中国轧辊制造业技术现状与发展趋势(上)

中国轧辊制造业技术现状与发展趋势(上)
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核心提示：近几年，具有国际先进水平的轧机和轧制技术相继落户中国，推动了我国冶金轧辊制造装备和制造技术快速发展，使我们逐渐从早期的手工操作向自动化、智能化控制方向发展，无论从控制水平还是精度都得到大幅度提高，轧辊质量稳定提高。
　　一、概述
　　从20世纪90年代开始，中国的钢铁行业开始快速发展，前5年钢产量的年平均增量为600.2万吨，后5年的年平均增量在662.6万吨，进入21世纪后的前5年，钢产量的增幅迅速加大，年平均增量达4477.4万吨，为90年代初的7.09倍，2006年产钢4.23亿吨，占世界钢产量的三分之一，2007年，我国钢产量进一步提升，达4.89亿吨，占世界总钢产量13.44亿吨的36.44%。
　　在钢产量快速增长的同时，我国钢材品种的结构优化步伐也在加快，尤其是以发展板材为中心的产品结构优化与调整。第一个特点是冷轧板比例大大提高，汽车板、家电板等高级板材以及电工钢板、不锈钢板等高附加值特殊用途板材产能提升迅速。从整个冷轧行业来看，工艺装备能力及技术水平明显提高，2007年我国已建及在建的宽带冷连轧机已达到30余套，新上轧机以及一些老轧机通过技术改造，基本都配备了先进的板型控制系统，高级冷轧薄板的生产能力已达到4000万吨以上。如果再考虑单机架冷轧等小型轧机，我国冷轧板材产能约在7000万吨左右。第二个特点是钢材生产逐渐由常规型向高等级方向发展，如型线材产品向高强度方向发展，建筑用钢筋由过去的Ⅱ级钢筋向HRB400钢筋推广；第三个特点是以汽车板、管线钢、容器板、造船板为主体的各类板材，向高强度、高韧性、良好焊接性能及表面质量方向发展；薄板产品向着超细晶、高强度方向发展。总体上讲，除少数品种和规格特殊用钢外，目前我国钢材实物质量已逐步接近或达到国际先进水平。
　　为实现高等级钢材产品的轧制需求，国内高端轧辊的研制和开发进程加快，大量替代进口的轧辊在短时间研制成功并取代进口，极大地满足了国内钢铁工业发展的需求。
　　轧辊作为轧钢工业的重要工具，是轧钢设备的最主要消耗部件，随着产钢量的增加，轧辊消耗量迅速增加。粗略计算，如果按吨钢消耗轧辊1kg估算，仅2007年的轧辊消耗就约在50万吨左右。随着钢铁企业产出能力的大规模迅速扩张，新建投产轧机的不断增加，给轧辊制造行业带来“井喷式”的强劲需求，中国的轧辊制造行业获得了前所未有的发展机遇。
　　为紧跟钢铁产业迅猛发展的步伐，满足日益增长的市场需求，国内各轧辊制造企业近年来也加快了技术改造、产能扩张的速度。通过加强技术改造、自主研发能力培育，在技术装备、产品的使用性能上已达到国际水平，并形成了一大批具有自主知识产权的专有技术。经过多年发展，目前中国轧辊制造企业产品品种多、覆盖面广，可以生产不同材质、不同规格、不同品种的各种轧辊，服务并满足于国内各种轧机需求，通过与钢铁企业的合作与互动，建立战略联盟关系，深化技术交流与合作，共同立项研发课题，使上下游双方达成了一定的默契和协调，优化了市场资源和发展基础。
　　受轧辊行业火爆形势影响，大量的资金投入轧辊制造行业，扩建和新上一批轧辊制造企业。与此同时，国外轧辊制造企业也看中了中国轧辊业这块蛋糕，纷纷斥资在中国建立或合资兴建轧辊制造厂。据不完全统计，目前我国现有大大小小300多家轧辊厂，产出能力达到70万吨左右。
　　我国轧辊制造业经过几十年的发展，已取得较大成绩，主要表现在以下几方面：
　　一是产量有较大幅度的增长。随着轧钢产量的快速发展，轧辊制造业的产能和轧辊的产量也快速增长，对满足国内钢铁行业的需求和发展起到了积极的作用。
　　二是产品质量合格率稳定提高。以2007年上半年统计数据，主要铸铁轧辊综合质量合格率为94.06%，比2006年同期提高0.56%。
　　三是生产轧辊的品种结构有所变化。轧辊生产逐渐向板带等优质轧辊集中，特别是用于板带行业的高等级轧辊产量，近年来增长最为迅速。目前，中钢邢机所生产的用于现代化板带轧机轧辊已占到各类轧辊产量的70%以上。
　　四是轧辊出口创汇大幅度增长。2007年上半年，在被统计的31家企业中有9个单位出口铸铁轧辊3430吨，比去年同期增长75%。2007年中钢邢机完成各类轧辊出口创汇4000万美元。
　　但是也应该看到，国内的轧辊企业虽然在产量上不断扩大，但在品种结构调整却没有完全跟上钢铁工业技术进步、结构优化调整的步伐，高端轧辊生产能力明显不足。如高速钢、半高速钢轧辊，目前国内仅有中钢邢机具备批量生产能力，市场占有量较低；宽带冷连轧机用高质量轧辊，国内只有中钢邢机、常冶具备工作辊、中间辊批：量供货能力，而对于大型支承辊目前只有一重、二重以及中钢邢机等具备生产能力且产能难以满足市场需求。有些高等级板材的轧制还依赖进口轧辊，特别是“十一五”期间新上的宽带钢生产线，板材精度要求较高，这方面的矛盾会显得更加突出。宝钢、鞍钢等大型钢铁企业宽板带轧机每年都要从国外进口轧辊，这也反映出我国轧辊总体制造水平还有待于进一步提高。因此，为现代化轧机配备高性能的轧辊成为我国轧辊制造业面临的新课题，而选择轧辊生产工艺和材质是制造不同种类高等级轧辊的关键。
　　二、中国轧辊制造技术现状
　　近几年，具有国际先进水平的轧机和轧制技术相继落户中国，推动了我国冶金轧辊制造装备和制造技术快速发展，使我们逐渐从早期的手工操作向自动化、智能化控制方向发展，无论从控制水平还是精度都得到大幅度提高，轧辊质量稳定提高。
　　1.铸造轧辊
　　在冶炼设备方面，对于铸铁轧辊，落后的冲天炉、反射炉已在上世纪末被陆续淘汰，代之以工频炉、中频炉，铁水质量改善，工作效率大大提高，工作环境净化，降低了工人的劳动强度。但目前国内工、中频炉冶炼主要还是采用酸性炉衬，不具备氧化、还原功能，降低铁水中的P、S含量受到一定限制，只能采用其他辅助手段进行降P脱S。铸钢轧辊因对钢水中P、S等杂质含量要求较严，一般冶炼采用电弧炉，随着轧辊对夹杂、气体含量要求的提高，铸钢轧辊的冶炼开始向电弧炉+钢包精炼炉冶炼发展，有些厂家还采用了保护浇注、真空浇注等先进生产工艺，进一步提高轧辊的内在质量。
　　在制造工艺方面，也从过去常法浇铸单一材质、半冲洗、全冲洗浇铸复合材质发展到今天的离心复合浇铸工艺、CPC复合制造以及喷射成型、热等静压成型、液态金属电渣复合等，目前以离心复合、全冲洗溢流复合为主要生产方式，CPC和其他——些先进的轧辊制造技术日前尚未形成生产能力。近年来，堆焊轧辊作为一种新型轧辊制造和修复方法，取得了快速发展，堆焊的品种主要包括铸钢、锻钢轧辊，堆焊方式已发展到目前的药芯焊丝堆焊、电刷涂镀、激光表面合金化和粘接轧辊等。有些轧辊品种实现了组合装配生产，如板带轧机的立辊、型钢万能机组组合辊等。针对型钢轧辊孔型深的特点，为保证孔型面磨损均匀，有些厂家采用了带槽铸造技术。为解决大型铸钢轧辊补缩问题，中钢邢机自主开发了无流浇注技术，使轧辊制造过程实现了顺序凝固，减少了中心疏松。
　　中钢邢机从德国GP公司引进了大型立式离心浇铸机及离心轧辊制造技术、增建了30吨、45吨电弧炉、70吨LF/VD钢包精炼炉以及多台中频、工频感应炉设备，已经建成大型铸钢轧辊、离心复合系列铸铁轧辊、大型复合铸钢支撑辊等优质轧辊生产线，其工艺、技术、装备代表着我国目前轧辊制造业的先进水平。另外，太钢和瑞典Akers、一重和德国依勒尔、宝钢和日立也实现了合资，外资和技术的引进，也使中国的轧辊制造技术快速发展。
　　在轧辊材质方面，铸铁轧辊由过去的冷硬铸铁、无限冷硬、冷硬球复等发展到目前的珠光体球铁、针状组织球铁、高NiCr无限冷硬铸铁、高Cr铸铁等新型轧辊材质，为适应不同轧机需要，各个材质的性能也在不断细化和提高，如适用于宽厚板轧机、炉卷轧机及带钢热连轧机的高NiCr无限冷硬铸铁，适用于带钢热连轧机粗轧、精轧前段的高Cr铸铁工作辊、宽厚板轧机高Cr铁上作辊及平整轧机用高Cr铁工作辊。为满足市场需求，在品种优化的同时，产品性能也向更高层次发展，如改进型高镍铬无限冷硬铸铁、改进型高Cr铸铁等材质新品种的开发和推广。铸钢轧辊过去一直采用的是低合金的普通铸钢、半钢材质，随着轧辊性能要求的提高，铸钢轧辊在向高合金方向发展，如在板带轧机两辊粗轧工作辊及型钢轧机开坯辊上用于替代常规铸钢材质的热作模具钢材质、热带钢精轧前段使用的高速钢材质、粗轧机架使用的高路钢、半高速钢材质、立辊使用的半钢材质、型钢万能轧机辊环使用的半钢、高碳半钢、高Cr铁、高Cr钢、高速钢材质等。根据轧机特点，为增加耐磨性，有些机架实现了以铁代钢，如型钢万能轧机的合金球铁BD辊。
　　在热处理方式上，过去有些轧辊基本不进行热处理，靠自然时效消除应力，如冷硬铸铁轧辊、普通铸钢轧辊系列，随着轧辊材质的发展，高合金的轧辊开始进行人工时效热处理，不仅用于消除铸造应力，更主要的是通过适宜的热处理，获得所需的轧辊使用性能，热处理一般采用箱式电阻炉或燃气炉。近年来，为进一步提高轧辊性能，差温、准差温热处理方式开始采用，差温热处理可将轧辊的工作层和芯部采用不同的热处理方式，获得优异的综合性能。目前，中钢邢机的优质复合轧辊和复合铸钢支撑辊均采用差温方式进行热处理。对于深开孔型的型钢轧辊，为保证轧辊的使用性能，采用了预开孔型热处理的生产方式。
　　2.锻钢轧辊
　　目前，我国锻钢轧辊主要应用于冷轧带钢工作辊、中间辊以及各类板带钢轧机支承辊，也用于带钢热连轧机小立辊、粗轧机架工作辊，初轧机及钢坯连轧机轧辊，H型钢万能轧机水平辊轴，棒线材轧机粗轧机架轧辊，无缝钢管轧机穿孔机架及轧管机前架轧辊，焊管轧机各类轧辊，有色金属板带材冷热轧工作辊、支承辊及铸轧辊，以及各类轧机辊道辊、夹送辊、校平辊、矫直辊等。产品制作一般经冶炼、铸锭及锻造，并通过热处理方法达到辊身、辊颈不同的性能要求。
　　(1)钢锭冶炼
　　锻钢轧辊的发展离不开轧辊毛坯生产技术的进步，钢锭冶炼作为决定轧辊最终使用性能的重要工艺步骤然被高度重视起来。钢水的纯净度对锻钢轧辊的使用性能特别是抗事故性能有重要的影响，存在于轧辊锻坯中的非金属夹杂物、有害气体(如[H)等)以及碳化物的偏析都有可能成为剥落或断辊的裂纹源。目前，我国锻钢轧辊常用的冶炼方法主要有以下几类：
　　电炉冶炼，主要适用于一些合金含量较低的锻钢热轧辊以及矫直辊、辊道辊、夹送辊等一般用途轧辊。现在大型轧辊企业制做锻钢轧辊时，电炉一般仅用作熔炼设备，所需成分的精炼和最终成分精确调整均在炉外钢包精炼的第二阶段进行。
　　电炉冶炼+炉外钢包精炼，主要适用于锻钢支承辊、合金含量较高的锻钢热轧辊以及部分冷轧工作辊。钢包精炼工艺可满足Cr5材质以下大部分黑色和有色金属轧制用冷轧辊的制作使用要求。1996年邢机公司研制成功并形成了批量生产钢包精炼冷轧辊的能力，开辟了国内首条钢包精炼冷轧辊生产线，产品在武钢、攀钢等厂家冷轧机上机实轧，取得了与电渣重熔冷轧辊相当的使用效果。目前，中钢邢机具备Cr2、Cr3、Cr4等系列钢包精炼冷轧辊的生产能力。
　　电炉冶炼+电渣重熔，主要适用于冷轧工作辊、高合金有色热轧辊以及铸轧辊套等特殊用途轧辊。电渣重熔属二次熔炼，制造周期长，需要消耗大量电能，使冷轧辊的制造成本提高，但对于偏析程度相对严重的Cr5等高材质冷轧辊钢，电渣重熔冶炼铸锭工艺还是不可缺少的。目前，中国带材冷轧工作辊及中间辊生产基本经过电渣重熔工序。
　　电炉冶炼+钢包精炼+电渣重熔，用于现代化连轧机用高性能冷轧工作辊。中钢邢机是目前世界范围内唯一采用这种“双精炼”冶炼方式生产锻钢冷轧辊的厂家，这种钢锭冶炼方式兼备电渣重熔和钢包精炼两种方式的优点，是目前冷轧辊常规冶炼方式中的最高配置，材料的冶金质量达到最优，最大限度地保证了产品的最终使用性能。
　　(2)辊坯锻造
　　锻造工序是锻钢轧辊制造过程中承上启下的重要环节。一方面，它通过辊坯的锻造成形过程消除铸态组织粗大的树枝状晶，细化晶粒，焊合钢锭内部疏松、气泡、裂纹等宏观缺陷，密实金属组织，提高材料的强韧性；另一方面，由于锻钢轧辊材质合金含量不断提高，成分和组织偏析程度相对更为严重，液析碳化物量以及碳化物带状倾向增大，因此更为重要的是通过锻造加热及变形工艺的合理制定，充分溶解、破碎、改善碳化物及非金属夹杂物在钢中的分布，降低偏析程度，均匀组织，提高材料的使用性能，并为后续的热处理工序奠定良好的基础。
　　目前，随着冷轧辊材质的发展，Cr8、热作模具钢、半高速钢、高速钢等新型锻钢轧辊逐步推广使用，轧辊材料的合金含量越来越高，锻造难度大大增加，锻造内部裂纹导致的超声波探伤超标成为制约锻钢轧辊成品率提高的主要因素。因此在我国，以内裂控制为核心的高合金冷轧辊坯控制锻造工艺技术正逐步发展起来。充分利用扩散均质化、高温停锻以及裂纹自修复原理，通过合理设定锻造温度、安排锻造火次、控制镦粗与终锻变形量，达到最大限度控制辊坯内裂的目的，提高辊坯超声波探伤合格率。
　　(3)热处理
　　锻钢轧辊通过热处理达到辊身、辊颈不同的性能要求，在辊坯质量保证的前提下，热处理直接决定了产品使用性能。锻钢轧辊根据不同使用性能要求，热处理种类很多，一般分为预备热处理和最终热处理两类。
　　预备热处理一般包括锻前加热时高温扩散退火，锻后正火、球化退火以及扩氢处理等，粗加工后调质处理，还包括针对辊颈表面硬度较高(≥HSD50)产品的辊颈强化处理。最终热处理主要有整体处理、感应加热淬火、差温热处理以及准差温加热淬火。整体处理包括调质、正火及整体淬火，主要用于初轧辊等辊身硬度要求较低(小于HSD50)的轧辊、多辊轧机用辊等小型冷轧辊以及辊轴、辊套类产品。
　　感应加热淬火分为连续式感应加热、整体感应加热两种方式，主要用于辊身硬度较高的冷轧辊以及规格在中1000mm以下的支承辊、有色热轧辊。按感应器类型不同，又分为单工频、中频、工频双感应器、双工频、双频等多种淬火工艺方式。目前，我国大型锻钢冷轧工作辊的最终热处理大多采用双频连续式感应淬火方式，对于合金含量相对较高的产品一般应经深冷处理控制残奥、提高硬度及淬硬层深度，并保证工作层组织的稳定性。产品辊身硬度均匀性可达到2HS以内，淬硬层深度最高可达到半径方向50mm以上。
　　差温及准差温热处理方式主要适用于规格较大的支承辊与热轧辊(辊身硬度不小于HSD50)。目前，国内一重、二重、中钢邢机等企业均具备成熟的大型支承辊差温热处理技术。
　　总体来说，中国锻钢轧辊制造装备能力基本达到国际先进水平，同时锻钢冷轧辊、大型锻钢支承辊等高端产品的制造技术水平也与国际先进水平不相上下。但轧辊企业之间水平发展不均衡，只有少数大型企业掌握了先进的轧辊制作技术，——些小型企业装备较差，生产工艺落后，制造技术水平还有待提高。
　　3.检测与加工
　　在检测设备方面，我国有实力的大部分轧辊制造企业也同国外基本接轨，真空光电直读光谱仪、碳硫分析仪、远红外线分析仪、扫描电子显微镜、数字超声波探伤分析仪、大工件现场金相显微镜、现场肖氏、里氏硬度计等先进的检测设备，为产品质量提供了有力的技术保证。
　　在加工精度方面，随着我国轧钢装备的改造和不断从国外引进先进的轧机，轧机向自动化、连续化、重型化方向发展，对轧辊的几何尺寸、表面精度、机械性能要求更高，特别是近年来板带轧制向宽、薄、平方向发展，对轧辊的精度提出特别要求，许多轧机的精度要求已达到微米级，目前国内许多轧辊制造企业已开始加工设备的数控化，不仅提高加工精度，也使加工效率大幅提高。