（机械工程专业论文）钢管张力减径机用硬质合金轧辊的研制与开发.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 轧辊是无缝钢管生产中的主要消耗备件，也是最重要的生产工件，其性能好坏 直接影响轧机的生产率、轧材的表面质量和成本，在无缝钢管生产中占有重要地位。 它不仅是辊耗，轧辊费用的直接产生者，还影响到轧钢产量、质量、设备有效作业 率及生产成本等众多指标。因此对轧辊材质和生产工艺的研究，已成为国内外冶金 生产厂家共同关注的问题。 本文首先通过深入和全面地分析国内外关于张力减径机轧辊研究的概况，钢管轧 辊的制造技术，阐明了课题提出的目的、意义和本文所做的主要工作。结合对张力 减径轧辊材质的性能要求以及硬质合金轧辊材质性能的深入分析，确定了硬质合金 辊环生产工艺路线，从w c 粒度、w c 总碳、烧结温度，到合金的晶粒度控制、添加少 量稀有金属碳化物以及合金显微结构与性能、材质车削性能等方面进行了深入探讨， 研制开发出了具有高的断裂韧性、耐磨性、耐腐蚀性、高温性能的超粗颗粒硬质合 金辊环。 然后通过分析整体式硬质合金张力减径机轧辊方案及目前国外硬质合金张减辊 技术，提出了组合式硬质合金张力减径辊的设计思路，采用机械夹固方式，用过盈 配合和冷装工艺，并辅以粘结的方法，制造硬质合金张减辊；对研制工艺方案中关 键工序进行研究和探讨，解决了硬质合金张减辊在张力减径机架上装配难题。通过 对切削刀具材料和切削参数的研究，使厂家利用现有的孔型车床或加工中心对硬质 合金张减辊进行孔型加工成为可能，解决了高粘结相硬质合金精车难题。 本课题成功地开发出硬质合金张力减径轧辊，各项技术指标均远远超过试制协 议规定的技术条件要求，轧制寿命达到原用辊寿命的2 0 余倍，达到国外同类产品的 技术水平，开拓了我国硬质合金张减辊在热轧小型材轧机范围内的应用领域。 关键词：张力减径机硬质合金轧辊轧辊材质轧辊加工 i 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h er o l l e ri st h em a i nc o n s u m p t i o ns p a r ep a r ta n dt h em o s ti m p o r t a n tp r o d u c t i v e w o r kp i e c ef o rp r o d u c i n gs e a m l e s ss t e e lt u b e i t sq u a l i t ya n dp e r f o r m a n c ed i r e c t l y i n f l u e n c e st h ep r o d u c t i v i t yo ft h er o l l i n gm i l l ，t h es u r f a c eq u a l i t ya n dc o s to fr o l l e d m a t e r i a l s ，i to c c u p i e si m p o r t a n tp l a c ei nt h es e a m l e s ss t e e lt u b ep r o d u c t i o n i ti sn o to n l y t h a tt h er o l l e rd a w d l e s ，t h ed i r e c tp r o d u c t i o np e r s o no ft h er o l le x p e n s e s ，s t i l li n f l u e n c e a n ds t e e lr o l l i n gn u m e r o u si n d e x e ss u c ha st h eo u t p u t ，q u a l i t y , v a l i dh o m e w o r kr a t eo f e q u i p m e n ta n dp r o d u c t i o nc o s t s ot h es t u d yo nr o l lm a t e r i a la n dp r o d u c t i o nt e c h n o l o g y , h a sa l r e a d yb e c o m et h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lm e t a l l u r g i c a lm a n u f a c t u r e r sc o m m o n c o n c e r n e dp r o b l e m a tf i r s t ，t h ep u r p o s ea n ds i g n i f i c a n c eo ft h es u b j e c t ，a sw e l la st h em a i nw o r kh a v e b e e ns h o w ni nt h ep a p e rt h r o u 曲s y s t e m a t i ca n a l y s i st h er e s e a r c hs u r v e ya n dm a n u f a c t u r e t e c h n i q u eo fr o l l e ru s e di ns t r e t c hr e d u c i n gm i l la th o m ea n da b r o a d ，t h et e c h n o l o g yl i n e o fp r o d u c i n gc e m e n t e dc a r b i d er o l l - r i n gh a sb e e nd e t e r m i n e di nc o m b i n a t i o nw i t hd e e p a n a l y s i st h ep r o p e r t yr e q u i r e m e n to fm a t e r i a lo fs t r e t c hr e d u c i n gr o l l sa n dt h ep r o p e r t yo f c e m e n t e dc a r b i d er o l l e rm a t e r i a l s u p e r c o a r s eg r a i ns i z ec e m e n t e dc a r b i d er o l l - r i n gw i t h h i g hf r a c t u r et o u g h n e s s ，w e a r - r e s i s t a n c e ，c o r r o s i o n r e s i s t a n c ea n dh i g h t e m p e r a t u r e p e r f o r m a n c eh a sb e e ns t u d i e da n dd e v e l o p e db yd e e pr e s e a r c hw cg r a i ns i z e ，w ct o t a l c a r b o n ，s i n t e r i n gt e m p e r a t u r e ，g r a i ns i z ec o n t r o lo fc e m e n t e dc a r b i d e ，a d d i n gaf e wr a r e m e t a lc a r b i d e ，m i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t yo fc e m e n t e dc a r b i d e ，a sw e l la si t st u m i n g w o r k a b i l i t y s e c o n d l y , t h r o u 曲a n a l y z i n gi n t e g r a lc e m e n t e dc a r b i d es t r e t c hr e d u c e st h e r o l l s c h e m eo fs t r e t c hr e d u c i n gm i l la n dt h ef o r e i g nc e m e n t e dc a r b i d eo n er e d u c e sr o l l s t e c h n o l o g ya tp r e s e n t ，p u tf o r w a r d t h em e n t a l i t yo fd e s i g n i n go fs t r e t c hr e d u c i n gr o l l so f s e c t i o n a lc e m e n t e dc a r b i d es t r e t c h ，a d o p tm a c h i n e r yt oi n s e r tt h ew a y , u s e ，f u l lo f , c o o p e r a t ea n dn o tc o l dt op u tc r a f t ，c o m p l e m e n t ，w i t hm e t h o do fb o n d i n g ，m a k ec e m e n t e d c a r b i d eo n em a k ear e d u c t i o no ft h er o l l e r ；h a v ec a r r i e do nr e s e a r c ha n dd i s c u s s i o nt ot h e k e yp r o c e s sd e v e l o p e di nt h ec r a f ts c h e m e ，r e d u c et h er o l l e ra n da s s e m b l et h ed i f f i c u l t p r o b l e mi nt e n s i l er e d u c e sd i a m e t e rf r a m e w o r ka f t e rs o l v i n gt h ec e m e n t e dc a r b i d eo n e 华中科技大学硕士学位论文 t h r o u g ht oc u t t i n gt h ec u t t e rm a t e r i a la n dc u t t i n gt h er e s e a r c ho fp a r a m e t e r , i tb e c o m e s p o s s i b l et om a k et h ep r o d u c e ru t i l i z et h ee x i s t i n gp a s sl a t h eo rm a c h i n i n gc e n t e rt or e d u c e t h em i l e rt op r o c e s st h ep a s st ot h ec e m e n t e dc a r b i d eo n e ，p r o c e s st h ed i f f i c u l tp r o b l e m a f t e rs o l v i n gt h ep r e c i s ec a ro fc e m e n t e dc a r b i d eo fh i g hb o n d i n gl o o k s t h i ss u b j e c ts u c c e e d si n d e v e l o p i n gc e m e n t e dc a r b i d es t r e t c hr e d u c i n gr o l l s ， t e c h n o l o g i c a l t e r m st h a t e v e r y t e c h n i c a l i n d i c a t o rf a re x c e e d st h e a g r e e m e n to f t r i a l p r o d u c i n ga n ds t i p u l a t e sa r er e q u i r e d ，m o r et h a n2 0t i m e st h a tt h er o l l i n gl i f e s p a n r e a c h e sa n du s e st h er o l l e rl i f e - s p a no r i g i n a l l y , r e a c ht h ee n g i n e e r i n gl e v e lo ft h ef o r e i g n l i k ep r o d u c t ，r e d u c et h ea p p l i c a t i o nw i t h i nt h er a n g eo fs m a l l s c a l em a t e r i a lr o l l i n gm i l lo f h o tr o l l i n go fr o l l e ra f t e ro p e n i n gu pt h eo n eo fc e m e n t e dc a r b i d eo fo u rc o u n t r y k e y w o r d s ： s t r e t c h r e d u c i n gm i l l c e m e n t e dc a r b i d er o l l m a t e r i a lo fr o l lr o l lm a c h i n i n g i n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：猡参印一1 f e t 期：矿6 年明7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学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。 本论文属于 保密口，在 年解密后适用本授权书。 不保密z ( 请在以上方框内打“妒) 学位论文作者签名：厂彰勿孕1 日期：炒6 年归月多日 4 指导教师签名： 日期：砷年f 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 钢管张力减径机用硬质合金轧辊的研制与开发的意义 轧辊是无缝钢管生产中的主要消耗备件，也是最重要的生产工件，其性能好坏 直接影响轧机的生产率、轧材的表面质量和成本，在无缝钢管生产中占有重要地位。 它不仅是辊耗，轧辊费用的直接产生者，还影响到轧钢产量、质量、设备有效作业 率及生产成本等众多指标。因此对轧辊材质和生产工艺的研究，已成为国内外冶金 生产厂家共同关注的问题。 随着冶金工业向着大型比、高速化和自动化方向的发展，对轧辊的性能和质量 要求越来越高，各种强度高、耐磨性好、高质量的轧辊不断出现。如半钢轧辊、锻 造白口铁轧辊、高铬铸铁轧辊和高速钢轧辊、硬质合金轧辊等，使得辊耗逐年下降。 我国轧辊生产现状与国外工业发达国家相比，差距较大，辊耗几乎是国外的三倍左 右。 轧辊的消耗主要发生在两个方面一是修复性车削导致最后的自然报废，二是 在轧制过程中各种原因造成的断辊。发生断辊时不仅打乱了正常的生产及换辊计划， 还会造成数量不等的热废品使质量指标受到损害。由于断辊造成的热停工使产量及 设备有效作业率均受直接影响，并对轧辊费用及成本产生消极因素。由此可见，如 何提高轧辊使用寿命、降低意外消耗、减少断辊换辊次数是无缝钢管生产企业工程 技术人员所关注和探讨的一大课题。 国内钢管张力减径机用硬质合会轧辊的制造和应用尚属起步，有的还只是试验 性的使用，硬质合金轧辊的制造方法仍未完全掌握。 本项目主要研制目的为：根据用户( 衡阳钢管) 要求，设计加工出热轧无缝钢 管适用的张力减径机用硬质合金轧辊，开拓我公司乃至我国的硬质合金制品在热轧 小型材轧机范围内的应用领域。 华中科技大学硕士学位论文 1 2 国内外关于张力减径机轧辊研究的概况 1 2 1 我国无缝钢管生产的现状 自鞍钢无缝钢管厂轧出我国第一根无缝钢管起，至今我国无缝钢管已有了4 9 年 的生产历史。据文献 1 ，在这近半个世纪的年代里，我国无缝钢管轧机由5 0 年代初 唯一的1 套由1 4 0 m m 自动轧管机组，设计年产量仅6 1 9 万，发展到目前为让，已 是产品品种、规格齐全，各种机组型式齐全并分布于全国主要机组( 产能超过一半) 的装备水平、主要生产技术指标和主要品种( 如油井管、轴承管和不锈钢管) 的产量 居世界领先水平，2 0 0 5 年无缝钢管的产量达到1 0 4 7 万吨，出口1 3 9 2 4 万吨，进口 6 7 8 2 万吨，成为世界上无缝钢管第一大生产国、消费大国和净出口国。 图1 - 1 张力减径机成品机架 我国无缝钢管的生产企业呈现两大特点“1 ：一是以天津钢管有限责任公司( 简称 天津钢管) 、宝钢钢管分公司( 简称宝钢无缝) 、包钢无缝钢管厂和连轧钢管厂( 简称 包钢无缝) 、攀钢集团成都钢铁有限责任公司( 简称攀成钢) 、衡阳华凌钢管( 集团) 有 限公司( 简称衡阳钢管) 以及鞍钢新钢铁公司( 简称鞍钢无缝) 等六大钢管生产企业为 首的国有企业，主要以生产专用无缝钢管和中大直径无缝钢管为主，总产量超过了 全国总产量的一半，生产水平和集中度都比较高，它们是我国无缝钢管生产的主力 军；二是近几年来民营无缝钢管生产企业异军突起，发展速度十分惊人，这些企业 2 华中科技大学硕士学位论文 主要集中在江苏、浙江一带，大都以生产小直径无缝钢管和轴承钢、不锈钢无缝管 为主，各厂的生产规模均不大，一般都在1 0 万t 以下。装备水平正在不断提高，机 制十分灵活，生产成本较低，是我国无缝钢管生产的新生力量。这两支队伍相辅相 成、并肩作战，推动了我国无缝钢管生产的快速发展。 我国无缝钢管以年平均约1 0 的速度稳定增长，近3 年来，每年的钢管产量约 以近1 5 0 万t 的速度增加。由此可见我国无缝钢管进入了新一轮快速增长时期， 预计今年，我国无缝钢管产量将超过9 5 0 万t 。随着天律钢管由1 6 8 r a m 机组、攀成钢 由3 4 0n u n 机组和衡阳钢管由2 7 3 m 机组等3 套新机组的相继投产以及部分其他机组 的扩能改造完成，预计未来3 年我国无缝钢管每年的产能将达到i 0 0 0 万t 以上。 我国约有2 0 0 套( 台) 轧管( 或只有单独的穿孔机) 机组，设计能力约5 0 0 万t 。其 中有2 4 家钢管厂的工艺设备比较完整配套，可直接热轧成品无缝钢管的轧管机组3 5 套( 台) ，设计能力约3 8 0 万t 。其中具有世界先进水平的轧管机组设计能力约2 5 0 万 t 。由此可见，我国无缝钢管的生产装备水平参差不齐，先进机组的设计能力仅占一 半，在热轧成品管机组中超过1 0 0 万t 产能的机组的装备水平比较落后，近1 0 0 万t 的生产能力只能通过冷轧( 拔) 的方式生产成品管。 2 0 世纪8 0 年代以前，我国无缝钢管的产能较低，机组水平也比较落后。但从 8 0 年代末宝钢无缝引进由1 4 0m m 浮动芯捧连轧管机组开始，相继天津钢管引进了由 2 5 0m m 限动芯棒连轧管机组，攀成钢引进了由1 7 7 m m 精密轧管机组，大冶钢厂引进 了由1 7 0m l na s s e l 三辊轧管机组，衡阳钢管引进了由8 9 m m 半浮动；露捧连轧管机 组，包钢无缝引进了由1 8 0m m 少机架限动芯捧连轧管机组以及鞍钢无缝引进了由 1 5 9 m m 限动芯捧连轧管机组等。这些机组均代表了当今世界无缝钢管的先进水平。近 两年，天津钢管又引进了由1 6 8 m m 三辊式轧辊可调连轧管机组( 半浮动芯棒的p q f ) ， 它是世界上第l 台全面改进传统的二辊式限动芯捧连轧管机组( m p m 、m i n i m p m ) 的 新型连轧管机组；攀成钢引进了由3 4 0m m 连轧管机组；衡阳钢管引进了由2 7 3 m m 连 轧管机组。上述机组生产能力充分发挥后。产量将达到5 0 0 万t 。经过多次改造的攀 成钢周期轧管机组和包钢无缝由4 0 0 嘲自动轧管机组的装备水平和生产能力均居世 界同类机组的前列。 华中科技大学硕士学位论文 1 2 2 无缝钢管生产工艺和辅助设备 在无缝钢管厂，最重要的是无缝钢管生产工艺( s t p ) 0 3 ，其主要设备是轧管机、 张力减径机组和锯切机。炉子、穿孔机和冷床被视为辅助设备。从毛管到热轧管的 过程是连续的。为了在旋转式轧机中轧制毛管，需将一根芯捧插入毛管，轧制过程中， 芯捧的移动是受控的，芯捧用作内变形工具。外变形工具是4 根轧辊，这4 根轧辊同 时围绕着毛管的中心轴线及其自身的纵轴旋转；当旋转的轧机还在轧制毛管的后部 时，毛管的前部在张力减径机组中被张力减径成所需尺寸的管子，并在旋转式热锯 上进行定尺切割。最后位置上的机架是可调节的。因此，管壁厚度会受机架之间张 力的影响，管子的三个尺寸，即直径、壁厚和长度在生产过程中都是受控的。 张力减径是在前后布置的一系列机架中对荒管进行带张力连续轧制的过程，是 连轧管机组中最后一道轧制工序，它对于成品管的质量有重要影响。张力减径过程 采用适当的孔型系统使荒管外径连续减缩，并通过在机架间施加张力对钢管壁厚进 行控制。在以张力减径机组自由运行的情况下，会生产出长达6 0 0 m 的管子。因此， 旋转着的热锯把这根长管锯成所要求的定尺长度。 1 2 3 国内钢管轧辊的制造技术及发展现状 据文献 4 ，2 0 世纪8 0 年代以来，伴随着轧钢技术和装备的革命性变化，我国轧 辊行业从产品研发到生产技术，从工艺手段到装备水平也相应产生了巨大变化。当 年铸钢轧辊作为开坯轧机用辊仅有一种亚共析低合金产品，即含碳量0 6 o 7 材质的产品。现在铸钢轧辊已发展成为系列产品。从f e c 平衡相图上来看，p a ( 0 2 1 8 c ) n s 点( 0 7 7 c ) 再n b 点( 27 1 1 c ) 、亚共析、共析、过共析涵盖了几 乎所有成分点，合金也由最初的一元、二元低合金发展到了多元高合金，铸造方法 也由单一的静态浇注发展到了离心浇注、全冲洗浇注、无流浇注、机械复合等多种 形式。铸铁产品的发展更是飞速，“老三种”球无、球半、冷硬派生出了多种适合 不同轧机轧制要求的产品，材质从低n i 到中n i 、高n i c r 、高c r 、高v 、高m o ，高w 等， 基体组织也由珠光体组织发展到了贝氏体，下贝氏体针状组织等。复合铸造成为了 发展趋势，轧辊热处理已不再仅为了消除铸造应力，改善组织及性能成为了热处理 4 华中科技大学硕士学位论文 的目的和方向。冷轧工作辊由单一的c r 材质发展到了c r 3 、c r 5 、c r 8 $ 1 锻造半高速钢， 淬硬层深度从不足l o m m ，目前已达到了5 0 r a m 以上，钢精炼，真空浇注、电渣重熔、 双频淬火、深冷处理已成为生产的必备的手段o 。 近二十年来轧辊制造业的发展促进了轧辊性能不断的提高，新材质、新制造方 法不断出现。原有的轧辊材质有：普通铸钢轧辊、铸铁轧辊、普通半钢轧辊，相继 又出现了高c r 铸铁轧辊、高c r 铸钢轧辊、高n i c r 无限冷硬复合铸铁轧辊、高速钢 轧辊、硬质合金轧辊等。从制造的方法方面来看也是百花齐放：离心铸造法( 又分 为立式、卧式、倾斜式) 、连续浇铸复合铸造法、旋转电渣熔铸法、喷射工艺。轧辊 的主要力学性能及使用效果见表卜1 和表卜2 。 表卜1 轧辊的主要力学性能 轧辊材质( 外层) 部位项目 高合金无限冷硬铸铁高c r 铸铁向j 墨俐 硬度( h s ) 7 5 8 57 08 07 0 9 0 抗拉强度m p a 4 0 0 6 0 07 0 0 9 0 07 0 0 - 1 0 0 0 外层 抗压强度m p a 1 9 0 0 2 5 0 0 1 7 0 0 2 2 0 02 5 0 0 3 2 0 0 断裂韧性m p a m ” 3 9 35 4 5 1 3 6 o 结合层抗拉强度m p a 3 0 0 5 0 03 0 0 4 0 05 0 0 7 0 0 芯部抗拉强度m p a 3 0 0 5 0 04 0 0 5 0 07 0 0 一1 0 0 0 表卜2 不同轧辊的基本性能、使用效果对比 室温硬度6 0 0 硬度轧钢量 辊环种类 抗压强度m p a h r ch r ct 高c r 铸铁 6 2 6 64 0 4 82 0 0 0 2 5 0 0 2 2 0 - 2 5 0 无限冷硬铸铁 5 8 6 23 8 - 4 52 5 0 0 3 0 0 01 2 0 - 1 5 0 工具钢锻造 6 1 6 24 5 5 51 5 0 0 2 0 0 05 0 0 6 0 0 硬质合金 7 5 - 8 07 0 7 54 5 0 0 5 2 0 03 0 0 0 4 0 0 0 国内最早开始硬质合金张力减径轧辊尝试的是宝钢钢铁股份有限公司下的钢 管公司，1 9 9 6 年左右在北京冶金设备研究院采购了硬质合金轧辊，北京冶金设备研 华中科技大学硕士学位论文 究院采用复合浇铸法生产的复合硬质合金轧辊，其特点是将硬质合金辊环预埋在铸 模内，在预埋件的表面涂覆一层活性剂，将硬质合金用与 f e 、c o 元素性质相近的材料进行表面预处理，再从浇口铸入球铁溶液，使硬质合金 和球铁之间形成冶金结合。 这种制造方法主要优点是1 降低轧辊制作成本；2 在轧辊和辊轴之间可以采用 键连接方式；缺点是1 制造工艺繁琐2 无法消除复合轧辊的内应力，轧辊的轧制寿 命不稳定。 但后来宝钢有关的尝试工作由于以下几个原因被停滞：1 硬质合金材料选材不 对：2 无法解决硬质合金车削问题；3 受到市场所需的钢管品种繁多的制约；4 机 架轴承与轧辊寿命不匹配。 据文献 6 ，我国轧辊制造虽然取得了飞跃的发展，但就目前的状况而言，在以 下几个方面跟世界轧辊制造的先进水平仍有差距。 ( 1 ) 我国轧辊制造行业，在轧辊生产技术的理论性、基础性研究上比较薄弱， 在相当大程度上阻碍和制约了技术进步和行业发展。绝大部分生产企业没有开展这 方面的工作，许多企业都还处于模仿阶段，很少企业拥有自主知识产权和核心技术。 这一方面是我国大批的、大量的引进i n # f 先进现代化轧机，大批的轧辊新品随之进 入中国市场，为许多厂家模仿创造了便利条件。另一方面是众多的生产厂家不重视 最基础的理论研究和核心技术的培育，更多的是出于功利思想，以最快的速度模仿 生产是最便捷的途径。 ( 2 ) 手工作业，人工操作是所有轧辊生产企业的目i i 现状，靠经验、凭感觉是 生产现场操作的主流，由于管理能力普遍低下，致使生产过程工序质量难以稳定受 控，产品实物质量不稳定。而国外许多轧辊制造厂轧辊铸造过程已实施了智能控制， 轧辊生产手段、生产过程国内外有巨大的差距。 ( 3 ) 在我国轧辊技术中，使用技术的研究最薄弱，基本上处于没有开展的状况， 计划经济下的习惯性做法、习惯性思维仍然深深地影响着轧辊行业，这是阻碍和制 约轧辊技术发展的最大障碍。轧辊制造业产品意识浓厚，商品意识淡薄，在市场经 济条件下，用户购买你的产品，绝不是为买产品而买你的产品，他购买的是产品的 6 华中科技大学硕士学位论文 功能，购买轧辊是为了轧钢，是为了轧出高质量的钢，是为了提高轧制效率，降低 消耗成本，提高综合效益，谁能够持续不断地为用户带来上述利益，谁将能够生存 和发展，而做到这一点不但要研究如何做，更要研究如何用，如何用的最好，要使 每一家用户、每一架轧机都用的最好。反过来又要研究如何制作才能充分满足其轧 制条件的需要，开展“一对一”的制作和服务，追求产品个性化、差异化是每个企 业生存的法则。制造业由生产型向生产服务型转变是市场经济发展的必然要求。这 方面我们与国外轧辊制造厂商的差距更大，不解决这个问题，改善这个状况，轧辊 技术就不可能发展，行业的生存也会受到严重威胁。 ( 4 ) 工艺装备水平普遍较低，冶炼、铸造、热处理、机械加工装备陈旧，自动 化水平低，智能装备寥寥无几，装备的保证可靠程度差，生产效率低，也是导致产 品质量不稳定，生产废品时有发生的一个重要方面。根据有关调查，国外轧辊制造 厂商劳动生产率普遍在1 0 0 万元从以上( 人民币) ，有的厂商甚至达到了1 5 0 万元从， 并且没有控制不当造成的废品。我国轧辊生产厂劳动生产率最高的达2 0 万元从，大 部分在( 1 0 一2 0 ) 万元从，产品废品率控制到5 已经是相当不错的，装备水平也是制 约技术发展的一个重要因素。 1 2 4 国外硬质合金张力减径轧辊的情况 ( 1 ) 瑞典s a n d v i k 公司： 山特维克是世界上早开始采用c i c 技术制造硬质合金复合辊环，广泛用于高速 线材、棒材、钢管轧机上。浇铸式c i c 硬质合金复合轧辊由经过优化设计的硬质合 金和延性铸铁铸成一个整体，由处于复合辊环外层的具有极高硬度和优良耐磨性的 硬质合金材料负责轧制，由处于内层的具有良好的强度和韧性延性铸铁负责转递扭 矩“1 。 浇铸式c i c 硬质合金复合轧辊环的结构以运行稳定，安装简单为原则。复合辊 环与辊轴之间使用键联接转递轧制力矩的同时，采用过盈配合，这一结构使轧辊始 终在最稳定的状态下工作，具有如下优点： 避免了只由键转递扭矩而导致键受到轧制负荷的周期性冲击后出现疲劳断 7 华中科技大学硕士学位论文 裂和将辊环拉坏。采用过盈配合，使辊环和辊轴的接触面之间不存在间隙，避免 了含有杂质的冷却水进入并腐蚀接触面而导致辊环工作状态不稳定、影响轧材质量 及公差、因接触面腐蚀使辊环无法拆卸甚至造成辊环开裂等事故。因使用球墨铸 铁而降低了制造成本。山特维克c i c 硬质合金复合辊环有数种牌号可以选择：c 3 0 t 、 c 3 0 p 、c 2 5 p 等。其中c 3 0 t 采用最高的粘结剂含量和超粗的碳化钨颗粒度，具有优良 的强度和韧性，有很好机械加工性能，选择合适的刀具可以对轧辊和轧槽用车削方 式进行修复，见表卜3 。 表卜3s a n d v i ks t a n d a r dr o l lg r a d e s t r a n s v e r c o m p o s i t i o n d e n s i t y h a r d b e s s 抗弯 c o m p r e s s i v g r a d e b y w e i g h t 密度硬度 强度m p t u r e e e r i e f g y w n m c on ic r g c i i l 3 h v 3 h r ajn m m 2 cm 2 c 1 5 c8 57711 4 09 0 08 5 02 9 0 03 83 4 0 0 c 2 0 c8 09921 3 58 0 08 3 5 2 7 0 0 5 o3 2 0 0 c 2 5 p7 51 21 211 3 o7 5 08 3 0”0 05 53 1 0 0 c 3 叭7 01 31 521 2 76 0 08 1 5”0 08 o3 0 0 0 h 6 t9 461 4 81 3 0 08 9 02 3 0 01 24 3 0 0 h 1 叽19 01 01 4 51 0 0 08 5 63 1 0 03 63 5 0 0 h 1 3 c8 71 31 4 21 0 7 0 8 6 5 2 7 0 03 03 8 0 0 h 1 5 c8 51 51 3 99 5 08 5 5 2 9 0 04 03 8 0 0 h 2 0 c8 02 01 3 59 0 08 5 o2 7 0 05 13 5 0 0 h 2 5 p7 52 51 3 08 0 08 3 52 7 0 05 53 3 0 0 h 3 0 p7 03 0 1 2 7 7 0 0 8 2 5 2 7 0 07 o3 0 0 0 ( 2 ) 德国莎阿( s a r a h a r t m e t a l lu n dw e r k z e u g e ) 公司 莎阿开发的s a r a c o m 复合硬质合金钢管轧辊是将s a r a m a n t 硬质合金作为轧制面 8 华中科技大学硕士学位论文 嘲。1 。其他部分用洛氏硬度h r c 4 0 4 5 因瓦合金钢开键槽来传递扭矩。两种不同材料 的复合使用了热等静压工艺使之发生冶金粘结。s a r a c o m 的工作部分采用粘结相含量 1 7 3 0 9 6 的耐磨性能好的硬质合金。如：v g 6 2 7 、v n 7 7 、v n 7 6 等，见表1 - 4 。 山特维克和莎阿这两家公司采用前沿的制造技术开创了热轧领域的崭新应用， 在国外已经广泛应用于热轧无缝钢管的张力减径机架上，硬质合金轧辊的寿命为普 通铸铁轧辊的2 0 3 0 倍“，而且钢管的表面质量和尺寸精度也明显提高。近几年这 两家公司开始在我国国内进行推广，但是由于价格太贵，国内还没有任何厂家采用。 山特维克一组硬质合金张减辊报价为3 0 万组；莎阿一组张减辊报价2 2 万组。 表1 - 4s a r as t a n d a r dr o l lg r a d e s s r a m a n c o m p o s i t i o n d c n s i t y h a r d n e s s t b y w e i g h t 密度硬度 s o r t e g r a d c w cc on ic r g c m 5 h v 3 0h r a v g 0 79 3 0 7 o 1 4 81 1 7 08 7 5 v g 3 09 0 59 51 4 61 2 0 08 8 5 v g 5 0 8 6 51 3 5 1 3 59 4 08 5 0 v g 5 38 3 o1 7 01 3 88 6 08 3 5 v g 5 67 7 5 2 2 5 1 3 38 4 08 3 0 v g 6 17 5 02 5 01 3 17 5 08 1 5 v g 6 2 77 0 0 3 0 o 1 2 67 3 08 1 o v n l 08 9 55 05 0o 51 4 51 2 0 0 8 8 5 v n 4 08 4 2 7 08 0 0 81 3 99 3 08 4 5 v n 4 5 8 1 0 1 0 o8 o1 0 1 3 68 8 08 4 0 v n 5 08 0 01 0 08 81 21 3 58 0 08 2 0 v n 7 6 7 0 o 1 4 21 4 21 5 1 2 77 3 08 0 5 v n 7 77 0 01 4 21 4 21 51 2 76 0 0 7 7 5 1 3 张力减径工艺及张力减径轧辊性能 1 3 1 张力减径工艺 在多机架的减径机上不带芯棒热轧钢管，同时减小其直径和壁厚的减径过程叫 9 华中科技大学硕士学位论文 做钢管张力减径。这种钢管减径方法可以在不致引起钢管管壁压垮和内孔变方的情 况下得到较大的减径量和减壁量，以实现用大管径荒管生产小口径钢管和多规格、 多品种的目的。 张力减径是在前后布置的一系列机架中对荒管进行带张力连续轧制的过程，是 连轧管机组中最后一道轧制工序，它对于成品管的质量有重要影响。张力减径机是 一种空心轧制的多机架连轧，被轧制的钢管不仅受到径向压缩，同时还受到纵向拉 伸，即存在张力。在张力作用下，钢管在理径的同时实现减径，张力越大，减壁量 越大。即张力减径机除了定径作用之外，还要求有较大的减径率以实现用大管材生 产小口径钢管的目的，并且在威径的同时使壁厚减薄或者保持不变，从而达到要求尺 寸精度的成品管。 1 3 2 张力减径机主传动系统结构特点 衡阳无缝钢管厂钢管张力减径机组是从德国考克斯( k o c k s ) 公司引进的。该机组 可将由1 1 8 m m 毛管通过2 4 个机架连轧，可以一次性轧出巾8 9 一由2 5 r a m 不同规格的小 口径热轧无缝钢管。 其张力减径机是d a 2 4 个机架组成，是混合传动型，前1 2 架为集中传动，由两台电 机驱动，另外1 2 架为单独传动，每架配有一台电机。单独传动减速箱中有1 2 套减速 齿轮、1 2 根输入轴及输出轴，结构简单。集中传动是由一套齿轮根据预计的速比传 递动力，确定轧制的基本转速。另一套齿轮由另一台电机驱动，输出叠加转速。实 际该转速用来使相邻机架问产生差速，从而产生管于的张力。集中传动有两个输入 轴，1 2 根输出轴与齿接轴相联。 机架结构采用三辊形式，它具有明显的优点。结构简单、换辊装卸方便，强度 易保证；轧制间距小，切头损失少；轧机结构简化，改善了钢管表面质量；钢管的 曳人性能好，可在较短的咬人长度上建立起足够的张力。 1 3 3 张力减径轧辊的性能 张力减径轧辊是由辊身和辊轴组装而成的，为便于加工辊身内孑l ，要求辊身芯 部硬度较低。张力减径机用轧辊属热轧用轧辊，轧辊断面小，轧制过程中，辊身由 1 0 华中科技大学硕士学位论文 水不断冷却，工作条件十分复杂“”。首先当钢管通过时轧辊将受到切向拉伸与 径向压缩的复合应力而在轧辊孔型表面与钢管之间则产生相应的波动和滑动摩 擦。其次轧辊与灼热( 约8 0 0 - - - 9 5 0 c ) 的钢管坯接触，使孔型表面的温度升高当与 管胚脱离以后轧辊随即又在连续喷水下急剧冷却，从而使孔型表面还承受交变的 热应力的作用。因此，轧辊必须兼有高的强度与韧性，并且要有良好的耐磨性与抗 热疲劳性能。 同时，根据轧制工艺和加工性能的要求，张力减径机轧辊的表面应具有一定深度 的冷硬层，辊身应具有良好的加工性能。在实际使用中，轧辊的轧槽是由最小的成 品孔型向轧制入口方向的中问孔型过渡的，即成品孔型磨损到一定程度后由专用轧 辊车床再加工到成品前的孔型，经多次加工后，轧辊的轧根不断加深，由最初的小 孔型逐渐变为大孔型。但是，按照工艺要求，轧辊的表面硬度要始终一致，因此， 轧辊表面必须具有一定深度的冷硬层方能满足加工要求。 图卜2 张力减行机三辊式机架结构 据文献 1 2 ，目前各无缝钢管厂家较多采用合金冷硬铸铁离心复合辊环。外层要 求有良好的耐磨性和耐热性，而且要求具有一定的硬度和强度；内层要求有较高的 强度和韧性。 物理性能：( 1 ) 冷硬层深度 5 0 r a m 辊环材质： ( 2 ) 内层灰口厚度 1 5 m ( 3 ) 辊环表面硬度 7 0 h s内层( 灰口层) 硬度 5 0 h s 。 华中科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 外层：合金冷硬铸铁。 ( 2 ) 内层：高强度灰口铸铁， 热处理：辊环必须经过消除应力退火 化学成分：外层合金元素含量 c ：3 2 3 4 s i ：0 2 0 _ - o 6 0 ，m n ： 0 2 5 - o 5 0 ，p o 2 0 ，s o 1 0 ，n i ：2 5 - - 3 0 ，c r ：0 6 0 一1 2 0 ，m o ：0 2 _ 0 6 生产工艺特点：离心浇铸工艺 1 3 4 硬质合金张力减径轧辊 硬质合金硬度高、耐磨性好，强韧性优良，在热轧线材、捧材三辊轧机上，硬 质合金轧辊替代传统的球墨铸铁轧辊已成功应用多年。但在钢管张力减径机上应用 尚少，主要原因是张力减径机上的轧辊尺寸大，重量大，形状复杂，采用粉末冶金 工艺生产整体硬质合金轧辊不仅难度大，而且造价高。国外发达国家，如瑞典、卢 森堡，为了满足张力减径机轧辊的需求，采用硬质合金辊套作轧辊工作层，与钢芯 复合，制成了硬质合金组合轧辊。 据报道，当钢管直径 5 0 r a m 时，组合辊的轧槽寿命为冷硬铸铁辊的1 0 - 2 0 倍。而且组合辊轧 制的管材表面质量好，尺寸精度高“”。 我国钢铁企业中，钢管张力减径机上大都采用铸铁辊。为了提高产得率，获得 高质量、高精度管材，不得不进口昂贵的硬质合会组合轧辊。因此，立足国内，实 现组合轧辊国产化势在必行。 从提高产量增加效益方面看，一是由于轧辊的改变，轧机使用的孔型很少，即 延长了轧辊的使用寿命。二是由于孔型磨损量很小，轧制次品量减少。三是硬质合 金轧辊再加工时，车削量仅是铸铁轧辊的1 3 1 2 ，表明硬质合金轧辊的使用寿命明 显提高。四是硬质合金轧辊在中间机架使用时，轧材的尺寸公差很小，从而可减少 精轧机架硬质合金轧辊的磨损和损坏。 华中科技大学硕士学位论文 1 4 本文所做的主要工作及意义 我国钢铁企业中，钢管张力减径机上大都采用铸铁辊。为了提高产得率，获得 高质量、高精度管材，不得不进口昂贵的硬质合金组合轧辊，主要原因是张力减径 机上的轧辊尺寸大，重量大，形状复杂，采用粉末冶金工艺生产整体硬质合金轧辊 不仅难度大，而且造价高，国外发达国家，如瑞典、德国、卢森堡，为了满足张力 减径机轧辊的需求，采用硬质合会辊套作轧辊工作层，与钢芯冶金复合，制成了硬 质合金组合轧辊。因此，立足国内，实现组合轧辊国产化势在必行。 株硬集团公司与衡阳钢管拟共同进行研究和试验，并对相关的工艺装备进行必 要改造和完善。主要研究解决以下问题： ( 1 ) 硬质合金辊环材质研究； ( 2 ) 大直径硬质合金辊环的制造； ( 3 ) 硬质合金张力减径辊设计方案 ( 4 ) 硬质合金辊环与钢套的连接安装方式； ( 5 ) 符合工艺要求的成品孔型加工，解决高粘结相硬质合金精车加工难题 ( 6 ) 满足特殊要求的轧槽水冷工艺。 1 5 本章小结 本章为综述部分，介绍了国内外关于张力减径机轧辊研究的概况，其中包涵我 国无缝钢管生产的现状、无缝钢管生产工艺和辅助设备，国内外钢