轧辊基础知识讲座.docx
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轧辊基础知识讲座
轧辊基础知识讲座
1-什么是轧辊，轧辊的种类有哪些？
轧辊是使（轧材）金属产生塑性变形的工具，是决定轧机效率和轧材质量的重要消耗部件。
轧辊种类按成型方法可分为铸造轧辊和锻造轧辊；按工艺方法分为整体轧辊、冶金复合轧辊和组合轧辊。
整体轧辊分为整体铸造和整体锻造轧辊两种。
冶金复合铸造轧辊主要有半冲洗复合铸造、溢流（全冲洗法）复合铸造、离心复合铸造三种，此外还有连续浇铸包覆（CPC－ContinuousPouringProcessforCladding）、喷射沉积法、热等静压（HIP－HotIsostaticallyPressed）、电渣熔焊等特殊复合方法制造的复合轧辊种类。
组合轧辊主要是镶套组合轧辊。
2-什么是整体轧辊？
整体轧辊是相对于复合轧辊而言的，整体轧辊的辊身外层与心部以及辊颈采用单一材质铸造或锻造而成，辊身外层和辊颈不同的组织、性能通过铸造或锻造工艺以及热处理工艺过程来控制和调整。
锻造轧辊和静态铸造的轧辊均属于整体轧辊。
3-轧辊按材质主要分为哪几种类别？
轧辊按制造材料主要划分为铸钢系列轧辊、铸铁系列轧辊和锻造系列轧辊三大类别。
4-什么是铸造轧辊，铸造轧辊主要有哪些种类？
铸造轧辊是指将冶炼钢水或熔炼铁水直接浇注成型这一生产方式制造的轧辊种类。
铸造轧辊按材质又可分为铸钢轧辊和铸铁轧辊两类；按制造方法又可分为整体铸造轧辊和复合铸造轧辊两类。
5-哪些轧辊适合于整体铸造生产？
初轧机、钢坯连轧机、大型型钢和轨梁轧机、热轧板带钢轧机破鳞和轧边机、型钢万能轧机的轧边机，还有小型型钢、线棒材轧机的粗轧机架等轧机使用的轧辊，大多采用整体铸造方法生产，这类轧辊使用层较厚，孔型较深。
另外，热轧板带轧机的二辊粗轧辊也适合于整体铸造生产。
整体铸造轧辊的工艺方法相对简单，制造成本低。
6-什么是复合铸造轧辊？
复合铸造轧辊指轧辊辊身外层与心部以及辊颈采用两种或两种以上材质复合铸造而成，辊身外层和辊颈分别通过不同材质的成分设计和热处理工艺获得要求的组织和性能。
复合铸造方法有半冲洗复合铸造、离心复合与溢流复合三种，复合铸造轧辊需要特殊的工艺装备，工艺相对复杂，控制难度大，需要较高的制造成本。
7-复合铸造适合于哪些轧辊的生产？
复合铸造适合于生产那些工作负荷大、轧材质量要求高的轧辊。
这类轧辊辊身和辊颈性能要求相差悬殊，辊身表面硬度要求高，辊颈又要求较高的强度和韧性。
例如热带连轧机的工作辊、支撑辊；中厚板、宽厚板轧机的工作辊；平整轧机的工作辊和支撑辊；型钢万能轧机的辊环；小型型钢、棒线材轧机的精轧辊及无缝钢管轧机连轧管轧辊和张减径辊环等。
近几年离心复合高铬铸铁小立辊在国内外热带连轧机上得到越来越多的采用，表现出优良的耐磨性，明显延长了换辊周期。
8-什么是铸钢轧辊，铸钢轧辊有哪些品种？
碳含量小于2．2％的铁基材料铸造的轧辊统称为铸钢轧辊。
其中合金元素总量不大于0．8％的铸钢称为碳素钢；合金元素总量大于0．8％的铸钢称为合金铸钢；碳含量不小于1．3％的合金铸钢称为半钢。
铸钢轧辊主要品种有碳素铸钢轧辊、合金铸钢轧辊、半钢轧辊、石墨钢轧辊、高铬钢轧辊、复合铸钢支撑辊、高速钢轧辊、半高速钢轧辊等。
9-什么是碳素钢轧辊，其组织特点有哪些？
碳素钢轧辊是一种合金含量较低（不大于0．8％）的亚共析钢成分轧辊，如GB1503—89《铸钢轧辊》中列出的Z－U70、ZU80、ZU70Mn等，为我国早期使用的一种铸钢轧辊。
其基体组织为珠光体，但基体组织中存有大量的块状或条状铁素体，降低了基体的冲击韧性，同时耐磨性也较低。
目前国内横列式型钢轧机、复二重线材轧机和个别钢坯连轧机仍在使用碳素钢轧辊，已趋于淘汰。
10-什么是合金铸钢轧辊，其组织特点是什么？
合金铸钢轧辊是一种成分在共析钢及过共析钢范围，合金含量大于0.8%的铸钢轧辊，其碳含量一般在0.4%－1.3%之间，并含有一些铬、镍、钼、钒等合金元素，其基体组织通过正火+回火热处理过程，一般控制为索氏体及回火索氏体。
典型材质如：
60CrMnMo、65CrNiMo、70Mn2Mo、75CrMo、75CrNiMo等。
合金铸钢轧辊的基体组织以珠光体类型为主，含有少量的碳化物，硬度范围在HS35-50；由于基体中含有少量二次碳化物，因此较碳素钢轧辊耐磨性大有提高，同时由于消除了基体中的块状条状铁素体，所以轧辊的冲击韧性得到提高。
合金铸钢轧辊的性能特点是强度高、韧性好，具有很好的咬人性、抗热裂性和抗冲击能力。
合金铸钢轧辊的材质有降低碳含量、提高合金化程度的趋势，井采用多种微合金化技术，同时进一步提高冶金质量，使合金铸钢轧辊能够更好的满足不同轧机的使用需要。
11-合金铸钢轧辊主要用途有哪些？
方／板坯初轧机、大型型钢开坯和轨梁轧机的粗轧、板带钢二辊粗轧机和破鳞机架的大立辊以及型钢、棒线材轧机的粗轧机等使用合金铸钢轧辊。
整体铸造和复合铸造的支撑辊均属于严格意义上的合金铸钢轧辊，根据硬度要求控制碳含量和加入不同的合金元素，制作支撑辊的合金铸钢材料，含有较高的铬、钼、钒等合金元素，随着合金含量的增加，基体组织由索氏体转变为贝氏体或马氏体，同时含有高硬度的二次碳化物，硬度范围为HS55－70，具有优良的耐磨性和抗剥落能力。
12-合金铸钢轧辊的生产工艺和过程是怎样的？
合金铸钢轧辊大多数为整体铸造轧辊。
传统生产工艺采用辊身冷型挂砂、底注和正火回火热处理，主要用于生产碳素钢轧辊和普通3辊式型钢轧机、复二重棒线材轧机等使用的普通合金铸钢轧辊。
为了强化合金铸钢轧辊的辊身性能，以获得良好的辊身工作层铸造组织，大部分由冷型挂砂改为冷型喷涂料，冒口补缩采用电加热工艺，随着轧辊合金化程度的提高，轧辊热处理增加了高温扩散和球化等工艺手段。
合金铸钢轧辊生产工艺流程有两种：
一是冶炼—铸造—热处理—加工—性能、探伤等检测—成品；二是冶炼—铸造—粗加工—热处理—精加工—性能、探伤等检测—成品。
1986年国内引进了德国GP（Gontennann一PeipersGmbh）轧辊制造技术，采用无流浇铸工艺生产大型方／板坯合金铸钢初轧辊。
该轧辊成功地应用在宝钢Φ1300mml号初轧机上。
1997年马钢和莱钢分别从德国、日本引进了年产60万t和50万t的型钢万能轧机，近几年我国多家钢铁企业相继引进投产了型钢万能轧机。
根据型钢万能轧机合金铸钢BD（BreakDown）轧辊的结构及特殊的使用条件，国内依然应用无流浇铸工艺配合电加热冒口在静态铸造；条件下生产，使合金铸钢BD轧辊在凝固过程中实现顺序凝固，铸态获得致密的心部组织，从而发展和提高了合金铸钢轧辊的制造技术。
13-轧辊常用的热处理类型有哪些？
轧辊常用的热处理类型有去应力退火、等温球化退火、扩散退火、正火、回火、淬火、深冷处理。
14-冶金铸钢轧辊为什么要经过高温扩散处理？
铸钢轧辊凝固时由于存在树枝状结晶，所以会造成合金成分的晶内偏析，这种偏析是由于轧辊凝固过程中辊身上下、内层外层不能实现顺序依次凝固而造成的。
轧辊辊身直径越大，辊身长度越长，凝固温度梯度越大，所造成的合金凝固偏析越严重。
随着合金铸钢轧辊合金含量的增多，凝固时产生的偏析指数增大，造成的成分不均匀程度也越大。
因此，为了使合金元素的原子充分扩散，得到成分均匀的奥氏体组织，需将高合金铸钢轧辊加热到Ac3以上150－250℃保温一定时间，此种热处理手段称之为高温扩散处理。
15-合金铸钢轧辊为什么要进行球化退火热处理？
合金铸钢轧辊进行球化退火热处理，主要是为了改善轧辊的切削性能，提高切削效率并为后续的淬火处理做好相应的组织准备。
球化退火处理使组织中的碳化物由片状转变为球状，亦即在铁素体的基体上均匀地分布着球状或粒状碳化物，成为球状珠光体组织。
生产中选择球化温度，一般略高于Ac1临界点。
温度过低则所需的球化时间过长，温度过高则会导致粒度粗细不等的粒状珠光体出现。
16-合金铸钢轧辊为什么要进行淬火热处理？
合金铸钢轧辊淬火是将其加热到临界温度（Acm或Ac1）以上，保温一定时间使之充分奥氏体化后，再以大于临界冷却速度的冷速急剧冷却到贝氏体转变区，从而使辊身工作层获得贝氏体组织的热处理过程。
合金铸钢轧辊进行淬火热处理的目的，主要是为了使轧辊工作层获得良好的适用组织，充分发挥合金元素在轧辊中的作用，提高辊身工作层的硬度及耐磨性。
17-什么是半钢和高碳半钢轧辊？
20世纪40年代末，美国冶金学家研究开发了碳含量介于铸铁和铸钢之间的轧辊新材料，称之为“ADAMITE”，其碳含量在1.3%－2.2%范围内，力学性能处于钢和铁之间。
它既具有铸钢轧辊的高强度和韧性，又兼有铸铁轧辊的良好耐磨性，国内通称为“半钢”。
当半钢轧辊的碳含量大于1.8％时，又称之为高碳半钢轧辊。
18-半钢轧辊的组织和性能是什么，有哪些主要用途？
碳含量小于1．8％的半钢轧辊含有铬、镍、钼等合金元素，它的显微组织为回火索氏体，其基体上分布着细粒状及棒状碳化物，其硬度范围在HS35－55之间。
随着碳含量的增加，半钢轧辊的组织中出现了越来越多的共晶碳化物。
依据轧辊用途调整半钢轧辊的碳含量、合金元素含量，配合相应的热处理工艺，控制得到不同的基体、碳化物含量及形态的半钢轧辊组织，以适应不同轧机的使用要求。
因此，半钢轧辊材质已经发展成为系列材质，适用于不同类型轧机的使用要求。
半钢轧辊辊身工作层的碳化物含量、形态分布沿辊身半径方向变化很小，它突出的性能特点在于轧辊使用层内硬度降落很少，适合于开孔型较深的大中型型钢轧机中轧机架、钢坯连轧机轧辊，采用预开孔型热处理工艺生产型钢半钢轧辊使用效果更好。
半钢轧辊还广泛用于小型型钢棒线材粗轧机架；热带连轧机4辊粗轧、精轧前架工作辊、小立辊。
热轧中窄带钢精轧支撑辊等。
19-高碳半钢轧辊的组织和性能是什么，有哪些主要用途？
高碳半钢轧辊含有0%－5%铬和钼等合金元素，碳化物含量一般为15%以下，铬提高了基体的显微硬度。
高碳半钢轧辊的组织是在细珠光体或少量贝氏体基体上分布着大量的共晶碳化物。
硬度范围在HS50－65。
共晶碳化物的形态、数量、分布是影响其性能的主要因素，可采用稀土及其他变质处理高碳半钢轧辊的钢水，经过高温热处理的方法以获得不连续的碳化物。
高碳半钢轧辊用于大型型钢和轨梁轧机的精轧机架、型钢万能轧机辊环、S辊和轧边辊、悬臂轧机粗轧机使用的辊环等。
20-半钢轧辊有哪几种生产方法？
半钢轧辊大多采用静态整体铸造方法生产，2002年国内开发试制出了离心复合半钢支撑辊，辊身外层为半钢材料，辊身心部和辊颈为球墨铸铁材料，并成功地应用于热轧中宽带钢精轧机组。
半钢材质辊环采用离心铸造方法生产，辊环外层为高碳半钢，辊环内层为石墨钢或球墨铸铁材料，在高速旋转的离心机上，分别浇入两种不同材质的钢铁水复合铸造而成。
21-为什么半钢轧辊一定要经过高温扩散退火处理？
铬和碳是形成半钢轧辊碳化物的重要元素，从而也是提高轧辊耐磨性的重要元素。
但是由于轧辊凝固是一个非平衡过程，固溶体从钢液中结晶是一个选分结晶过程，因而在半钢轧辊铸态组织中存在着严重的铬偏析。
奥氏体晶界处为富铬区、富碳区，二次碳化物会在此处析出并形成网状，这种碳化物对轧辊的组织性能破坏很大。
因此要消除轧辊凝固偏析所造成的铬偏析，必须要对半钢轧辊进行高温扩散退火处理。
22-非金属夹杂物对半钢轧辊组织有什么影响？
钢液中存在大量的高熔点非金属夹杂物时，易形成伪共晶碳化物核心，在凝固过程中析出的共晶或伪共晶碳化物优先长大，而且极易形成大块碳化物，巨大的渗碳体易成为热龟裂的发生点，并起加速裂纹扩展的作用，非金属夹杂物的存在将使半钢轧辊的断裂韧性值和塑性指标降低。
所以，半钢轧辊一般要求将非金属夹杂物总量控制在0.05%以下。
23-什么是石墨钢轧辊？
在半钢轧辊材质的基础上，通过控制石墨化元素和碳化物形成元素的含量及相应比例，在钢液中添加适量的孕育合金和球化剂进行孕育和球化，使轧辊在凝固过程中形成球状或团状石墨，因组织中含有少量游离石墨而称之为石墨钢轧辊。
24-石墨钢轧辊的组织和性能特点有哪些？
石墨钢轧辊碳含量与半钢轧辊相当，基体显微组织与半钢轧辊相近，基体组织中仍然存在具有粒状及棒状碳化物的耐磨质点，同时基体组织中还有一定数量的球状石墨。
由于石墨具有极好的导热性，可有效的降低轧辊在工作中产生的热应力，同时游离点状石墨的存在，可以起到阻止裂纹扩展的阻尼作用，使抗热裂性能明显提高，石墨起着自然润滑剂的作用，因而石墨钢轧辊具有独特的性能，优良的抗热裂性、抗事故冲击能力和半钢轧辊的耐磨性、极小的硬度落差，硬度一般为HS35~60。
对于深孔型大型型钢轧机，石墨钢轧辊通过粗开孔型后进行成品热处理，是孔型底部和侧壁－轧辊表层获得均匀一致的显微组织，因而孔型底部和侧壁的耐磨性与辊面相差无几。
另外，依据轧辊用途，可以调整石墨钢轧辊的碳含量、合金元素含量及硬度要求，控制组织中碳化物和石墨的含量及形态，因此，石墨钢轧辊已经逐渐发展成为系列，适用于不同类型轧机的使用要求。
25-石墨钢轧辊的制造工艺方法有哪些？
石墨钢轧辊与半钢相识，大多采用整体铸造方法生产。
根据需要也可采用溢流复合工艺或离心铸造生产外层为石墨钢材质、芯部及辊径为合金铸钢材质的复合石墨轧辊，如热带连轧机二辊粗轧辊。
石墨钢辊环铸造方式与半钢材质辊环一样，采用离心铸造生产，辊环的外层为石墨钢，内层为球墨铸铁。
要针对不同用途的石墨钢轧辊提出合理的热处理制度，粗轧辊的主要要求是热稳定性、强度、塑性要高，对中轧和精轧机轧辊的要求是硬度和耐磨性高。
2003年国内首次采用溢流复合工艺试制出复合石墨钢轧辊，已经应用于目前国内最宽的热带连轧机的粗轧机架。
26-石墨钢轧辊的主要用途有哪些？
石墨钢轧辊主要用于大型初轧机、钢坯连轧机、大中型型钢轧机粗轧中间轧和精扎、小型型钢和棒材粗轧，复合石墨钢轧辊用于热轧带钢二辊可逆粗轧辊和炉卷轧机的立辊，型钢万能轧机、悬臂轧机所使用得辊环可选用离心复合石墨钢辊环。
27-半钢与石墨钢轧辊比较性能特点是什么？
半钢、石墨钢轧辊依靠基体及棒状、小颗粒状碳化物来保证其硬度和耐磨性，硬度落差较小，因此在整个轧辊服役期间能够保持其耐磨性能。
研究表明：
石墨钢轧辊基体组织中一定数量的石墨，对其性能有很大影响，石墨钢轧辊的导热系数高于半钢，在冷却水条件不是很好的情况下，适合选择石墨钢轧辊，例如：
对于深孔型大型型钢轧机，冷却水很难进入到深孔部位，而侧壁又要承受相对较大的热冲击，使用石墨钢轧辊比半钢轧辊在一定程度上会减轻热裂纹的产生，侧壁掉块现象得到改善，同时磨损程度与半钢轧辊相当。
石墨钢、半钢轧辊的化学成分和物理性能见表13-1和13-2。
表13-1石墨钢、半钢轧辊的化学成分
轧辊
材质
C
Si
Mn
Cr
Ni
Mo
石墨钢
1.2~2.3
1.0~2.2
0.5~1.2
0.4~3.5
0.2~2.0
0.2~1.0
半钢
1.3~2.2
0.3~1.0
0.6~1.4
0.5~3.5
0.2~2.5
0.2~1.0
表13-2石墨钢、半钢轧辊的物理性能
性能
材质
硬度
（HS）
导热系数
/W（m。
k）-1
抗拉强度
/MPa
金相组织
石墨钢
35~65
46.52~52.34
≥400
细珠光体+球状石墨+碳化物
半钢
35~65
34.89~40.71
≥400
珠光体+少量贝氏体+碳化物
28-什么是高铬铸钢轧辊？
高铬铸钢轧辊是20世纪80年代初期欧洲轧辊制造者，在研究分析高铬复合铸铁轧辊技术特征和使用实践的基础上，参照Cr12MoV冷作模具钢材质特征，开发出的具有高硬度、高耐磨性合金铸钢轧辊材质，首先用于法国的SOLLAC公司的热带连轧粗轧机架，取得了很好的使用效果。
宝钢20世纪90年代初期开始使用CK（Chavanne-Ketin）公司及比利时MK（Marichal-Krtin）的高铬铸钢轧辊。
29-什么是高铬铸钢轧辊的二次硬化？
高铬铸钢复合轧辊辊身工作层组织的二次硬化是指轧辊经过高温淬火后二次碳化物的析出过程，高铬铸钢轧辊加热到奥氏体化温度后，应快速冷却使铬、钼、钒等合金元素保留在奥氏体内，到600℃后，等温转变使Mo2C和M3C型渗碳体向M7C3型转变，使Mo2C和V4C3碳化物从马氏体中沉淀析出，以实现“弥散强化”。
此过程称之为高铬铸钢轧辊的二次硬化。
30-高铬铸钢轧辊的组织特点有哪些？
高铬铸钢复合轧辊碳含量为0.7%~1.4%，铬含量为8%~16%，同时含有钼镍和适量钒等合金元素，硬度范围控制在HS65~80。
高铬铸钢轧辊铬含量虽然低于高铬铸铁轧辊，但其碳含量也低，实际的Cr/C比要高于高铬铸铁轧辊，因而高铬铸钢轧辊中碳化物主要是M7C3型，基体组织控制为马氏体+碳化物。
由于高铬铸钢具有比高铬铸铁材质更加富铬的基体组织，在特定的热处理过程中，基体上吸储弥散的二次合金碳化物，使用过程中辊面形成附着力强且致密的氧化膜，因此高铬铸钢轧辊表现出了优良的耐磨性能。
高铬铸钢复合轧辊芯部大多采用球墨铸铁，具有较高的韧性和抗冲击能力，基体组织控制为珠光体+牛眼铁素体+少量碳化物+球状石墨。
高铬铸钢轧辊的典型成分范围见表13-3。
表13-3高铬铸钢轧辊的典型成分范围%
C
Si
Mn
Cr
Ni
Mo
0.7~1.4
0.4~1.0
0.2~1.0
8~16
0.2~1.0
1.0~3.0
31-高铬铸钢轧辊的性能特点有哪些？
与高铬铸铁轧辊相比，高铬铸钢轧辊有以下性能特点：
⑴碳化物的类型为M7C3型，显微硬度高，耐磨性好；
⑵基体为马氏体+碳化物，碳化物网状比高铬铸铁减轻，抗热裂性增强；
⑶由于热扩散主要取决于基体组织的热传导，因而碳化物总量降低，网状形态的减轻使得导热性增强，降低了对轧辊冷却水的要求；
⑷碳化物量及大块状碳化物减少，咬入性能增强；
⑸Cr/C比增强，抗氧化性增强，氧化膜致密不易脱落，可在较高的温度下保持不至于长厚。
32-高铬铸钢轧辊的生产方式和应用范围是什么？
高铬铸钢轧辊基本生产方式为离心复合浇铸，控制冷却，热处理则要分别经过高温和低温不同阶段的热处理，通过控制铸造和热处理两个环节，得到很好的组织和性能。
高铬铸钢轧辊得辊身外层为高铬钢，心层可用高韧性灰口铸铁或高强度球墨铸铁材料，可采用卧式、立式、和斜式三种离心方法生产。
高铬铸钢轧辊主要用于热带连轧机4辊粗轧工作辊、连铸连轧机4辊粗轧工作辊、一些带钢连轧机的轧边辊，以及型钢万能轧机的水平辊环。
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