退火炉炉辊的研制

炉辊制造资料
王振华，姚年善，孙波
摘要：烟台百思特炉管厂在生产制造多种高温合金炉辊的基础上，从改变离心浇注各种参数入手，经过多次试验，成功研制出了大型冷轧薄板立式连续退火炉炉辊，并在某重点钢厂投产运行。

关键词：大型冷轧薄板；立式连续退火炉；炉辊；研制
中图分类号：TG 155.7 文献标识码：B
大型冷轧薄板生产线主要由酸洗机组、冷轧机组、立式连续自动退火炉、剪切机组四大主体设备组成。

立式连续自动退火炉由炉体加热、输送、清洁、检测和密封等装置组成，炉体高30m 。

输送装置由大型冷轧薄板立式连续退火炉炉辊及其电机、轴承、轴承座等部件组成，其中技术含量最高、制造难度最大的是各种规格的大型冷轧薄板立式连续退火炉炉辊。

它采用立式“W”型布置，总长都在5m 以上，炉辊直径1000~1 300mm 。

因该炉辊在950℃高温环境中承受各种重荷磨损及气体腐蚀，故要求具有较高的高温抗疲劳、抗氧化、耐腐蚀和耐磨等性能，表面粗糙度要求达到Ra0.8，平衡达到ISO1940G6.3等级。

一、试验工艺研究
大型冷轧薄板立式连续退火炉炉辊是由ZG30Cr25Ni20高温合金离心铸管焊接而成，其外径小1300mm ，长度2 500mm ，重量为51左右。

因该炉辊在国内首次研制，我们做了以下研究：
1．离心铸管工艺转速
离心铸造铸模转速直接影响铸件的表面质量及金相组织，炉辊外圆表层要求为等轴晶，其余为柱状晶。

为了保证炉辊的综合性能，要调整铸模转速，控制炉辊质量。

目前国内采用的离心浇注铸模转速计算公式是
N=29.9
式 中：G —重力系数；
R —铸件内半径。

该公式有一定的局限性，适用于碳钢、长径比和壁厚在一定范围内的情况。

考虑到钢液的化学成分、浇注温度、结晶条件等综合因素，经过多次试验，对公式进行了以下修正。

N=29.9K 1·K 2·K3
式中：K 1—化学成分系数；
K 2一浇注温度系数；
K 3一离心铸模温度系数
2．离心铸模的加热工艺
采用普通的均匀加热技术很难保证铸管的表面质量和金相组织，根据浇注温度梯度的规
律，采用了分区加热技术，从而保证浇注后的炉辊辊体能在相对的同一温度场下结晶，确保了整个辊体的材质均匀性。

3．炉辊外表面精加工技术
生产中，冷轧薄板的板面与炉辊表面接触，因此对炉辊的表面加工精度要求较高。

技术协议要求炉辊表面粗糙度达到Ra0.8，同时还要求同轴度和径向跳动等指标。

炉辊辊面为双锥度圆弧过渡辊面，增加了大型炉辊的加工难度。

为此，工厂购置了大型镗床、大型车床和数控车床，制定了严格的镗孔、粗车、精车和精磨加工工艺。

4．炉辊动平衡工艺
该炉辊转速较高，因此工艺中要求炉辊的动平衡达到ISOl940G6.3等级。

为此，应保证炉辊辊体的壁厚差≤0.3mm，并对铸造炉辊锥体的铸造工艺进行改进。

同时检测锥体铸件的静平衡状态，用除重法保证每个锥体铸件的静平衡量≤500g。

焊接时采用专用胎具固定并调整锥体和辊体的间隙，从而保证了炉辊的动平衡精度。

5．炉辊表面喷涂工艺
要保证冷轧薄板表面无划伤、划痕，不仅要提高炉辊的表面粗糙度，还要提高炉辊的表面硬度，高温条件下其表面硬度要求高达60HRC以上，所以必须采用喷涂金属陶瓷涂层。

喷涂工艺分为超音速喷涂和爆炸喷涂两种。

因为冷轧连退线炉辊安装在高温段，所以采用爆炸式喷涂工艺。

为此重点研究了金属陶瓷的化学成分、金属陶瓷与炉辊表面喷涂后的物理性能、喷涂过程工艺参数以及炉辊表面喷涂后的热处理工艺。

二、试验结果和讨论
1．试验结果
按照HG/T26OI一2000标准，采用光谱和手工两种方法对生产出的铸件进行化学成分分析，其结果见表1，常温力学性能和高温短时力学性能见表2，同时还做了982℃、41MPa的高温持久性能的检验。

标准中要求大于34h，因为炉辊的使用寿命与高温持久性能成正比，所以在试验时，把最小断裂时间定为大于50h，其检验结果都大于5lh，详见表3。

从炉辊辊体所取的低倍金相组织也满足技术条件的要求。

表1 炉辊辊体的化学成分%
表2 炉辊辊体的力学性能
表3 高温持久性能
2．讨论
从表1、2、3数据看出，所有按现工艺生产的炉辊，其理化性能均达到HG/T2601一2000标准和技术要求，特别是高温持久性能试验时间提高了16h，在试验时达到5lh未断，说明试验工艺方案较合理，提高了炉辊的抗氧化和耐高温性能。

高温炉辊采用爆炸喷涂，喷涂工序较多，成本也较高，因此简化喷涂工艺、降低工艺成本是下一步研究工作的重点。

超音速火焰喷涂防止连续退火炉炉辊表面结瘤
冷轧带钢在连续退火炉内的运动,是依靠炉内一组炉辊的转动作业实现的。

退火炉内的温度一般达450~~900℃，炉辊在高温下连续输送带钢，带钢表面携带的氧化皮和铁粉被高温活化，在与辊面间的摩擦力作用下，产生很大的挤压应力,将辊面的保护膜挤破，裸露的新鲜表面就会与活化了的铁粉在压应力下产生固相焊接，使辊面产生结瘤。

破坏了辊面原有的粗
糙度，带钢会被结瘤划伤,影响表面质量。

辊面的结瘤现象，在金属学称为粘着磨损。

造成粘着磨损的因素很多，通常有以下几点：
1．金属的互溶性元素在周期表中的位置越接近、电极电位越接近，他们之间的原子互相扩散的能力就越强，互溶性就越强，粘着磨损的倾向就越大。

2．金属的点阵形式面心立方结构最容易发生粘着，六方点阵结构最不容易发生粘着，体心立方结构的居中。

3．材料的表面硬度当表面硬度增加时，变形抗力大，塑形变形小，导致真实接触面积减小，粘着系数就降低。

4．摩擦副的工作环境当摩擦副相对速度增大、环境温度增加、二者之间的正压力增大时，粘着的可能性就越大。

抵抗粘着磨损表面处理的基本思路
1．提高材料的熔点。

增加其红硬性，提高表面的高温工作性能。

2．降低材料的润湿性。

减少金属间的互溶。

3．提高表面硬度。

增强其耐磨性。

4．降低表面粗糙度。

减少互相咬合的机会。

对于退火炉辊，要想抵抗粘着磨损，应该具备以下技术性能：
1．辊面要有足够的硬度----------------HV1000以上。

2．辊面要有足够的耐高温性----------450~~900℃。

3．辊面要有一定的抗热疲劳性。

4．辊面改性，降低其润湿性。

根据辊面的这些技术要求，借鉴国外的先进技术，我们采用超音速火焰喷涂工艺对辊面喷涂碳化物金属陶瓷，以解决辊面结瘤问题。

关于超音速火焰喷涂工艺
超音速火焰喷涂，又称HVOF喷涂，是目前用来喷涂碳化物陶瓷的最佳手段。

与其他喷涂手段相比，HVOF喷涂碳化物陶瓷有以下优点：
1．火焰温度适中。

（≤3300℃）不会使碳化物陶瓷产生脱碳、蒸发、分解、再结晶及元素重新分布等缺陷，使涂层保持了材料原有的物理、化学特性。

2．喷涂粒子飞行速度高。

粒子速度可达800~~1200m/s，强大的冲击力使涂层与基体间具有70~~~90 MPa的结合强度；涂层粒子之间的结合强度可达200 MPa。

3．由于飞行速度高，粒子动能大，在碰撞工件的瞬间动能转化为热能，使粒子获得二次加热的机会，并产生瞬间无氧化熔融，补偿了温度不足的缺陷，进一步提高了结合强度。

4．强大的冲击力使涂层致密度可达98~~99.8％, 使涂层具备优良的耐磨性、耐腐蚀性和耐冲蚀性。

5．枪内送粉的HVOF喷枪能使粉末在枪体内部就得到加热，使粒子受热均匀、充分，不易产生夹生现象。

6．超音速火焰喷涂还能使涂层的残余应力得到改善。

强大的冲击力使涂层呈现压应力状态，减少了涂层裂纹的机会。