無頭帶鋼生產線(ESP)工作輥研制與開發

周 軍， 馮喜鋒

(江蘇共昌軋輥股份有限公司， 江蘇 宜興 214253)

1 概 述

ESP(Endless Strip Production)全稱為無頭帶鋼生產線，是以連續不間斷的生產工藝通過簿板坯連鑄連軋設備從鋼水直接生產出熱軋帶卷的設備。全世界第一條ESP生產線于2009年6月在意大利Arvedi S·P·A公司克雷默那二廠正式投入工業化運行，如圖1所示，生產線總長僅190 m，連鑄和軋制工藝直接串聯，ESP生產線是第一條能夠在7 min內實現從鋼水到地下卷取機的全連續生產線，成本顯著降低。國內目前已經引進ESP軋線并連續投產四、五條軋線，在當前鋼鐵轉型升級、資源節約等大背景影響下，國內某些鋼廠正擬新投資類似軋線。

ESP軋線所需的工作輥性能要求很高，單次在線時間長，一般熱軋帶鋼連軋機的單次過鋼量在50 km左右，而ESP熱軋線單次過鋼量在150 km左右，有時甚至更多，是使用普通軋輥軋機單次軋制公里數的3倍左右；軋制過程中若出現事故停機，就會導致全生產線停產，這就需要軋輥具有超強的耐磨性與輥型保持能力，以及極強的抗事故性。

2 ESP與傳統軋機特性對比

傳統帶鋼熱連軋線一般分為粗軋段、精軋前段和精軋后段，目前新型ESP軋線的軋輥布局和尺寸規格與傳統軋機有較大區別，且軋制性能特點區別較大，所以，軋輥的材質選用要綜合軋制特性、工況條件、軋材特點、軋輥材質特性等方面，ESP與傳統帶鋼熱連軋線、CSP軋線的區別如表1所示。

表1 ESP與傳統帶鋼熱連軋線、CSP軋線的區別

(備注：A廠為國外某ESP廠、B廠為國內某ESP廠)

3 ESP工作輥的研發

3.1 粗軋工作輥

目前，傳統熱連軋軋機粗軋工作輥主要以離心復合高鉻鑄鋼(以下簡稱“HCrS”)為主，少數企業由于軋線老舊且工況條件非常惡劣，還在使用半鋼軋輥；而軋線生產穩定且用輥經驗豐富的鋼鐵企業，開始使用高速鋼(以下簡稱“HSS”)軋輥，HSS軋輥因為合金含量高，裂紋敏感性較高，一旦發生卡鋼、堆鋼事故，裂紋的擴展速度比較快，損失較大。但HSS極高的耐磨性是其他材質無法超越的，有實力的軋輥制造廠家在不斷研究開發粗軋工作輥適用的材質，軋輥的使用廠家則在不斷規范和合理使用軋輥，保持軋線的穩定性。通過這兩方面的共同努力與結合，HSS軋輥必將是粗軋工作輥最終發展方向。

江蘇共昌軋輥股份有限公司(以下簡稱“共昌軋輥”)根據ESP粗軋機的特點進行設計與開發，研發了適應ESP生產線的新型高速鋼材質的軋輥，主要研發思路如下：

(1)該軋線粗軋段為三機架四輥軋機，粗軋壓下量較大，同時又是無頭軋制，不存在頻繁咬入的熱沖擊，單次軋制公里數要求達到150 km左右，因此軋輥的摩擦系數和耐磨性能是主要考慮因素，以防止帶鋼邊部磨損造成的應力集中而導致裂紋的產生。

(2)與傳統薄板坯相比其連鑄坯厚度較大，粗軋壓下量更大，可以獲得更高的單機產量，因此軋輥需具有較好的高溫紅硬性和良好的冶金結合質量，才能保證粗軋工作輥的正常服役。

綜合以上研發思路，設計了新一代粗軋專用高速鋼“R-HSS”軋輥，應用多層離心復合澆鑄的工藝，外層采用以W，V，Mo，Cr等主要合金為主的HSS，芯部采用高強度球墨鑄鐵保證強度。通過反復的研發試驗工作，獲得了優良的組織性能與力學性能，其典型金相組織圖片如圖2，3所示。

圖2 R-HSS工作層金相組織(100X)

圖3 R-HSS工作層金相組織(500X)

從上述組織圖片中看出，基體中存在大量的MC，M2C，M7C3型等高顯微硬度碳化物呈彌散狀分布，經顯微硬度計進行檢測，顯微硬度如表2所示。

通過高溫熱處理之后，基體中析出了許多細小彌散的二次碳化物，可以起到“二次硬化”的效果，同時基體以回火馬氏體為主，表面硬度達83～85 HSD，經過大量的現場試用驗證，該類R-HSS軋輥在軋制過程中形成了深藍色的致密氧化膜，耐磨性和表面粗糙度保持性大大提高，獲得了優異的使用性能。

表2 碳化物顯微硬度檢測結果/HV

3.2 精軋工作輥

該ESP生產線精軋機架采用五機架(2+3模式)四輥軋機，機架數相對較少，精軋前段F1-2的軋輥規格及材質與粗軋工作輥相同，精軋后段F3-5機架為小規格工作輥，工作輥采用正彎輥+竄輥設計。對目前國內薄板坯連軋線來說，精軋前段機架一般選用高鉻鑄鐵+高鎳鉻無限冷硬(簡稱“ICDP”)軋輥的模式；但ESP軋線由于軋制帶鋼成品厚度較薄，1.2～1.5 mm厚的軋材所占比例較大，為了控制板型及保證軋線的穩定性，共昌軋輥開發了適應該軋機的精軋后段的專用高速鋼“F-HSS”+改進型高鎳鉻無限冷硬鑄鐵“EN-ICDP”的雙材質品種軋輥。

對于F-HSS材質，共昌軋輥設計了與R-HSS不相同的化學成分；而對于EN-ICDP，因精軋時帶鋼表面溫度低于粗軋，同時為了保證板型精度，提高鋼板表面質量，在傳統ICDP基礎上進行合金化和變質處理，以獲得更優異的綜合性能。兩種材質的主要研發思路如下：

(1)F-HSS組織里增加硬質碳化物的含量，將材料的碳含量提高到2.2%左右，同時適當提高V含量，使組織中析出更多的點狀VC碳化物，使碳化物分布更加彌散。

(2)加入合金元素B進行變質處理，改變ICDP組織中的石墨形態，同時加入Nb合金，在組織中析出高顯微硬度的NbC并細化組織，同時通過組織的改進來降低硬度落差，保證軋輥后期使用性能的一致性。

依據上述研發思路，對F-HSS，EN-ICDP進行了成分、鑄造以及熱處理工藝的設計與優化，其金相組織圖片如圖4～9所示，EN-ICDP硬度落差檢測結果如表3所示。

圖4 F-HSS工作層金相組織(100X)

圖5 F-HSS工作層金相組織(500X)

圖6 傳統ICDP工作層石墨(100X)

圖7 EN-ICDP工作層石墨(100X)

圖8 EN-ICDP工作層金相組織(100X)

圖9 EN-ICDP工作層金相組織(500X)

?檢測位置表面與表面距離5 mm10 mm15 mm20 mm25 mm30 mm35 mm40 mm硬度/HSD828281.58181.58180.58080

從上述圖片中可以看出，一次共晶碳化物數量明顯增加(3%～5%左右)，主要增加的量以點狀的VC為主，且呈彌散分布，基體組織以回火馬氏體為主，基體中析出了細點狀二次碳化物。

從金相組織圖片看出，工作層通過變質處理，石墨由傳統的短片狀變成點球狀，同時基體中析出了彌散分布的顆粒狀NbC硬質碳化物，經金相組織分析軟件進行定量分析：石墨含量2.1%，大小約20～50 μm，碳化物總含量33.5%，同時由于石墨和碳化物的改進，有效降低了工作層的硬度落差，從表3可以看出，從新輥尺寸到報廢尺寸(半徑使用30 mm)，軋輥的硬度落差≤2 HSD，軋輥的耐磨性得到提高的同時，也保證了軋輥使用后期的輥型和鋼板表面質量。

3.3 工作輥芯部球墨鑄鐵

離心復合工作層芯部普遍采用球墨鑄鐵材料，由于軋輥單次軋制公里數較高，為了防止服役過程中的失效，提高芯部的強韌性，一般要求芯部抗拉強度≥400 MPa，表面硬度35～45 HSD左右為宜，主要研發思路如下：

(1)通過喂絲球化這種特殊的球化方式改變球化質量，提高球化率，同時細化石墨大小，以期獲得2級以上球狀石墨。

(2)控制C，Si含量和比例，同時調整孕育量，以期獲得典型的牛眼狀鐵素體，細化珠光體，獲得40 HSD左右硬度，提高抗拉強度，金相組織如圖10，11所示。

圖10 芯部石墨組織(50X)

圖11 芯部組織金相圖片(50X)

按照GB/T 1504-2008《鑄鐵軋輥》附錄B對軋輥芯部球墨鑄鐵進行評級，球化率為2級，碳化物和鐵素體級別為2級；對軋輥的頭頸進行取樣，加工成拉伸試棒進行了抗拉強度的測試，抗拉強度為465 MPa，表面硬度為41 HSD，軋輥的安全系數得到極大提升。

4 結束語

經過對ESP軋制工況的充分了解與分析討論，研發了新型R-HSS，F-HSS，EN-ICDP工作層材質，提高了軋輥的耐磨性和輥型保持能力；同時對工作輥芯部組織研究分析，得到高強度球墨鑄鐵。

ESP軋制線主要工作輥的選用與改進如下：

(1)粗軋機架及精軋前段F1-2機架選用R-HSS材質，基體中析出大量的MC，M2C，M7C3型高耐磨碳化物，碳化物顯微硬度顯著提高，與傳統HCrS相比，提高了軋輥的耐磨性和抗事故性。

(2)精軋后段機架選用F-HSS材質，在傳統HSS基礎上增加了C，V含量，析出更多的硬質碳化物，由于VC是彌散的點狀碳化物，分布更加均勻，耐磨性和抗裂紋性大大提高。

(3)精軋后段機架同時選用了新一代EN-ICDP，在傳統的ICDP材質中添加了合金元素Nb和B，石墨形態由短片狀變為點球狀，組織中碳化物較為彌散，且析出很多彌散的高顯微硬度的碳化鈮，組織的耐磨性大大提高，工作層內徑向硬度落差≤2 HSD，且輥型保持能力增強。

(4)芯部采用喂絲球化代替傳統的沖入法球化，同時改變C，Si含量和改進孕育工藝，石墨形態、大小以及牛眼狀鐵素體都在2級左右，提升了芯部組織的抗拉強度和表面硬度，充分滿足了ESP軋制工藝技術要求。