（机械工程专业论文）改进型高镍铬轧辊的加工工艺研究.pdf

大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 随着高精度板材、硬薄板材逐渐的增加，要求轧辊具有足够的耐磨性，以保证板材 的尺寸精度和表面精度。目前，改进型高镍铬无限冷硬铸铁轧辊以其高的耐磨性在国外 得到普遍使用，国内主要热轧带钢精轧机的后架也开始大量使用改进型高镍铬轧辊。轧 辊材质的不断改进带来了轧辊使用性能的提高，同时也为轧辊的加工带来了难度。由于 轧辊的外形尺寸大、加工精度要求高、轧辊结构较为复杂等，轧辊的切削加工与正常的 配件加工相比，就有较高的技术难度。为了提高切削加工的效率、确保轧辊加工精度， 选择合理的工艺路线，选择合适的刀具，选择合理高效的切削参数，保证加工精度，解 决好轧辊的切削加工的技术问题，是轧辊生产的关键环节。 本文主要研究内容如下： 1 通过对改进型高镍铬轧辊的切削、磨削性能的分析，选择刀具材料、切削参数， 实现轧辊的高效加工； 2 确定加工工艺流程，在满足高精度、高效率加工的同时，达到出厂的尺寸、精度 及粗糙度要求； 3 通过对试验轧辊成品的检测和分析，总结实现轧辊高效、高精度加工的几个关键 因素： 4 总结加工过程中常见的问题及解决方法。 关键词：改进型高镍铬轧辊；加工工艺；精度；效率；分析 改进型高镍铬轧辊的加工工艺研究 r e s e a r c ho nm a c h i n i n gt e c h n o l o g yo fe n h a n c e di c d pr o l l s a b s t r a c t w i t ht h ep r o d u c t i o ni n c r e a s eo fh i 曲p r e c i s i o ns t e e ls h e e ta n dp l a t e sa sw e l la sh a r ds t e e l s h e e t ，t h er o l l sn e e dt oh a v ee n o u g hw e a r a b i l i t yf o rt h ed i m e n s i o n a lp r e c i s i o na n ds u r f a c e a c c u r a c yo fs t e e ls h e e ta n dp l a t e s c u r r e n t l y , e n h a n c e di c d pi r o nr o l l sh a v e b e e nw i d e l y u s e d i n t h ew o r l db e c a u s eo ft h e i rh i 曲w e a r a b i l i t y ，a n da l eb e e nu s i n gi nt h ef i n i s h i n gf i n a ls t a n d s o fd o m e s t i cm a j o rh o ts t r i pm i l l s t h ec o n s t a n ti m p r o v e m e n to fr o l lm a t e r i a li n c r e a s e st h e s e r v i c ep e r f o r m a n c eo fr o l l ，m e a n w h i l em a k e st h er o l lm a n u f a c t u r em o r ed i f f i c u l t d u et o l a r g ep r o f i l ed i m e n s i o n , h i 曲h a r d n e s s , h i g hw o r k i n ga c c u r a c y , a n dc o m p l i c a t e ds t r u c t u r e ，t h e m a c h i n i n go f t h er o l li sm o r ed i f f i c u l ti nt e c h n o l o g yc o m p a r e dw i t ht h en o r m a lp a r t s i no r d e r t oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fm a c h i n i n ga n di n s u r et h em a c h i n i n gp r e c i s i o no ft h er o l l s ，i ti s n e c e s s a r yt oc h o o s et h e r a t i o n a lt e c h n i c s ，c u t t e r , r a t i o n a la n dh i g he f f i c i e n tc u t t i n gp a r a m e t e ， a n dt os o l v et h et e c h n i c a lp r o b l e m so ft h ec u t t i n g 硒em a j o rc o n t e n t so f t h ep r e s e n tw o r ka l ea sf o l l o w s ： 1 ，玎1 ee f f e c t i v em a n u f a c t u r eo fe n h a n c e di c d pi r o nr o l l sh a v eb e e nr e a l i z e db yc h o o s i n g t h em a t e r i a lo fc u t t e ra n dc u t t i n g - p a r a m e t e r ，a n a l y z i n gt h em a c h i n a b l i t y 2 1 1 1 em a c h i n i n gt e c h n i c si sc o n f m u e dt om e e tt h er e q u e s to fh i 班a c c u r a c ya n dh i 曲 e f f i c i e n c ym a c h i n i n ga n da t t a i nt h er e q u i r e m e n to fs i z e ，a c c u r a c ya n dr o u g h n e s s 3 t or e a l i z et h eh i g he f f i c i e n c ya n dh i g ha c c u r a c ym a c h i n i n g ，t h ek e yf a c t o r sh a v eb e e n 文u n m a z e db yd e t e c t i n ga n da n a l y z i n gt h ee x p e r i m e n t a lr o l l s 4 s o m ef a m i l i a rp r o b l e m sh a v eb e e ns u m m a r i z e db ys o l v i n gm e t h o do ft h em a c h i n i n g p r o c e s s 5 1 1 1 er e s u l t ss h o w e dt h a tt h el i f eo ft h er o l l sh a sr e a c h e di n t e r n a t i o n a la d v a n c e dl e v e l ， k e yw o r d s ：e n h a n c e di c d pi r o nr o l l s ；w o r k i n gp r o c e s s ；a c c u r a c y ；e f f i c i e n c y ；a n a l y s i s - i i - 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：邀进型直鳇簦毡辊数盘王王艺珏究 一 作者签名： ：要：! 砭! 聋日期：主= 竺= 芝年，二月二2 日 大连理工大学专业学位硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目：尘! 垫丝壶丝笠叁皇生墨鲞煎! ! 兰兰垒塑墅主 作者签名： ：墅套日期：2 竺芝年月二日 导师签名：丝堑笙日期：2 塑年j 兰- 月王日 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 绪论 1 1 我国钢铁产业的基本情况 自改革开放以来，我国轧钢行业历经3 0 年的技术改造和技术创新，轧钢过程连续、 可测及可控的高效变形过程，随着现代高新技术和计算机技术的溶入得以实现。近年来， 我国的钢铁工业以每年钢产量递增超过2 0 - - - 3 0 的速度发展，钢铁产量已经连续8 年排 名世界第一。2 0 0 6 年，世界粗钢产量为1 2 4 亿吨。我国粗钢产量已占全世界的3 0 ， 远远超过排名第2 第6 位的日本、美国、俄罗斯、韩国、德国5 个国家粗钢产量的总 和。 近年来，我国钢铁行业进行了大规模的装备改进和技术更新。据2 0 0 6 年初的统计， 我国建成投产和在建的中厚板轧机已达5 9 套，比2 0 0 0 年的2 6 套翻了一番多，年产能 达6 0 0 0 万吨；已建成投产的带钢冷连轧机有1 8 套，年产能4 5 0 0 万吨，正在建设中的 有3 3 套，年产能8 6 0 0 万吨，规划中的有1 1 套，年产能3 0 0 0 万吨；已建成投产的h 型 钢轧机有1 1 套，正在建设中的有4 套，其中莱芜钢铁公司和津西钢铁公司的大型h 型 钢轧机已轧出高达l m 的h 型钢口1 。 我国已投产和在建的中厚板轧机目前己达到5 9 套，比2 0 0 0 年翻了一番多，产能已 达到每年6 0 0 0 万吨。 到2 0 1 0 年，板带钢的产量将占钢材总产量的5 0 以上。因此，板带钢市场的竞争将 会异常激烈。热轧带钢连轧机是生产热轧板卷的主体设备。从1 9 2 6 年美国兴建第一套 1 2 1 9 m m 热轧带钢连轧机以来。到上世纪9 0 年代末，世界上已拥有2 1 0 余套热轧宽带钢 连轧机口3 。据不完全统计，截止2 0 0 7 年6 月底，已建成投产的热轧宽带钢轧机有3 9 套， 合计年生产能力为1 0 6 4 0 万吨h 1 。2 0 0 8 年我国有1 4 条热轧生产线投产，总设计能力约 4 2 0 0 万吨，是近年来我国热轧卷产能集中释放最多的一年啼1 。 近年我国宽带钢热连轧技术和装备能力取得巨大发展，其特点：一是投资规模前所 未有，实现的投资延伸到从铁水预处理、钢水精炼到连铸，从钢铁冶金、压力加工到精 整和配送的投入；二是技术和规模上水平，不仅引进了多套当代国际最先进的机组，而 且建设了多条自主集成技术、自行设计和制造的轧制线；三是热轧宽带钢产品大纲普遍 涵盖了建材、汽车、家电、机械、化工和管道输送等用途，包括低合金、高强度、薄规 格、深冲板，板型和厚度尺寸公差及表面质量俱佳的高端产品哺，。 目前，我国轧机种类和技术装备水平已居世界前列，拥有世界上最先进的轧钢装备， 制造技术和控制水平。我国钢铁、轧钢业的迅速崛起，各类现代化轧机的建成投产为轧 辊业的发展奠定了坚实的基础，提供了需求和巨大的市场，同时也对轧辊企业生产的轧 辊提出了更高的精度、材质、性能和售后服务等要求。 改进型高镍铬轧辊的加工工艺研究 我国钢铁、轧钢业的迅速发展，钢材产量的逐年增加，对轧辊制造业是有利的，按 照轧制i t 钢材消耗1 0 k g 轧辊估算，生产4 6 亿t 钢材，需消耗4 6 万t 轧辊n 1 。轧辊 作为轧钢机的重要工具及消耗件，将伴随着轧钢技术的进步和轧钢装备的不断更新换代 而发展。轧制技术现代化对轧辊产品提出了高端化的要求，国内市场国际化，对轧辊 生产企业提出了研发、技术、持续改进等自主创新个性化、差异化的要求，因此，我国 的轧辊制造企业只有密切关注和深入了解轧钢行业的发展趋势，才有可能为自身的发展 和技术进步确定方向。 1 2 国内外轧辊行业发展形势 冶金轧辊是轧钢的主要大型工具，也是轧机上的主要消耗部件，是使轧材产生塑性 变形的轧制工具。它与轧材直接接触，是影响轧机效率和轧材质量的关键部件。在冶金 方面轧辊可轧制板材、线材、棒材和管材等。轧辊消耗成本约为轧钢生产成本的5 - 1 5 ， 如果考虑因轧辊消耗而带来的生产停机、减产和设备维护增加等因素，其所占的生产成 本比重会更高。轧辊质量不仅关系到轧钢生产成本和轧机生产作业率，还在很大程度上 影响轧材质量。近年来，随着我国轧钢装备的改造和不断从国外引进先进的轧机，轧机 向自动化、连续化、重型化方向发展，轧机速度和自动化程度不断提高。由于对轧制钢 材的特殊要求，对轧材的板型、尺寸、表面精度、轧材的性能均提出了很高的要求，另 夕 随着轧制技术的发展，轧辊的工作环境也越来越苛刻，轧辊长期处于高温、高负荷、 高速度的恶劣条件下。对轧辊的质量特别是轧辊的几何尺寸、表面精度、耐磨性、强度 及韧性等性能提出了更高的要求。 随着国内轧机和产量的不断增加，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。上世纪6 0 年代以来，轧制产品的下游用户需要的钢 铁产品更薄更硬、表面和型规质量更高的品种比例逐年上升。国外轧钢行业高效化、大 型连续化、自动化等低能耗环保型新轧钢企业相继出现，特别是在低能耗技术和精确化 控制轧制技术的研究方兴未艾。就这些轧钢厂出现的新的生产组织方式和管理方式，同 时也要求原来的轧辊管理模式和使用技术必须适应这种发展。与此同时，轧辊制造企业 为适应精确轧制技术的快速发展，轧辊材质和制造工艺正向高纯净化、高合金化、复合 化、高硬度方向发展的同时，供需双方联合在轧辊使用技术方面的研究迅速开展起来口3 。 瑞典的奥克斯，日本的日立、新日铁、关东、久保田，美国的u n i o n ，巴西的v i l l a r e s ， 韩国的仁川、浦项和斗山等。我们国内的轧辊生产厂生产能力巨大却在国际上行业竞争 力较差，成为国际竞争的劣势。这一现实情况给轧辊制造厂带来了巨大的压力。 我国轧机装备的更新换代不仅为国内轧辊企业开辟了新的轧辊市场，同时也给轧辊 制造企业提出了新的要求。由于我国大型轧辊制造厂的技术及装备改造并未与轧机的更 新换代同步，因此近年来，大型中厚板轧机使用的铸钢支承辊和铸铁工作辊，部分冷、 一2 一 大连理工大学专业学位硕士学位论文 热轧带钢轧机用的支承辊，大型h 型钢轧机用的水平辊，以及某些轧制有色金属用的轧 辊等，大量依靠进口，宝山钢铁集团公司大约有二分之一的轧辊尚需从国外进口，每年 费用商达i 6 亿元”。究其原因主要是由于国产轧辊质量稍差且不稳定，售后服务跟不 上，无法满足用户的需求，只有少部分是受工艺设备条件所限而不能生产。在进口轧辊 关税逐步下调的形势下，国产轧辊，特别是热轧宽带钢轧机和大型型钢轧机用大型优质 轧辊将面临进口轧辊更严峻的质量挑战和价格冲击。 轧钢生产自动化、连续化、重型化的不断发展，对轧辊的性能提出了更高的要求。 为适应这一要求，近年来国内外轧辊制造者不断地研究和开发出各种新型轧辊制造材 料。以高台金为代表的轧辊新材料已取得了显著的效果，同时以复合方式制造的轧辊已 成为轧辊制造技术发展的蕈要方向。轧辊的材质正在向着高纯净化、高合金化、复合化、 高硬度化的方向发展。轧辊制造材料的不断发展，进一步推动了轧钢技术的发展。轧辊 制造材料和制造技术的发展，将永远伴随着轧制技术的进步而发展”3 。图11 为我国热 连轧机的轧辊分布图。 图11 热连轧机轧辊分布 f i g1 1 d i s t r i b u t i o nr o l l s o f h o tr o l l i n g 因此，为现代化轧机配备高性能的轧辊成为我国轧辊制造行业面临的新课题，而选 择轧辊生产工艺和材质是制造不同种类轧辊的关键。了解和研究轧钢轧制条件和轧辊的 使用技术，按轧辊使用要求制造所需性能的轧辊，满足轧钢生产需求是轧辊企业急需认 识和解决的一项重要工作。 近十年来，国外在轧辊研发和创新方面作了大量的工作针对各类轧机的轧制特性 和轧辊使用要求，推出了满足轧机个性化需求的抗剥落型、抗热裂型和抗磨损型轧辊。 目前国内可生产最丈直径1 7 3 & a r a ，最小直径2 8 舢，单支轧辊最重达5 8 吨，晟轻只有1 8 公斤”1 。我国轧辊制造水平虽然有一定的进步和发展，但与国外先进的轧辊制造厂比较 还存在很大差距。由于国内轧辊制造企业一直忙于扩产和创收，忽视了轧辊的系统研究 和创新工作。国际上研发成功的一批轧辊制造新材质、新工艺在国内未能引起重视，先 3 篱。 一夕 改进型高镍铬轧辊的加工工艺研究 期研发投入不够，致使国内与国外高档优质轧辊的制造技术水平差距正在被逐渐拉大。 随着国民经济的持续稳定发展，我国的钢材产量还有一定的增长空间，轧辊的需求 量还会增加，但随着现代化轧机的增多，落后轧机的相继淘汰，轧辊制造水平、轧辊质 量的提高和新型优质轧辊的开发应用，轧辊的需求量不会再出现大幅度增加的趋势，随 着轧辊使用技术越来越受到人们的重视和应用，轧辊的产量极有可能呈现需求下降的趋 势。国内轧辊制造企业要改变目前低档轧辊供大于求，高档优质轧辊供应不足，依赖进 口的局面，必须认清形势，细分市场，寻求产品定位，提高产品档次，开发高端产品来 抵御市场风险，形成有自身特色的主导产品， 在国家钢铁产业发展政策的指导下，钢铁企业不含窄钢带在内的板材已达到1 5 4 0 2 万吨，持续加快了国内短缺的冷轧薄板、冷轧薄宽带、镀层板、电工钢板、集装箱板、 桥梁板、造船板、压力容器板等钢材品种的开发生产速度，使板材的产能迅速增长目前 已占到钢材增量的5 1 ，达到了全国钢材总量的4 1 9 。钢铁产能的过快增长，使多数 轧辊品种出现短缺，导致高端市场异常火爆，并在短期内呈现出供不应求的市场特征。 针对中国轧辊市场的巨大需求，各轧辊制造厂都在采取应对措施：原来生产板带轧辊的 各轧辊厂纷纷加大资金投入进行技改，扩展和提高板带轧辊的产能和品质；原来生产型 材轧辊的厂家也开始增加装备、扩大产能，企图进入板带轧辊市场；同时也促生了很多 新建的轧辊厂，大量社会资本开始转向轧辊行业。巨大的市场需求和低廉的劳动力以及 运输成本的节省，也使得国外各大轧辊厂加紧在中国的合作，他们以出卖技术或投入资 金而合资经营，国外知名的轧辊制造生产企业进入中国( 目前国外有3 0 多家辊制制造 企业进入中国市场，已占国内市场总量的1 5 左右) 。他们在扩大国外轧辊产量的同时以 合资合作的方式在中国建立合作工厂，利用他们在技术、管理、资金和营销等方面的优 势，尽可能多的分割中国轧辊市场这块大蛋糕。太原轧辊厂2 0 0 6 年底正式与瑞典a k e r s 公司合作，引进其先进的生产技术和管理模式，完全把其产品定位在板带离心铸铁轧辊 上， 2 0 0 8 年以后，年可生产该类轧辊2 万吨以上。上海宝钢工程技术有限公司与日立 金属投资( 中国) 有限公司共同出资在南通拟建热轧带钢离心铸铁工作辊专项生产企业 一“宝钢日立金属轧辊( 南通) 有限公司，其年产量定位在1 5 万吨。江苏凯达轧辊 集团有限公司分别与英轧和e s w 合资合作，建设了一个占地1 2 0 亩的新厂，以生产热轧 工作辊和铸钢支撑辊为主，一期工程计划2 0 0 7 年8 月投产，二期工程计划2 0 0 8 年投产， 届时该厂年生产各类轧辊6 万吨，产值约1 0 亿元。再有如英国的戴维与江苏共昌合作、 日本的日立与宝钢合作、德国的依尔列与一重合作、美国的联合电钢与马钢合作，再加 上乐山的斯堪纳，使得各轧辊厂之间形成了强烈的竞争之势n 引。 经济学认为，企业的竞争能力取决于企业的技术研究开发能力、企业的核心制造能 力及市场推广能力。我国轧辊生产厂家也必须从这三方面入手，找出差距、弥补不足， 才能提高国产轧辊的整体市场竞争力晗1 。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 掌握世界轧辊发展的信息，加强基础性研究工作，加大轧辊新产品、新工艺的前期 投入，建立必备的试验检测手段，配备相对稳定的研发人员，加强轧辊生产过程和工艺 关键点控制，建立适合企业运行的创新体系，才能保证轧辊企业在激烈的市场竞争中， 保持强盛不衰的竞争能力。才能开发出高质量优质轧辊，满足现代化轧机的使用要求， 才能使国内的轧辊在国际轧辊市场上占有重要的位置。 冶金轧辊的质量和使用寿命，直接关系到轧钢行业的生产效率和产品质量，如何提 高轧辊的质量和使用寿命，一直是轧辊制造业所面临的重大问题。目前，世界轧辊材质 发展的一个明显趋势是合金元素的广泛使用以及进化程度的不断提高。对传统的轧辊材 料进行不断地改进，有效使用合金元素，大量添加c r 、m o 、w 、v 、c o 、n b 等元素，高 合金化的新材质轧辊不断出现n 们。 世界轧辊的研制和使用的总趋势一直瞄准具有国际经济特征、具有高附加值的板带 产品需要的板带轧辊。由于板带轧机轧辊，尤其是薄板连轧机轧辊对产品的使用精度、 表面粗糙度、板形及平直度、冲压性能和涂镀性能等具有直接的也是最终的影响，改变 轧辊材质是提高轧辊使用性能的重要措施。随着轧辊市场的不断发展、变化，对轧辊的 外形尺寸及加工精度也提出了更高、更严格的要求。轧辊制造材料的更新及使用性能的 提高同时也大大的提高了加工的难度，轧辊制造材料的更新，新的合金如铌、钒、钨等 材料的添加在改变轧辊使用性能的同时也改变了原有的加工性能，轧辊的硬度、强度的 大幅度提高必然导致加工效率的大幅降低。大规格、高精度的轧辊对加工装备的依赖度 也越来越高，这就对轧辊加工工艺的制定提出了更高的要求。如何能在现有装备的基础 上，通过工艺手段提高轧辊加工能力，提高加工效率，满足产品的精度要求以适应市场 的需求，通过精确、高效的加工，从细小处着眼，提高轧辊的整体外观质量，保证一次 装机合格率。这些问题同样是轧辊生产厂亟待解决的难题。 1 3 轧辊加工工艺研究内容概述 1 3 1轧辊材料的发展 冶金轧辊的质量和使用寿命，直接关系n s l 钢行业的生产效率和产品质量，而对轧 辊质量和使用寿命要求的提高必然带来轧辊材质的革命性变革。 轧辊材质发展的明显趋势是广泛使用合金元素且逐渐提高合金化程度，对传统的轧 辊材质进行不断的改进，有效的使用合金元素，大量添加c r 、m o 、w 、v 、c o 、n b 等元 素，使得高合金化的新材质轧辊不断的出现。如国外热轧带钢精轧辊前段由2 0 世纪3 0 年代的高镍铬无限冷硬铸铁轧辊发展到6 0 年代的半钢轧辊，7 0 年代开始使用高铬铸铁 轧辊和高铬铸钢轧辊，8 0 年代末开始使用高速钢轧辊n 羽。 国内的轧辊企业经过5 0 年的努力奋斗，产品的品种和质量有了较大的提高和改观。 轧辊从“老三样”即球磨无限铸铁轧辊、无限冷硬铸铁轧辊和冷硬铸铁轧辊派生出了多 一5 一 改进型高镍铬轧辊的加工工艺研究 种适合不同轧机使用要求的产品，材质从低镍、中镍发展到高镍铬、高铬、高钒、高 钼、高钨，为适应不同轧机需要，各种不同材质轧辊的性能也在不断细化和优化，如适 用于宽厚板轧机、炉卷轧机及带钢热连轧机的高镍铬无限冷硬轧辊，适用于带钢热连轧 机粗轧，精轧前段的高铬铸铁工作辊、宽厚板轧机用高铬铁工作辊及平整轧机用高铬铁 工作辊等，都显示了新型材料的优越性。铸钢辊也由原来的普通铸钢轧辊发展到高铬钢、 高速钢等几十种轧辊牌号。锻钢轧辊材质由c r 2 系列发展到了c r 3 、c r 5 、c r 8 以及c r l o 系列，淬硬层深度从不足l o m m 发展到5 0 r a m 。我国的一重集团公司于2 0 世纪8 0 年代在 国内率先开展了锻造半钢，白口铁轧辊的研制，先后开发了d t l 4 、d t l 7 、d t 2 1 和d t 2 5 系列轧辊材料n 3 1 轧辊的基体组织也由珠光体发展到贝氏体、下贝氏体针状组织等。 钢包精炼、真空浇注、电渣重融、双频淬火、深冷处理己成为冷轧工作辊生产的必 备手段，铸造轧辊的制造方法也由单一的静态浇注发展到全冲洗浇注、无流浇注离心浇 铸和机械复合等多种形式 近十年来，国内外的科研工作者在轧辊研发和创新方面作了大量工作，针对各类轧 机的轧制特性和轧辊使用要求，推出了满足轧机个性化要求的各类型轧辊。 加入的合金在轧辊基体中大都以碳化物的形式存在，这些碳化物的存在对提高轧辊 的强度、韧性、耐磨性、抗事故性起到了决定性作用。多种合金的加入，使得轧辊的使 用性能大幅度的提高的同时，带来了轧辊可切削性能的下降。但由于轧辊的硬度很高， 且基体中弥散着很多耐磨粒子( 即碳化物) ，基体和碳化物硬度的提高和数量及分布的 优化，轧辊的耐磨性就能够得到提高。使得轧辊在加工过程中刀具磨损严重，加工难度 很大，有的甚至无法加工。 1 3 2 轧辊外形尺寸的变化 随着钢材市场需求的变化，对轧材宽度要求越来越高，宽板、厚板轧机的不断问世， 大型轧辊的市场需求也在逐渐加大，宽厚板轧辊出现了越来越大、越来越重的趋势，国 内最大生产船用钢板的轧机工作辊辊身直径已达到巾1 5 0 0 m m ，辊身长度达到5 0 0 0 m m ，轧 辊净重4 5 吨。国内最大的热连s l s l 机如鞍钢的2 1 5 0 线前架工作辊辊身直径由8 5 0 r a m ， 辊身加肩台长度2 8 1 0 m m ，轧辊总长5 8 0 0 m m ，轧辊净重1 6 吨。同样是生产热轧卷板的炉 卷轧机的工作辊辊身直径已达到巾1 0 0 0 m m ，辊身长度加肩台长度4 1 0 0 r a m ，轧辊总长 7 5 0 0 姗，净重3 0 吨。 大型板带轧辊规格在不断加大的同时，大型型钢轧辊的市场也在发生变化，随着 国家产业政策的调整及多个产业的振兴规划，国家加大了对高速铁路、公路、水电设施 的投入力度，这就使得大型工业建筑用型钢、轨道钢的需求巨大，国内几家具备一定实 力的型钢厂如鞍钢大型厂、攀钢轨梁厂、莱钢大型厂、津西钢铁等几条大型h 型钢生产 线在经济危机的情况下订单不断，却仍然满足不了市场的需求。大型b d 轧辊的市场需 求量也逐渐看好，现在甚至供不应求，而要想参与这部分市场的竞争，铸造及热处理的 大连理工大学专业学位硕士学位论文 问题并不是关键，竞争的关键点在于为用户提供定位精确、孔型精准的大规格精开孔型 成品轧辊。改变过去轧辊制造厂粗开孔型留加工余量，用户回厂精开孔型的交货模式， 将轧辊厂变成凹轧辊的加工终端，减少用户的库存和资金占用，满足用户的需求，提 高用户的认可程度。 为参与大轧辊市场的竞争，要求我们必须同时提高大轧辊的加工能力，提高轧辊制 造厂的市场综合竞争实力。 为满足不同品种轧辊的不同尺寸需要，我们在满足轧辊毛坯生产的同时必须具备足 够的加工能力去将毛坯轧辊加工至成品轧辊，并且满足轧辊的最终精度要求，达到上机 条件。轧辊加工机床必须具备足够的回转直径、中心距和承载能力，天车要有承载能力 和起吊高度，轧辊在机床上掉头时要有足够的旋转空间，镗铣时要有足够的工作台长度， 工作台及托架要有足够的承载能力。 由于轧机的先进程度的提高，对轧辊的上机精度要求也在提高，轧辊的尺寸、规格 的增大同时提高了加工的难度。外委加工无疑可以解决一些问题，但会带来生产成本的 增加，同时也为生产过程带来不确定性。因此，如何在已有装备的条件下，采用先进工 艺和辅助设备完成各类轧辊的加工成为了我们需要解决的难题。 1 3 3 轧辊加工工艺的研究方向 优良的轧辊应具备以下特点： ( 1 ) 板形设计的合理适用以保证钢带顺利成型； ( 2 ) 高精度的加工尺寸以保证型材的要求； ( 3 ) 轧辊基体的高强度、优异的耐磨性及抗咬合性能，以确保其寿命。 轧辊材质的不断改进带来了轧辊使用性能的提高，同时也为轧辊的加工带来了难 度。在轧辊的切削加工过程中，由于轧辊本身外形尺寸大、硬度较高，加工精度要求高、 轧辊结构较为复杂等因素，轧辊的切削加工与正常的配件加工相比，就有较高的技术难 度。为了提高切削加工的效率、确保轧辊加工精度，如何选择合理的工艺路线，选择合 适的刀具，选择合理高效的切削参数，保证加工精度，解决好轧辊的切削加工的技术问 题，是轧辊生产的关键环节之一。 一7 一 改进型高镍铬轧辊的加工工艺研究 2 轧辊的基本知识 21 轧辊的结构 211 轧辊的结构 轧辊主要是由辊身、辊颈组成，辊身是轧辊参与轧制过程的主体部分。见图2 1 。 图2 1 轧辊结构图 f i g2 】t h ec o n s t i v a t i o no f r o l l 目 2 12 轧辊的基本尺寸参数 表征轧辊规格的基本尺寸参数主要有： ( 1 ) 轧辊的名义直径( d ) 初轧辊和型钢轧辊名义直径是轧机的主要参数也是轧辊尺寸的主要参数，当轧辊 名义直径确定后轧辊的其它参数受强度、刚度或结构限制随之而定。板带轧辊的名义直 径为其辊身起始的最大直径。 ( 2 ) 轧辊辊身长( l ) 辊身长度是板带轧辊主要尺寸，也表征着板带轧机的规格。当轧辊长度确定后再根 据强度、剐度和工艺条件来确定轧辊其他参数。型钢轧机孔型轧辊辊身长度取决于孔型 配置，轧辊的抗弯强度和刚度。 一般情况用以下形式表示轧辊规格( 单位m m ) ： 轧辊名义直径轧辊辊身长度衅l 辊总长度 大连理工大学专业学位硕士学位论文 有时轧辊的总长度可以忽略。 2 1 3 轧辊主要性能要求 轧钢是轧材在旋转轧辊的压力作用下，连续产生塑性变形以改变其断面形状和尺寸 的工艺过程。轧辊直接与轧件接触完成轧制过程的基本工序一金属塑性变形。轧辊在工 作中要承受巨大的轧制压力和表面摩擦力，同时还处于残余应力、疲劳应力、热应力等 复杂应力环境下，工作条件十分恶劣，因此对轧辊的质量要求十分严格。 ( 1 ) 根据国标，对轧辊产品都有一定的技术要求，主要有 轧辊的化学成分；辊身硬度( h s d ) ；辊颈硬度( h s d ) ；辊身硬度均匀性( h s d ) ； 硬化层深度( n u n ) ；抗拉强度( 仉) ；超声波探伤；低倍组织；金相组织；软带宽度； 尺寸公差；加工精度；表面粗糙度；外观质量要求等各项指标 ( 2 ) 轧辊的主要使用性能 轧辊的主要使用性能n 4 1 要求应当是芯部应具有足够的强度和工作层应具有足够的 耐磨性和韧性相结合。 表面耐磨性： 磨损是轧辊最常见的损伤形式，它会危及轧辊的表面光洁度和尺寸精度。至今还没 有任何一种耐磨性指标能适合于表征轧辊的磨损抗力。因此，轧辊的耐磨性只能间接地 根据成分组织和硬度来判断。 表面韧性： 可以选择的韧性指标有屈服强度、冲击韧性、断裂韧性、冷热疲劳、强度接触疲劳 强度等。轧辊在铸造、热处理、堆焊以至切削过程中都有可能因变形不协调而留下残余 应力。使用时残余应力将与工作应力叠加，共同引发不同的损伤现象。因此，分析轧辊 的抗事故性能时，要同时顾及其残余应力，尤其是工作层内的残余应力的影响。 芯部强度： 轧辊的工作层和芯部( 包括辊颈和传动部) 对强度的要求是不同的。泛指的轧辊强 度一般应为芯部强度，用以抵抗弯扭应力，避免断辊。 轧辊探伤： 为了提高强韧性及抗事故性能，轧辊探伤极为重要。轧辊内部存在的非金属夹杂物、 裂纹、白点、缩孔、缩管残余等缺陷及线性和游离信号缺陷会破坏金属连贯性，造成局 部的应力集中形成裂纹源，在生产过程中由于周期性的轧制力使裂纹发展扩大至表层， 生成表面裂纹或剥落，严重时造成轧辊断裂。 对不同轧辊内部允许存在的缺陷的位置及当量具体要求见相应的轧辊标准。并可参 考：锻钢冷轧工作辊超声波探伤方法( g b t1 3 3 1 5 9 1 ) 和a 型脉冲反射式超声探伤仪 通用技术条件( z b y2 3 0 ) 。 一9 一 改进型高镍铬轧辊的加工工艺研究 2 2 轧辊的分类、特性及应用 2 2 。1 铁辊 一般含碳量大于2 2 的铁基系列轧辊称铁辊。铁辊主要成型方式为铸造方式，通常 称铸铁轧辊。铸铁轧辊又分为冷硬铸铁轧辊、无限冷硬铸铁轧辊、球墨铸铁轧辊和高铬 铸铁轧辊四大类。由于成分、孕育、冷速、热处理等方面的细致差异，铸铁轧辊己形成 了一个庞大的体系，彼此间组织结构和性能的差异，使之可服役于不同的轧机和轧制条 件。 ( 1 ) 普通铸铁轧辊 冷硬铸铁含碳量为2 9 3 8 ，根据所含合金元素不同可分为：冷硬铸铁轧辊，中、 低合金无限冷硬铸铁轧辊，中低合金球墨铸铁轧辊。冷硬铸铁轧辊按制造工艺和芯部成 分可分为非球铁、球墨复合和球墨铸铁三大类。无限冷硬铸铁轧辊的材质介于冷硬铸铁 和灰口铸铁之间，其辊身工作层集体组织中存在石墨，并且辊身预芯部没有明显的分界 线。轧辊表面硬度h s d 5 5 8 5 、抗拉强度0 。 3 0 0m p a 。 普通铸铁轧辊主要用于叠轧薄板轧机三辊劳特式中板轧机、线材轧机、棒材轧机、 及型钢轧机。 ( 2 ) 高镍铬无限冷硬铸铁轧辊 高镍铬无限冷硬铸铁轧辊是在传统的无限冷硬铸铁轧辊材质中增加了n i 、c r 元素 的含量，其含碳量为2 9 3 7 ，n i 含量3 4 - 4 5 、c r 含量1 - 6 - 2 0 。其辊身表面硬度 可达h s d 5 0 8 5 、抗拉强度0 。 5 6 0m p a 。 高镍铬无限冷硬铸铁轧辊辊身工作层含有大量碳化物，且由分布着均匀细小的石 墨，因而具有较高的耐磨性和良好的导热性。同时由于在工作层的显微组织中游离石墨 的存在，使轧辊具有抗粘性、抗裂性和抗剥落性，并起到松弛引力的作用，可以较好的 防止裂纹的产生和扩展。 高镍铬无限冷硬铸铁轧辊广泛应用于热轧带钢轧机精轧后架，三辊劳特轧机和热轧 窄带钢轧机精轧后架以及高速线材轧机预精轧机架 ( 3 ) 改进型高镍铬无限冷硬铸铁轧辊 改进型高镍铬无限冷硬铸铁轧辊n 司是在普通高镍铬铁水中通过合金化，以一定比例 加入强碳化物形成元素铌、钨和钒等，改变碳化物类型n6 1 ，使其形成高硬度、细小的混 合碳化物，同时改变沉淀粒子密度，使其与液态金属密度相一致，从而避免离心铸造时 耐磨粒子的偏析。耐磨粒子在轧辊基体组织中的弥散均匀分布，能使改进型轧辊比普通 型轧辊有更好的耐磨性和抗剥落性，极大的提高了高镍铬无限冷硬铸铁轧辊的使用性能 和使用寿命。 在工作层表面两种材质碳化物形态均为细小枝状晶，改进型高镍铬轧辊碳化物均匀 大连理工大学专业学位硕士学位论文 分布，而普通型高镍铬轧辊碳化物部分聚集。在金相显微镜1 0 0 倍下，改进型高镍铬碳 化物为不连续块状及鱼骨状，碳化物量控制在3 0 - 3 5 。而普通型高镍铬轧辊趋向连续， 蜂窝状莱氏体数量与之相比明显增多。尽管改进型高镍铬轧辊碳化物数量与普通型高镍 铬轧辊相比稍少，由于加入更多合金，基体被强化，与碳化物结合紧密，减少了裂纹倾 向。因而，改进型高镍铬轧辊抗热冲击能力和抗剥落能力更强。 ( 4 ) 高铬铸铁轧辊 高铬铸铁轧辊n 刀是指外层含碳量2 3 - 3 3 、含铬量为1 2 - 2 2 、含镍量为1 0 - 1 7 、 含钼量为0 7 - 2 5 的高铬白口耐磨铸铁为轧辊辊身材质，以球墨铸铁为轧辊心不和辊颈 材质的高合金复合铸铁轧辊。 高铬复合铸铁轧辊外层铸态组织为马氏体、珠光体和奥氏体及m 7 c 3 型碳化物，具 有更高的显微硬度，可提高轧辊的耐磨性。搞个铸铁具有外层材质抗拉强度高，耐磨性 好，结合层和芯部( 辊颈) 强度高的特点其辊身表面硬度为h s d 5 5 - 9 5 ，抗拉强度吼 4 0 0 m p a 高铬铸铁轧辊广泛用作热轧带钢连轧机前架工作辊、宽中厚板轧机粗轧和精轧工作 辊及小型型钢和棒材轧机精轧辊。 2 2 2 钢辊 一般含碳量小于2 2 的铁基材料轧辊称为钢辊。钢辊按成型方法包括铸钢辊及锻钢 辊。铸钢轧辊按国际b g l 5 0 3 8 9 所列又分为优质碳素钢辊、合金钢辊、半钢辊、石墨钢 辊。锻钢辊主要有锻钢冷轧工作辊( g b t 1 3 3 1 4 9 1 ) 合金锻钢热轧工作辊( j b t 3 7 3 3 9 3 ) 及大型锻钢支撑辊( j b t 4 1 2 0 9 3 ) 未纳入国标行标的各种材质钢辊有：高碳半钢辊、高 铬钢辊、半高速钢辊、高速钢辊。 ( 1 ) 优质碳素铸钢辊 又称普通铸钢辊，其含碳量为0 6 5 0 8 5 ，除s i 、m n 外不含其他合金元素。主要 钢号有：z u 7 0 、z u 7 0 m n 、z u 8 0 。 辊身表面硬度h s d 3 2 - 4 4 ，抗拉强度吼 6 4 0 - 7 4 0 m p a ( 2 ) 合金铸钢辊 含碳量为0 5 5 0 8 5 ，主要合金元素为c r ，n i ，m o ，m n 。主要钢号有6 0 c r m n m o ， 6 5 c r n i m o ，7 0 m n 2 m o ，7 5 c r m o ，8 0 c r 等。 辊身表面硬度h s d 3 2 - 4 8 ，抗拉强度7 。 7 4 0 7 9 0 m p a 。 ( 3 ) 铸造半钢轧辊 含碳量介于钢与铁之间，普通半钢辊含碳量为1 3 1 7 ，合金元素主要是c r ，n i ， m o 。主要钢号有1 4 0 c r n i m o ，1 6 0 c r n i m o ，1 4 0 c r m o ，1 6 0 c r m 。 辊身表面硬度h s d 3 5 - 5 8 ，抗拉强度吼 5 4 0 5 9 0 m p a 。 一1 1 改进型高镍铬轧辊的加工工艺研究 现已发展有含碳量1 8 - 2 3 的高碳半钢辊，其耐磨性和强韧性都有进一步提高 ( 4 ) 铸造石墨钢轧辊 含碳量1 3 - 1 6 ，含硅量1 0 - i 6 ，其余为c r 、n i 、m o 。主要钢号有1 4 0 s i c r m o ， 1 5 0 s i c r n i m o 。 轧辊表面硬度h s d 3 6 5 0 ，抗拉强度吼 6 0 0 m p a 。 ( 5 ) 锻钢冷轧工作辊 含碳量0 7 5 - 0 9 5 主要合金元素有c r 、m o 、v 。主要钢号有：8 c r m o v 、8 6 c r m o v 7 、 8 5 c r m o v 、9 c r 2 m o v 、9 c r 2 w 、9 c r 2 、9 c r 3 m o 等。 辊身表面硬度：粗轧辊工作辊h s d 7 5 9 0 、冷轧辊工作辊h s d 9 0 - 9 6 、平整辊、精轧 辊h s d 9 5 。 在原有c r 2 系列的基础上为提高硬化层深度和耐磨性、不断提高铬的含量，已形成 了c r 3 系列( m c 3 ) c r 5 系列( m c 5 ) c r 8 系列( m c s ) 。 ( 6 ) 合金锻钢热轧工作辊 含碳量为：0 4 5 - 0 9 0 ，主要合金元素有：c r n i m n 。主要钢号有：5 0 c r m n m o 、5 0 c r n i m o 、 6 0 c r m n ，6 0 c r nim o ，6 0 c r m n m o ，9 c r 2 ，7 0 c r 3 m o 。 辊身表面硬度h b 2 1 7 - 2 0 3 。 ( 7 ) 大型锻钢支撑辊 主要钢号有：9 c r 2 、9 c r 2 m o 、7 5 c r m o 、7 0 c r 3 m o 、5 5 c r 、4 2 c r m o 等。 热轧支撑辊表面硬度h s d4 0 - 7 0 、冷轧支撑辊表面硬度h s d5 5 - 7 3 、大型锻钢支撑 辊在原有c r 2 、c r 3 系列的基础上正向着高铬含量方向发展，目前c r 4 系列和c r 5 系列 已经投入生产。 轧辊表面硬度可达h s d 6 0 7 0 ，抗拉硬度吼 8 8 0m p a 。 ( 8 ) 高速钢辊和半高速钢辊 高速钢辊n 町工作层含碳量0 8 - 3 9 主要含元素有c r 、w 、m o 、v 、n b 、c o 含合金 元素总量1 5 ，碳和合金元素的增加，使材料的组织性能和热处理过程都发生了根本 的变化，具有很高的淬透性和高温硬度，特别是由于w 、m o 、v 元素的存在，使得碳化 物的类型发生了很大变化，已m c 和m 6 c 型为主，此类碳化物的硬度很高且细小弥散， 使高速钢轧辊工作层材质在热轧时具有很高的硬度，可达到h s d 8 0 9 0 ，且辊身硬度均匀， 工作层内无硬度落差，具有高的耐磨性和耐表面粗糙性，具有较高的红硬性，芯部抗拉 强度0b 7 0 0 - 1 0 0 0m p a 。 高速钢轧辊主要用于板带材轧机及型钢轧机，其使用寿命是高镍铬铸铁轧辊的6 - 1 0 倍，且所轧制的钢材表面质量优良。 ( 9 ) 高铬钢辊 离心铸造高铬钢复合轧辊外层铸态组织为马氏体、珠光体和大量的奥氏体( 残余奥 大连理工大学专业学位硕士学位论文 氏体量大于2 0 ) 及m 7 c 3 型碳化物。 高铬钢轧辊工作层含碳量为0 7 1 4 ，含铬量为8 1 6 及n i 、m o 、v 等合金元素， 芯部为高强度球墨铸铁。由于大量c r 合金的作用，外层组织中的碳化物形态是显微硬 度高、耐磨性好、