冷弯成型生产中的轧辊消耗控制

李 烨

（武汉钢铁江北集团冷弯型钢有限公司，武汉 430015）

轧辊是轧钢生产中最主要的工艺件，轧辊与轧件直接接触使轧件发生塑性变形，从而完成轧制过程。轧机的其他部件，都是为了安装、支撑、调整和更换轧辊以及引导、控制轧件正确进出轧辊而设置的。轧辊经常在高温、高压、激冷激热和冲击等恶劣条件下工作，对轧辊的强度、表面硬度、耐磨性、耐热裂性等质量性能是一个严峻的考验。对冷弯型钢及高频焊管的生产来说，轧辊质量的好坏直接影响着产品的质量和产量。要想提高型钢产品的质量、降低生产成本，有必要对轧辊的质量和使用进行控制。对于型钢生产来说，轧辊质量包括轧辊的加工质量和轧辊的设计质量，轧辊的加工质量由专业的轧辊加工厂来控制，一般按GB/T 31936 进行验收；轧辊的设计质量最好由型钢生产厂家来控制。笔者根据多年来的冷弯型钢及高频焊管的生产管理经验，为了减少轧辊的投入、降低轧辊的消耗，对轧辊材质选用、轧辊设计及使用等方面进行了探讨。

1 轧辊的合理选材

轧辊的材质选取是冷弯型钢及高频焊管机组轧辊设计最基本的部分之一。不同的材质，具有不同的性能，适用于不同的轧制环境。选用不当，会严重影响产品的质量和产量。

1.1 常用轧辊材质

作为冷弯型钢及高频焊管所用的轧辊，其材质要求有：①较高的硬度和耐磨性，足够的强度和韧性，良好的切削性能和热处理性能；②材料的价格经济，取材容易；③个别轧辊还要求有良好的耐热性。因此，一般情况下国内冷弯型钢轧辊所用的材质主要有GCr15、9Cr2Mo、Cr12MoV、3Cr2W8V、4Cr5MoSiV1、ZCr20 和 ZCr25；国外所用材质主要有德国的X155CrVMo121 和X38CrMoV51、美国的 D2 和 H13、日本的 SKD11和SKD61 等，各材质的化学成分见表1[1]。

由于化学成分、热处理方式不同，它们表现出的性能也不尽相同。GCr15 钢属滚动轴承钢，价格相对较低，易选购，好锻造，淬透性好，热处理后强度高，硬度大，耐磨性好，但其抗热裂性和抗剥落性差；9Cr2Mo 与GCr15 性能相似；Cr12MoV 钢是一种高碳高铬钢，具有很高的硬度和疲劳强度，良好的耐磨性、韧性及热处理性能，因其含有Mo 和V，不但能提高钢材的回火稳定性和淬透性，还能细化晶粒，改善钢材韧性，因此具有较高的硬度和抗疲劳强度，与日本的SKD-11、美国的D2比较接近；3Cr2W8V、4Cr5MoSiV1 钢是一种含钨较高的模具钢，具有较高的红硬性，与美国的H13 相似，但材料的硬度和耐磨性不及 GCr15；高铬合金轧辊 ZCr20、ZCr25 采用特殊的铸造、热处理工艺生产出来的高铬合金新材料轧辊，不仅具有较高的硬度和较好的冲击韧性，而且具有良好的耐磨性能，越来越受到国内外冷弯型钢用户的青睐[2-4]。

表1 主要冷弯型钢轧辊化学成分

1.2 轧辊材质的选取

根据轧辊工作环境，结合轧辊性能可合理选择轧辊的材质，材质选取不当，易出现失效，加大了轧辊的消耗，并影响产品的质量和生产效率。普通成型轧辊和定径轧辊，其受力较大、磨损快、受一定的冲出力，要求强度高、耐磨性好、有一定的韧性。所以国内一般选用GCr15、9Cr2Mo 、Cr12MoV、ZCr20 等制作成型辊和定径辊，国外则选用与此相当的材质，如美国的D2、德国的X155CrVMo121、日本的 SKD11。挤压轧辊除了受冲击、磨损外还要承受激冷激热的影响，工作环境恶劣。目前挤压辊的材质我国主要选用3Cr2W8V 及ZCr25 等耐激冷激热的材料；国外主要选用美国的 H13、德国的 X38CrMoV51 、日本的SKD61 等模具钢，其材质纯净度极高，采用先进的锻造工艺，独特控制的热处理工艺制作。高铬钢ZCr20、ZCr25 为一种高铬铸造合金钢，强度高、硬度大，通过特殊的热处理工艺后，可别适应成型辊和挤压辊的要求。当然，将受力不大、磨损较小的部分成型轧辊使用价格较低的材质（如45 钢等），能降低轧辊的投入。

2 轧辊孔型和结构的科学设计

2.1 合理减少轧辊的总量

轧辊的价格相对较高，科学设计轧辊孔型，合理减少轧辊的使用量，可有效地降低生产成本。轧辊设计时，在满足产品工艺、轧辊重车量及生产调整等情况下，尽量减小轧辊的直径，以减少轧辊的总量。考虑到冷弯产品在生产的过程中，由于每一机架成型作用不同，孔型的每一个部位受力不同，对轧辊的要求是不一样的。实践证明，在保证轧件有足够拖动力的同时，可根据各架次轧件成型所需的成型力情况，用轧辊定位隔套代替部分轧辊。如图1所示，在生产大型槽钢时 A、B、C、D 四个部分可用隔套代替这里的轧辊。采用这种设计方法，对于一些较大的孔型，可减少约20%的轧辊投入，降低生产成本。

图1 大型槽钢成型轧辊配置示意图

另外，对于仅生产某一系列的产品，可使用专用轧机增加轧辊的通用性，有效减少轧辊的总量。如对于专业生产圆管的轧机可采用柔性成型技术的可变径轧辊[5]。大型圆管的可变弯曲半径轧辊如图2所示，与传统的圆管成型相比，减少了30%以上的轧辊投入。

图2 大型圆管的可变弯曲半径轧辊示意图

2.2 充分考虑轧辊的磨损

2.2.1 减少轧辊使用面线速度差，降低轧辊磨损

冷弯型钢产品的孔型，基本上都有一定的深度。生产过程中，轧辊随着辊轴旋转，孔型侧壁不同深度点的线速度不同。孔型越深，其上下点的线速度差就越大，轧辊的孔型表面与轧件接触的表面的相对运动就越大。随着成型力的增大，轧件表面发生塑性变形，从而使两金属面直接接触处发生粘着现象[2]。因为粘着处会被剪切力拉断，粘着处的不断形成和不断破坏使轧辊产生了粘着磨损。在一般情况下，由于轧辊的硬度和强度较大，在轧件一边分离面的轧件表面就出现撕裂现象，影响产品质量，而轧辊面上产生擦伤。为了减少这种现象的发生，就必须尽量减少轧辊与轧件表面的线速度差，在实践中主要有以下两种方法：

一是采用 “同步轧辊”。所谓 “同步轧辊”是使同一支轴上大小不同的轧辊转动时相对地同步，较大的轧辊通过带有的轴承被动旋转自动调节转速，尽量减少孔型侧壁与轧件的线速度差，从而减轻轧辊的粘着磨损，降低轧辊的消耗。如图3，轧辊 A、B 的斜面 ef 和 mn 均承受着较大的弯曲成型力，并且斜面的线速度从下至上各点越来越大，存在较大的速度差，一般情况下，e、m 两处轧辊的粘着磨损较大。但将A、B 两辊改成如图4所示的 “同步轧辊” 后，轧辊被动旋转，两斜面各点的速度可自行调节，轧辊e、m处的线速度差可降低一半，有效地减轻了轧辊的磨损，同时减轻了产品表面的划伤[6]。

图3 大型外卷边槽钢轧辊配置示意图

图4 带有轴承的“同步轧辊”示意图

二是采用不同的辊轴传动。将孔型不同部位的轧辊采用不同方位的轴传动，使孔型各表面的线速度尽量一致，从而减少粘着磨损。如将只有上、下平辊的两辊机架改为带有中间插入辊的四辊机架，尽量使孔型各部分的轧辊表面线速度一致（如图5）。又如对专业生产大型圆管的轧机采用柔性成型技术，使用排辊成型，因轧辊分别绕各自的轴转动，与轧件同步运行，不仅减少了产品的划伤，还有效地减轻了轧辊的磨损。

图5 带侧立辊的四辊配置示意图

2.2.2 适当分解轧辊，减少轧辊的耗损

在冷弯成型的过程中，同一孔型的不同部位因受力不同，其磨损有所不同。虽然在设计时可采用各种方法减少轧辊的磨损，但部分轧辊的磨损或破损在所难免。为了减少轧辊的报废量，在轧辊设计时要充分考虑孔型各部分的受力，将易损坏的轧辊与不易损坏的轧辊分解成不同的辊片，即设计成组合轧辊。这样，一旦受力较大的轧辊片先磨损或破损，可只更换这破损的轧辊片即可，其他轧辊辊片可继续使用，从而减少轧辊的消耗。

2.3 合理使用组合轧辊，增强轧辊的通用性

对于同一类大型型钢的轧辊，为了便于组合出更多规格的孔型，将其中某些单个整体轧辊分解成若干个轧辊片的组合轧辊，或将一片轧辊的两端设计出不同的圆弧半径，从而增加部分轧辊的通用性，有效减少轧辊的总质量。如图5所示，考虑到轧制不同尺寸、不同厚度的产品，将上辊分为A、B 两辊，并将每片轧辊的两端设计不同的圆弧半径。这样可以通过调整A、B 两辊的宽度来生产不同规格的产品，也可通过使用不同的轧辊圆弧半径来生产不同厚度的产品，从而较大程度地增强轧辊的通用性。

3 轧辊的正确使用

设计好的轧辊，选择信誉度高、加工质量可靠的专业轧辊加工厂家进行轧辊加工，轧辊回厂后应对轧辊的各尺寸及性能进行复检，合格的轧辊方可上线使用。轧辊上线的损耗形式主要有磨损、烧裂、剥落及破裂等，下面根据各种损耗的特点提出轧辊使用时的注意事项。

3.1 减少轧辊的磨损

轧辊孔型表面越粗糙，轧辊孔型与轧件实际接触面积就越小，从而使轧件表面因压强增大而发生塑性变形，轧件与孔型面接触处产生粘着现象。由于轧件对孔型不断作相对滑动，粘着处不断形成和不断破坏使产品表面划伤，轧辊产生了粘着磨损。因而减少轧辊孔型表面的粗糙度（一般Ra0.8～Ra1.2），可有效减少轧辊的粘着磨损。

在冷弯型钢的生产中，钢带常常粘附有硬的砂粒、氧化物、铁屑或其他硬杂物，在轧件和轧辊孔型面作相对运动时，硬杂物可使孔型表面磨损擦伤。通常在保证轧辊有足够硬度（成型辊和定径辊HRC56～62）的同时，通过使用轧制液冲洗轧辊和钢带，并不断过滤、沉淀轧制液中的硬杂质等方法，可减少轧辊的这种磨料磨损。如果冷却液的成分处理不当或带有腐蚀性的化学物质时，冷却液就会腐蚀轧辊，使轧辊磨损加剧，这就是轧辊的腐蚀性磨损，因而注意冷却液中的腐蚀性物质也是很有必要的。

在生产过程中，轧件与轧辊的接触面因滚动和滑动产生摩擦，在交变的磨擦应力作用下轧辊出现疲劳，从而引起了轧辊的疲劳磨损。轧辊中的氧化物夹杂及淬硬层的不均匀降低了轧辊表层的剪切强度，使轧辊抗疲劳寿命减少[7-10]。因而必须选用较好的轧辊材质，并控制轧辊的热处理质量，成型辊的表面硬度达HRC60，HRC 硬度差值不大于 3；使淬透层的深度为 10～25 mm，这样可减少轧辊的表面疲劳磨损。

3.2 防止轧辊的龟裂

龟裂是由于轧辊轧制时表面在交变的热应力作用下，产生网状的裂纹。裂纹随轧制时间的延长而加深，影响产品质量，严重时导致轧辊断裂。这种现象在冷却不好的成型辊和高频焊接的挤压辊中出现较多。因此，对受力较大的成型辊要进行充分冷却，防止轧辊热疲劳的产生；对于受热的挤压辊一般采用含碳量较低、表面硬度较低的轧辊，如使用3Cr2W8V 的材质，其表面热处理硬度为HRC52±2 作挤压辊，并充分冷却。

3.3 防止轧辊的破裂

轧辊使用时，由于受力过大、频繁受到冲击、不充分冷却、严重擦伤等原因，辊体发生疲劳断裂，出现大块掉落或小块浅层剥落。在生产过程中，要均匀调整各架成型力，避免轧辊负载过大；控制钢带头尾接头的焊瘤对轧辊的冲击；保证轧辊的充分冷却，从而防止轧辊的破裂。

4 结束语

科学的轧辊设计，精细的轧辊加工，正确的轧辊使用，可以减少轧辊的总量，降低轧辊的消耗，延长轧辊的使用寿命，从而提高生产效率、保证产品质量。同时，合理使用组合轧辊，增强轧辊的通用性，还可以降低生产成本，达到提升企业经济效益的目的。