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高碳半钢轧辊工艺设计原理浅析 北京首钢京顺轧辊有限公司 李京华 王 飞 摘要：高碳半钢轧辊是含碳量在1.～2.4%左右,处于过共析和亚共晶范围之内,介于铸钢和铸铁之间的一种轧辊的强韧性接近钢辊而优于铁辊,硬度与耐磨性接近铁辊而优于钢辊,良好的抗折断、抗磨损、抗表面粗糙、抗热裂等主要性能。在国外称为Adamite轧辊,在苏联和东欧国家称其为过共析钢轧辊。的微观组织一般由珠光体基体和游离碳化物组成,与铸钢轧辊相比,它有游离碳化物存在,与铸铁轧辊相比,它没有石墨析出。能使硬度与韧性在较宽的范围内相互,被广泛应用于型钢粗轧和中间机架、热轧带钢连轧机粗轧和精轧前段工作辊。 二、设计原理 1、化学成份的制定依据 碳：伴随着含碳量的增加，共晶碳化物量增加，轧辊的硬度、耐磨性呈线性趋势提高，强度、塑韧性随之下降。 硅、锰：硅是钢中的有益元素，作为脱氧剂用把钢液中的FeO还原成铁，减少钢液中的夹杂物，提高纯净度。但含硅量过高会提高共析转变温度，不易获得较细的珠光体组织。一般硅在0.3~0.6%之间控制。锰能够提高钢的强度和硬度，当含锰量小于0.8%时，可以稍微提高或不降低钢的塑性和韧性。另外锰除了具有脱氧作用外，还能与钢液中的硫生成MnS，较大程度的消除硫在钢中的有害影响。 磷、硫：磷、硫属于有害元素，应严格限制。磷可以提高钢的强度和硬度，但剧烈降低钢的韧性，增加冷脆倾向；且磷具有严重的偏析特性，在γ-Fe中的扩散速度很小，很难用热处理的方法消除。硫在钢中以FeS的形式留在晶界处，增加热裂倾向。因此，磷、硫元素含量应严格控制。 铬：铬是碳化物形成元素，与镍匹配，可显著提高高碳半钢轧辊的综合力学性能。随着铬含量的增加，C曲线右移、淬透性增加。同时偏析程度增大，容易促成粗大碳化物的形成。因此，高碳半钢轧辊铬含量控制在0.8~1.5%之间。 镍：镍增加基体强度。可无限固溶于奥氏体中，使奥氏体冷却曲线右移，提高淬透性，不形成碳化物。镍含量过高会增加基体组织中残余奥氏体含量。镍含量一般在0.6~1.2之间控制。 钼：钼部分固溶于α-Fe，另一部分与碳形成碳化物，显著提高轧辊的高温强度；提高半钢淬透性。需与铬、锰元素配合使用进一步提高淬透性，降低轧辊回火脆性。钼在高碳半钢中按0.2~0.6%控制。 2、铸造工艺原理 采用外冷铁强制冷却、冷型刮砂、顶注的工艺方法使下辊颈、冷型、上辊颈、保温冒口形成1、2、3、4的顺序凝固，最终使缩孔、二次缩松带集中于冒口中，切除保温冒口，获得组织致密的轧辊毛坯。轧辊辊身使用6-8目大粒儿干模砂，确保良好的透气性能。吃砂量12~15mm，涂料厚度2~3mm。辊身与下辊颈采用大圆弧连接，如辊颈与辊身直径比值较小，需适当加大下辊颈直径，以避免出现辊身与下辊颈收缩严重不同时出现的受阻热裂纹。辊身与上辊颈之间采用可滑动砂芯连接，目的为了辊身收缩完毕以后上辊颈开始收缩的过程中，辊身可以随上辊颈自由的收缩不受阻碍。冒口采用保温发热套，由硅铁粉、木炭粉、硝酸钠等材料组成。在金属液热作用下，其中的硅铁粉与氧化铁反应释放热量，增加冒口中钢液温度，延缓凝固时间；硝酸钠促进放热反应的进行；木炭粉起保温作用。冒口中钢液的长时间高温状态，使冒口补缩效率大大提高、补缩过程充分有效。 高碳半钢轧辊上辊颈直径的确定是决定着是否可以实现顺序凝固、将缩孔和二次缩松带移至冒口的关键环节。上辊颈直径=Ф辊身×e×（1.15~1.30），其中， Ф辊身为轧辊辊身毛坯直径； e为轧辊辊身直径衰减系数，取0.560~0.678；衰减系数e值的确定应考虑轧辊毛坯直径、化学成份、冷型壁厚的影响。辊身直径小，e值取上限；反之，取下限。含碳量高，e值取上限；反之，取下限。另外，冷型壁厚对e值的影响也应考虑进去。 另外，确保建立补缩通道的上辊颈直径增加系数在1.15~1.30之间取值。首先应充分考虑含碳量对结晶范围的影响，随着含碳量的增加，固相线与液相线距离越大，结晶范围越宽，越倾向于糊状凝固特性，补缩扩张角减小，补缩通道的建立难度增加。因此，含碳量越高取上限；反之，取下限。另外，上辊颈高度越高取上限；反之，取下限。 冒口的设计，应综合考虑激冷区与轧辊毛坯体积的比值、上辊颈的高度、化学成份、浇注温度等因素的影响，将工艺出品率控制在0.76~0.86之间。 3、热处理机理 高碳半钢轧辊毛坯通过扩散、球化、正火、回火四段热处理工艺，最终获得细珠光体（索氏体）基体+少量贝氏体+颗粒状碳化物、未能溶解的较大片状和块状伪共晶碳化物。各段热处理的目的如下。 高温扩散：高碳半钢轧辊的凝固过程是一个非平衡凝固过程，在加上铬合金元素的影响，组织偏析更加严重。高温扩散的目的在于消除晶内偏析，使成分均匀化、合金元素的分子充分的扩散，从而改善碳化物的形态及分布特征。当加热温度升高至800度以上