高硼高速钢组合轧辊在螺纹钢生产线的应用研究技术总结.docx
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高硼高速钢组合轧辊在螺纹钢生产线的应用研究技术总结
高硼高速钢合金组合轧辊在螺纹钢
生产中的应用研究
1前言
轧辊是冶金行业最大的消耗件,轧辊消耗成本约为轧钢生产成本的5%-10%,直接关系到钢铁生产企业的生产效率、产品质量与生产成本。
目前使用的轧辊大部分为美国在上世纪30年代开发的高镍铬钼无限冷硬铸铁轧辊,工作层使用完毕后便整体报废。
采用辊套式轧辊结构,使轧辊的60%左右可以循环使用,同时轧辊的工作外层采用高合金材料并进行适当的热处理,从而达到理想的使用效果,大幅度提高轧辊使用寿命,降低生产成本。
辊套轧辊是冶金行业与轧辊生产企业长期研究的课题,如何提高其安全性与稳定性及选用合适的结构与材料是解决问题的关键所在。
轧钢分以往采用的就是传统的铸铁轧辊,其中精轧机组采用离心铸造高镍铬针状贝氏体球墨铸铁轧辊(以下简称高镍铬球铁辊),其成品轧辊的单槽过钢量根据轧制规格和工艺条件不同,一般只有300--500t/槽,尤其是采用切分工艺轧制时,因预切分、切分孔型压下负荷大且切分楔子较尖锐,磨损、损坏情况更加严重,单槽过钢量更少。
这就意味着一个班产量800t左右就要更换2--3次轧槽,造成的换辊、换槽次数多、时间长,换辊换槽后轧机调整频繁,产品尺寸波动大,易引发质量事故及生产工艺事故,从而导致整个生产线的作业率下降、成材率指标差等问题,成为当前制约产能发挥和指标优化的一个重要因素。
针对这种情况,厂成立了课题组,研究如何改变轧辊材质,提高轧辊孔型的使用寿命,解决上述问题。
经了解,目前国内为了大幅度提高轧辊使用寿命,已经研究出来投入使用的轧辊材质主要有:
(1)碳化钨合金辊环。
碳化钨合金辊环研究最早、也最成熟,虽然很耐磨,硬度高,但是脆性大,不适宜具有较大冲击负荷的棒材轧制,通常用于高速线材的轧制。
(2)钢基硬质合金组合轧辊(以下简称为:
ACS轧辊)。
针对切分轧制螺纹钢筋切分及预切分机架定型设计,切分孔具有冲击负荷极大、热应力大的特点,所以,该产品具有耐磨性性好,磨损均匀、抗冲击韧性好、耐热疲劳性能好等优点,它的单槽过钢量是铸铁轧辊的10-15倍以上,在轧制过程中,能很好控制切分料型。
(3)高硼高速钢合金组合辊采用双金属复合挤压浇注工艺、组织致密、具有较高的红韧性、耐磨性和抗冲击性,使用中不易产生麻面、掉肉等现象、过钢量相对较高,其脆性指标要好于碳化钨,耐磨程度较前述两种材质要差一些,但是其投资成本远低于前两种材质。
在上一年度,进行了钢基硬质合金组合轧辊应用研究,取得了较好效果,使用寿命提高14倍,但是由于轧辊价格太高,备件库存占用资金较大,基于整体生产经营需要,不能使备件库存资金过高,因此,课题组确定选择高硼高速钢合金组合辊,在螺纹钢生中进行应用,以期达到既能够提高轧辊使用寿命又使轧辊库存资金占用不大的目的。
2应用研究原理
2.1原理综述
热轧棒材线生产中,轧辊是将高温下的轧件进行塑性变形的工具,其直接与高温轧件接触,需要克服轧制压力、轧件咬入瞬间的冲击负荷、高温条件下轧件热量传递到轧辊导致温升硬度降低磨损加快而要尽可能长时间保持孔型外形尺寸符合设计要求等困难。
通常要保证这些性能要求,就是要靠调整轧辊化学成分及加工工艺,以使轧辊的硬度高、强度高、且具有一定的塑性,同时在使用过程中尽可能地利用合理的冷却方式,减少轧件温度向轧辊的传递,减小轧辊温升,保证其硬度变化较小,耐磨性能稳定。
高硼高速钢合金组合辊的制造方法及工艺路线,见图1。
2.2高硼高速钢合金组合辊与高镍铬球铁辊的性能比较
2.2.1两种轧辊在材料性能上的差异分析
两种轧辊的低倍组织见图2和图3。
图2高硼高速钢合金低倍金相组织×100图3高镍铬球墨铸铁低倍金相组织×100
由图2和图3可以看出:
高镍铬球墨铸铁由Fe3C、基体及石墨构成,高硼高速钢合金由细密的合金碳化物及基体构成。
高镍铬球墨铸铁由大量的Fe3C构成,而Fe3C硬度不高且成骨架型分布,用于轧辊材料表现为耐磨性不够,同时由于Fe3C呈骨架型分布割裂基体,造成轧钢时易发生掉块现象。
高硼高速钢合金由大量合金碳化物构成,具有较高的含碳量,同时含有大量的W、Mo、V、Cr、Co、B等合金元素,合金含量占40%左右。
碳:
碳是获得高硬度耐磨碳化物颗粒增强相所必须的元素,同时部分碳固溶于基体,改善基体的淬透性和淬硬性。
碳的加入量与碳化物形成元素铬、钼、钨和钒等元素有关。
硼:
硼在钢中溶解度低,与晶体缺陷(位错、晶界、空位……)有强烈的相互作用,且易于O、C、S等形成夹杂物或析出相,目的是进一步改善机体的淬透性及提高钢的高温强度,强化晶界的作用。
由于硼推迟了铁素体的生核过程(但并不影响奥氏体或铁素体基体的热力学性能,也就是说硼可以降低铁素体的生核速率,但并不影响其长大速率以及珠光体和马氏体的形成速度),这样就推迟了γ→α+β的相变,使钢的S曲线向右平移,而提高钢的淬透性。
同时,由于硼在铁中较小的固溶度,且由于硼、铁原子直径比为0.7,显著大于形成间隙固溶体的上限尺寸0.59,又显著小于形成置换固溶体的下限尺寸0.86,因此不论硼原子以何种方式固溶在基体中,都将引起较大的晶格畸变,促使基体硬度提高。
铬、钼、钨、钒:
加入铬、钼、钨和钒的主要目的是为了获得高硬度的耐磨碳化物,铬、钼、钨和钒除了形成碳化物外,还有部分溶入基体,改善基体淬透性和红硬性,溶入基体的铬还可以改善材料的抗氧化性。
合金碳化物硬度高同时分布细密,所以具备优秀的耐磨性;钼可大大加强硼的淬透性作用,二者具有复合作用,特别是当钼、硼含量配比合适时可使钢在相当宽的冷速范围内经控冷得到贝氏体组织。
强韧性基体上微观孔洞较少,也没有骨架性碳化物对基体的割裂作用,所以也具备较高的冲击韧性,同时对冷却水质也没有太高的要求。
2.2.2两种轧辊在机械性能上的比较
两种轧辊在机械性能上的差异分析,见表1。
表1高硼高速钢合金组合辊与高镍铬球铁轧辊主要技术指标对比表
对比指标
高镍铬球铁轧辊
高硼高速钢合金组合辊
硬度:
(HS)
65-75
78-83
抗拉强度:
(Mpa)
400-600
600-800
抗压强度:
(Mpa)
1900-2500
≥3000
冲击韧性(J/cm2)
4.5-5.5
6-12
辊面硬度差:
(HS)
≥5
≤5
淬硬层深度:
(mm)
<50
≥60
从表1可以看出,高硼高速钢合金组合辊在硬度、抗拉强度、抗压强度和冲击韧性方面的指标都优于高镍铬球铁轧辊,而且高硼高速钢合金组合辊的淬硬层深度更深,有利于孔槽部位硬度层的保证和重车。
3试用方案
3.1轧辊组合结构方案
高硼高速钢合金组合辊采用独特的过盈襄套式结合,即具有较好红硬性、耐磨性和淬透性的高硼高速钢合金钢作为轧辊工作层(即辊套)与强韧性配合极佳的12Cr2Ni4的锻钢、铸钢或者厂家提供的高镍铬球铁轧辊作为轧辊芯部材料(即辊芯)之间采用过盈热装方式襄套在一起,其装配负差在10个丝左右,在带动转矩时承受压应力,保证该组合轧辊可以安全使用。
其组合方式如图4所示。
1.辊芯2.热装过盈层3.合金工作层(辊环)
图4高硼高速钢合金组合辊剖面示意图
3.2试验品种架次及目标选择
从正常生产过程的情况看,孔型磨损快的品种主要集中在Ф12-Φ18小规格螺纹钢切分轧制的精轧机组孔型,尤其又以预切分、切分孔型、成品前孔为甚。
通过了解,由于这种合金组合辊耐磨性能好,单孔过钢量能够较高镍铬球铁辊提高较大幅度,对轧辊耐磨性具有较高需求的12三切分预切分、成品前、14二切分预切分、18二切分预切分几个最关键、磨损最快的部位孔型上进行试用。
这几个部位处于精轧机组位置,名义直径为Ф320mm,最大辊径为Ф350mm,根据原设计轧辊的其他尺寸结合表1情况,此次设计试用的轧辊合金辊环厚度选择为65mm。
试验目标:
单孔过钢量达到高镍铬球铁辊的3倍以上,即1200-1500吨/孔·次。
3.3轧辊孔型冷却方案
高硼高速钢合金组合辊对冷却水的要求高于铸铁轧辊,冷却水的水压必须达到0.4-0.5Ma左右,水温≤40℃,生产中冷却水必须正对轧槽,并且必须经常进行检查,否则会出现辊环掉块破裂现象。
为此,专门设计制作了高硼高速钢合金组合辊轧辊专用的冷却系统,如图5。
图5高硼高速钢合金组合辊孔型冷却方案示意图
4试验结果及分析
4.1试用轧辊单孔单次过钢量结果及分析
与高镍铬球铁辊单槽过钢量情况对比结果见表2。
表2高硼高速钢合金组合辊与高镍铬球铁辊单槽过钢量情况对比表
架次
高硼高速钢合金组合辊单孔次过钢量(吨)
高镍铬球铁辊单孔次过钢量(吨)
对比提高倍数
(倍)
12成品前孔
2500
600
4.17
12预切分孔
1180
300
3.93
14预切分孔
1690
400
4.23
18预切分孔
2600
700
3.71
平均
1992.5
500
3.985
从表2可以看出,高硼高速钢合金组合辊与高镍铬球铁辊相比,两个架次轧辊的单孔过钢量均是高镍铬球铁辊的3倍以上,使用寿命大幅度延长,超过了预期的3倍以上目标。
简析:
从结果可以说明,高硼高速钢合金组合辊与高镍铬球铁辊相比,具有更高的硬度和耐磨性,其成分配比、加工工艺、装配结构工艺是合理的。
4.2试用高硼高速钢合金组合辊后节约时间
高硼高速钢合金组合辊试用后,与高镍铬球铁辊轧制情况比,试用机架后面的精轧机组,工艺事故时间有较明显降低,换孔次数及时间大幅下降,中轧废钢明显减少,详见表3。
表3高硼高速钢合金组合辊试用前后切分轧制工艺事故时间、换孔时间
及中间轧废对比表
时段
事故时间(小时/天)
换孔时间(小时/天)
中轧废(吨/天)
试用前
3.2
2.3
5
试用后
2.9
1.9
4.5
对比降低
0.3
0.4
0.5
从表3可以看出,使用高硼高速钢合金组合辊后减少事故时间和换孔时间,减少了中轧废,为轧制线的顺畅和提高技术指标奠定了基础。
简析:
由于高硼高速钢合金组合辊耐磨性的增强,料型稳定使轧制过程稳定,轧制事故减少,使工艺事故时间减少;换孔次数减少,使调试次数及时间减少,因调试不到位而形成的轧制事故及从而引起的中轧废钢相应减少。
4.3成本分析
高硼高速钢合金组合辊及高镍铬球铁轧辊平均每对轧制吨位:
均按照每对轧辊开6个孔型,每对轧辊修复6次,则高硼高速钢合金组合辊每对轧制吨位为1992.5×6×6=71730吨,高镍铬球铁轧辊每对轧制吨位为500×6×6=18000吨。
一对高硼高速钢合金组合轧辊的价格为26500元,一对镍铬球铁轧辊的价格为10300元,由此可得:
轧制71730吨成品,使用一对高硼高速钢合金组合辊,投入成本26500元;高镍铬球铁轧辊使用轧辊对数:
71730÷18000=3.985对
投入成本:
10300×3.985=41045元
节约费用:
41045-26500=14545元
试用4对轧辊共节约成本费用14545×4=58180元
5经济效益分析
5.1降低吨钢轧辊消耗创造经济效益
高硼高速钢合金组合辊一次性投入较低,其性价比优于高镍铬球铁辊,见表4。
表4高硼高速钢合金组合辊与高镍铬球铁辊使用对比表
技术经济技标
高镍铬球铁轧辊
高硼高速钢合金组合辊
单槽轧制量
600
2500
配辊槽数
6
6
重车深度(mm)
7
7
使用次数
6
6
总轧制吨位(吨)
18000
71730
每对价格(元)
10300
26500
吨钢辊耗(元/吨)
0.572
0.369
根据表4数据,高硼高速钢合金组合辊的吨钢消耗比高镍铬球铁轧辊低0.203元,以全年生产Ф12-18螺纹钢8万吨计,则全年可降低辊耗:
8万吨×0.203元/吨=1.624万元
5.2减少事故时间、换孔时间创造经济效益
螺纹钢切分轧制使用高硼高速钢合金组合辊之后每天的事故时间减少0.3小时,节约换孔时间0.4小时,合计可节约生产时间0.7小时/天,以全年生产Ф12-18螺纹钢8万吨,平均小时产量60吨/小时计,年可以节约时间约39小时,可以多生产成品2340吨,按吨钢创效340.28元/吨计算,则年可多创造效益:
2340吨×340.28元/吨=438.96万元。
5.3减少中间轧废创造经济效益
根据表3的数据计算,以全年生产Ф12-18螺纹钢8万吨,平均小时产量60吨/小时计,共需生产时间约55天,每天降低中间轧废0.5吨/天,按照吨中轧废与成品价差1997.74元/吨计,则全年可由减少中轧废创效:
0.5吨/天×55天×1997.74元/吨=27.57万元。
5.4年节约轧辊费用
使用4套高硼高速钢合金组合辊节约的费用:
(41045-26500)×4=5.818万元
5.5成本费用
项目投入直接材料、备件成本:
11.4万元
5.6全年创造经济效益
2.03万元+438.96万元+27.57万元+5.818万元-11.4万元=462.98万元
6存在的问题及下一步的打算
(1)精轧机组的冷却循环水系统在实际试用中,水压只有0.35-0.4Ma左右,水温40℃-45℃,距轧辊材质试用要求还有一定差距。
(2)由于这种高硼高速钢合金组合辊硬度较高,孔型加工难度稍大,因此要选用一些较好的刀具和刚性较强的轧辊车床才可加工。
(3)这种高硼高速钢合金组合辊因是芯轴再利用,需加大轴承位置的检查,防止在反复使用中产生磨损现象使辊脖子过小而烧坏轴承。
7结论
(1)通过对目前国内多种合金组合辊的对比分析,高硼高速钢合金组合辊在轧制负荷大、磨损快的预切分、切分孔型上试用,配套设计实施对应的孔型冷却等方案,通过试用,其效果达到了预期目标,说明方案选择及配套措施合理、可行。
(2)高硼高速钢合金组合辊在12-18螺纹钢生产中的试用,提高了轧辊使用寿命3-4倍,降低换孔换辊次数和时间,轧制料型及过程稳定,减少事故时间,降低导卫备件消耗,减少轧废,提高成材率,为厂创造了一定的经济效益。
(3)根据课题研究取得的效果,为厂今后解决小规格切分轧制螺纹钢孔型不耐磨、料型不稳定的问题找到了一条有效的途径。
(4)鉴于这种高硼高速钢合金组合辊投资不大,综合性价比优势明显,建议生产线批量使用。
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