冶金業高速鋼軋輥發展分析
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1.冶金工業的發展現狀
1.1鋼鐵生產工藝流程逐步優化
20世紀90年代以來,世界鋼鐵工業在激烈的國際市場競爭中,由20世紀80年代以前的以擴大規模、增加產量為主轉向降低消耗、降低成本、提高質量、增加品種和保護環境。鋼鐵工業技術進步的主流是縮短生產流程,減少工序,提高質量,降低消耗,提高效率。技術進步中有兩大主要趨向:一是尋找可以替代傳統工藝的新工藝流程的研究開發;二是現有工藝和技術裝備的完善化。兩大技術進步趨向互相競爭、相互滲透,促使鋼鐵工業不斷提高鋼材質量、減少消耗、降低成本、減輕對環境的污染,進一步走向集約化。傳統的鋼鐵生產工藝流程是一種“冷態”下間歇式生產的工藝流程。日本在20世紀60年代建設的10多個大型鋼鐵廠都是采用這種工藝流程。20世紀80年代以后,世界鋼鐵業已逐步將上述傳統的鋼鐵生產工藝流程改造成為現代化“熱態”連續生產工藝流程。這種工藝流程具有高效、連續、緊湊、智能等特點。20世紀80年代末期,德國、法國、日本、意大利、美國等鋼鐵工業發達國家開發成功接近最終鋼材產品形狀的連鑄、連軋技術,如帶鋼、型鋼的連鑄連軋等。由于該技術具有工藝流程緊湊、生產周期短、物料消耗少、生產效率高等一系列優點,在近十多年來得到了快速發展。自從1989年世界第一條薄板坯連鑄連軋生產線在美國紐柯公司克勞福茲維爾廠投產以來,經過10多年發展,到2002年底,世界上已有38個薄板坯連鑄連軋生產廠共56條生產線,總生產能力已超過5500萬噸。我國現已有5個鋼鐵企業建成8條薄板坯連鑄連軋生產線,到目前為止又有5個鋼鐵企業正在建設厚板坯連鑄連軋生產線,不久的將來總生產能力將達2000萬噸,預計屆時將占全世界同類生產線能力的1/4以上。2001年我國連鑄比達到89.71%,已經超過了2000年的世界平均水平。2003年達到了96.96%,目前,全國重點大中型企業中,連鑄比達到99%以上的企業已達41家。帶鋼連鑄連軋技術是世界主要鋼鐵生產國家正在積極開發應用的一項重大鋼鐵生產前沿技術,它將是21世紀鋼鐵生產技術的一個主要發展方向。
1.2鋼鐵產量不斷增長
冶金行業的發展受到國內與國際宏觀經濟環境的共同影響。國內方面,國家采取的宏觀調控措施初見成效,鋼鐵行業投資規模過大,低水平重復建設得到遏制,有效打擊了“地條鋼”等劣質產品沖擊鋼材市場的行為,進一步凈化了市場,鋼鐵生產企業對市場更加理性化。消費結構的升級和城鎮化速度加快為鋼鐵行業發展提供了基本的保障;西部大開發和振興東北老工業基地的戰略也為鋼鐵行業提供了新的發展機會。國際方面,世界經濟仍保持總體向好的發展態勢,全球鋼鐵需求持續增長。
2.冶金工業對軋輥的需求
鋼鐵工業的持續發展,為軋輥制造業提供了廣闊的發展空間。一方面,隨著鋼產量的不斷增加,軋輥需求量大幅增長。僅就國內而言,據統計,每年消耗的軋輥材料有50萬噸以上,價值數十億元。另一方面,隨著軋鋼技術和裝備水平的不斷提高,對軋輥的質量也提出了更高的要求。而國內軋輥生產廠家的制造水平還較落后。僅以寶鋼為例,2000年,寶鋼用于軋輥的采購資金超過2億元,其中國內的只占30%,國外的占70%。因此,不斷研究新型軋輥材質及制造工藝,為軋機配備高性能的軋輥已成為國內軋輥生產行業面臨的重要課題。
3.軋輥材料的研究現狀
為提高熱軋輥的表面耐磨性,熱軋輥材料不斷地得到改進,其基本的發展過程是從冷硬鑄鐵到高鉻鑄鐵到半高速鋼和高速鋼。高速鋼材料用于軋輥制造,使軋輥性能顯著提高,軋材質量明顯改善。
3.1高速鋼軋輥的特點
高速鋼軋輥是用具有高硬度,尤其是具有很好的紅硬性、耐磨性和淬透性的高速鋼作為軋輥的工作層,用韌性滿足要求的高強度灰鐵、球鐵、鑄鋼及鍛鋼作為軋輥的芯部材料,把工作層和芯部以冶金結合的方式結合起來的高性能軋輥。
3.1.1高速鋼軋輥的化學成分特點
(1)含有較多的C和V。C和V可以形成高硬度的MC型碳化物,提高軋輥耐磨性;(2)有較高的Cr含量。Cr含量高,可在軋輥組織中形成一定數量的M7C3型碳化物,有利于降低軋制力并改善軋輥輥面的抗粗糙性;(3)含有一定量的Co(≤10%)。Co可提高高速鋼軋輥的紅硬性,從而提高軋輥耐磨性;(4)離心鑄造高速鋼軋輥中含有≤5%的Nb。Nb可降低軋輥組織中因合金元素密度差大而引起的偏析。
3.1.2高速鋼軋輥的組織特點
高速鋼軋輥的性能取決于其微觀組織結構特征:(1)碳化物的種類、形狀、體積分數及分布;(2)馬氏體基體的性能特點;(3)晶粒尺寸大小。軋輥用高速鋼材料的微觀組織結構與合金成分及工藝條件有關。因材料成分和工藝條件的不同,出現了各種不同的研究結果。同以往的高鉻鑄鐵軋輥相比,高速鋼軋輥中的碳化物類型較多,除含有MC型碳化物外,還含有M2C、M6C和M7C3型碳化物。
3.2高速鋼軋輥的生產工藝及其特點
圍繞著軋輥外層與芯部的結合問題,高速鋼軋輥的制造技術不斷發展。目前國外主要采用離心鑄造法(CF)、連續澆鑄復合法(CPC)和電渣熔鑄法(ESR)制造,而熱等靜壓法(HIP)和噴射成形法(Osprey)仍在完善和發展中。CPC法制造軋輥裝備復雜,我國仍無法生產;ESR法制造軋輥能耗高,僅適合于制造冷軋輥;用離心鑄造法生產軋輥裝備簡單,工藝穩定,效率高,是制造高速鋼軋輥的重要方法。離心鑄造法生產高速鋼軋輥盡管存在著合金元素容易產生偏析的問題,但由于其突出的優點,使它在相當長一段時間內仍處于高速鋼軋輥生產的主導地位。
3.3高速鋼軋輥的應用
自20世紀80年代以來,國外在熱帶鋼連軋機上開始試用高速鋼軋輥并取得良好效果。目前高速鋼軋輥的比例不斷提高,在某些機架上,甚至全部采用了高速鋼軋輥。使用高速鋼軋輥后,輥耗明顯下降,換輥次數顯著減少,軋輥研磨量減少,軋機能力提高,燃料和動力消耗降低,有助于降低軋制成本和提高帶鋼質量。近年來我國也開展了鑄造高速鋼軋輥的研究,北京冶金設備研究院采用普通離心鑄造方法生產了高速鋼輥環,其成分(質量分數,%)為:2.0~2.4C,8~15W,2~3Mo,4~7V,3~5Co;金相組織為:馬氏體+共晶碳化物+二次碳化物+殘余奧氏體;力學性能為:硬度60~65HRC,沖擊韌性(5~10)J/cm,抗拉強度(400~600)MPa。
4.結語
隨著軋機向自動化、連續化、重型化方向發展,對軋輥的幾何尺寸、表面精度和力學性能提出了更高的要求。軋輥生產廠、研究機構和鋼鐵生產企業必須加強冶金軋輥材料的基礎性研究、軋輥生產技術的研究、軋輥工藝裝備的研究和軋輥使用技術的研究,不斷提高我國軋輥制造業和鋼鐵產品的國際競爭力。