H型鋼用石墨合金鋼輥環的研究

曹光宇，郭華樓，楊金剛，白思諾，王保宏，王滟偉

（1.軋輥復合材料國家重點試驗室，河北054025；2.中鋼集團邢臺機械軋輥有限公司，河北054025）

0 引言

H型鋼是在一對上下對稱放置的主動水平輥和一對左右對稱放置的被動立輥所形成的輥縫中軋制成形的。水平輥通過摩擦力將軋件咬入輥縫，軋件的摩擦力又拖動立輥轉動。而上下水平輥端面及兩個側壁均為熾熱的軋件包裹著，此處形變量較大，軋制力大，摩擦力大，同時水冷效果較差，因此槽底及側壁磨損較快，容易形成裂紋，裂紋邊刺被軋件帶走，使得軋輥表面形成微凹。軋件在擠壓與摩擦力的作用下，產生金屬流動，形成形變，部分外突毛刺與軋輥微凹形成互補，“阻礙”了軋件運動，最終形成粘鋼問題。另外在軋制過程中，軋件易形成氧化鐵皮剝落，軋件與軋輥之間沒有很好的潤滑作用，部分滯留在軋件或軋輥上，加劇了粘鋼問題[1-2]。

為解決上述弊端，一種專用于H型鋼軋制的高硬度石墨合金鋼軋輥研發取得進展。石墨合金鋼材質中含有較高的提高基體強韌性的多種合金元素，配合科學、先進的冶煉澆注工藝以及合理控制形成石墨化元素和碳化物元素的含量及相應比例，可使合金鋼在細珠光體基體上析出部分球狀石墨。石墨具有極好的導熱性，并起著自然潤滑劑的作用，有利于粘鋼問題的避免。而且均勻分布的球型石墨，其阻尼性能可以使抗裂性能大大提高[3]。因此，石墨合金鋼軋輥材質兼有優良的抗熱裂性、抗事故沖擊能力和高耐磨性。

1 化學成分的研究

為了滿足H型鋼軋輥使用性能，一般軋輥要求外層高硬度、高耐磨性，內層要求高強度、高韌性。輥環采用兩層或多層材質離心復合鑄造生產，外層（工作面）與軋件接觸部位選用高碳高合金半鋼材質；內層（非工作面）選用高碳鋼材質。

C：碳是與Fe、Cr、Mo形成M3C、M7C3、M2C等化合物，用于提高硬度、耐磨性，同時碳也是石墨化的重要元素。石墨合金鋼是依據高碳半鋼優化而來，仍采用過共析的基體組織，總碳量控制在1.5%以上。但是隨著碳含量的增加，滲碳體在基體組織中數量會增加，軋件脆性增大，抗熱裂性能降低。根據實際應用效果，石墨合金鋼碳含量的選擇控制在1.5%～2.2%為宜。

Si：硅可以促進石墨化，也可以的強化鐵素體，直接決定球狀石墨分布及形狀。為保證石墨合金鋼形成彌散的球狀石墨，硅的含量必須在1.3%以上。根據實際應用效果，石墨合金鋼碳含量的選擇控制在1.3%～2.0%為宜。

Mn：錳為阻止石墨化元素，可控制在0.6%～1.0%。

Cr：鉻是碳化物形成元素，是石墨合金鋼軋輥中重要的合金元素。Cr在軋輥中形成M7C3或者M3C化合物，可以改善軋輥表面抗粗糙性，可降低粘鋼問題的發生率。鉻元素可以使C曲線右移，推遲奧氏體轉變，從而提高淬透性。鉻含量提高還有利于改善石墨合金鋼軋輥的抗熱沖擊能力。根據實際應用效果，石墨合金鋼鉻含量一般控制在2.5%～4%。

Mo：鉬元素在奧氏體轉變過程中，可以析出細小二次碳化物M6C、MC，均勻分布在基體上，提高基體硬度及耐磨性。鉬也可使C曲線右移，推遲奧氏體轉變，從而提高淬透性。同時鉬元可以提高鋼的抗熱裂性能。因此，石墨合金鋼鉬含量控制在0.5%～1%。

Ni：鎳元素可以為了改善高速鋼基體韌度，與鉻共存，可顯著提高石墨合金鋼軋輥的綜合性能。因此，石墨合金鋼鎳含量控制在1.5～2.5%。

Mg：稀土中的鎂，可以促進球化作用，使石墨合金鋼石墨成球化，因此，石墨合金鋼殘鎂含量≥0.04%。

采用SPSS 17.0軟件，比較鼻出血患者血型構成比與同期我院住院患者中創傷類患者血型構成比，采用χ2檢驗。以P＜0.05為差異有統計學意義。

根據上述的成分設計原則，確定石墨合金鋼化學成分范圍如表1所示。

表1 石墨合金鋼化學成分 /%

2 孕育及球化工藝的研究

石墨合金鋼軋輥關鍵在于基體上產生分布均勻的球狀石墨，用于提高與軋件之間的潤滑作用，而孕育和球化處理是產生球狀石墨的關鍵。

2.1 球狀石墨化處理

球狀石墨的形成分為兩個階段，即形核與長大。球狀石墨形核的物質主要為稀土金屬的氧、硫化合物的夾雜。

鈣元素是非常活潑的堿金屬元素，它與鐵液中的氧，硫等元素形成化合物從而起到凈化鐵液的作用。同時產生的化合物也是石墨形核的物質之一起到強化稀土和鎂元素的變質作用，促進石墨球化的作用。硅、鋁可以使碳的溶解度降低，凝固過程中，碳以游離的石墨形態析出[4]。

一般情況下，鋼水在爐內進行終脫氧，在包內加入球化劑進行球化處理，同時包內加入孕育劑對鋼水進行補充孕育，澆前執行二次孕育，可有效抵消球化衰退現象，澆注時加硅鐵粒隨流孕育，發揮孕育劑瞬時孕育的效果。

經過試驗驗證，達到最佳孕育和球化效果，需要三級處理，即出鋼過程球化孕育，澆前二次孕育，澆注過程瞬時孕育[5]。

（1）出鋼過程球化孕育。石墨合金鋼外層出鋼水前，爐內進行終脫氧，包底加入1#合金、球化劑，鋼水出爐隨流沖入Si-Ca粒，硅、鈣元素可發揮孕育作用。

（2）澆鑄前球化孕育。澆注前再次沖入硅鐵粒二次孕育。

（3）澆注過程球化孕育。澆注過程中隨流沖入硅鐵粒瞬時孕育。

2.2 金相組織分析

采用上述三級處工藝，能使石墨合金鋼輥環工作層基體組織中均勻分布有大量細小、形狀較圓的球狀石墨，最終得到珠光體+碳化物的組織。

由于外圓余量較小，受激冷層影響，外圓石墨量偏低，外圓石墨含量在0.60%～1.2%左右，端面石墨含量1.40%～2.20%左右，石墨成團、團蟲、蠕蟲狀隨著軋制消耗，石墨含量會逐漸升高，潤滑作用增強，抗氧化鐵皮粘附性能增強。輥環外圓金相組織見圖1～3，輥環端面金相組織見圖4～6。

通過對圖1～6金相組織的分析可以看出：

（1）石墨細小彌散分布在基體組織上，極大地提高了基體組織的導熱性，在軋制過程中，降低了熾熱的軋件形成的熱應力。

（2）游離點球狀石墨起著自然潤滑劑的作用，降低軋輥與軋件之間的摩擦力，增強抗氧化鐵皮粘附性能力，有利用解決粘鋼問題的發生。

圖4～6，輥環端面金相組織（珠光體+10.36%碳化物+1.7%球狀石墨）

（3）同時彌散的球狀石墨具有良好的耐磨性、極小的硬度落差，大大提高了輥環抗熱裂性能和抗事故沖擊性能。由于解決了粘鋼問題，使軋材的表面光潔度大幅度提高。

經實驗室檢測：輥環外圓及側壁硬度為60～70HSD，抗拉強度≥600 MPa，兩項指標完全滿足H型鋼軋制需求。

圖1～3，輥環外圓金相組織（珠光體+12.74%碳化物+0.77%球狀石墨

3 萬能軋機應用

萬能型鋼軋機按用途可分為H型鋼萬能軋機、軌梁萬能軋機；按結構可分為普通型萬能軋機、預應力高剛度萬能軋機和緊湊式萬能軋機。根據工藝要求和產品規格不同，常采用串列式、半連續式和連續式布置方式。典型萬能型鋼軋機布置如圖7所示：

圖7 萬能型鋼軋機典型布置

H型鋼在軋制過程中粘鋼較為嚴重，成因很多，與軋輥完好程度、軋輥表面粘結氧化鐵皮、軋件帶來雜質以及生產節奏等方面都有很大關系。通過一些設備改造比如增加吹掃裝置、增加除磷水壓與水量，控制合理的換輥周期及合理的生產節奏等取得了一定效果。

國內某H型鋼廠，使用一組H700×300系列水平輥環，分別為UR上、UR下、UF上、UF下，往復軋制7道次。輥面材質為石墨合金鋼，第一次軋制4 200 t，較常規半鋼材質軋輥提升20%。僅在軋制第一支H型鋼時，UR軋輥工作面上下R角有一處輕微粘鋼，粘鋼位置上下輥對應，說明軋材咬入時產生粘鋼。修磨后，其余軋制正常，無粘鋼現象。再次上機使用，軋制4 300 t，無粘鋼現象，后續直到該輥壽命結束，也沒有發生粘鋼問題。石墨合金軋輥的應用，使得軋機綜合生產效率提高20%以上，同時軋材表面質量大大提升，得到客戶認可。

4 結論

目前該材質輥環已經在國外、國內主要H型鋼廠進行推廣應用，效果良好，解決了粘鋼問題，提高了生產效率，軋材表面質量也得到了改善。其主要工藝特點是：

（1）石墨合金鋼通過合理的化學成分設計，軋輥具有較高的強度，極好的耐磨性和抗熱疲勞裂紋性能，顯著提高使用壽命。

（2）石墨合金鋼通過合理的孕育和球化工藝，使其基體組織中一定數量彌散分布的球狀石墨，起著自然潤滑劑的作用，抗氧化鐵皮粘附性能得到增強。

（3）墨合金鋼軋輥應用于H型鋼輥環，消除粘鋼效果明顯，生產效率得到提高，軋材質量得到明顯改善。