摘要：针对唐山钢铁股份有限公司中型厂辊耗高的情况，提出了优化轧辊堆焊工艺的解决方案，并进行了理论分析和试验研究。其在工业应用中取得了较好效果。

关键词：轧辊；堆焊；中型型钢轧机；工艺优化

l概况

    唐山钢铁股份有限公司中型厂产品品种有：角钢、矿用U型钢、矿用工字钢、轻轨、槽钢、圆钢、方坯，年产量50多万吨，轧机型式为Φ650mm×1／Φ630mm×3,年需求轧辊300支左右。

    Φ650mm轧机轧辊采用70Mn铸钢材料，Φ630mmI架轧辊采用低CrMo球墨铸铁材料。随着生产形势的不断发展，唐钢ee~ar-产品结构发生了较大变化，实：NT中型轧机生产大型材，但因孔型深，压下量大，造成轧辊消耗极高。为减少断辊，Φ630mm工架轧机被迫采用铸钢轧辊，此种轧辊虽然制造工艺简单、价格适中，但其辊身硬度低、耐磨性差，尤其是生产部分角钢、U型钢、工字钢、槽钢时，Φ650、Φ630mmI架铸钢轧辊的韧性及耐磨性远远不能满足使用要求，仅生产几百吨就须换槽、换辊。同时，因轧辊耐磨性低而造成的负面影响也很大：角钢成品腿部出现裂纹，用户多次提出异议；轧辊频繁更换，工人劳动强度大，日历作业率低；气耗、电耗大幅升高。

    堆焊复合轧辊，是目前国内外复合轧辊生产中较为先进的工艺方法之一，可替代传统的铸造方法，节约能源，效果良好。由于辊芯材料的多次反复使用，大大节约了金属材料，具有良好的社会效益。堆焊轧辊在性能上，不但解决了轧钢生产上的断辊问题，而且提高了轧机的生产作业率，降低了辊耗。

2     轧辊堆焊工艺的优化

2．1确定轧辊基体材料

    轧辊堆焊是在具有一定强度和韧性的廉价辊芯材料上堆焊一层硬、耐磨、耐疲劳的金属材料，从而形成一种新型的复合轧辊。辊芯材料的选取主要是为了最大程度地承受扭转和弯曲应力，减少断辊事故的发生。根据唐钢轧辊厂的工艺水平和制造成本，选用ZUJ铸钢轧辊。与70Mn比较，ZUJ的优点主要是：含碳量低，可焊性优于70Mn；随着含碳量的降低，其塑性、韧性增加，强度、耐磨性降低，但幅度并不显著，砌的硬度为HB201～217，70Mn为HB224～295，而ZUJ的伸长率为15％，70Mn为8％；承受扭转和弯曲应力的能力明显优于70Mn。因此，选用ZUJ材质作为基体，配合适于生产多种异型断面钢材的特殊材质焊丝进行堆焊，该种轧辊已于2002年应用于生产大角钢的Φ630mmⅠ机架上，并初见成效，其辊耗降低了0．23kg／t。

2．2确定轧辊堆焊材料

2．2．1焊丝材料

    根据唐钢中型厂生产实际，同时考虑到基体材料的焊接性，应选用膨胀系数与ZUJ基体相近的焊接材料，以减少堆焊难度和焊接缺陷；轧制中，由于各道次异型孔较多，孔型表面磨损不均，再加上冷热疲劳作用，使辊体受到扭转、弯曲和冲击应力的作用相当大。因此，选用了CM(1^#)焊丝、CR(2^#)焊丝、MS(3^#)焊丝、MN(4^#)焊丝，以及自制的NT(5^#)焊丝进行了试验研究。

    (1)焊丝材料的成分

    5种焊丝所包含的化学元素如表1所示。

    (2)焊丝的尺寸及表面要求

    焊丝直径在整个长度上允许有偏差，如其直径分别为Φ1．0～Φ3．0mm、Φ3．5～Φ6．0mm、Φ6．5～Φ10．0mm及Φ12．0mm时，对应的整个长度方向上的允许偏差值分别为：Φ0．06～Φ0．12mm、Φ0．08～Φ0．16mm、Φ0．10～Φ0．20mm以及Φ0．12～Φ0．24mm。焊丝的椭圆度不准超过直径公差的0．75倍。同时要求焊丝表面无氧化物和油污，焊丝呈卷装，没有角度弯曲。试验采用的焊丝直径为Φ4．0mm。

2．2．2焊剂材料

    结合我国目前焊剂生产情况和堆焊经验，选取焊剂为HJ。该焊剂是一种低锰高硅型自动焊剂，呈灰色玻璃状颗粒，粒度为0．26～2．00mm。其主要优点是：电弧燃烧稳定，容易脱渣，堆焊焊缝形成性好。

2．3轧辊的车削和堆焊工艺

2．3．1轧辊堆焊工艺

    轧辊堆焊工艺主要包含6个环节：(1)钢轧辊堆焊前进行表面清理及内部探伤；(2)经表面清理的轧辊放入预热炉中预热；(3)轧辊达到一定温度后进行堆焊；(4)焊后的轧辊进行堆焊层的外观质量检验；(5)焊后热处理；(6)轧辊内部探伤及车削精加工。

2．3．2轧辊的预热

    为减小堆焊层金属的冷却速度、堆焊层金属的结晶偏析、热应力的产生，并避免堆焊层金属产生裂纹，轧辊在堆焊前需进行预热。轧辊在堆焊过程中应保持预热温度，焊道间的搭接量在40％左右，以保证较为平稳的堆焊层表面。如果堆焊层达到20mm以上，需进行去应力回火，以消除热应力，避免出现裂纹。根据现场情况，采用5种不同焊丝时，轧辊预热温度和时间见表2。

2．3．3轧辊的堆焊及保温

    需进行堆焊的轧辊孔型多为箱形孔及蝶形孔，堆焊时从顶角圆弧处开始堆焊，逐渐向孔型开口处堆焊上去，这样反复多次，直到达到所要求的堆焊尺寸。在堆焊过程中为保证预热温度不下降，堆焊机床设置有电热体保温装置。

2．3．4焊后热处理工艺

    为了减少堆焊后所引起的残余应力，避免产生裂纹，焊后先保温，然后再装炉进行热处理。退火温度为500～600℃，保温温度为200℃，保温时间为0．5～1．0h，然后随炉缓冷，当轧辊温度降到100℃以下时出炉空冷。此工序要求严格，是保证轧辊堆焊质量的关键。

2．4试验内容

2．4．1试样制作

    试样材料为ZUJ，利用轧辊生产工艺铸造一块500mm×500mm×40mm的试样，用刨床将其外表刨光，平分成5份，尺寸为90mm×500mm×35mm，焊接设备采用ZXG—1000—1型焊机。母材进行预热后，在其上分别堆焊1^#～5^#焊丝材料，堆焊3层。待堆焊完毕空冷后，利用刨床先将堆焊层表面刨平，然后再将母材刨掉。最后，经过气割等机加工设备加工成试验备用样。

2．4．2试验结果

    (1)堆焊层数。对5种焊丝的第1～第3层堆焊层进行了成分化验，结果表明，为了得到所需的堆焊层金属成分，使轧辊堆焊层表面达到预期的使用要求，必须使轧辊工作表面处于第3层堆焊层以上。这一结果为选择合理的堆焊层厚度提供了有利的依据。

    (2)堆焊层硬度。在常温下，5种焊丝堆焊层硬度不同，顺序为5^#>1^#>2^#>4^#>3^#。当轧辊与温度高达1000℃的钢坯接触时，接触区轧辊表面温度可达到600℃左右，5^#焊丝堆焊后的金属层高温硬度值最高，高温使用状态下的组织稳定性最好。而其他几种焊丝金属随着温度升高硬度下降较大。

    (3)堆焊层的耐磨性。本文研究的堆焊材料高温磨损试验是在二辊轧机上进行的。不同堆焊层金属在热状态下的磨损量见表3，表中所有数据为辊面温度500～600℃、接触面应力200MPa、磨损3h后所测得的磨损量。

    (4)堆焊层的力学性能。从表4中各堆焊层的力学性能可看出，5^#样和1^#样均具有较高的室温强度和高温强度，且热稳定性好。

    (5)金相组织。1^#样堆焊后空冷组织为贝氏体(B)+马氏体(M)，经560℃高温回火5h后，组织为伺火马氏体(M)+回火索氏体(S′)；2^#样焊后空冷组织为马氏体(M)，经560℃高温回火5h后，组织为回火索氏体(S′)．3^#样焊后空冷组织为铁素体(F)+珠光体(P)，经560℃高温回火5h后，组织为铁素体(F)+珠光体(P)；4#样焊后空冷组织为网状铁素体(F)+索氏体(S)，经560℃高温回火5h后，组织仍为网状铁素体(F)+索氏体(S)；5^#样焊后空冷组织为马氏体(M)，经560℃高温回火5h后，组织为回火马氏体(M′)+回火屈氏体(T′)。

    由此可见，试验的5种焊丝的堆焊层金属经560℃高温回火后，只有1^#样和5^#样保留着稳定的回火马氏体组织，这说明1^#和5^#焊丝的堆焊层金属在室温和高温状态下均具有较高的硬度和强度。同时也可看出，堆焊金属的耐磨性和硬度是由堆焊金属的化学成分和组织决定的，而马氏体组织比其他组织具有更高的耐磨性和硬度。

3工业应用结果

    唐钢中型厂将优化后的堆焊工艺应用于工业生产，取得了较好效果，堆焊前后轧辊轧制量对比如表5所示。

    与焊前轧辊比较，磨损量减少，轧制量增加。尤其是轧制大规格角钢，Φ630mm I架轧机堆焊轧辊使用效果相当好，轧制量为普通轧辊的5～6倍，大大降低了成本，年创效近200万元。

4结论

    (1)在同样磨损条件下，5种堆焊材料的高温耐磨性能按照5^#、l^#、2^#、4^#、3^#的次序依次减弱，其中5^#焊丝经工业性试验验证是一种较好的堆焊材料。

    (2)影响轧辊堆焊层磨耗的主要因素是材料的高温硬度，从组织上看，5^#焊丝在具有单一强化组织的基体上分布着坚硬的碳化物，因此耐磨性较好。

    (3)堆焊焊丝应该含有一定数量的合金元素，使其能够提高焊后组织的高温热稳定性并起到固溶强化、相变强化和弥散强化的多重作用。

    (4)试验中所采用的堆焊工艺可直接用于工业生产，堆焊时轧辊的工作表面应处于堆焊层的第3层以上。

    (5)试验中所采用的焊前热处理制度和焊后560℃回火、保温16～24h的焊后热处理制度，可使堆焊层获得最高的硬度、强度和耐磨性。