UF轧辊粘氧化铁皮机理与材质优化.doc

UF轧辊粘氧化铁皮机理与材质优化攀钢轨梁厂 陶功明 王洪 陈崇木（攀钢新钢钒轨梁厂 四川攀枝花 617062）摘要:万能成品轧机轧制腿内侧为双斜度的重轨时，在两直线交接处出现氧化铁皮粘结现象，严重影响产品质量和产量。按传统思路从工艺进行了多次优化仍无法消除或减轻。后采取MARC软件对UF孔型中的金属流动规律进行仿真分析，找到了工艺优化无法解决粘结的原因。借鉴润滑轧制的原理，从轧辊材质的优化试验中使氧化铁皮的粘结得到了大幅度减轻。一套新材质轧辊比原轧辊在相同使用周期内提高产量达176.5吨。关键词:双斜度重轨 UF粘氧化铁皮 仿真分析 轧辊材质 工艺优化Mechanism of sticking of scale onto UF roll and optimization of roll materialTao gongming Wang hong(Rail & Bean Plant of New Steel & Vanadium Co.,Ltd. Panzhihua 617062,Sichuan)Abstract: during rolling the heavy rails with dual slope at inner foot through the finishing mill(UF),sticking of scale at interconnection point of two straight line occurs, which severely restricts the productivity of the line and the quality of product. After many times of process optimization following the conventional principle, this problem still can not be removed or even reduced. But the application of MARC software for simumation analysis of metal flowing rules through the UF helps find out the reason why sitcking can not be solved by process optimization, by means of principle of lubrication rolling , continuous trial of optimization of roll materail considerably removes the sticking of scale onto UF. A set of new roll can increase the rolling productivity by 176.5tons within the same service cycle.key words:dual slope heavy rail, sticking of scale onto UF, simulation analysis, roll materail, process optimization 51 引言国内钢轨厂经改造后均采用万能轧机对钢轨进行生产，其中包钢、鞍钢、武钢采用同一工艺布置，即BD1-BD2-RER，而攀钢采用的是BD1-BD2-U1E1-U2E2-UF的工艺布置。不管哪种工艺布置均存在轧制腿内侧两直线交接处粘氧化铁皮的现象。对UF腿部孔型进行了增减侧压量、修改来料圆弧尺寸等措施均没有解决粘铁皮现象。在轧辊材质上进行了高碳半钢轧辊、高铬铸铁轧辊等材质的试验，最终采用石墨半钢轧辊大大降低了轧辊铁皮粘结程度和每班修磨次数，提高了产品表面质量和班产量。2 UF铁皮粘结现象UF氧化铁皮的粘结主要出现在腿内侧为双斜度的钢轨上，即钢轨断面上下腿内侧由两段直线L1和L2组成，直线间由圆弧R过渡。如图1所示：图1 腿内侧双斜度钢轨示意 腿内侧为双斜度的钢轨品种占国内生产量的85%以上，如GB60、UIC60、GB43等钢轨。而道岔轨如60D40、60AT等腿内侧也是双斜度。因此重轨生产中解决双斜度腿内侧粘氧化铁皮问题是万能法轧制钢轨的一个关键点。 重轨生产中，国内四家钢轨厂均采用SMS推荐的高碳半钢轧辊辊环进行钢轨生产。轧制腿内侧为双斜度的重轨时，UF如果是新车削的孔型，则轧制第一支钢后便会出现粘铁皮的现象，铁皮出现在腿内侧两直线相交处（即R处），严重时交接处整个圆周都会出现。同时U71Mn、900A等抗拉较低的钢质比抗拉强度较高的U75V和PG4钢轨粘结更严重。UF孔型粘氧化铁皮现象见下图2。 图2 UF腿内侧直线交接处粘结物氧化铁皮除第一支钢必然会粘结外，其它时间每轧30-50支钢孔型内侧便出现一次影响交货标准的粘结现象。出现超标的氧化铁皮时，如果不进行处理在钢轨腿内侧直线交接处会形成轧疤缺陷。如图3所示。图3 UF腿内侧粘结物形成轧疤缺陷 因此生产腿内侧双斜度钢轨时通过加强检查频次，发现孔型内侧出现超标氧化铁皮粘结便进行修磨，每8小时停轧修磨一般为4-6次，影响生产时间30-60分钟。修磨集中在产生氧化铁皮的直线交接处，每修磨一次必然导致两直线交接处过渡圆弧R增大。一般每换一次UF轧辊轧制两个班，共修磨孔型8-12次。经过修磨后的两直线交接处，在下线时孔型R值远大于设计的R圆弧，甚至成为一条直线。下线后的UF轧辊孔型腿内侧直线交接处R变化见图3。图4修磨后UF孔型腿内侧直线交接处R变化从上图看出，下线后的孔型腿内侧交接处过渡圆弧R已远大于标准要求的R（一般半径为30-50毫米），甚至变为了一段直线段。对应地，在成品钢轨上也就出现了过渡圆弧远大于标准R的现象，该处厚度比设计厚度大1-2毫米。不但增加钢轨每米单重，严重时还影响鱼尾板的安装。3 孔型改进及效果3.1减少UF腿内侧直线交接处侧压量UF孔型腿内侧直线交接处一直粘氧化铁皮，从工艺上分析认为是该处侧压量偏大造成。原因是侧压量越大，来料在UF孔型中的金属流动越剧烈。金属冲刷交接处的力越大，来料腿内侧金属在向腿尖或腰部流动的过程中次生氧化铁皮被蹭在交接处。按此分析将UF来料腿内侧交接处金属减薄即可。另外，对UF交接处的修磨实际上也是减少了腿内侧的侧压量。为此将U2孔型腿内侧交接处的厚度由原来的16.65毫米减为15.15毫米，即减少了9%的侧压量。U2孔型图见图5 图5 某双斜度重轨品种U2孔型图孔型车削后在两套高碳半钢轧辊上各进行了一次试验，但效果不理想。第一套轧辊第一支钢轧后便出现粘氧化铁皮的现象，而且比改前更严重。两个8小时孔型直线交接处修磨各为5次和6次。第二套轧辊第一支钢轧后出现粘氧化铁皮的现象，但未超标。第三支钢时方进行修磨。两个8小时孔型直线交接处修磨各为6次和6次。另外，根据UF孔型修磨导致R增大的道理，对UF轧辊孔型进行了修改，即轧辊上机前直接将上下腿R由标准要求的R40改为R50，以期减少修磨次数。见孔图修改图6。图6 腿内侧直线交接处R40改R50孔型 按此工艺进行了一套高碳半钢轧辊的车削并上机使用。第5支钢氧化铁皮粘结进行修磨，说明该修改方案对第一支便粘氧化现象有改善。但两个8小时UF孔型的修磨次数却没有明显变化，分别为5次、5次。从上述工艺改进效果看，显然没有达到预期目标。甚至加剧了氧化铁皮的粘结现象。3.2 增大UF腿内侧直线交接处侧压量减少UF孔型腿内侧直线交接处侧压量方案没有减轻铁皮的粘现象。另一种相反观点认为：侧压量过小会使流动到交接处的氧化铁皮切入刚建立好的孔型表面氧化膜上而不会被大量的金属冲刷带走，从而粘结在轧辊孔型上。比如U1和U2的腿内侧侧压量就远大于UF对应部位的侧压量，基本不出现轧辊孔型粘氧化铁皮的现象。于是将腿内侧直线交接处的厚度由16.65毫米增加到17.65毫米，同时腿尖厚度也由13.27毫米增加到14.27毫米。U2孔型图参见图5。按此方案进行了一套轧辊的修改试验。该方案实施后，开轧第20支钢方开始修磨超标的氧化铁皮。同时两个8小时的修磨次数分别为4次、5次。说明此方案有一定的合理性，但仍无法根除或大幅度降低修磨次数的目的。另外，该修改趋势即使正确，作为规整机的UF也不能如U1、U2轧机一样大幅度增加孔型侧压量。通过上述工艺修改试验证明，单纯地孔型优化无法根除UF孔型粘氧化铁皮的现象。采用二辊孔型法和大变形量的全万能法生产重轨的工艺优化方法不适用于UF半万能法轧制重轨工艺优化。半万能轧制时腿内侧金属流动规律需研究。分析交接处是否有金属流过，即直线交接处是否是轨腰拉缩轨底金属和轨底展宽金属流动的分界点。若不是则金属将冲刷交接处易形成氧化铁皮粘结，单纯从孔型优化上将无法解决此问题。4 UF孔型中金属流动规律分析利用MARC仿真软件对UF的钢轨轧制进行分析，然后对腿内侧金属流动规律进行研究。 4.1材料特性的获得与选择在高温拉伸试验机上测定轧件材料在900温度下的弹性模量、变形抗力等特性参数。UF轧制温度为900左右时，实测的U75V材料在该温度下的弹性模量轧件材料E=160000MPa、泊松比取，变形抗力=80MPa。4.2仿真结果及变形分析采用有限元模型，对60重轨UF轧制过程进行有限元仿真，其中摩擦系数取0.30，上、下辊转速为，模拟轧制时间为0.60s，整个轧制过程分325步进行计算。仿真结果见下图7图7 UF轧制后仿真分析断面及网络节点图通过仿真结果分析，取得了轧件截面节点的time-displacement图。并对腿内侧网络节点进行编号。其中47#节点为两直线交接点。由于氧化铁皮在交接处粘结，因此只对节点Y方向的位移进行分析。如图8。图8 所选界面节点Y方向节点位移值从重轨腿内侧面的节点位移看，52#节点之前的所有位移值均小于0。说明52#节点之前的所有节点的金属均被腰拉缩而向下流动。由于47#节点为两直线的交接点，因此腿内侧上直线段部分金属也被腰部拉缩而向下流动。53#节点到64#节点为腿尖部分，该部分节点位移值均为正值，说明腿尖金属是向上流动的即产生轨底展宽。显然，腿内侧两直线交接点不是金属向上和向下流动的分界点。腿内侧金属必然从上直线段越过交接点流向腰部。在侧压量不大的UF轧机孔型中，必须会在直线交接处留下氧化铁皮。除非修改重轨断面，在UF轧机是无法通过工艺优化来消除氧化铁皮粘结的。在没有润滑轧制和机械除鳞的情况下，改变轧辊材质是唯一选择。5 轧辊材质优化及效果在轧辊材质的选择中，先后试验了高铬铸铁轧辊和石墨半钢轧辊以替代现用的高碳半钢轧辊。5.1高铬铸铁轧辊选用高铬铸铁轧辊的目的是提高轧辊的硬度（表面硬度达到HRC65），以增大轧辊与轧件的硬度差。根据轧钢理论和实践证明，硬度差距越大，金属与轧辊粘合性越小，粘结氧化铁皮的可能性也就越小。高Cr离心复合铸铁辊环辊身工作层基体组织由屈氏体少量马氏体+残余奥氏体的基体组织、组织中均匀分布有呈板块状、岛状或菊花状的（CrFe）7C3型共晶碳化物，这类碳化物具有很高的显微硬度，使高Cr铁辊环具有优异的耐磨损性能。高铬铸铁轧辊的化学成份见表1。表1 高铬铸铁轧辊化学成份CSiMnPSNiCrMoW2. 840. 50. 980.020.020.8617. 01.310.15由于高铬铸铁轧辊的硬度高，因此新车轧辊使用寿命延长。UF轧辊的换辊时间由原来正常轧制的16小时变为了20-24小时，说明轧辊孔型的耐磨性提高。但轧辊孔型的修磨次数没有好转。轧第一支钢时便出现粘结现象，平均每8小时修磨5.27次。显然轧辊的表面硬度与高强度的U75V高温（900左右）轧件硬度差还不足以达到消除氧化铁皮粘结的现象。5.2石墨半钢轧辊 合金石墨半钢辊和合金半钢辊环一样是介于常规铸铁和铸钢之间的一种轧辊材质，其含碳量通常波动在1.72.2%之间。兼有铸钢轧辊的高强度和韧性以及铸铁轧辊的良好耐磨损性能。合金石墨钢辊环和合金半钢辊环不同的是其基体组织为：索氏体+碳化物+球状（点状）石墨。索氏体+碳化物构成石墨钢辊环的耐磨相，其工作层基体组织中含有一定数量的球状（点状）石墨本身就是一种良好的固体润滑剂，以此来提高合金石墨钢辊环的抗热裂性能及热稳定性能，并且能有效提高辊环的抗粘性能，因此，选用石墨半钢辊环作为解决UF机架粘钢难题是目前来说比较好的一种思路。 根据目前国际上采用的最新的轧制技术热润滑轧制新技术资料介绍，应用热润滑轧制技术可减小轧制压力、降低轧辊与轧件之间的摩擦系数、改善轧辊的冷却条件、提高轧辊的抗粘铁皮性能，从而提高轧辊的使用寿命。同时采用热润滑轧制技术还能解决轧辊使用中难以克服的问题，如日本用此项技术减少了热带轧机工作辊和万能轧机水平辊的粘铁皮现象。 采用石墨钢辊解决UF机架粘钢现象的机理，是基于热润滑轧制技术的启发，利用石墨半钢辊工作层基体组织中的石墨组织，使轧辊本体就具有润滑轧制的功能，这对解决UF机架粘结现象理论上应具有一定的帮助，但是否能彻底解决UF机架粘结现象需上机试用。在设计轧辊成份时同时考虑了孔型的耐磨性、抗热裂性、轧辊的抗冲击性能和硬度均匀性。因此轧辊成份设计和生产难度大，先后共试生产两次方生产出性能合格的轧辊，成份设计及生产工艺均为专利。 根据上述分析，先试验了1套石墨半钢轧辊，效果十分明显，后又试验了2套。效果同样好于高铬铸铁轧辊和高碳半钢轧辊。不同材质轧辊的使用效果对比如下表2。 表2 不同材质轧辊的使用效果对比表轧辊材质次平均车削量,mm总轧制量(吨)钢轨材质8h修磨次数(次)每次修磨时间(分钟)高碳半钢13.7301