大型和超大型冶金軋輥再制造技術研究與應用

褚秀軍

（中鋼集團邢臺機械軋輥有限公司，河北 邢臺 054025）

大型和超大型冶金軋輥再制造技術研究與應用

褚秀軍

（中鋼集團邢臺機械軋輥有限公司，河北 邢臺 054025）

采用先進的再制造工藝與技術，對鋼鐵行業大宗消耗工具備件——大型和超大型支承輥（重量50噸和100噸以上）和水泥行業用磨輥、擠壓輥報廢或完成服役的舊品進行再制造，使其性能和質量達到或超過原來的新品。該技術的應用符合國家鼓勵建設的循環經濟項目，在創造可觀的經濟效益的同時，還可以達到節約資源和能源、保護環境的效果。

大型和超大型冶金軋輥；再制造技術；鋼鐵行業；消耗工具備件；循環經濟

1 技術背景

再制造產業是指以產品全壽命周期理論為指導，以實現廢舊產品性能提升為目標，以優質、高效、節能、節材、環保為準則，在性能失效分析、壽命評估等分析的基礎上，進行再制造工程設計，以先進技術和產業化生產為手段，進行修復、改造廢舊產品的一系列技術措施或工程活動的總稱。再制造與制造新品相比，一方面是通過再制造技術可以花費較小的成本延長產品的壽命，創造較大的經濟價值，成本實際上不到原來的50%；另一方面，還可以達到節約資源和能源、保護環境的效果，可節能60%、節材70%、節約成本50%，幾乎不產生固體廢物，大氣污染物排放量降低80%以上。

表1 國家再制造產業試點企業

近幾年，隨著社會節能減排意識的增強，再制造產業受到越來越多的重視。再制造產業在資源節約、能源節約和減少環境污染等方面具有非常重要的作用，符合當今節能環保的時代主題，具有較高的經濟價值，因此政府非常重視再制造產業的發展。近幾年，國家發改委和工信部加大了政策推進力度，從提高再制造技術水平、擴大再制造應用領域等方面，加強法規建設，強化政策引導，積極推進再制造規?；?、市場化、產業化的發展，努力將再制造產業培育成為新的經濟增長點。特別是國家頒布實施了《循環經濟促進法》，為推進再制造產業發展提供了法律依據。當前，我國已進入到以國家目標推動再制造產業發展為中心內容的新階段，國內再制造的發展呈現出前所未有的良好發展態勢，出現多家以機械設備再制造為核心業務的專業公司，如：以再制造汽車發動機的濟南復強動力有限公司等國家發改委和工信部批準的再制造試點企業，具體分布見表1。

從以上企業分布可以看出，國內還沒有一家軋輥、軸類零件與水泥用輥的再制造專業公司。

近幾年以來，鋼鐵企業生產成本不斷上升，市場鋼材價格低位運行和鋼鐵生產成本不斷上升給鋼鐵企業帶來了雙重壓力，鋼鐵企業生產經營總體面臨著嚴峻的挑戰。大中型鋼鐵企業銷售利潤率非常的低，低于我國工業行業的平均盈利水平。如何使鋼鐵企業走出低效益運行的態勢是目前行業關注的焦點，按照國務院《裝備制造業調整和振興規劃》的意見，鋼鐵工業要重點關注以下三項工作：一是加快鋼鐵工業的結構調整和產業升級，促進鋼鐵工業實現由大變強；二是加強全行業的聯合兼并重組，提高全行業產業集中度，促進鋼鐵工業產業組織結構的優化升級；三是進一步加大全行業節能減排的工作力度，按建設資源節約型、環境友好型社會的要求發展鋼鐵工業。

支承輥是軋鋼生產中的重要部件之一。是軋機大型消耗性部件，在整個生產過程中支承輥因磨損而消耗的部分僅占軋輥總重量的10%～20%，而有80%～90%的重量是因軋輥直徑減小而導致報廢的，造成鋼廠巨大的經濟損失。另外還有大量因各種事故引起的非正常報廢，全國各大型軋鋼廠每年都要消耗大量支承輥。由于消耗量大，支承輥價格昂貴，特別是2800mm以上中寬板生產線所用支承輥，新品直徑在1800～2300mm之間，單重最小的達77噸，最重的達220余噸。市場價格每噸國內約為8～9萬元，進口則超過10萬元，單支軋輥總價在幾百萬、上千萬元，國內目前只有第一重型機械制造集團、第二重型機械制造集團生產部分支承輥，其余全部依賴進口。2800mm以上中寬板生產線所用支承輥每年消耗約15～20支，2113～2600噸。特別是近年我國海軍的航母和大型艦艇建造急需大量寬厚船板，這些軋機經過多年軋鋼，未來2～3年內支承輥大部分已經開始進入報廢期，逐漸退出使用，實現使大批報廢支承輥通過再制造技術，恢復和提高功能回到軋機上，繼續為國民經濟建設服務，具有很好的社會效益和經濟效益，同時對國防建設也具有重要的意義。

尤其是在當前鋼鐵行業低迷時期，鋼廠采購成本壓力非常大，且生產周期很長，不能及時交貨，越來越引起技術人員和備件管理部門的重視。隨著當前堆焊材料、焊接工藝與設備自動化的快速發展與進步，國內外大型軋輥堆焊技術也相應得到提升，而采用堆焊方法修復的再制造軋輥，不但修復成本低，而且能提高軋輥使用壽命，降低軋輥耗量，合理使用并節約合金元素，同時能夠提高軋機的效益和產品的質量，是一種有效的技術經濟措施。因此，對熱、冷軋板帶軋機支撐輥進行堆焊修復，進一步提高其性能和使用壽命越來越受到鋼鐵企業的高度重視。

支承輥再制造技術是指在去除報廢軋輥表面的疲勞層或缺陷后，采用合理的堆焊方法和工藝，在報廢軋輥上堆焊上一層硬度高、耐磨性好、耐疲勞性強的金屬表面層，使堆焊后軋輥使用性能達到或超過新軋輥水平。采用軋輥堆焊再制造技術是鋼鐵行業降低成本、增加企業綜合經濟效益的一項重要技術措施。是貫徹落實“資源→產品→廢舊產品→再制造產品”循環經濟的最佳模式，是建設資源節約型、環境友好型社會的客觀要求。目前，該技術還僅用于熱軋開坯輥、連鑄輥道輥、熱軋平整輥、型鋼輥、小型焊管輥和30噸以下的熱軋支承輥的修復，其修復工藝經過近些年的研究和應用相對已經成熟。而對于重量在50噸以上的大型支承輥的修復，由于其技術難度大、過程控制要求高、技術風險大，并且需要大型的加工設備和熱處理爐，國內外鮮有企業問津。正是定位于市場需求大、修復技術水平高，過程控制要求嚴的50噸以上大型和超大型支承輥的再制造技術研發，將成為國內工藝技術最先進、規格最大、裝備水平最高的大型和超大型支承輥以及大型軸類零件的修復和再制造生產基地。

環鍛技術是近年我國引進的快速鍛造技術，它被廣泛應用于大型的環形零件制造，比如大型軸承套、大型法蘭、環形結構等，這些零件主要應用于船舶、水利風力發電機的大型軸承、核電的法蘭結構、大型工程機械、航天航空領域。錐型軋輥是環鍛機主要工件，材質為耐熱鍛鋼，在環鍛機工作時靠兩個錐型輥同時對環件進行軸向與徑向鍛壓。其與熱軋輥的工況條件不同，主要是工作時不噴冷卻水，以避免環件溫度下降太快，產生裂紋。待鍛好一件后再噴水將軋輥冷卻，然后碾壓下一件，因此錐型軋輥受熱疲勞消耗較快，一般需要半年更換一對新軋輥。而采用在報廢錐輥表面堆焊一層特殊耐熱疲勞更好的高合金材料的技術，則會大大降低環鍛軋輥采購成本，而使用效果好于新品。德國獨資公司——徐州羅特艾德環鍛公司合作，對錐形軋輥的堆焊修復進行了嘗試。已投入90余萬余建起國內唯一一臺全自動的專用修復錐型輥設備，填補了國內空白。錐形軋輥技術水平已達到國內領先，現國內部分廠家在要求制作新品時，即在表面堆焊一層高合金材料，以提高軋輥使用壽命。因此采用堆焊方法修復的再制造錐形軋輥，不但修復成本低，而且能提高軋輥使用壽命，是一種有效的技術經濟措施，不僅能夠提高軋機的效益，還將創造巨大的社會效益。

另外一個適合再制造推廣領域的是水泥行業用輥壓機輥與磨輥的堆焊修復。輥壓機是用途廣泛的一種高效節能的粉磨設備。尤其適用于水泥熟料的粉磨，而且對石灰石、高爐礦渣、石灰砂巖、原煤、石膏、石英砂、鐵礦石等的粉磨也很有效。輥壓機的主要特點就是高壓，利用50～300MPa的高壓對物料進行擠壓，達到粉碎的目的。輥壓機在水泥工業中已使用了十幾年，主要用于水泥熟料的粉磨。輥壓機在極其惡劣的工作條件下造成輥面磨損嚴重，因此在制造輥壓機時就必須對擠壓輥表面進行有效防護。而在擠壓輥表面堆焊耐磨材料是目前全世界公認的最有效、最簡便的方法。這主要有兩個原因：一是使堆焊材料和工藝便于不斷進行改進和調整；二是擠壓輥在使用一段時間后必然要產生磨損，而由于擠壓輥非常昂貴，絕大多數情況下不可能報廢，只有繼續對其進行修復。立磨是粉碎水泥生料的關鍵設備。新型干法水泥生產企業采用立式輥磨制備生料、煤粉、礦渣粉，配合使用輥壓機作為熟料粉磨設備。由于立磨、輥壓機最初由國外進口，目前國內也只是處于簡單仿制階段，其關鍵部件——磨輥、擠壓輥的制作是鑄造或鍛造坯料，然后外層堆焊一層耐磨層，耐磨層用完后再重新堆焊。使用堆焊修復再制造技術可以大幅度降低水泥行業采購新品成本，節約資源和能源。近幾年中國經濟的快速發展帶動水泥行業實現了產量的高速增長，有1280條左右日產700噸以上的新型干法生產線，水泥產量年達到18.5億噸左右，新型干法熟料產能的比例將超過80%。在當今全社會堅決貫徹科學發展的前提下，節能環保已成為發展的主題，因此可以預見，水泥行業節能減排、資源綜合利用將成為水泥企業的主要任務，再制造產品的開發和推廣將是行業的熱點。

2 技術優勢

軋輥修復作為國內技術領先的專業的再制造行業，已有十多年的大型軋輥修復經驗，大型支承輥修復技術日益成熟，在軋輥修復領域已取得了不凡的業績，同時還應與多家國際知名焊接材料、設備生產商進行合作，共同研究開發堆焊新技術、新工藝。我們與美國猶他州立大學和武漢理工大學共同對國內常用軋輥材料和焊接材料的熱物理性能的研究，是目前國內最完整的研究成果。武漢理工大學焊接專業的碩士研究課題多數結合我們的技術難題，在我們的教授級高級工程師指導下完成。為我們系統總結生產中的經驗，提高技術隊伍的理論水平，規范我們的技術文件和管理程序提供了理論支持。以上所述均為我們進行超大型軋輥再制造技術開發和實際生產提供了技術保障。

我們對于水泥行業的再制造也有多年的研究，就水泥行業的耐磨堆焊工藝、材料等做了大量工作。其修復原理、技術和軋輥堆焊基本上是相通的，只是堆焊材料、磨輥的工作環境和磨損機理和軋輥不同。另外，我們還與國際知名焊接材料生產商——比利時伯樂帝森公司合作，利用該公司強大的技術研發實力，在焊接材料和工藝上為我們提供支持。在國內具有較強的競爭能力，并一直是冀東水泥集團的戰略合作伙伴，長期進行合作，非常了解和熟悉水泥行業用輥的使用條件和修復技術。

3 市場分析

3.1 國內冶金大型支承輥市場分析

根據市場調查分析，在所進行統計的141（部分小型軋鋼廠未完全統計在內，估計約800～1000噸）條板帶軋線中。按照各軋機歷年來支承輥的平均輥耗計算，其中熱軋56條，年消耗需求在14514噸；冷軋38條，年消耗需求4358噸；2800mm以下中板20條，年消耗需求在935噸；2800mm以上中寬厚板27條，年消耗在2113噸，合計年消耗21920噸。

另外，再加上小型鋼廠的1000噸，全年總需求為22920噸，按照全年需求總量的30%使用再制造支承輥軋輥，堆焊熔覆量按軋輥總重的15%計算，每年堆焊金屬可達1032噸，按每噸平均12萬計算，則每年堆焊再制造市場可達12382萬元?？紤]到我們的市場競爭優勢，至少可以占到50%的市場份額，因此該項目目標年產值5000萬元是可以實現的。

如果我們僅計算國內50噸以上大型和超大型軋輥年消耗量，根據我們的調查，其中包括2000mm以上熱軋線10條，年消耗軋輥4298噸；2800mm以下中板軋線12條，年消耗軋輥644噸；2800mm以上寬厚板軋輥2113噸，支承輥共消耗7055噸，以上三項合計年消耗7055噸。以上軋機多為單機架形式，再制造軋輥現已較多應用，市場推廣相對較容易，可按照50%的軋機使用修復軋輥，堆焊熔覆量按軋輥總重（7055噸）的15%計算，每年超大型堆焊金屬可達1058噸，按每噸平均12萬計算，則每年堆焊再制造市場可達12696萬元。

3.2 國內水泥行業用輥修復市場需求分析

根據中國水泥協會統計，有1280條左右日產700噸以上的新型干法生產線在運行，全年水泥生產到18.5億噸左右，新型干法熟料產能的比例將超過80%。而每條生產線至少有一臺輥壓機和立磨機，現僅計算日產700噸以上的新型干法生產線，按輥壓機和立磨機磨輥平均壽命為一年，則每年市場至少有2500支輥壓輥、3600多個立磨輥和1200余個磨盤需要修復。按每件平均20萬計算，每年修復費用估計在14億元左右。這僅僅是水泥行業的修復市場，還不包括其他電場、鋼廠用于磨煤、鐵礦石等磨輥的修復費用。因此，在耐磨堆焊修復市場上市場容量十分可觀，從目前看這項應用技術是一項有著較好的發展前景的朝陽行業。僅估算北京、天津、山西、河北、河南、山東等華北及周邊地區有新型干法生產線應該在400條左右，則輥壓機和立磨修復市場在4億元左右。

3.3 錐形軋輥、大型鑄鍛件、風電設備等修復市場分析

據不完全市場調查，隨著國內風電設備、機械工程的快速發展，國內環鍛機至少有40～50臺，按每臺一年堆焊一對錐輥，則全年就有100支錐輥修復，每支錐輥修復費用以5萬元計算，則一年收入達500萬。再加上大型鑄鍛軸類零件、風電設備的修復市場，年預計也有500萬元，因此該部分修復市場產值可達1000萬余元。

4 技術研究與工藝

4.1 技術研究

針對大型和超大型軋輥再制造過程中的課題進行研究，解決以下問題：（1）焊接材料的性能熱模擬研究與工藝性研究；（2）大型和超大型軋輥的焊接、激光表面處理、噴涂工藝的熱模擬和工藝性研究；（3）大型和超大型軋輥的熱處理工藝研究；（4）大型和超大型軋輥的再制造后的使用性能工藝研究。

4.2 生產工藝

支撐輥新品與再制造工藝流程比較：

4.2.1 支撐輥再制造工藝流程。（1）進行表層和深層探傷處理確定疲勞層，對軋輥表層和深層探傷以確定裂紋的位置和分布區域，探清裂紋的深度。探傷手段為表面著色和超聲波探傷；（2）車削疲勞層；（3）預熱，將加工好的支撐輥進專用的電加熱爐預熱；（4）堆焊；（5）焊后應立即進行回火熱處理；（6）機加工：將堆焊及熱處理完畢的軋輥進行車削；（7）檢驗：對修復好的軋輥進行無損探傷（表面著色、超聲波探傷），對關鍵部位打硬度，并出具相關證明。

4.2.2 支承輥新品生產工藝流程。冶煉→鋼包精煉→澆注鋼錠→熱處理→加熱→鍛造→退火→淬火→熱處理→加工→檢查。

通過以上流程對比也可以看出，再制造軋輥比制造新品在能源與材料的利用方面要節省約70%以上。

4.2.3 水泥用輥再制造工藝流程。

第一，立磨磨輥或輥套再制造工藝流程。（1）使用碳弧氣刨對輥面進行徹底清理，把輥面殘留硬層、裂紋、粉塵、鐵銹等都要清理干凈，然后打磨出金屬光澤；（2）磨輥本體進行探傷；（3）預熱，堆焊打底層，打底層的作用是防止堆焊裂紋向基體擴展；（4）做局部堆焊，采用單向堆焊方式將磨輥凹坑填補平整，補層應有適當的橫向裂紋，以釋放焊接應力；（5）堆焊至規定尺寸；（6）檢查磨輥圓度，對于產生的焊瘤應及時用電弧氣刨清理平整。

第二，擠壓輥再制造工藝流程。（1）用短電弧切削裝置對輥面進行徹底清理，把輥面殘留硬層、裂紋、粉塵、鐵銹等都要清理干凈，然后打磨出金屬光澤；（2）焊前預熱；（3）用明弧焊絲堆焊打底層，通過預打底層的焊接，使高低不平的輥面形成較平緩的外圓面，以便于過渡層及耐磨層的焊接；（4）用明弧焊絲焊接過渡層，這是一種高強度、中等硬度的堆焊材料，具有良好的抗疲勞性和結合性，同時又具有一定的抗磨性能，在輥體和耐磨層之間起到了很好的橋梁作用。良好的緩沖層材料選擇及焊接，是保證耐磨層安全有效運行的重要前提；（5）用硬層焊絲焊輥面耐磨層，堆焊時注意測量輥體尺寸及圓度，焊到輥體要求尺寸為止；（6）耐磨層堆焊完后，然后用硬層焊絲連續堆焊耐磨橫條。

第三，擠壓輥新品生產工藝流程。冶煉→鋼包精煉→澆注鋼錠→熱處理→加熱→鍛造→退火→淬火→熱處理→加工→檢查。

通過以上流程對比也可以看出，再制造擠壓輥比制造新品在能源與材料的利用方面要節省約70%以上。

5 社會效益分析

該技術的應用符合國家鼓勵建設的循環經濟項目，在創造可觀的經濟效益的同時，還可以達到節約資源和能源、保護環境的效果，大氣污染物排放量比新品降低80%以上。

（責任編輯：蔣建華）

TF306

1009-2374（2017）07-0065-03

10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.07.031

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