肖连华，刘 宇，高玉章
（唐山钢铁集团重机装备有限公司，河北唐山 063036）
近年来，热轧板带轧制向超薄规格、高强钢品种、高质量板材轧制方向发展，加之高速钢、半高速钢材质轧辊的引入等热轧辊的材料不断改进[1]，以及轧辊在线使用周期的延长，使得精轧机架ICDP的轧辊耐磨性严重不足，阻碍了生产交率的提高，成了制约整个轧制生产线生产交率的瓶颈。因而要求研究改进其组织和耐磨性能，增强抗事故能力，并提高其轧制吨位，满足轧线匹配要求。提高轧辊良好的抗断裂性能和表面具有良好的耐磨、耐热性能，是轧辊制造工作者为轧钢企业解决的重点课题。
新型ICDP 轧辊用于热轧精轧后架轧机，是采用离心复合铸造工艺生产的特殊铸件，因此ICDP热轧板带轧辊要想使性能得到大幅提升，必须从多方面进行改进，开发新型ICDP 热轧板带轧辊须在普通型ICDP 轧辊基础上，对化学成分、球化孕育交果，应用模拟技术、高品质的熔炼技术、热处理工艺等方面进行改进和优化。
1.1 强化机理
在普通型ICDP 轧辊的化学成分基础上，添加合金元素V 进行合金化。在合金熔液凝固初期，V与C 形成高硬度、大量弥散均匀分布的耐磨粒子MC 型碳化物，阻碍了共晶晶粒长大，细化组织得到强化；
改善碳化物的分布形态，消除了碳化物的网状特征，增强轧辊表面性能[2]；
由显微硬度检测可以测出VC、VN 的硬度要高于NbC、NbN 及Nb、V 的混合碳化物，即相对于现有的加V、Nb 型ICDP 轧辊具有更高的耐磨性和硬度，从而提高轧辊外层基体显微硬度，提升轧辊耐磨性，形成了新型ICDP 轧辊，即碳化物改进型，其化学成分见表1[2].
表1 新型ICDP 轧辊化学成分（质量分数，%）
新型ICDP 轧辊经过轧钢企业实践使用，使用交果优异，轧辊耐磨性、抗事故能力较普通型ICDP轧辊明显提高，保证了精轧前后架次的匹配。
通过扫描电镜分析（见图1），针对产生的耐磨粒子扫描（见图2），分析耐磨粒子的主要成分为VC.因此，相对加Nb 工艺，加V 工艺更易于析出耐磨粒子。
图1 轧辊内耐磨粒子电镜图片及能谱分析
图2 轧辊内耐磨粒子情况
1.2 组织和性能改善情况
图3 为工艺改进前后金相照片，通过金相图片分析看出，添加合金元素V，金相组织得以明显改进，改进前组织中没有耐磨粒子，且石墨形态呈团絮状，集中分布。改进后的组织中存在较多的耐磨粒子，并且弥散分布，同时石墨形态呈蠕虫状，分布均匀。
图3 改进前后侵蚀前金相照片
1.3 性能指标对比
工艺改进前后性能指标对比见表2，各项性能指标都有所提高。
表2 性能指标对比
热轧板带产品的创新与性能的提升，不仅是对板材质量的提升，同时也是轧制环境要求的提升，其板材性能要求提升，必然造成对轧制力产生新的要求，轧制力将大大的提高。这就要求轧辊制造石家除提升轧辊工作层性能外，为适应新的轧制环境必须提升轧辊的抗拉强度指标，以保证轧辊在新轧制环境下具有较高的抗事故能力。
原普通ICDP 轧辊工艺使用单一球化剂且只采用包底球化孕育，造成球化不良率较高，抗拉强度指标偏低，目前应用一种生产高强球墨铸铁的球化和孕育技术[4]，生产高强度球墨铸铁材质，通过向铁水中加入一定数量、复合的球化剂和孕育剂，控制孕育工艺，实现球化及孕育处理任务，球化剂中的镁、铈等元素在铁水中形成的硫化物作为石墨核心，在长大过程中呈球状，有利于阻断裂纹的扩展，通过孕育剂控制石墨球的粒度，并细化晶粒，最终获得良好球化交果和较高抗拉强度。
2.1 金相组织对比情况
芯部工艺改进前后金相对比见图4，改进前组织中石墨分布不均匀，石墨形态团状较多，球化率70%左右，牛眼铁素体含量较低；
改进后组织中石墨分布均匀，石墨形态大部分为球状，球化率能够达到95%左右，牛眼铁素体含量较高。
图4 芯部铁水工艺改进前后侵蚀后金相对比
2.2 性能指标对比
芯部工艺改进前后性能指标对比见表3.
表3 性能指标对比
通过改进芯部熔炼及球化孕育处理工艺，改进后轧辊的抗拉强度较改进前轧辊的抗拉强度提升了20%～30%.
前期研究过程中，轧辊存在辊颈疏松、轧辊辊身径向底波衰减等问题，严重影响了轧辊产品的性能及质量。实际疏松情况如图5 所示。
图5 轧辊缩松情况
利用华铸CAE 有限元分析软件计算机模拟技术，设计时就预测出产生缩孔、疏松的位置，见图6、图7.根据凝固过程中的温度场变化，对轧辊砂型厚度、工装厚度、浇注温度、浇注速度等做适当调整，保证轧辊的顺序凝固。通过优化设计、改进工艺，避免缩孔、疏松等主要产品缺陷的发生。
图6 不同冒口直径下疏松缺陷产生位置
图7 不同浇注温度下疏松缺陷产生位置
通过模拟过程的分析比较，可以预知凝固时间、开箱时间，预测缩孔和缩松，预知铸型的表面温度以及内部的温度分布，控制凝固条件，对于预防铸造缺陷的产生具有重要指导意义。通过调整工艺参数，优化铸造工艺，增加砂型及工装厚度，降低浇注温度及延长浇注时间，尤其是浇注后期浇注速度趋缓的浇注方式能够取得良好的浇注交果，其辊颈疏松、轧辊辊身径向底波衰减的倾向较低。
采用中频感应电炉熔炼，选用安阳产优质高纯生铁，干扰元素少，纯净度高。生铁应属共晶成分，可避免生成过共晶的粗大石墨。微量元素总量（质量分数）≤0.1%，ω（Ti）≤0.04%，微量反球化干扰元素的总量＜0.1%；
废钢选用纯净低锰、低磷、低硫无铁锈的冷板切边等；
球化剂选用钇基重稀土球化剂和镍镁球化剂。
采用预处理孕育+出铁随流孕育+浇注随流孕育的复合孕育处理工艺，依次在炉底加入废钢与增碳剂，最后压上生铁。熔炼温度在1 530 ℃～1 560 ℃，并适当保持一定时间。出炉温度为1 480 ℃～1 500 ℃.采用冲入法球化处理，采用预处理孕育+出铁随流孕育+浇注随流孕育的多次孕育工艺[5]。
采用低温快浇杜绝晶粒粗大造成的孕育衰退，浇注温度由（1 380±10）℃改为（1 350±10）℃，浇注速度（15 t 浇包）80 s～100 s.
热处理工艺由两段退火工艺（见图8）改进为“正回火+两段退火工艺”（见图9）.
图8 两段退火工艺
图9 正回火+两段退火工艺
5.1 应力和残奥对比
经过热处理工艺改进，统计工艺改进前后的残余奥氏体、应力值参数，如表4 和表5 所示。
表4 优化前应力和残奥参数
表5 优化后应力和残奥参数
从对比情况来看，优化后残奥含量降低明显，由2%左右下降至0.84%以下，降低量超过50%以上；
优化前应力波动明显，波动范围为-551 MPa～-53 MPa，存在不稳定因素，优化后波动范围在-111 MPa～-184 MPa 内，较为稳定。
5.2 基体组织对比
热处理工艺改进前后金相组织如图10 所示，经过热处理工艺转化，基体组织中的奥氏体转化成珠光体比较完全，珠光体组织较为较为致密。
图10 热处理工艺改进前后金相组织
综合措施改进前后性能指标见表6.
表6 综合措施改进前后性能指标比较
通过实施上述综合改进措施，改进前后，轧辊的表面实际硬度、抗拉强度、过钢量有了明显提高，轧辊的表面硬度不均匀度、径向硬度分布、径向硬度落差有了明显降低，整体综合性能得到大幅提升。
新型ICDP 轧辊从抗事故能力和耐磨性两方面，很好地解决了提高的轧制工作交率和轧辊性能不足之间的矛盾，满足了轧制高品质、高强汽车板生产需求。
新型ICDP 轧辊使用交果的不断改善，不但减少了轧辊制造废品发生，降低了制造成本，而且降低了轧钢企业的轧制成本。
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