白思諾,劉秋全,王國菊,冀鑫剛,王保宏,郭華樓
(中鋼集團(tuán)邢臺(tái)機(jī)械軋輥有限公司,河北邢臺(tái) 054025)
國內(nèi)某180PQF 無縫軋線為拓展軋制無縫鋼管的品種,提高軋線產(chǎn)能,需要開發(fā)軋制235 孔型無縫鋼管產(chǎn)品,通過技術(shù)論證,需將連軋機(jī)架的第一架、第二架連軋輥進(jìn)行改造,連軋輥的輥身長度由原來的220mm 加長至240mm,由于孔型較大,肩部厚度超出原設(shè)計(jì)預(yù)期,如圖1、2 所示。
通過圖1 和圖2 能清晰看到,輥身長度增加,仔口位置厚度不變,輥身肩部隨著孔型尺寸逐漸增加,強(qiáng)度逐漸薄弱,抗事故性能降低。球墨鑄鐵材質(zhì)軋輥,內(nèi)含球狀石墨,工作層表面具有自潤滑作用,可大大降低摩擦系數(shù),但力學(xué)性能較差,輥身肩部強(qiáng)度不夠,存在剝落問題,無法使用。鑄鋼材質(zhì)連軋輥硬度高,強(qiáng)韌性能配合好,但沒有自潤滑性能,使用時(shí)在干摩擦情況下很快會(huì)發(fā)熱軟化、磨損失效,耐磨性差,同時(shí)粘鋼情況嚴(yán)重,單次軋制量不足800 支就需換輥車削,由于換輥頻繁,工人勞動(dòng)強(qiáng)度大,而且影響生產(chǎn)效率。
圖1 原輥身長度220mm
圖2 輥身長度加長至240mm
為解決上述弊端,需解決鑄鐵軋輥強(qiáng)度不夠的問題及鑄鋼軋輥粘鋼、不耐磨的問題,一種專用于無縫鋼管軋制的高強(qiáng)度新材質(zhì)軋輥研究,已經(jīng)迫在眉睫亟待研發(fā)。
在熱軋無縫鋼管生產(chǎn)中,由于各種復(fù)雜因素的影響,連軋工序受力是非常繁雜的,軋輥難免會(huì)發(fā)生較大的磨損、剝落,甚至發(fā)生斷裂事故,引起軋輥失效。軋輥基本作用力的承受有以下三類:摩擦應(yīng)力——帶動(dòng)軋制的推動(dòng)力;熱應(yīng)力——與管坯接觸加熱及冷卻水降溫引起的周期性熱應(yīng)力;機(jī)械應(yīng)力——軋制負(fù)荷產(chǎn)生的接觸應(yīng)力、剪切應(yīng)力以及殘余應(yīng)力等。
以上應(yīng)力均是周期性應(yīng)力,易造成軋輥表面產(chǎn)生疲勞裂紋,如果疲勞裂紋去除不徹底,使用中裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展,當(dāng)強(qiáng)度低于所受應(yīng)力時(shí),軋輥失效。國內(nèi)某180PQF 無縫軋線軋輥失效照片如圖3、4 所示。
圖3 輥身肩部剝落
圖4 輥身孔型粘鋼
生產(chǎn)熱軋無縫鋼管用連軋輥,必須具備兩個(gè)條件:首先保證鋼管的外觀、尺寸和表面質(zhì)量;其次是保證軋輥使用壽命和使用效率。因此,對(duì)連軋輥的性能要求如下:
(1)韌性高,確保在軋制過程中承受彎曲應(yīng)力、熱應(yīng)力、沖擊力等情況下能正常軋制。
(2)抗熱裂性高,軋輥在熱應(yīng)力作用下少產(chǎn)生熱裂紋,避免出現(xiàn)斷裂失效情況。
(3)耐表面粗糙性好,不因熱裂和磨損等造成嚴(yán)重的表面粗糙。
(4)耐磨性好,軋輥在線磨損小。
目前PQF 軋機(jī)常用的軋輥材料為強(qiáng)韌性較好的球墨鑄鐵,但輥身長度加長,孔型較大時(shí),球墨鑄鐵材質(zhì)強(qiáng)度不夠;鑄鋼材質(zhì)在無縫PQF 軋機(jī)上使用較少,主要原因是耐磨性能差,易粘鋼等。
石墨合金鋼是超高碳過共析鋼,其特點(diǎn)是經(jīng)過適當(dāng)?shù)臒崽幚砗笮纬芍楣怏w基體和少量均勻分布的球狀石墨混合組織,因而具有鑄鋼和鑄鐵的綜合性能。在鑄鋼化學(xué)成分基礎(chǔ)上,通過元素合理匹配,并增加球化孕育工序,使鑄件產(chǎn)生細(xì)小彌散的球狀石墨。
石墨合金鋼軋輥主要用于型鋼、板帶、棒材軋機(jī)中。軋輥工作時(shí),長期與高溫坯料接觸擠壓,均勻分布的球狀石墨具有自潤滑作用,提高軋輥的抗熱裂性;另外,石墨合金鋼軋輥強(qiáng)度高于球墨鑄鐵軋輥,提高軋輥的抗事故能力。
常規(guī)元素對(duì)石墨合金鋼軋輥性能影響:(1)碳對(duì)石墨合金鋼組織及性能有決定性的作用,碳含量太高造成力學(xué)性能降低,碳含量太低導(dǎo)致耐磨性能差;(2)硅氧化合物是形核基質(zhì)中的重要組成部分,有促進(jìn)石墨形核的作用;(3)錳為阻止石墨化元素,提高基體中珠光體體積分?jǐn)?shù);(4)鉻提高共析轉(zhuǎn)變溫度,能有效促使珠光體生成;(5)鉬屬于弱碳化物形成元素,不促進(jìn)也不干擾石墨球化,在提高石墨合金鋼強(qiáng)度方面效果比較明顯;(6)鎳可以改善石墨合金鋼基體韌度,提高珠光體體積分?jǐn)?shù);(7)鎂具有球化作用。
根據(jù)上述的成分設(shè)計(jì)原則,以石墨合金鋼材質(zhì)為基礎(chǔ),繼續(xù)提高軋輥強(qiáng)度,在石墨合金鋼軋輥基礎(chǔ)上進(jìn)行成分優(yōu)化,研發(fā)出兼顧自潤滑、抗疲勞、耐磨損的高強(qiáng)度石墨合金鋼軋輥,最終確定石墨合金鋼軋輥化學(xué)成分范圍如表1 所示。
表1 石墨合金鋼化學(xué)成分 w/%
與普通鐵水相比,成分碳當(dāng)量低,造成石墨合金鋼鐵液流動(dòng)性差,凝固收縮系數(shù)大,為保證補(bǔ)縮效果,需要制定合理的的冒口補(bǔ)縮工藝。要保證冒口凝固時(shí)間大于被補(bǔ)縮部位凝固時(shí)間,并確保凝固過程補(bǔ)縮通道暢通,擴(kuò)張角向冒口。因此冒口造型時(shí)增加保溫裝置,減緩冒口部位鐵水凝固速度。石墨合金鋼生產(chǎn)制作中澆注溫度高,易產(chǎn)生較大的應(yīng)力而開裂,工藝設(shè)計(jì)時(shí)使用保溫性能較好、強(qiáng)度較高的醇基涂料,合理控制澆注模溫及鋼水過熱度,減少凝固過程產(chǎn)生的應(yīng)力,降低開裂率。
球化和孕育處理是生產(chǎn)石墨合金鋼的重要工藝操作,球化處理目標(biāo)是促使石墨晶體生長成為球狀,孕育處理則是提高共晶轉(zhuǎn)變溫度,促使合金按穩(wěn)定系進(jìn)行共晶轉(zhuǎn)變,避免鑄件出現(xiàn)白口。合適的球化孕育工藝,能析出少量石墨并充分球化,因此,合理制定球化孕育工藝是保證石墨合金鋼性能的關(guān)鍵措施。
經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證,在鋼水中脫氧以后出鋼過程中加人球化劑進(jìn)行球化處理,然后加入孕育劑對(duì)鋼水進(jìn)行補(bǔ)充孕育,澆前執(zhí)行二次孕育,可有效抵消球化衰退現(xiàn)象,起到提高石墨圓整度和抑制畸形石墨產(chǎn)生的功能,使軋輥達(dá)到最佳的孕育和球化效果,使石墨合金鋼軋輥基體組織中均勻分布有大量細(xì)小、形狀圓整的球狀石墨,最終得到珠光體+碳化物的組織。
高強(qiáng)度石墨合金鋼軋輥在激冷作用下,工作層石墨含量在0.5%~1.0%,碳化物含量在10.0%~15.0%,金相組織見圖5。
圖5 金相組織(珠光體+12.57%碳化物+0.82%球狀石墨)
石墨具有阻礙疲勞裂紋擴(kuò)展的作用,可提高軋輥使用壽命;同時(shí)由于石墨具有熱傳導(dǎo)能力較強(qiáng)的特性,可有效降低使用中的熱應(yīng)力,提高軋輥綜合性能。
無縫鋼管生產(chǎn)主要經(jīng)過以下幾道工序;穿孔—連軋—脫管—定(減)徑—矯直。連軋管機(jī)組又分為MPM兩輥連軋管機(jī)組和PQF 三輥連軋管機(jī)組兩種。PQF 三輥連軋管機(jī)組中,三輥孔型組成360°,打破MPM兩輥局限性,可軋制高精度鋼管,PQF 三輥軋機(jī)布置見圖6。
圖6 PQF 三輥軋機(jī)布置
上文提到的國內(nèi)某180PQF 無縫軋線,前期使用鑄鋼軋輥時(shí)單次軋制量僅800 支,使用高強(qiáng)度石墨合金鋼軋輥后,首次上機(jī)軋制2520 支,下機(jī)輥面無粘鋼、麻面等情況,下機(jī)輥面照片圖7。
圖7 首次下機(jī)輥面照片
通過后期陸續(xù)使用,反饋效果較好,超出預(yù)期目標(biāo),單次軋制量最高可達(dá)到3980 支,平均軋制量2800 支,綜合生產(chǎn)效率提高30%。
熱軋無縫鋼管用高強(qiáng)度石墨合金鋼軋輥,兼顧自潤滑、抗疲勞、耐磨損等綜合性能,解決PQF軋機(jī)開發(fā)新品種時(shí)鐵基產(chǎn)品輥身剝落、鋼基產(chǎn)品粘鋼不耐磨等問題,使產(chǎn)品性能穩(wěn)定,軋制量提高,抗事故能力增強(qiáng),適應(yīng)軋線需求,得到客戶認(rèn)可。