轧辊循环利用技术发展

陈新倬　门正兴　赵　欣　赵　刚(中国二重集团公司，四川618013)



轧辊循环利用技术发展

陈新倬门正兴赵欣赵刚
(中国二重集团公司，四川618013)

摘要:轧辊工作层修复技术延长了轧辊使用寿命并实现了轧辊循环利用，大大降低了轧钢成本，同时推动了轧辊制造技术的进步。本文对轧辊循环利用技术提出了基本要求，并对目前常用的大型轧辊工作层修复方法如堆焊、镶套、激光涂覆等进行了介绍和对比分析，同时也为传统轧辊生产行业的转型升级提出了建议。

关键词:轧辊;工作层;修复;循环使用

轧辊是钢铁企业轧钢过程的重要消耗品，同时也是大型铸锻件生产企业的主要产品之一，对两个行业都具有举足轻重的位置。轧辊的主要失效形式［1］包括辊面裂纹、轧辊断裂、剥落、辊面磨损等，其中轧辊表面工作层磨损是轧制过程中轧辊正常的消耗，也是导致轧辊报废的最普遍原因。在正常的轧制过程中，轧辊工作层磨损量达到一定程度以后，轧辊需通过磨辊工序去掉表面硬化层后继续使用。当数次磨辊修复后，轧辊尺寸过小或工作层消耗完则轧辊整体报废。轧辊工作层一般指轧辊辊身淬硬层厚度，单边一般在100 mm以下，占轧辊总体质量的20%不到。由此可见，由于工作层的消耗而造成的轧辊报废存在着极大的材料浪费［2］。

在当前世界经济复苏缓慢，钢铁行业趋于饱和的大环境下，轧钢企业为了降低生产成本而希望尽量延长轧辊的使用寿命。最大限度地延长轧辊使用寿命的方法无疑是将轧辊由消耗品变为可循环使用的耐用品，仅将轧辊工作层作为消耗品。轧辊循环使用方法得到了轧钢企业的普遍欢迎。目前，采用堆焊技术对小型轧辊工作层进行修复使其可以循环利用的技术在国内已经比较成熟，而大型轧辊循环使用的技术只有少数几家企业掌握。轧辊循环使用技术大大降低了轧制企业的生产成本，同时也会节约用于轧辊制造的材料消耗、能源消耗并减少环境污染，有着重要的社会效益和经济价值。但是，对于传统的轧辊生产企业，轧辊的循环使用无疑威胁到企业的生存。因此传统的轧辊生产企业必须在产品结构和运营模式上进行调整才能在激烈的市场竞争中不断发展壮大。

1　轧辊循环使用要求

为了满足钢铁行业快速发展的需求，轧辊在材质以及性能方面都发生了很大的变化。为了提高轧辊工作层厚度、耐磨性等性能指标，轧辊化学成分越来越复杂，单件成本增大，工艺趋于复杂。为了满足轧制产品的多样化，轧辊面对更加复杂的受力情况，要求更高的内部质量。为了满足轧机大型化要求，需要更大更长的轧辊，这对轧辊生产企业的生产能力提出了更高的要求。为了提高轧辊单次使用时间，各种表面强化技术不断涌现，在不改变轧辊基体的情况下，减小辊面磨损。

不同用途的轧辊对材料和性能的要求有很大的区别。但是，如果想实现轧辊的循环使用则必须满足以下基本条件:

( 1)一次修复后的轧辊使用寿命大于等于原始轧辊使用寿命。如果修复后轧辊工作层性能与原始轧辊一致，则其单边增加工作层厚度应在80 mm～100 mm，如果修复后轧辊工作层质量远高于原始轧辊，则工作层厚度可适当减小。

( 2)在轧辊的修复过程中，轧辊基体基本保持不变，可以反复使用，且修复后轧辊基体应力状态良好。

( 3)新增加的工作层与轧辊基体结合良好，能承受复杂的应力状态，不发生相对滑动、工作层剥落、开裂等缺陷。

( 4)新增加工作层具有较高的抗剥落性能、良好的耐磨损性能和抗疲劳性能，工作层内无缺陷，硬度及组织均匀。

2　轧辊循环使用的主要方法

2．1堆焊技术［3、4、5］

堆焊技术是用电焊或气焊方法把熔化金属堆在工具或机器零件上的一种焊接方法。作为一种传统的修补工艺，堆焊技术一直用于轧辊及大型铸锻件的修复领域，是轧辊循环利用行业最常用也是最成熟的技术。堆焊技术种类繁多，针对大型轧辊工作层修复时间长、自动化程度要求高、表面质量稳定的要求，自动埋弧(明弧)堆焊及其衍生焊接方法较为常用。

大型轧辊工作层堆焊修复流程主要有: ( 1)焊前准备阶段。主要包括轧辊表面车削加工、去除轧辊表面残余硬化层、轧辊表面及内部无损检测、轧辊辊身焊前预热; ( 2)进行保温螺旋线堆焊。首先进行稀释层堆焊，然后进行支承层堆焊，再进行中间去应力热处理，最后进行工作层堆焊; ( 3)焊后处理阶段。焊后最终热处理消除应力，辊身车削加工，成品无损检测。

大型轧辊的工作层堆焊修复往往需要几百小时连续工作，因此必须采用专用的轧辊自动堆焊设备。该设备主要由机械系统、焊接系统、控制系统和辅助系统四部分组成。堆焊工作层修复方法目前主要遇到的问题: ( 1)堆焊修复过程需要进行焊前焊后以及中间热处理来消除焊接残余应力，因此需要大型加热炉配合使用; ( 2)焊接过程保温处理; ( 3)堆焊层晶粒较粗大，易产生裂纹、剥落等质量问题。堆焊技术目前研究较为活跃，针对大型轧辊修复的主要研究方向有焊材、焊接自动化、多道焊质量控制等方面。

与堆焊技术类似的技术还有热喷涂和热喷焊。从机理上讲，三者都是利用热源将具有特殊性质的涂层材料熔化后涂敷在工件表面形成涂层的技术。不同之处在于，堆焊是在零件表面熔敷一层合金材料，属于冶金结合。热喷涂是将熔化涂层材料高速撞击零件表面冷却凝固后形成涂层，属于机械结合。而热喷焊是涂层材料在零件表面重新熔化或部分熔化，属于冶金部分机械结合。由于大型轧辊在轧制过程中承受巨大的载荷，工作环境恶劣，对工作层与基体的结合要求高，所以堆焊方式较为常用。

2．2镶套技术［6、7、8］

高合金化单一材质轧辊虽然保证了轧辊工作层耐磨性、红硬性等指标，但轧辊内部韧性难以保证，高昂的材料费用以及复杂的工艺流程等问题也随之而来。将工作层与轧辊基体由两种或两种以上材料组成的复合轧辊随之产生。而采用过盈配合将高强度工作层外套与高韧性轧辊本体组合在一起的镶套技术就是其中一种重要的方法。通过镶套技术成形的轧辊，其占总量80%以上的轧辊基体在轧制过程中基本不发生变化，可以循环，而占整个轧辊重量在20%以下的轧辊辊套在轧制过程中不断消耗，达到报废标准后更换新的轧辊辊套。

轧辊镶套技术主要流程: ( 1)轧辊基体成形。一般以韧性好和淬透性较好的材料铸造成型为主。轧辊基体成形后经过粗加工及热处理工序达到设计要求; ( 2)轧辊辊套成形。采用大型筒体成形工艺方案将钢锭成形成筒体。经过锻后热处理、粗加工、性能热处理工序使辊套达到性能要求，实现内外侧不同硬度，为装配做好准备; ( 3)精加工和热装。对辊套和轧辊基体进行表面硬度均匀性检测以及无损检验后进行精加工，保证结合面完全贴合。最后对辊套和轧辊基体进行热装，一般热过盈量的范围0．000 5 mm～0．002 mm。

镶套轧辊在使用过程存在的主要问题有: ( 1)轧制过程中，由于辊套和轧辊基体的材料、温度不同导致热膨胀量不同。最终基体与工作层真实过盈量会随着轧制过程逐渐减小，最终导致工作层与基体滑移失效; ( 2)过盈配合结合面硬度分布不理想导致工作层与基体难以全部接触，在工作层厚度下降的情况下可能出现局部软点、表面不平整等问题; ( 3)在过盈配合的拉应力、辊套厚度减小以及轧辊表面交变应力的共同作用下，轧辊表面性能下降快，可能出现辊套开裂问题。目前，镶套轧辊在高温、高速冲击等恶劣工作情况下的安全性无法得到保障，主要用在高线精轧机组、小部分棒材成品机架和H型钢机组上。主要的研究方向是不同的机械结构或工艺方法提高轧辊基体与工作层结合的可靠性。

2．3熔覆技术［9、10］

激光熔覆是近年来新兴的一种表面强化技术，因其应用前景较为广阔，受到国内外科技工作者的关注。激光熔覆技术是利用高能激光束加热轧辊表面，同时通过将输送到基材表面上的熔覆层材料与基体表面熔化后靠基体自冷快速凝固，从而获得与基体冶金结合的致密覆层。激光熔覆主要流程: ( 1)轧辊表面预处理，主要包括去油、去锈、去疲劳层以及打磨; ( 2)激光熔覆过程; ( 3)表面加工及无损检测。

激光熔覆最大特点是热量集中、加热快冷却快、热影响区小，无需对轧辊进行预热以及热处理。其次激光熔覆得到的工作层与基体结合可靠、性能优异。激光熔覆技术解决了传统焊接修复方法无法解决的材料选用局限性、工艺过程热变应力、热变形、材质晶粒粗大、与基体结合强度难以保证的矛盾，从而实现零部件的优质，快速修复。但是，相对于堆焊工艺，激光熔覆设备价格昂贵，维护成本及操作要求高。

总体而言，在短期内，大型轧辊的修复及循环使用还是应该采用堆焊技术，而且堆焊技术本身也在快速的发展。从长期来看，激光熔覆技术在修复质量、能耗以及环境方面的优势比较明显，是未来轧辊循环使用技术的重要方法。

3　轧辊循环使用技术对传统的轧辊生产企业的影响

轧辊循环使用技术使轧辊由消耗品转换成耐用品，导致轧辊用量减少，轧钢成本下降。这符合大型轧钢企业和轧辊修复企业的利益，也符合目前节能减排的发展趋势。但是，对轧辊生产企业来讲，轧辊循环使用技术将导致轧辊产品需求的下降，这也是轧辊生产企业从生产型企业向服务型企业转变的一个契机。掌握轧辊循环利用技术对传统的轧辊生产企业有着重要意义。一方面企业可以在轧辊的整个使用周期中获得利润，另一方面可以对生产产品中的缺陷进行修复从而提高产品的合格率，其次，掌握轧辊循环使用技术也可以开发新型复合轧辊产品，加快企业产品升级。传统的轧辊生产企业掌握循环利用技术具有先天的优势，主要有: ( 1)传统的轧辊生产企业拥有大量大型轧辊循环利用所需的大型设备，如大型加热炉、大型加工设备等，设备投入相对较小; ( 2)传统的轧辊生产企业拥有轧辊热处理、焊接、无损检测及冷加工的专业人员，只需要整合现有机构和人员就可快速形成生产力; ( 3)传统的轧辊生产企业拥有大型轧辊的制造能力和经济实力，与轧辊使用单位有着长期的合作，容易得到轧辊使用单位的信任，从而快速占领轧辊循环利用及修复市场。在企业运行模式方面，传统的轧辊生产企业可为钢铁企业提供专业的轧辊生产和修复服务，采用以租代购或签订长期服务合同等方式得到长期的利润增长，由单纯的制造型企业转变为集制造与服务为一体的轧辊全产业链服务提供商。

4　结论

钢铁领域的疲软以及轧辊制造领域的饱和使得传统轧辊生产企业利润下滑，生存受到威胁。另一方面，国内大量高端轧辊类产品依赖进口，说明国内外轧辊制造水平还有很大差距。传统轧辊生产企业只有不断的拓展轧辊类产品的产业链，并开发性价比更高的轧辊产品，为使用企业提供更全面的服务才能使企业不断做大做强。轧辊循环利用技术对大型轧辊生产企业并不复杂，不但可以通过维修服务增加企业效益，还可以开发复合轧辊，是企业长远发展的重要核心技术，希望得到各大型轧辊生产企业的重视。

参考文献

［1］陈馄．控制Cr5钢冷轧辊坯质量的锻造变形工艺研究［D］．上海大学，2011．

［2］行舒乐．大型支撑辊工作应力及堆焊层组织与性能研究［D］．华中科技大学，2013．

［3］李飞雪，孙洪涛．500mm热轧带钢支承辊堆焊修复技术的研究与应用［J］．冶金设备，2007:89－94．

［4］刘景凤，张迪，白波，王清宝．冶金辊类堆焊复合制造技术及其展望［J］．中国表面工程，2008( 12) :10－17．

［5］张潆月，包晔峰，蒋永锋，杨可．轧辊堆焊的现状和发展趋势［J］．电焊机，2010:17－20．

［6］向勇．棒材热轧过程三维热力祸合模拟及高硼高速钢辊套复合轧辊研究［D］．中南大学，2008．

［7］朱忠英．热轧镶套支承辊应力场分析及疲劳寿命研究［D］．燕山大学，2011．

［8］乔书君，刘东海．复合镶套轧辊制造［J］．大型铸锻件，2006 ( 2) :22－23．

［9］王正一．激光熔覆制备高速钢涂层的工艺优化与组织性能研究［D］．东北大学，2011．

［10］孙桂芳．冶金热轧辊材料的激光表面合金化与直接沉积成型［D］，东北大学，2009．

编辑李韦萤

Development of Roll Recycling Technology

Chen Xinzuo，Men Zhengxing，Zhao Xin，Zhao Gang

Abstract:The repairing technology for working layer of roller is used to increase the service life of roller and realize roll recycling and decrease the cost of rolling and improve the roller manufacturing technology．The basic requirement of roller recycling is proposed，and the current common repairing methods for working layer of large roller，such as build up welding，bushing，laser cladding are introduced and analyzed by comparison．The suggestions are put forward for the transformation and upgrading of traditional roller manufacturing industry．

Key words:roller; working layer; repairing; recycling

收稿日期:2014—07—24

文献标志码:B

中图分类号:TG316