摘要：轧辊是热轧生产的重要工具，轧辊的管理水平直接影响企业的生产效益。随着轧辊技术的发展，性能更好高速钢轧辊逐步取代高铬铁轧辊在轧钢厂使用，综合效益显著。该材质轧辊具有硬度高、耐磨性强，红硬性和淬透性好的特点，轧制时具有较好的辊型保持能力，产品能够获得更好的凸度、楔型、轮廓等板形指标。高速钢轧辊可以重复使用，根据品种要求实现因材备辊，降低轧辊消耗量，降低了磨辊间的工作强度，减少了磨削所需的电耗、砂轮、润滑油等消耗。某钢1580热轧线主要生产硅钢、冷轧料、酸洗板、集装箱板、焊钢瓶、镀锡板等高端产品，对轧辊的选用要求高。目前前部机架F1~F4已经全部为高速钢轧辊，在抗磨损性、抗事故性方面表现出明显优势。本文结合高速钢轧辊成分、基体、碳化物等特性，针对抵抗热裂纹扩展强的特点，通过长时间的生产实践，总结出出一套针对轧辊携带热裂纹轧制的使用方法，即在保证轧辊不发生大的剥落事故的同时，分步控制磨削量使用，经检验该方法符合产线的生产实际，不会对产品质量造成影响，大大降低了生产成本的同时，提高了生产效率。

　　关键词：热轧；高速钢轧辊；热裂纹

　　1背景

　　某钢1580年设计生产能力380万吨，主要产品为硅钢、冷轧料、酸洗板、集装箱板、焊钢瓶、镀锡板等产品。主轧线设备设计及制造为中国一重集团，电气自动化系统由日本TMEIC公司供货，加热炉蓄热式燃烧系统设计及供货者为日本炉材公司，侧压机设计及供货者为德国西马克公司，其它设备及配套设计和供货者均为首钢国际工程公司，于2007年10月25日开工，2009年12月14投产。1580mm平整线作为热轧生产的后工序，主要负责1580mm热轧产线后部运输、仓储、取样、平整、产品缺陷修复、检验、包装、转储、报产、发运等生产任务，配套设备平整机设计年产量60万吨。该产线定位高，产品复杂，轧制难度大，换辊节奏快，对轧辊的使用提出了更高的要求。出于对产品的考虑，某钢1580F1-F4机架全部使用高速钢轧辊。该材质轧辊具有硬度高、耐磨性强，红硬性和淬透性好的特点，轧制时具有较好的辊型保持能力，产品能够获得更好的凸度、楔型、轮廓等板形指标。同时，产线废钢较多时，同样因其硬度高，耐磨性强的特点，轧辊磨削难度增加，处理时间延长，预计每磨削1mm高速钢轧辊要增加1h磨削时间，对轧辊的连续供应造成负面影响。热裂纹是一种常见的轧辊缺陷，是热轧辊使用中表面出现的最常见缺陷之一，实际生产中种类很多，局部粘钢、卡钢、冷却水不足等因素都会造成热裂纹的产生。各种裂纹的产生除和轧辊材质本身特性有关之外，轧辊表面的热条件也是影响轧辊表面裂纹产生的重要因素，不同的热量环境，造成的热裂纹形态、严重程度也会不同。其产生原因由于温度升高，表层要产生膨胀，但次表层温度还低，不允许表层膨胀，于是在表层产生很大的压应力，如果压应力超过材料的压缩屈服极限，表层材料就要产生塑性变形。本文主要研究卡钢后产生的条形裂纹，这种裂纹可以通过肉眼和磨床涡流系统检测出来，是现场最主要的热裂纹形式。当产线发生废钢事故，800℃~900℃带钢含在机架内，由于接触时间增加，传热深度和热裂纹深度都急剧增加，对轧辊辊面造成破坏，严重时深度可达10mm。由于磨削能力有限，严重的热裂纹轧辊只能停用，造成周转轧辊数量的减少，给轧辊准备工作带来不便。与此同时，轧辊消耗量上升，轧制成本升高，F1-4高速钢轧辊占轧辊消耗的比例为20%，而热裂纹缺陷在轧辊缺陷中数量最多，管控好该类型的轧辊缺陷，就是抓住了重点，不仅能够提高轧辊周转效率，而且能够降低成本。

　　2高速钢轧辊的特点及优势

　　与传统的高铬铁轧辊相比，一般来说，高速钢轧辊的材质成分含有各5%左右的Cr，Mo，V等合金元素，为了进一步确保抗磨损性，高速钢轧辊的含碳量比较高。对于高速钢复合轧辊外层的成分设计要遵循两个重要原则：一是确定合理的碳和合金元素在高速钢中的含量，确保轧辊的耐磨性高，耐热性高和韧性高；二是所选择的成分必须保证高速钢有足够的淬透性，使得高速钢复合轧辊在淬火后得到高硬度的马氏体组织。其化学成分(质量百分数)如下：

　　外层：C：1.5~2.5；Si：0.4~1.2；Mn：0.4~1.2；P：≤0.05；S：≤0.05；Ni：0.2~1.2；Cr：3.0~8.0；V+Nb：5.0~15.0。

　　内层：C：2.5~3.5；Si：1.5~3.0；Mn：0.4~1.2；P：≤0.05；S：≤0.03；(Ni，Cr，V，Nb)总量≤0.8。

　　高速钢的碳化物种类不同而且很硬。特别是钒碳化物(VC)很细，很硬，分布于共晶团奥氏体(淬火后成为马氏体)内，使碳化物间距减小，分布弥散，能够有效抵抗热裂纹的扩展速度，同时可以提高辊身硬度均匀性。碳化物硬度参考如下：

　　Cr7C3(1600Hv~1800Hv)，VC(2800Hv)，Mo2C(2250Hv~3000Hv)，Cr6C(1820Hv~2060Hv)。

　　高速钢轧辊基体控制为显微硬度和强度较高的马氏体组织，高速钢轧辊外层的残余压应力为200Mpa~300Mpa，比一般轧辊100Mpa~200Mpa要高，同一般的轧辊相比，高速钢轧辊大的残余压应力更能防止裂纹的渗入与传播，对提高轧辊的寿命是十分有力的。

　　在轧制过程中，轧辊表面生成均匀，连续的氧化膜，不仅可以降低轧制力，而且可以提高产品质量，文献介绍，在500℃~650℃干燥环境下，高速钢表面的基体先于碳化物氧化，主要原因为碳化物中含有较多的合金元素具有比较强的抗氧化性，但同时，使用时水蒸气能够增加碳化物的氧化速率。研究发现，氧化膜的组织主要为FeO、Fe3O4、Fe2O3，含量最多的为Fe3O4，该组织抗剥落的能力最强，可以达到40Mpa。使用过程中，轧辊氧化膜颜色是逐步变化的，一般为浅蓝色，蓝色，最终变为黑色。文献介绍，浅蓝色、蓝色的氧化膜厚度为0.4um~0.7um，氧化膜比较致密，而且附着性较好，随着氧化膜厚度增加到1um，颜色变为黑色，附着性变差。

　　因其抗磨损性强的特点，高速钢轧辊可以重复使用。重复使用主要取决于产品的品种、表面质量要求、辊型误差要求。某钢1580产线前部机架为CVC辊型，最大允许辊型误差±0.04mm以内，辊面根据质量状态分为4级。轧辊下机后，首先评价轧辊的表面及辊型误差，操作人员根据轧线的后续品种要求决定轧辊如何使用。比如轧制酸洗板，对表面的要求较高，辊面评价为1级，并控制上机次数在2次以内；轧制焊瓶时，对表面要求相对低一些，可以使用表面3级以上，使用在4次以内的轧辊。高速钢轧辊的优势在于可重复使用，实现因材备辊。

　　在抗裂纹扩展方面，高速钢轧辊同样具备显著的优势，通过金相可以看出，高速钢轧辊金相组织中，碳化物已经不再是蜂窝，长条状，而是弥散分布的颗粒状，彼此之间不在形成网状连接，基体上存在大量的小的二次碳化物，这主要得益于Cr、Mo、V等合金元素的加入，特别是钒碳化物(VC)很细，很硬，当裂纹产生时，因为其碳化物不连接，有效阻止了裂纹向下扩展。据资料显示，专业人员对比了高铬铁轧辊及高速钢轧辊对热裂纹缺陷的敏感性，同样的钢种，轧制力、冷却条件、轧制节奏等基本相同，高铬铁轧制2000t，高速钢轧制6000t，然后对比热裂纹深度，结果显示，高铬铁轧辊裂纹深度0.06mm，高速钢轧辊的热裂纹深度0.04mm，高速钢轧辊抗裂纹扩展的能力明显较强。

　　3轧辊携带热裂纹轧制攻关过程

　　3.1选定试验轧辊

　　根据轧辊使用机架、上下辊位置、轧辊供应商的不同，选择6支卡钢的工作辊进行试验，其中2支来在邢台轧辊厂，2支来自共昌轧辊厂，2支来自武钢轧辊厂，热裂纹的程度根据含钢时间的长短深度有所不同。选定轧辊肉眼观察裂纹呈闭合状，经过超声波检测无裂纹扩展，在轧辊边部使用高温笔标记圆周方向位置，便于与涡流探伤系统对应。经过查阅资料，热裂纹的深度与卡钢时间的关系可参考如下：

　　(1)卡钢时间1s，传热深度11.89mm，热裂纹深度0.87mm。

　　(2)卡钢时间5s，传热深度26.59mm，热裂纹深度1.95mm。

　　(3)卡钢时间10s，传热深度37.6mm，热裂纹深度2.75mm。

　　(4)卡钢时间30s，传热深度65.1mm，热裂纹深度4.77mm。

　　6支轧辊平时停用，在白班探伤人员跟踪轧制计划，上机前裂纹状态、下机后的裂纹变化。

　　3.2轧辊磨削

　　将存在热裂纹的轧辊进行磨削，磨削量控制在1mm左右，此时轧辊热裂纹未磨削干净，磨床操作界面上可显示出热裂纹圆周方向的角度以及热裂纹的长度，可以与轧辊本身对应，从而判断出该缺陷为热裂纹以及严重程度，操作人员快速锁定轧辊辊身上热裂纹位置。其原理为磨床Z轴(大托板移动方向)的一个传感器负责确定轧辊缺陷轴向位置，C轴(轧辊传动)负责确定缺陷圆周方向位置，完成缺陷的定位。

　　3.3评估热裂纹程度后轧钢试验

　　轧辊磨削后肉眼观察热裂纹必须是闭合的，确保不会因为热裂纹的存在影响带钢表面质量。试验中遵循循序渐进的思路，首先选择厚度2.5mm的硅钢产品，其目的为厚度较厚且可以后续二次加工，降低风险。最终试验表面要求较高的1.6mm酸洗产品，通过开卷检查的确认，轧辊上的热裂纹不会带到产品上，可以在所有热轧板上使用。轧辊自身安全性方面，对热裂纹进行超声波检测，探头选择双晶2M直探头，保证裂纹不会在轧机内发生扩展导致剥落，然后通知轧钢班组正常轧钢使用。

　　3.4携带热裂纹使用安全性验证

　　按照每次磨削1mm的磨削标准，实际控制在0.9mm~1.1mm之间，下机后不磨削重复使用2次~3次，按照正常轧辊的使用标准进行。经过近5个月的试验，累计跟踪60次携带热裂纹上机的轧辊，记录每次使用的轧辊辊号，磨削量，肉眼、超声波、涡流检测结果，轧辊吨位，使用机架，重复使用次数，试验结果验证，高速钢携带闭合热裂纹上机，不会影响产品质量，且热裂纹扩展的速度缓慢，采用分步处理的方法，既提高了备辊效率，又降低了轧辊消耗。根据热裂纹深度的不同，一般经过2次~4次磨削可将热裂纹彻底磨除，实践验证，该种轧辊使用方法是符合生产实际的。以下为XG2177热裂纹轧辊的试验记录：

　　(1)辊号XG2177，涡流探伤轴向热裂纹，角度200°，磨削量1.1mm，肉眼检查结果为闭合裂纹，超声检测无扩展迹象，轧制吨位为1047t，使用机架F2，重复使用次数1。

　　(2)辊号XG2177，涡流探伤轴向热裂纹，角度200°，磨削量0mm，肉眼检查结果为闭合裂纹，超声检测无扩展迹象，轧制吨位为1181t，使用机架F2，重复使用次数2。

　　(3)辊号XG2177，涡流探伤轴向热裂纹，角度200°，磨削量0mm，肉眼检查结果为闭合裂纹，超声检测无扩展迹象，轧制吨位为2037t，使用机架F2，重复使用次数3。

　　(4)辊号XG2177，涡流探伤轴向热裂纹，角度200°，磨削量0.9mm，肉眼检查结果为闭合裂纹，超声检测无扩展迹象，轧制吨位为1121t，使用机架F3，重复使用次数1。

　　(5)辊号XG2177，涡流探伤轴向热裂纹，角度200°，磨削量0mm，肉眼检查结果为闭合裂纹，超声检测无扩展迹象，轧制吨位为12126t，使用机架F3，重复使用次数2。

　　(6)辊号XG2177，涡流探伤轴向热裂纹，角度200°，磨削量0mm，肉眼检查结果为闭合裂纹，超声检测无扩展迹象，轧制吨位为1107t，使用机架F3，重复使用次数3。

　　4攻关效果

　　4.1提高了热裂纹轧辊毫米轧制量，降低了轧辊消耗

　　以1支直径方向需要磨削3mm的热裂纹轧辊为例(裂纹深度1.5mm)，说明改善前后的变化，如下：

　　(1)一次磨除：磨削量3mm，轧制计划单个数1个(每个计划单吨位按照1500t计算)轧制吨位为1500t。

　　(2)三次磨除：磨削量1mm，轧制计划单个数3个，轧制吨位4500t。

　　同样是需要磨削3mm(深度1.5mm)的热裂纹，一次直接磨除3mm与每次磨削1mm分3步处理，轧制量提高了3倍。即同样轧制4500t，一次直接磨除3mm与每次磨削1mm分3步处理，轧辊消耗增加了6mm(由于高速钢轧辊的特性，热裂纹扩展及其缓慢，轧制6000t热裂纹扩展不足0.05mm，可忽略不计)，携带热裂纹轧制，轧辊消耗降低2/3。

　　通过数据统计，2020年4月~8月期间，携带热裂纹轧制节省轧辊228mm，每支新轧辊可用直径90mm，5个月节省折合新辊2.53支，全年可节省新辊投入6.08支。按照每支30万元计算，每年实现轧辊降低成本182.4万元。砂轮方面，磨削高速钢轧辊使用的是陶瓷微晶刚玉磨料砂轮，砂轮具有磨削锋利、产生的磨削热少，并且耐用度高保形性强，工件表面加工质量好，砂轮修整量少，磨削效率高等优势，每片砂轮磨削量33mm，单价1.1万元左右，通过计算每年节省砂轮6.9片，创效约7.6万元，综上所述，轧辊和砂轮两项，每年合计创效196万元。取得了实实在在的效益。

　　4.2增加轧辊实际的周转量，提高生产效率。

　　某钢1580定位高端，产品规格较薄，对表面质量要求高，每天精轧换辊可达10次以上。该轧辊材质硬度高，磨削效率低，一旦产线废钢事故增加，轧辊准备很可能满足不了产线需求，造成前部机架无辊可换的局面。采用携带热裂纹轧制可有效扭转这一被动局面。同样以深度1.5mm，直径3mm热裂纹轧辊为例，高速钢轧辊磨削1mm的时间为1h，一次直接磨除3mm磨削1对轧辊需要6h，每次磨削1mm后轧制使用，分3步处理，热裂纹轧辊磨削时间为2小时即可为产线准备出一对轧辊，大大提高了工作效率。

　　5结论

　　(1)高速钢轧辊特点为基体控制为显微硬度和强度较高的马氏体组织，碳化物种类不同而且很硬，抗磨损性强，抵抗热裂纹扩轧的能力强，针对这一特点，通过试验及生产实践验证，携带热裂纹轧制不会对产品质量造成影响，这一结论在所有钢种中进行了验证，同时，热裂纹扩展速度慢，可以保证轧辊本身的安全性。一般情况下，轧辊使用5次将热裂纹逐步磨除干净，轧制上的表现与正常轧辊无区别。

　　(2)高速钢轧辊携带热裂纹轧制使用能够降低轧辊消耗，减少轧辊的采购量，降低生产成本；此外，降低了磨削过程中电力消耗、砂轮消耗、润滑油消耗等，符合绿色、低碳发展理念；同时降低了职工工作强度，具有较高的经济效益。

　　(3)携带热裂纹使用，顺应了热连轧产线快节奏生产需要，降低轧辊磨削时间，增加轧辊的实际周转量，保证了连续性生产，这无疑提高生产效率，创造更大价值。

　　(4)使用中轧辊因供应商的不同，工艺条件有所不同，实际生产中抗裂纹差异不大，三个供应商轧辊均能满足携带热裂纹使用的需求。