承钢1780热轧带钢高铬铁轧辊表面氧化膜研究

承钢1780热轧带钢高铬铁轧辊表面氧化膜研究

崔瑞甲李洋谷辉格周海峰

河钢集团承钢公司棒材事业部河北067102

摘要：通过对热轧带钢轧辊表面氧化膜在线形成质量的跟踪，结合现场轧辊磨削数据，分析了工作辊氧化膜形成、剥落原因和对轧辊消耗的影响。结果表明：轧辊氧化膜形成质量直接影响轧辊消耗，通过改善磨削质量和使用工艺，提出了相应的解决措施，对氧化膜形成质量进行了有效的控制。

关键词：轧辊，氧化膜，磨削数据，轧辊消耗

前言

轧辊是轧钢生产中的重要设备之一，轧辊的使用和维护不仅关系到轧机的生产率，而且在很大程度上影响轧材的质量[1-2]。热轧精轧机工作辊处于高温、高应力、水蒸气等工况条件，工作辊表面会形成一层薄的、致密的且耐磨氧化膜[3-6]。承钢1780生产线F1-4高铬铁轧辊，下机发现辊面氧化膜经常出现脱落。良好的辊面氧化膜不仅可以降低带钢和工作辊之间的摩擦因数、防止热裂纹向辊体扩展、阻止带钢热量向辊体扩散从而延长工作辊的工作周期和使用寿命，而且可以提高带钢的表面质量。相反，氧化膜不均匀脱落，将造成辊面的不均匀磨损，直接影响辊形、动态辊缝和带钢断面凸度。因此，氧化膜形成和维护成为热轧厂提高带钢质量的重要研究方向[7-11]。通过现场跟踪及工艺改进，氧化膜在线控制取得了一定的成效。

1精轧7个机组组成及氧化膜的特点

承钢1780生产线精轧机组由7架CVC轧机组成，F1-4工作辊为改进型高铬铁轧辊，规格为：Φ（850~760）mm×2360mm×5250mm，F5-7工作辊为改进型无线冷硬铸铁轧辊，规格为：Φ（700~630）mm×2360mm×5250mm，承钢1780生产线主轧料为冷轧基料，钢种为SPHC，板坯规格为：200mm×1630mm×（6000-12000）mm，产品规格为：（1.2-19）mm×1630mm，F1-4换辊吨位2300t。现场采用下线观察氧化膜的形成及冷却后磨削数据，对轧辊氧化膜质量进行评定，发现F1-4工作辊氧化膜脱落严重。F1-4工作辊氧化膜具有以下特点为：

1）高铬铁轧辊化学成分，如表1所示。

表1F1-4工作辊化学成分%

2）下机氧化膜情况是：下线后发现上下辊面氧化膜均有脱落，下辊氧化膜脱落较为严重且辊面有几处夹灰，形成轧辊凹坑。如图1为下机高铬铁轧辊表面氧化膜剥落图。

图1下机高铬铁轧辊表面氧化膜剥落图

3）下机冷却后轧辊氧化膜去除情况

图2磨削0.05mm后氧化膜去除情况图

轧辊下线冷却后氧化膜去除情况如图2，图3所示。由图2得知磨削0.050mm后部分氧化膜已经去除，辊面有残留的氧化膜，由图3得知磨削0.10mm后，辊面氧化膜已全部去除。现场统计磨削情况得知：F1-4轧辊在线形成的氧化膜厚度约为0.05~0.1mm。

4）轧辊磨削数据分析

现场制定F1-4轧辊正常磨削范围：0.3mm~0.5mm。由于F1-4轧辊氧化膜脱落严重，现磨削量约为0.42mm，处于磨削范围的上限，造成F1-F4工作辊磨削量加大。

2氧化膜形成机理

在热轧过程中，轧辊轧制过程中在高温、高压、大气、水蒸气等的混合条件下工作，轧辊表面温度迅速上升约500-600℃，轧辊自身氧化作用下生成氧化膜，氧化膜的主要成分为Fe3O4。轧辊表面离开轧件瞬间至轧辊表面温度受工作辊冷却水的作用，降至40-100℃。轧辊氧化膜就在温度循环上升、下降过程中生成。

图3磨削0.10mm后氧化膜完全去除情况图

3工作辊氧化膜剥落原因分析

从轧辊工作受力情况分析，轧辊表面接触应力包括在变形区内带钢对轧辊的轧制力及工作辊与支撑辊之间的周向应力。轧辊表面热应力是由于轧辊与带钢接触热传导及轧件离开轧辊后水冷和空冷在急冷急热循环作用下产生的。轧辊在周期性转动，因此轧辊受到的热应力和接触应力也是周期性变化的。由于两种应力的相互作用，轧辊表面氧化膜和轧辊基体之间开始产生裂纹。

轧件在变形区内存在前滑区和后滑区，轧辊氧化膜通过变形区受到交变剪切应力，在前滑区剪切力指向出口，在后滑区剪切力指向入口方向，如图4为轧辊受到的交变剪切力示意图。这种交变剪切力使裂纹扩展，在残余应力及剪切应力的作用下，由于低周疲劳及热疲劳作用而产生并沿一次碳化物M3C，M7C3扩展，导致裂纹沿碳化物进一步生长，最终当氧化膜与轧辊基体的黏附力小于剪切力时，氧化膜就在裂纹处开始剥落。剥落一旦产生，在轧辊表面明显产生台阶，氧化膜将受到剪切力的作用，剥落面积不断扩大。剥落的扩展方向与轧辊圆周速度方向相反，说明后滑区的剪切力是起主导作用。

图4轧辊受到交变剪切力示意图

4轧辊氧化膜控制措施

1）改进轧辊磨削质量

F1-4工作辊磨削完后，发现辊面走刀痕明显，增加精磨次数，减少给进电流，严格控制磨削精度，保证合格的表面质量的精度。如图5为磨削后辊面有明显走刀痕示意图，图6为改进磨削工艺后，良好的辊面磨削质量示意图。

图5磨削后辊面走刀痕示意图

图6良好的辊面质量示意图

2）轧辊防剥落水严格投入使用

保证轧辊防剥落水投入，确保轧辊发生事故剥落。

3）严格控制轧辊冷却

加大工作辊冷却水嘴型号和数量，在下辊出口处增设存水装置，对轧辊表面离开轧件瞬间至工作辊冷却段高温区域进行集中冷却，改进后辊面状况大大改善，下线后轧辊温度比改善前下降了3℃，且辊面温度均匀。

4）保证刮水效果

通过对磨损刮水板的周期性更换，对变形支架的处理来保证刮水板与工作辊之间紧密接触，可有效刮去工作辊表面残留的氧化铁皮，防止压入变形区内。

5）合理控制板坯加热炉内气氛

加热炉根据不同的热值压力调整炉内气氛，减少板坯氧化铁皮的生成，尤其是除磷设备难以去除的氧化铁皮，防止一次压氧产生，大颗粒的一次氧化铁皮对上游机架辊面有很强的破坏性作用。

6）合理的温度制度和负荷分配

降低出钢温度和终轧温度，可有效控制机架间压氧的产生，减少氧化铁皮对轧辊的磨损。适当减少易产生工作辊氧化膜剥落机架的压下率，减少轧辊在变形区内的、所受的交变应力，可有效保护工作辊辊面氧化膜。

7）合理安排轧制计划

合理编排烫辊材和轧辊节奏，这对于氧化膜的良好形成和保护具有重大的影响作用。现场实践证明，轧辊的轧制吨位达到300t左右时是氧化膜形成的关键时期。烫辊轧制节奏过快，会使辊温过高，导致初期氧化膜形成，且过厚易脱落。轧制节奏过慢，使轧辊冷却快，氧化膜形成过薄对轧辊不能起到保护作用。根据轧辊氧化膜形成情况，前15块烫辊材轧制节奏在每4min1块钢，之后每5-7min1块钢，氧化膜形成良好。

8）使用轧制润滑油

轧制润滑油可以大大降低带钢和轧辊之间的摩擦力和轧制力，严格投入使用轧制润滑。轧制润滑油实际上降低了轧辊磨损，用保护性油层覆盖在轧辊表面上，在变形区缓和了水的侵蚀，降低了接触面的温度，减缓了表面氧化程度，并影响表面的变化程度。

5氧化膜形成良好

对现场使用工艺进行改进后，F1-4高铬铁轧辊表面氧化膜质量得到了明显的改善，无剥落情况，氧化膜形成致密，呈黑亮色，下线测温辊身温度均匀。如图7为良好的辊面氧化膜形成示意图。

图7辊面氧化膜形成示意图

6结论

1)进行氧化膜有效的控制必须做好初期形成和中后期的保护，轧制使用过程可采取辊缝润滑、合理编排轧制节奏和优化烫辊制度、加大冷却水量、严格使用防剥落水、降低轧制温度、保证除磷效果等措施，改进后氧化膜剥落问题得到了很好的改善。

2）轧辊氧化膜是在轧制过程中在高温、高压、大气、水蒸气等的混合条件自身氧化作用下生成的，主要成分是Fe3O4，剥落是由于低周疲劳及热疲劳作用而产生并沿一次碳化物M3C，M7C3扩展，导致裂纹沿碳化物进一步生长，最终当氧化膜与轧辊基体的黏附力小于剪切力时，氧化膜就在裂纹处开始剥落。

3）良好的氧化膜的形成可以保护轧辊，减少轧辊在线磨损和防止裂纹进一步扩展到基体，在一定程度上反映轧辊在线使用效果，现通过改善轧辊氧化膜质量，轧辊下线磨削量控制在磨削范围的下限，很大程度上降低了轧辊消耗。

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