鋼管及冷彎型鋼用新型軋輥的節(jié)能效果

隨著科學技術的進步和自主創(chuàng)新能力的不斷完善，通過材料創(chuàng)新和工藝創(chuàng)新，實現(xiàn)節(jié)能也是大有可為的。山東省四方技術開發(fā)有限公司開發(fā)出系列高鉻合金新材料和智能控溫近終成型鑄造新技術、獨特熱處理及機械加工新工藝等完整的“以鑄代鍛”軋輥制造技術，軋輥技術水平和綜合性能達到美國、德國、日本等國家最高檔次鍛鋼軋輥水平，使用壽命超過進口軋輥，是國產軋輥的2-3倍，且節(jié)能節(jié)材效果明顯。

1鋼管矯直輥、HFW/ERW焊管和冷彎型鋼軋輥概況

軋制工藝技術及裝備水平的不斷提高對軋輥提出了更高的材質、性能和售后服務等要求。軋輥材質設計是機組設計最基本的部分之一。其中鋼管矯直輥、HFW/ERW焊管和冷彎型鋼軋輥傳統(tǒng)的設計使用材料均為合金鍛鋼。美國用D2、H13；德國用X155CrVMo12-1、X40CrMoV5-1；日本用SKD11、SKD61；中國用Cr12Mo1V1、3Cr 2W8V、Cr 12、9Cr 2Mo、GCr15。D2、X155CrVMo12-1、SKD11與Cr12Mo1V1基本相似，為高碳、高鉻冷作模具鋼。該鋼種冶煉、鍛造和熱處理要求高、難度大，處理不好易在使用中出現(xiàn)問題。D2、X155CrVMo12-1、SKD11鍛鋼軋輥在使用中，尤其是激冷激熱工況下，均出現(xiàn)過輥面開裂、輥軸松動等現(xiàn)象。國內Cr12MoV鍛鋼軋輥僅局限于很少量的小規(guī)格焊管軋輥采用，多數(shù)機組仍在沿用GCr 15、Cr 12、3Cr 2W8V、9Cr2Mo等低檔次鍛鋼軋輥，耐磨性能差，不僅使用壽命為上述進口鍛鋼軋輥的1/2-1/3，而且有時影響生產。

鋼管矯直輥、HFW/ERW焊管和冷彎型鋼軋輥屬異型軋輥，具有形狀復雜、規(guī)格品種繁多而批量很少的特征，尤其是HFW/ERW焊管和冷彎型鋼軋輥基本上一張圖紙只生產1-2件產品，使用鍛造工具鋼來制造就很難形成模鍛，內孔一般也無法鍛出，一般軋輥材料利用50%左右,孔型淺的軋輥材料利用率低于50%,甚至不足40%。D2、X155Cr VMo12-1、SKD11、Cr12MoV等材料可鍛溫區(qū)窄、鍛造難度大，往往需要多次加溫。因此材料利用率低、能耗高。該類軋輥形狀復雜、壁厚差異大，性能要求高，因此熱處理難度大。在使用中還要進行多次修復重用，因此除要求具有高強度、高硬度、高耐磨性和抗冷熱疲勞性外，還要有足夠厚的硬度一致的工作層，即對材料的淬透性要求高。

2新型鋼管矯直輥、HFW/ERW焊管和冷彎型鋼軋輥的研發(fā)

經過多次研究、實驗，系統(tǒng)分析了鋼管矯直輥、HFW/ ERW焊管和冷彎型鋼軋輥的服役條件及特征，確定采用高鉻合金新材料和輥坯鑄造成型方案。研發(fā)出系列適應激冷激熱工況和常溫工況使用的高鉻合金新材料，通過加入強碳化物元素和變質劑改變碳化物形態(tài)、分布和細化晶粒，從本質上提高了材料的耐磨性；通過Mo、Nb等元素的合金化，大幅度提高了軋輥的綜合性能。針對軋輥形狀復雜、規(guī)格多、批量小和高鉻材料鑄造性能差的問題，探索并發(fā)明智能控溫近終成型鑄造新工藝和裝備，保證了復雜形狀軋輥的優(yōu)質成型。依據不同的工況、技術要求及材料類型，確定了熱處理工藝。

軋輥材質與制備方法的研發(fā)成功，實現(xiàn)了軋輥以鑄代鍛。

3新型軋輥與國內外同類軋輥性能對比

3.1化學成分

SDSF高鉻合金軋輥材質配比完全不同于世界各國現(xiàn)用軋輥的化學成分，具有高碳、高鉻、高鎳、高鉬的特征。D2、X155Cr VMo12-1、SKD11均為冷作模具鋼，相當于中國的Cr12Mo1V1。SDSF材料目前已成為國內鋼管矯直輥的首選材質，在國內外大型HFW/ERW焊管及冷彎型鋼軋輥材質選定方面也得到了充分認可。這一成分體系既有別于國內外鍛鋼軋輥成分，又有別于板帶高鉻軋輥成分。

3.2金相組織

SDSF材料的碳化物主要是M7C3，顯微硬度可達1800Hm，并呈不連續(xù)的條狀、塊狀、顆粒狀和菊花狀，碳化物含量20%左右。基體為奧氏體、貝氏體或馬氏體，硬度和韌性結合較好，宏觀硬度可達HRC50-65。D2、X155CrVMo12-1、SKD11基體為馬氏體，M7C3碳化物含量15%左右。

3.3實物取樣硬度及淬透性對比見表1

3.4實物取樣力學性能對比見表2

3.5現(xiàn)場使用耐磨性能對比

在國際先進熱處理線矯直機上耐磨性能對比見表3（均為同臺設備、軋制相同鋼管結果的對比）。在國際先進Ф250MPM機組矯直機上耐磨性能對比見表4。

3.6實物取樣實驗室耐磨性能試驗對比

體積磨損量的試驗結果見圖1。

4新型軋輥制備方法與傳統(tǒng)鍛鋼輥相比的節(jié)能節(jié)材效果

4.1新型軋輥與國內外同類產品制造工藝對比

新型軋輥制造主要工藝A：原料→冶煉→鑄造→毛坯→回火→粗加工→精加工。

新型軋輥制造主要工藝B：原料→冶煉→鑄造→毛坯→退火→粗加工→淬回火→精加工。

國內外同類產品鍛造軋輥制造主要工藝：原料→冶煉→鋼錠→鍛造→輥坯→退火→粗加工→淬回火→精加工。

通過對比可以看出新型軋輥的制造工藝簡單、節(jié)能。

表6是國內外同類產品所用合金工具鋼鍛造的始鍛、終鍛的溫度要求。可以看出，這些鋼的始鍛溫度要求均較高，可鍛溫區(qū)較窄，為保證組織均勻需有足夠的壓縮比，同時由于采用自由鍛，內孔很難鍛出，因此往往需要多次加熱才能完成，能耗很高，同時材料利用率低。

4.2制造新型軋輥工藝節(jié)能節(jié)材效果

通過實例進行對比。例中以國內一般較好水平中頻熔煉爐冶煉、鍛造、熱處理和機加工計算噸鋼電耗，并按我國目前發(fā)電能耗水平折算成每噸軋輥成品的標準煤消耗。并且是按照國內GCr15、Cr12等一般工具鋼的制造能耗計算，若按照SKD11的電爐冶煉、ASEASKF爐外精煉、真空脫氣，真空脫碳，采用先進的鍛造工藝，獨特控制的熱處理工藝等復雜工藝，能耗就更高了。

以Ф508無縫鋼管機組熱矯直機軋輥為例，成品重量2.481噸。

a）國內外同類產品鍛造軋輥制造工藝：每噸成品綜合能耗為3275kg標準煤；材料利用率達46%。

b）新型軋輥制造工藝A：每噸成品綜合能耗為916 kg標準煤，為國內外同類產品鍛造軋輥每噸成品能耗的28%；材料利用率達87%，比國內外同類產品鍛造軋輥制造工藝提高41%。制造每噸成品軋輥可節(jié)約1023kg金屬材料。

采用新型軋輥制造工藝生產的焊管軋輥和冷彎型鋼軋輥與國內外同類產品制造工藝能耗對比見表7。

綜上所述，制造每噸新型軋輥的綜合能耗比制造國內外同類產品鍛造軋輥至少可節(jié)約2.8噸標準煤，節(jié)能70%以上。制造每噸新型軋輥成品可節(jié)約1.29噸金屬材料，材料利用率提高40%以上。因此制造每噸新型軋輥的綜合能耗比制造國內外同類產品鍛造軋輥合計可節(jié)約3.72噸標準煤。

5新型軋輥應用前景

由于新型軋輥的使用壽命達到國產GCr15、3Cr2W8V等傳統(tǒng)鍛鋼軋輥的3倍以上，因此推廣應用1噸新型軋輥可節(jié)約15.11噸標準煤。