冶金業(yè)高速鋼軋輥發(fā)展分析
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1.冶金工業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀
1.1鋼鐵生產(chǎn)工藝流程逐步優(yōu)化
20世紀90年代以來,世界鋼鐵工業(yè)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(guī)模、增加產(chǎn)量為主轉(zhuǎn)向降低消耗、降低成本、提高質(zhì)量、增加品種和保護環(huán)境。鋼鐵工業(yè)技術(shù)進步的主流是縮短生產(chǎn)流程,減少工序,提高質(zhì)量,降低消耗,提高效率。技術(shù)進步中有兩大主要趨向:一是尋找可以替代傳統(tǒng)工藝的新工藝流程的研究開發(fā);二是現(xiàn)有工藝和技術(shù)裝備的完善化。兩大技術(shù)進步趨向互相競爭、相互滲透,促使鋼鐵工業(yè)不斷提高鋼材質(zhì)量、減少消耗、降低成本、減輕對環(huán)境的污染,進一步走向集約化。傳統(tǒng)的鋼鐵生產(chǎn)工藝流程是一種“冷態(tài)”下間歇式生產(chǎn)的工藝流程。日本在20世紀60年代建設(shè)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(yè)已逐步將上述傳統(tǒng)的鋼鐵生產(chǎn)工藝流程改造成為現(xiàn)代化“熱態(tài)”連續(xù)生產(chǎn)工藝流程。這種工藝流程具有高效、連續(xù)、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(yè)發(fā)達國家開發(fā)成功接近最終鋼材產(chǎn)品形狀的連鑄、連軋技術(shù),如帶鋼、型鋼的連鑄連軋等。由于該技術(shù)具有工藝流程緊湊、生產(chǎn)周期短、物料消耗少、生產(chǎn)效率高等一系列優(yōu)點,在近十多年來得到了快速發(fā)展。自從1989年世界第一條薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)線在美國紐柯公司克勞福茲維爾廠投產(chǎn)以來,經(jīng)過10多年發(fā)展,到2002年底,世界上已有38個薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)廠共56條生產(chǎn)線,總生產(chǎn)能力已超過5500萬噸。我國現(xiàn)已有5個鋼鐵企業(yè)建成8條薄板坯連鑄連軋生產(chǎn)線,到目前為止又有5個鋼鐵企業(yè)正在建設(shè)厚板坯連鑄連軋生產(chǎn)線,不久的將來總生產(chǎn)能力將達2000萬噸,預(yù)計屆時將占全世界同類生產(chǎn)線能力的1/4以上。2001年我國連鑄比達到89.71%,已經(jīng)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(yè)中,連鑄比達到99%以上的企業(yè)已達41家。帶鋼連鑄連軋技術(shù)是世界主要鋼鐵生產(chǎn)國家正在積極開發(fā)應(yīng)用的一項重大鋼鐵生產(chǎn)前沿技術(shù),它將是21世紀鋼鐵生產(chǎn)技術(shù)的一個主要發(fā)展方向。
1.2鋼鐵產(chǎn)量不斷增長
冶金行業(yè)的發(fā)展受到國內(nèi)與國際宏觀經(jīng)濟環(huán)境的共同影響。國內(nèi)方面,國家采取的宏觀調(diào)控措施初見成效,鋼鐵行業(yè)投資規(guī)模過大,低水平重復(fù)建設(shè)得到遏制,有效打擊了“地條鋼”等劣質(zhì)產(chǎn)品沖擊鋼材市場的行為,進一步凈化了市場,鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)對市場更加理性化。消費結(jié)構(gòu)的升級和城鎮(zhèn)化速度加快為鋼鐵行業(yè)發(fā)展提供了基本的保障;西部大開發(fā)和振興東北老工業(yè)基地的戰(zhàn)略也為鋼鐵行業(yè)提供了新的發(fā)展機會。國際方面,世界經(jīng)濟仍保持總體向好的發(fā)展態(tài)勢,全球鋼鐵需求持續(xù)增長。
2.冶金工業(yè)對軋輥的需求
鋼鐵工業(yè)的持續(xù)發(fā)展,為軋輥制造業(yè)提供了廣闊的發(fā)展空間。一方面,隨著鋼產(chǎn)量的不斷增加,軋輥需求量大幅增長。僅就國內(nèi)而言,據(jù)統(tǒng)計,每年消耗的軋輥材料有50萬噸以上,價值數(shù)十億元。另一方面,隨著軋鋼技術(shù)和裝備水平的不斷提高,對軋輥的質(zhì)量也提出了更高的要求。而國內(nèi)軋輥生產(chǎn)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(nèi)的只占30%,國外的占70%。因此,不斷研究新型軋輥材質(zhì)及制造工藝,為軋機配備高性能的軋輥已成為國內(nèi)軋輥生產(chǎn)行業(yè)面臨的重要課題。
3.軋輥材料的研究現(xiàn)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(fā)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(zhì)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(jié)合的方式結(jié)合起來的高性能軋輥。
3.1.1高速鋼軋輥的化學(xué)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(shù)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(jié)構(gòu)特征:(1)碳化物的種類、形狀、體積分數(shù)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(jié)構(gòu)與合金成分及工藝條件有關(guān)。因材料成分和工藝條件的不同,出現(xiàn)了各種不同的研究結(jié)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(chǎn)工藝及其特點
圍繞著軋輥外層與芯部的結(jié)合問題,高速鋼軋輥的制造技術(shù)不斷發(fā)展。目前國外主要采用離心鑄造法(CF)、連續(xù)澆鑄復(fù)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(fā)展中。CPC法制造軋輥裝備復(fù)雜,我國仍無法生產(chǎn);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(chǎn)軋輥裝備簡單,工藝穩(wěn)定,效率高,是制造高速鋼軋輥的重要方法。離心鑄造法生產(chǎn)高速鋼軋輥盡管存在著合金元素容易產(chǎn)生偏析的問題,但由于其突出的優(yōu)點,使它在相當長一段時間內(nèi)仍處于高速鋼軋輥生產(chǎn)的主導(dǎo)地位。
3.3高速鋼軋輥的應(yīng)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(shù)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(zhì)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(shè)備研究院采用普通離心鑄造方法生產(chǎn)了高速鋼輥環(huán),其成分(質(zhì)量分數(shù),%)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(xué)性能為:硬度60~65HRC,沖擊韌性(5~10)J/cm,抗拉強度(400~600)MPa。
4.結(jié)語
隨著軋機向自動化、連續(xù)化、重型化方向發(fā)展,對軋輥的幾何尺寸、表面精度和力學(xué)性能提出了更高的要求。軋輥生產(chǎn)廠、研究機構(gòu)和鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)必須加強冶金軋輥材料的基礎(chǔ)性研究、軋輥生產(chǎn)技術(shù)的研究、軋輥工藝裝備的研究和軋輥使用技術(shù)的研究,不斷提高我國軋輥制造業(yè)和鋼鐵產(chǎn)品的國際競爭力。