大型锻钢支承辊制造技术的现状及发展

吴 琼

(宝山钢铁股份有限公司中央研究院，上海 201900)

0 前言

支承辊是轧机的核心部件，直接影响轧机稳定、产线顺行、生产消耗以及产品质量。近年，“三高”板带产品需求的不断增长[1]，推动了轧机装备、轧制技术、轧辊制造和使用技术的不断提高，半高速钢、高速钢材质冷、热轧机工作辊(中间辊)得到了推广应用[2-5]，其微观组织、硬度、强度、耐磨性能等有较大的提升，对支承辊的使用性能提出了更高的要求。随着大型电渣重熔[6]和整体感应加热设备[7]的开发及应用，为大型锻钢支承辊的材料、冶炼工艺、热处理等技术的创新创造了条件。

1 支承辊的使用及性能特点

作为轧机的核心部件，支承辊不仅承受全部轧制力，应具有高强度、高刚度，而且与工作辊(中间辊)长时滚动接触，辊面必须具有耐磨性、抗接触疲劳性能和抗事故性能，如图1所示[8]。同时辊颈和辊体承受循环交变弯曲应力，必须具有高强韧性和抗疲劳性能。辊面的耐磨性能和抗事故性能是最关键的两项性能指标。

图1 支承辊的工作受力状态

支承辊的辊面磨损过程可表述为滚动接触-疲劳-产生微裂纹-裂纹扩展-形成小剥落[9]，如图2和表1所示。不同轧机支承辊的磨损情况在有所差异。冷连轧机组前段机架的带钢接触区部位，支承辊易产生“箱式”辊形，后段机架受工作辊弯辊影响，支承辊易产生“边降式”磨损，而冷轧平整机组由于工作辊毛化影响，支承辊易产生整个辊面的严重磨损；热轧机组由于高温和冷却水的交替作用，存在氧化和腐蚀环境，支承辊的磨损情况更加复杂。支承辊的失效按类型来分主要包括局部磨损、辊面压痕、辊身剥落以及断辊等。支承辊的抗事故性能主要是指抗压入、抗划伤、抗接触疲劳、抗裂纹扩展能力，这与材料的基体强度及断裂韧性有很大关系。

图2 支承辊的辊面接触疲劳磨损

表1 过钢区内/外宽度

2 锻钢支承辊材料的发展

早期的支承辊材料是2%Cr(9Cr2Mo)、3%Cr系列(70Cr3Mo、50Cr3MoV、40Cr3MoV等)，80年代开发出4%Cr、5%Cr锻钢支承辊材料[10]。支承辊材料的总体发展思路是：提高Cr、Mo等合金含量，降低C含量。

目前，大型板带轧机广泛采用5%Cr系列锻钢支承辊[11]。C含量0.4% ～ 0.6%、Cr含量4%～5%，具有良好淬透性和耐磨性，组织为回火贝氏体基体上弥散分布颗粒状M7C3型碳化物，辊面硬度达到70HSD左右，工作层超过70 mm，适量添加V可细化晶粒、提高芯部强韧性。

为了改进支承辊的耐磨性能，有轧辊厂商在5%Cr材质基础上，通过增加Mo、W、V等合金含量或提高Cr含量，研制出5%Cr改进型及8%Cr材质耐磨型锻钢支承辊，组织为回火马氏体、贝氏体基体上分布M7C3、M2C、MC型复合碳化物，其使用效果如图3所示[12]。

图3 耐磨型锻钢支承辊的使用效果

有研究结果表明[13]：支承辊材料的断裂韧性KIc值与接触疲劳循环次数有对应关系，提高断裂韧性KIc值可提高支承辊使用寿命，减少组织中碳化物数量可提升断裂韧性KIc值，如图4所示。为了改进支承辊的抗事故性能，有轧辊制造厂商在5%Cr材质基础上，通过降低Cr、Mo、V等主要碳化物形成合金元素的含量，同时提高Si、Mn等含量，使合金固溶进入基体，达到固溶强化基体的效果，研制出抗事故型锻钢支承辊，其微观组织如图5所示，材料断裂韧性如图6所示[14]。

图4 支承辊碳化物数量与断裂韧性KIc值的关系

图5 抗事故型支承辊(c、d)与5%Cr支承辊(a、b)的组织对比

图6 抗事故型支承辊与5%Cr支承辊的断裂韧性对比

支承辊不同性能之间存在一定的矛盾，比如：强度和韧性，因此，支承辊材料的发展方向是在保证材料综合性能的基础上，实现功能化、个性化开发，以满足不同轧机、不同产品的多样性需求。

3 锻钢支承辊辊坯冶炼工艺的发展

目前，锻钢支承辊辊坯的主要制造工艺流程为：电炉冶炼—钢包精炼—真空脱气—(真空)铸锭—锻造—锻后热处理—粗加工—超声波探伤—锻坯[15]。由于大型锻钢支承辊辊坯的规格大、吨位重，易产生铸造缺陷，其冶炼工艺较为复杂，代表了目前大型铸锻件的最高水平。

上世纪90年代开始采用的真空脱气和真空浇注的双真空处理工艺[16]，提高了钢水的纯净度，最大限度地降低了钢水中H、O、N等气体含量，一定程度上减少了夹杂物，改善了铸锭偏析和结晶状态，使得辊坯的化学成份、高低倍组织、夹杂物得到有效控制。

与传统的精炼工艺相比，电渣重熔冶炼工艺有如下特点[17]：

(1)钢水的纯洁度高。在电渣作用下可以去除钢中大型非金属夹杂物，极好地脱硫、脱氧，如图7所示，因此，塑性和韧性比其他冶炼方法更优；

(2)铸锭偏析程度小。钢液在水冷结晶器内凝固，冷却速度快，因而钢锭成分偏析小，而且钢的结晶是由下而上逐次地进行，组织均匀，没有疏松和缩孔；

(3)钢锭利用率高，可达85%～90%。锻件吨位越大，电渣钢锭比普通钢锭的利用率优势越大。

图7 不同冶炼工艺的钢水纯净度对比

由于支承辊辊坯规格较大，受电渣重熔装备的限制以及熔渣成分变化较大、控氢、脱氧等问题，目前尚未有采用电渣重熔工艺制造的大型锻钢支承辊的实绩。近年，随着大型电渣重熔工艺、装备技术的发展和完善，采用电渣重熔工艺制备大型支承辊辊坯将成为可能。

4 锻钢支承辊热处理工艺的发展

目前，锻钢支承辊的主要热处理、加工工艺流程为：锻坯预备热处理-半精加工-最终热处理-精加工-超声波探伤-成品[18]。

预备热处理工艺分为高温正火、调质两种方式，以保证辊颈力学性能和辊体力学性能、调整组织为最终热处理做准备。调质热处理工艺可获得更高的强韧性，尤其是断裂韧性[19]。

最终热处理是对辊身部位的表层淬火以及回火热处理，是决定支承辊的工作层组织、硬度分布、应力分布以及使用性能的关键工序，也是支承辊制造技术的核心所在。最终热处理的加热工艺一般采用差温加热或整体感应加热工艺，淬火冷却工艺一般采用喷雾冷却或油冷工艺。差温加热工艺采用高速烧嘴喷出火焰对辊身表面进行快速加热，使辊身表面一定深度奥氏体化而芯部仍保持在相变点温度以下，然后进行淬火的一种深层表面热处理方法[20]，如图8所示。目前，支承辊基本都采用差温加热淬火工艺生产。

上世纪80年代，日立制作所首先开发应用了工频整体感应加热工艺[21]，如图8b所示，日本铸锻钢、关东特钢和日本制钢等相继应用和推广这种工艺方法，其特点是加热时间短、加热温度均匀、加热层深。与差温淬火支承辊相比，感应淬火支承辊在淬硬层深度及硬度梯度分布、径向残余应力分布等均得到有效提高，如图9所示[22]。

采用差温炉淬火工艺生产的支承辊辊身表面硬度只能达到70HSD，组织为回火贝氏体为主；而采用整体感应淬火工艺生产的支承辊辊身表面硬度可达到75HSD以上，组织为回火马氏体为主，耐磨性能明显提高，如图10所示。整体感应淬火支承辊已经成为冶金行业精品带钢生产的需要。

图8 锻钢支承辊的最终热处理加热工艺

图9 感应淬火和差温淬火支承辊的硬度分布、残余应力分布对比

图10 感应淬火和差温淬火支承辊工作层微观组织对比

5 结论

(1)支承辊的耐磨性能、抗接触疲劳性能和抗事故性能是最关键的性能指标。

(2) 锻钢支承辊材料的功能化、个性化设计才能满足不同轧机、不同产品的需求。

(3)采用电渣重熔工艺、整体感应淬火工艺可得到具有优异性能的支承辊产品，是支承辊制造技术的发展方向，值得深入研究。