊业现状及技术发展报告1、我国轧辊行业的基本情况近年来，我国的钢铁工业以每年递增超过20%30%的速度发展，钢铁产量已经连续十多年排名世界第一。轧辊作为轧钢机的重要工具及消耗件，伴随着轧钢技术的进步和轧钢装备的不断更新换代而迅猛发展。随着钢铁企业产出能力的大规模迅速扩张，国内各轧辊制造企业近年来也加快了技术改造、产能扩张的速度。国内轧辊制造企业能够生产和满足中、小型型钢、连续棒材、高速线材、无缝钢管、窄带钢、中宽带钢等轧机轧辊的使用要求。据不完全统计，目前我国现有大大小小300多家轧辊厂，产出能力达到90万吨左右。但是，国内的轧辊企业虽然在产量上不断扩大，但在品种结构调整却没有完全跟上钢铁工业技术进步、结构优化调整的步伐，高端轧辊生产能力明显不足。如高速钢、半高速钢轧辊，目前国内仅有中钢邢机具备批量生产能力，市场占有量较低；宽带冷连轧机用高质量轧辊，国内只有中钢邢机、常冶具备工作辊、中间辊批量供货能力，而对于大型支承辊目前只有一重、二重以及中钢邢机等具备生产能力且产能难以满足市场需求。有些高等级板材的轧制还依赖进口轧辊，特别是“十一五”期间新上的宽带钢生产线，板材精度要求较高，这方面的矛盾会显得更加突出。宝钢、鞍钢等大型钢铁企业宽板带轧机每年都要从国外进口轧辊，这也反映出我国轧辊总体制造水平还有待于进一步提高。因此，为现代化轧机配备高性能的轧辊成为我国轧辊制造业面临的新课题，而选择轧辊生产工艺和材质是制造不同种类高等级轧辊的关键。2、轧辊市场情况分析到2010年，锻钢轧辊产能达到2.5万吨，离心轧辊达到6万吨。国内轧钢业是靠大量投资、引进国外最先进装备快速发展起来的，轧辊业则主要靠自力更生，不断技改、扩建而推动发展，引进外资，合资兴办轧辊企业则刚刚起步。与轧钢业相比，轧辊业的发展较慢，经历更艰辛。随着国内轧机和轧钢量的不断增加，轧辊消耗和需求量亦在逐年增加，然而国内轧辊低档次产品供大于求，产品过剩，制造厂竞相压价，而高档优质轧辊供应不足，依靠进口的局面始终未能得到彻底改变。近年来，国内新建大批板带轧机和H型钢轧机，这些新建轧钢厂基本上是选购和引进国外最先进的轧钢装备和工艺软件，控制系统全部由国外提供并配套安装，随机还订购了大量世界上最知名轧辊制造企业生产的优质轧辊。这一变化给轧辊制造厂带来了巨大的压力。目前，国内大型板带轧机和热宽带连轧机使用的各类轧辊约有一半要从国外进口，国际上的先进轧辊制造企业及它们生产的各种类型的优质轧辊己悉数进入国内市场。宝钢宽带钢连轧机使用的大型板带轧辊约70要从国外进口，直径lm以上的大型锻钢支承辊从国外订购，特厚板轧机支承辊的订货交货期排到了2015年以后。引进大型H型钢轧机使用的部分H型钢轧辊依靠进口，大型型钢和板带轧机急需的复合半钢辊套，高铬钢、半高速钢、高速钢轧辊和大型深淬硬层工作辊和支承辊，国内虽然已经能够小批量生产，但生产的产品还不能稳定达到国际同类产品的技术指标和性能，无法全面满足现代化轧机的使用及供货要求。在全国300多家轧辊制造企业中，能够进入大钢市场，为现代化连轧机提供产品服务的不足10。因此，这些新增的现代化连轧机所需的配套轧辊，便处于短缺状态，有的钢铁企业甚至发出高端轧辊一辊难求的慨叹。高端轧辊市场前景非常广阔。生产高端轧辊，就要有合理的成分设计、先进的技术工艺、良好的设备维护、完善的管理体系，而技术是关键。3、轧辊辊面强化技术的进展大型轧钢机的轧辊重量大，价格昂贵，而且必须保证足够的库存以实现生产正常运转。工作辊的更换频率很高，同时辊型精度也非常重要，其直接决定了最终产品的质量。大多数情况下，轧辊更换的原因是辊面的破坏。冷轧辊主要失效形式包括划伤、粘辊和剥落等。冷轧辊辊身表面应有高而均匀的硬度，其优劣应表现在辊身工作层耐磨性，即耐粗糙性。如果轧辊表面过早粗糙，出现桔皮状表面，说明轧辊表面产生了疲劳层，此时辊身表面的轴向残余应力和径向残余应力增加，从而减弱了轧辊表层抗轧制过载和耐裂能力。因此，采用辊面强化方式对轧辊进行表面强化具有非常现实的意义。轧辊强化方式众多，如对轧辊高强度材料的改进、堆焊修复、热喷涂、热喷焊技术以及激光技术等。就目前调查情况可以看出激光强化技术是目前比较热门的话题。3.1轧辊高强度材料的改进近年来，轧钢装备结构和轧制工艺技术的优化，促进了轧辊品种和轧制技术的全面发展。例如以高碳的高速钢代替高铬铸铁制造型材轧辊一种发展趋势。在高碳的高速钢中增加钒的含量使合金中同时形成M2C型碳化物和更硬、更细的MC碳化物，再加上Mo、W和V的强化作用，可使轧辊的寿命比高铬铸铁高几倍，引起了人们的极大关注。但因此高速钢含大量的合金元素，加之碳高，结晶相多，组织复杂，热处理过程明显不同于碳钢。关于高碳、高钒高速钢的热处理尚未见报导，根据高碳、高钒高速钢的化学成分制定合理的热处理工艺还非常困难。3.2轧辊的堆焊修复与强化堆焊是在零件表面熔覆上一层耐磨、耐蚀、耐热等具有特殊性能合金层的技术。轧辊采用堆焊技术修复后，堆焊层与母材能实现冶金结合，堆焊获得的表面层厚度最大。采用堆焊方法修复旧轧辊和制造新辊已成为我国轧钢企业降低成本提高效益的重要举措。丁洁等对4Cr5MoSiV中合金耐热钢轧辊进行堆焊修复，堆焊层硬度达到46HRC。汪选国等对45Cr4NiMoV钢轧辊采用打底焊过渡层的方法进行堆焊修复，可有效防止堆焊裂纹的出现，且堆焊层平均硬度可达52HRC左右，耐磨性远高于轧辊材料。聂斌英对ZUB140NCrMo半钢热轧辊进行堆焊修复，修复后轧辊的工作寿命与新辊相当。堆焊修复技术由于工艺复杂，生产率低，硬度不太高，轧辊在堆焊时容易产生裂缝、夹渣、焊瘤和脱落，一般要求焊前预热、层间保温和焊后回火等，恶化了劳动条件，显著增加了工艺成本。这些局限了堆焊技术的发展。3.3轧辊的热喷涂技术热喷涂是采用热源使涂层材料加热熔化或半熔化，然后用高速气体使涂层材料分散细化并高速撞击到基体表面形成涂层的工艺过程。热喷涂技术处理轧辊基体变形小，热影响区浅；喷涂层硬度比堆焊要高(70HRC)，采用火焰喷涂修复KmTB-Mn5W3合金抗磨铸铁轧辊，耐磨性比电弧堆焊提高了34倍。张枝捧等用氧乙炔火焰喷涂工艺修复失效的9Cr2Mo铝板轧辊辊颈。A.Nakajima等采用热喷涂工艺在感应加热淬火处理的碳钢轧辊上喷涂WC-Cr-Ni金属陶瓷，并研究了其耐磨性及抗剥落能力。该技术的主要局限性是涂层与基材结合强度较低(25MPa左右或80MPa不等，结合机理主要是机械结合)，而且涂层存在孔隙和残余应力，韧性差，切削加工性较差。另外热喷涂热效率低，材料利用率低，而且在操作过程中存在一些危害因素。3.4轧辊的热喷焊技术热喷焊技术是采用热源使涂层材料在基体表面重新熔化或部分熔化，实现涂层与基体之间、涂层内颗粒之间的冶金结合，消除孔隙。热喷焊技术修复轧辊时，热喷焊层组织致密，冶金缺陷少，喷焊层与基材为冶金结合，结合强度高，一般是热喷涂的10倍。蒋富惠等在轧辊表面热喷焊G112粉，所得喷焊层硬度为5862HRC。罗伟中等在35CrNi3MoV钢轧辊上等离子弧喷焊Ni35+WC粉末，喷焊层与基体结合良好，耐磨性好。该技术缺点是热喷焊材料必须与基材相匹配，喷焊材料和基材范围比热喷涂窄得多，且热喷焊工艺中基材的变形比热喷涂大得多。3.5轧辊的激光表面改性技术轧辊修复与强化常用的激光表面改性技术包括激光淬火技术、激光表面熔凝技术、激光表面熔覆、激光表面合金化。激光淬火技术：利用激光束照射到钢铁材料的表面，使其温度迅速升高到相变点以上，当激光移开后，表层通过内层材料的导热作用快速冷却到马氏体相变点以下，获得淬硬层。激光淬火技术是最成熟、应用最广泛的激光表面处理技术。其修复轧辊时，加热速度快、淬火硬度高、工件变形小(为高频淬火的1/31/10)、后道工序工作量小、无氧化、无污染。用激光表面淬火技术对70Mn2Mo铸钢进行固态相变硬化处理，硬度可达65HRC，硬化层深0.6mm。高速钢轧辊材料经激光淬火后表面硬度可高达68.5HRC。激光表面熔凝技术：用激光束将基材表面加热到熔化温度以上，熔化层表面在激光束移开以后由于基材内部导热而快速冷却并凝固结晶。激光熔凝技术处理轧辊，熔凝层比激光淬火层的总硬化层深度要深，硬度要高。对铸钢轧辊进行激光表面熔凝处理后，最高峰值硬度可达700HV0.2以上，约为6061HRC。对铸钢轧辊进行激光熔凝强化处理后，轧辊表面硬度达到7085HS(约5362HRC)，强化区深度可达2mm，轧辊过钢量提高了1.51.8倍。NiCrMo半冷硬铸铁轧辊激光相变硬化后硬度达到65HRC，经激光熔凝处理后硬度达到70HRC。激光表面熔覆：采用激光加热将预先涂覆在材料表面的涂层与基体表面一起熔化后迅速凝固，得到成分与涂层基本一致的熔覆层。激光表面熔覆由于具有输入热量少，工件变形小，可以改善整体铸造粗糙度等优点在轧辊修复方面得到广泛应用。在AISI1045钢轧辊上激光熔覆CPM10和CPM15粉末，CPM10涂层硬度达到650HV，约5758HRC。李胜等利用自制Fe2合金粉末修复一支大型德国制造的轧辊。济南钢铁集团利用激光堆焊技术(又称激光熔覆)修复四辊破碎机报废工作辊，熔覆层厚度达2.5mm，工作辊堆焊修复层表面硬度达62HRC以上，寿命提高了2.5倍。有实验表明：按磨损量计算，白口铸铁热轧辊激光熔凝后，寿命比原来提高15.6%23.4%；经激光熔覆后，寿命提高了28.7%37.4%。激光表面合金化：用激光将合金化粉末和基材一起熔化后迅速凝固，在表面获得合金层。相对于激光熔覆，它的优点是可以在廉价基材表面获得与基材本身差别很大的具有良好表面性能的新合金层，从而延长工件的使用寿命并降低材料损耗。由于合金元素完全溶解于表层内，获得的改性层成分很均匀，对皲裂和剥落等倾向不敏感。激光表面合金化处理轧辊时具有能量作用集中，热影响区小，覆层组织细小，结构致密，气孔率低而且容易实现自动化生产线等优点。另外，合金化元素添加方式很多，工艺方式灵活，既可以是基材中固熔添加的硬质点，也可以是原位生成的，使得激光合金化技术更具有优势。某热轧辊进行激光表面合金化处理后，其使用寿命提高近1倍。蔺荣岩等在45钢轧辊表面预涂Cr-Ni-W-Co合金粉末，进行激光表面合金化处理后硬度达到720HK，约为5960HRC；在常用于轧辊材料的铸铁基体上进行富铌合金激光表面合金化处理后，硬度为11001600HV(约为7077HRC)。作为轧辊材料的球墨铸铁经纯铜粉末激光合金化后，抗蚀性能大大提高，从而延长了铸铁使用寿命。激光束表面改性技术都存在基材对激光吸收率低、激光加工系统投资大的问题，但相对于其它修复方法，从修复后轧辊使用寿命、轧材质量、生产成本、效率、环保等角度考虑，激光束表面改性技术还是拥有广阔的市场前景。其中激光表面合金化技术由于上述独特优点，其对修复轧辊有很大前景。3.6激光表面合金化技术修复失效轧辊的前景展望激光表面改性技术普遍存在处理后材料表层存在裂纹等缺陷。合金化工艺参数、合金化层成分和基体均对合金化层裂纹有重要影响。合金化层成分的设计应注意以下两点。(1)碳化物类型、大小及其分布对轧辊的硬度及耐磨性有非常重要的影响，应添加具有高硬度、高强度、高刚度、低密度和优异的化学稳定特性，以及高温下优良的力学性能的复合碳化物陶瓷材料(碳化钨、碳化铌等)，以提高轧辊合金化层的高温耐磨耐蚀性；(2)由于纳米材料的小尺寸效应、表面与界面效应、量子尺寸效应等使其相对于非纳米尺寸的粒子具有熔点低、表面活性高、吸光性好等优点；并且纳米粒子在激光作用形成的熔池内能够快速均化，减少缺陷，降低裂纹敏感性，故合金化层涂料以纳米尺度存在更有利。由于工厂实际生产的复杂性，现场一般不对轧辊进行合金化前预热处理和后退火等处理。但宝钢梅山钢铁股份公司采用的多功能辊体堆焊装置已成功得到应用，效果很好，该装置也可在很多轧钢厂应用。其他企业也可以自行设计类似配套设备对轧辊进行上述预处理和后处理，对降低裂纹亦有益处。可综合考虑多方面因素决定其必要性。将激光的热作用和金属材料的表面改性结合起来的“激光局部强化法”，可实现对零部件应力集中部位的改性；用激光合金化方法原位反应可合成金属间化合物。这些成果是激光技术在诸多领域得到成功应用的范例。最近，对无限冷硬合金铸铁热轧辊进行表面处理的初步研究结果表明，在优化的工艺参数条件下，利用高功率激光器对预涂于轧辊表面的纳米碳化物陶瓷粉末扫描后，可以得到显微硬度为1160HV(约71HRC)、厚度为0.45mm的合金化层，该技术有望应用于轧辊的修复。如何修复失效轧辊一直是轧辊制造业面临的重大问题。常规表面强化技术如火焰淬火、高中频淬火、等离子喷涂与喷焊、电弧堆焊等均不能有效提高轧辊表面高温磨损和开裂的抗力。故开发上述强化技术之外的激光强化技术是推进轧辊强化的关键。国际上，俄罗斯、日本、德国和意大利等积极开展了相关的研究工作，主要集中在更新轧辊本身材质及提高轧辊的整体硬度和耐磨性。国内一些大学和钢铁企业采用堆焊技术修复失效轧辊，但对轧辊的激光强化研究较少。目前，已有许多大中型钢铁企业开始尝试研究并且取得一些进展，但是要大范围地生产应用还存在一些问题，其中，最棘手的是硬化层的开裂。故激光硬化层裂纹的抑制是今后研究的重要方向之一。一方面要努力开展轧辊材料制备和轧辊生产技术、使用技术及产品研发方面的基础性、理论性研究；另一方面要开展轧辊修复技术研究，提高修复后轧辊的耐用性。二者双管齐下，才可以提高轧辊轧钢效率。国外先进轧辊厂较好地掌握了各类轧机的工况和轧辊使用要求，能够根据轧钢工艺条件，提出轧辊使用性能要求，制定轧辊材质和轧辊生产工艺。目前，国内轧辊企业