鋼管及冷彎型鋼用新型軋輥的節(jié)能效果

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)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(shí)現(xiàn)節(jié)能也是大有可為的。山東省四方技術(shù)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(shù)、獨(dú)特?zé)崽幚砑皺C(jī)械加工新工藝等完整的“以鑄代鍛”軋輥制造技術(shù)，軋輥技術(shù)水平和綜合性能達(dá)到美國(guó)、德國(guó)、日本等國(guó)家最高檔次鍛鋼軋輥水平，使用壽命超過進(jìn)口軋輥，是國(guó)產(chǎn)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(shù)及裝備水平的不斷提高對(duì)軋輥提出了更高的材質(zhì)、性能和售后服務(wù)等要求。軋輥材質(zhì)設(shè)計(jì)是機(jī)組設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)使用材料均為合金鍛鋼。美國(guó)用D2、H13；德國(guó)用X155CrVMo12-1、X40CrMoV5-1；日本用SKD11、SKD61；中國(guó)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(dòng)等現(xiàn)象。國(guó)內(nèi)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(jī)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(jìn)口鍛鋼軋輥的1/2-1/3，而且有時(shí)影響生產(chǎn)。

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(fù)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(chǎn)1-2件產(chǎn)品，使用鍛造工具鋼來制造就很難形成模鍛，內(nèi)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(fù)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(jìn)行多次修復(fù)重用，因此除要求具有高強(qiáng)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(duì)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(jīng)過多次研究、實(shí)驗(yàn)，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(yīng)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(qiáng)碳化物元素和變質(zhì)劑改變碳化物形態(tài)、分布和細(xì)化晶粒，從本質(zhì)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(duì)軋輥形狀復(fù)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(fù)雜形狀軋輥的優(yōu)質(zhì)成型。依據(jù)不同的工況、技術(shù)要求及材料類型，確定了熱處理工藝。

軋輥材質(zhì)與制備方法的研發(fā)成功，實(shí)現(xiàn)了軋輥以鑄代鍛。

3新型軋輥與國(guó)內(nèi)外同類軋輥性能對(duì)比

3.1化學(xué)成分

SDSF高鉻合金軋輥材質(zhì)配比完全不同于世界各國(guó)現(xiàn)用軋輥的化學(xué)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(dāng)于中國(guó)的Cr12Mo1V1。SDSF材料目前已成為國(guó)內(nèi)鋼管矯直輥的首選材質(zhì)，在國(guó)內(nèi)外大型HFW/ERW焊管及冷彎型鋼軋輥材質(zhì)選定方面也得到了充分認(rèn)可。這一成分體系既有別于國(guó)內(nèi)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(dá)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?；w為奧氏體、貝氏體或馬氏體，硬度和韌性結(jié)合較好，宏觀硬度可達(dá)HRC50-65。D2、X155CrVMo12-1、SKD11基體為馬氏體，M7C3碳化物含量15%左右。

3.3實(shí)物取樣硬度及淬透性對(duì)比見表1

3.4實(shí)物取樣力學(xué)性能對(duì)比見表2

3.5現(xiàn)場(chǎng)使用耐磨性能對(duì)比

在國(guó)際先進(jìn)熱處理線矯直機(jī)上耐磨性能對(duì)比見表3（均為同臺(tái)設(shè)備、軋制相同鋼管結(jié)果的對(duì)比）。在國(guó)際先進(jìn)Ф250MPM機(jī)組矯直機(jī)上耐磨性能對(duì)比見表4。

3.6實(shí)物取樣實(shí)驗(yàn)室耐磨性能試驗(yàn)對(duì)比

體積磨損量的試驗(yàn)結(jié)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(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品制造工藝對(duì)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(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)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(duì)比可以看出新型軋輥的制造工藝簡(jiǎn)單、節(jié)能。

表6是國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品所用合金工具鋼鍛造的始鍛、終鍛的溫度要求?？梢钥闯?，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(shí)由于采用自由鍛，內(nèi)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(shí)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(shí)例進(jìn)行對(duì)比。例中以國(guó)內(nèi)一般較好水平中頻熔煉爐冶煉、鍛造、熱處理和機(jī)加工計(jì)算噸鋼電耗，并按我國(guó)目前發(fā)電能耗水平折算成每噸軋輥成品的標(biāo)準(zhǔn)煤消耗。并且是按照國(guó)內(nèi)GCr15、Cr12等一般工具鋼的制造能耗計(jì)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(jìn)的鍛造工藝，獨(dú)特控制的熱處理工藝等復(fù)雜工藝，能耗就更高了。

以Ф508無縫鋼管機(jī)組熱矯直機(jī)軋輥為例，成品重量2.481噸。

a）國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品鍛造軋輥制造工藝：每噸成品綜合能耗為3275kg標(biāo)準(zhǔn)煤；材料利用率達(dá)46%。

b）新型軋輥制造工藝A：每噸成品綜合能耗為916 kg標(biāo)準(zhǔn)煤，為國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品鍛造軋輥每噸成品能耗的28%；材料利用率達(dá)87%，比國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)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(chǎn)的焊管軋輥和冷彎型鋼軋輥與國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品制造工藝能耗對(duì)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(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品鍛造軋輥至少可節(jié)約2.8噸標(biāo)準(zhǔn)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(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品鍛造軋輥合計(jì)可節(jié)約3.72噸標(biāo)準(zhǔn)煤。

5新型軋輥應(yīng)用前景

由于新型軋輥的使用壽命達(dá)到國(guó)產(chǎn)GCr15、3Cr2W8V等傳統(tǒng)鍛鋼軋輥的3倍以上，因此推廣應(yīng)用1噸新型軋輥可節(jié)約15.11噸標(biāo)準(zhǔn)煤。