冷轧辊双频感应淬火热处理工艺探讨

中国的冷轧辊走过了 ５０ 多年的历程 ，从最初炉 子整体加热淬火 、盐浴炉加热淬火到到工频渐进式 单频淬火 。 １９７８ 年武钢引进了一米七冷轧工程 ，作 为冷轧机的配套工程从比利时 ＯＳＢ 锻钢轧辊公司 引进了一套用于冷轧辊中间修复淬火设备 ，这是从 中国单工频淬火走向 ５０ ／２５０ Ｈｚ 双频淬火的开始 ， 它使冷轧辊加热时奥氏体化时间延长 ，不仅淬火硬 度达到 ＨＳＤ１０３ ，而且变换材质如 Ｍ Ｃ３ 、Ｍ Ｃ５ 可使 淬火后硬化层深度达半径 ２５ － ４０ｍｍ 。
１１００ｍ ｍ 开启方式 ：卧式上开
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武汉工程职业技术学院学报 ２０１４ ．３
图 ３ 双频感应淬火机床电气控制系统图
图 ４ 淬火水回路 ／电器冷却水回路图
冷源 ：液氮 １ ．２ ．２ 冷处理设备工艺性能
收稿日期 ：２０１４‐０３‐２９ 修回日期 ：２０１４‐０７‐１３ 作者简介 ：华陈亮 （１９７９ ～ ） ，男 ，工程师 ．Ｅ‐ｍａｉｌ ：２８７５５７０８５＠ ｑｑ ．ｃｏ ｍ
华陈亮 张 伟 王 甫 ：冷轧辊双频感应淬火热处理工艺探讨
屈服强度 σｓ 抗拉强度 σｂ 断面延伸 δｓ
／Ｍ Ｐａ
／Ｍ Ｐａ
／％
７５０
１３００
１９
断面收缩 ψ ／％
４５ － ４８
性能 Ａｃ 冲击值
Ｊ ／ｃｍ ２
３０ － ３５
碳化物颗粒 尺寸 ／μｍ
碳化物类型
有效淬硬层 深度 ／ｍ ｍ
０ ．２ － ０ ．５ 以 Ｍ ７ Ｃ３ 为主 ２５ － ４０
为满足快速降低水温的需要 ，配备了两套冷却 塔（每套冷却能力 ２５０ｍ３ ／ｈ） 。 可使电气冷却水和淬 火水的水温控制在 ３５ ℃ 以下 。
１ ．２ 冷处理设备 １ ．２ ．１ 冷处理设备主要技术参数 液氮罐容量 ：３０ｍ３ 温度控制范围 ：－ ８０ ℃ ～ － １２０ ℃ 降温速率 ：０ ．１ ～ １０ ℃ ／ｍｉｎ 温度均匀性 ：± ２ ℃ （温度平衡后 ０ ．５ｈ） 控温精度 ：± ２ ℃ 槽壁温 ：≥ ５ ℃ （槽内温度为 － ８０ ℃ ） 过 程 槽 内 腔 尺 寸 ：６０００ｍｍ × １１００ｍｍ ×
环 ，对轧辊喷水淬火后 ，水流进淬火冷却水槽 。 淬火 冷却水槽中的水 ，水位过高 ，可以溢流口溢流到循环 水池 ，也通过潜水泵不断将水槽中的水 ，泵到循环 池 。 潜水泵在压力为 ２ｋｇ ／ｃｍ２ 时 ，水 泵 排 放 量 为 ２５０ｍ３ ／ｈ ，防潮电动马达为 １２ｋＷ 。 电器冷却水回路 中 ，主要是对以下装置冷却 ：晶闸管 、电抗器 、连接铜 排 、感应器 ，由两台 １２ｋＷ 电机 ，流量 ３５ｍ３ ／ｈ 水泵 供水 ，最大水压可达 ０ ．６Ｍ Ｐａ ，达到设备要求水压 。
１ 设备概况
１ ．１ ５０／２５０Ｈｚ 双频淬火机 １ ．１ ．１ 淬火机主要技术参数 机床外形尺寸
５５４０ｍｍ × ５５４０ｍｍ × １６２３０ｍｍ （其 中 地 下 ６５００ｍｍ ）
辊身直径 ：３５０ — １０００ｍｍ 辊身长度 ：８００ — ３０００ｍｍ 轧辊全长 ：８００ — ６０００ｍｍ 最大轧辊重量 ：１５ ｔ 轧辊移动速度 ：低速 ０ ．２ — ２ｍｍ ／ｓ 可调高速 １６ｍｍ ／ｓ 轧辊旋转速度 ：０ — ５０ｒ ／ｍｉｎ 可调
４０
９Ｃｒ２Ｍ ｏ
３００ ／２２０
４８０ ／２５５ ０ ．７ － ０ ．８
３０
０ ．０９
６５６ ／６８１
１２０
０ ．０９
６３０ ／６５６
８０
－ ８０ ／４ ～
１４５ ／９６ １２５ ／９６
图 ６ 冷轧工作辊硬度检测
已达到 ＨＳＤ９５ 和 ９８ ，其半径 ≥ ９０ＨＳＤ 硬度已达到 １３ ．８ｍｍ 和 ３６ｍｍ ，且淬硬层和过渡区曲线平缓 。
２ 冷轧工作辊工艺规范及结果
冷轧辊 Ｍ Ｃ５ 、９Ｃｒ２Ｍ ｏ 用线切割两块试样抽查 其表面硬度 、淬硬层深度及由表及里的金相组织 。 冷轧工作辊的化学成分见表 １ ，其热处理工艺见表 ２。
２ ．１ 辊身硬度检测 Ｍ Ｃ５ 和 ９Ｃｒ２Ｍ ｏ 冷轧工作辊硬度检测见图 ６ （ａ） 、（ｂ） ，由图６可见 ，９Ｃｒ２Ｍ ｏ辊和Ｍ Ｃ５辊表面硬度
图 ２ ５０ ／２５０Ｈｚ 双频感应淬火机示意图
（２） → 两根同步螺杆同步旋转 → 带动上下移动横梁 移动（即轧辊上下慢速移动） 。 电磁离合器吸合 ，直 流电机 （１ ）通过减速机 （２ ）带动传动螺杆同步旋转并 通过无级调速来实现淬火工艺所需要的轧辊移动速 度（０ ．２ ～ ２ ．０ｍｍ ／ｓ） 。
图 １ ５０ ／２５０Ｈｚ 双频感应淬火机淬火情景
１ ．１ ．２ 机械部分 其作用主要是悬挂 、顶好轧辊 ，并转动和上下移 动轧辊 ，见图 ２ 。 非淬火时 ：快速传动电机 （１７） → 快速传动减速 器（１６） → 两根传动螺杆同步旋转 → 带动上下移动 横梁移动（即轧辊上下移动） 。 电磁离合器脱开 ，交 流电机 （１７ ）通过减速器带动传动螺杆快速上升或下 降（１６ｍｍ ／ｓ） 。 而电磁抱闸（１８）则用于快速的刹车 。 淬 火时 ：慢速传动电机 （１ ） → 慢速传动减速器
冷轧辊双频感应淬火热处理工艺探讨
华陈亮１ 张 伟２ 王 甫１
（１ ．武汉钢铁集团轧辊有限责任公司 湖北 武汉 ：４３００８３ ； ２ ．武汉钢铁集团股份公司设备管理部 湖北 武汉 ：４３００８３）
摘 要 介绍了 Ｍ Ｃ５ 冷轧辊双频感应淬火热处理技术 ，详细阐述了 Ｍ Ｃ５ 热处理工艺 ，对冷轧辊 淬火提出了新的见解 ，进而把轧辊质量提高到进口 Ｍ Ｃ５ 轧辊的水平 。 关键词 Ｍ Ｃ５ 冷轧辊 ；双频感应淬火 ；轧辊质量 中图分类号 ：Ｔ Ｇ１５６ ．３ 文献标识码 ：Ａ 文章编号 ：１６７１‐３５２４（２０１４）０３‐００３８‐０６
１ ．１ ．４ 冷却装置 循环水池中的水 ，由循环水泵作用 ，水进入冷却
塔 ，水 泵 的 排 水 量 在 压 力 为 ２ｋｇ ／ｃｍ２ 时 ，是 ２５０ｍ３ ／ｈ 。 它由开路容量为 ７５０００ 千卡／小时 ，水温 从 ３４ ℃ 下降到 ３１ ℃ 。 经冷却的水回到循环水池 ，通 过二台淬火水泵（其中一台工作 ，一台备用） ，排水量 为 ２５０ｍ３ ／ｈ ，压力 １０ｋｇ ／ｃｍ２ 。 水 从 水 管 进 入 淬 火
４１来自百度文库
武汉工程职业技术学院学报 ２０１４ ．３
（图（ａ） 、（ｂ） 、（ｃ）分别为 ９Ｃｒ２Ｍ ｏ 轧辊表面 、表面以下 １３ｍｍ 、２５ｍｍ 处金相组织 ； 图（ｄ）（ｅ）（ｆ ）分别为 Ｍ Ｃ５ 轧辊表面 、表面以下 ２４ ．５ｍｍ 、４４ｍｍ 处金相组织 ） 图 ７ 表面及内部金相显微组织 ５００ ×
武钢轧辊有限责任公司在多年充分消化吸收从 比利时引进的 ５０ ／２５０Ｈｚ 双频感应淬火机组工艺 、 设备的基础上 ，研究规范了冷轧辊制造的工艺步骤 ， 制定了各工步质量要因素使冷轧工作辊双频感应淬 火过程规范化 ，工艺系列化 。 在 ２００８ 年 ６ 月使用 ５０ ／２５０ Ｈｚ 双频感应淬火机淬火出的 Ｍ Ｃ５ 冷轧工 作辊 ，辊身表面达到最佳的组织（隐针 Ｍ ＋ 粒状 Ｃ ＋ 残 Ａ ） ，最佳的硬度和均匀性及软带宽度 ，最佳的残 余应力和残余奥氏体 ，最佳的硬化层深度和过渡区 曲线 ，最佳的芯部和表面探伤结果 。 Ｍ Ｃ５ 冷轧工作 辊在武钢五连轧机的成功使用 ，对武钢乃至 全国 Ｍ Ｃ５ 冷轧辊的使用和发展有强大的推动作用 。
冷轧辊深冷处理（如图 ５ 所示）是冷轧辊双频感 应淬火过程中的延续工序 ，是高铬辊在淬火续冷后 减少残余 奥 氏 体 增 加 淬 硬 层 深 度 和 硬 度 的 有 效 措 施 ，也是制造 Ｍ Ｃ３ 、Ｃｒ４ 、Ｍ Ｃ５ 冷轧辊的热处理的必 由途径 。
工艺上要求用正丙醇作介质 ，用液氮作冷源 ，用 气氮搅拌 ，从室温降到 － ８０ ℃ 左右 ，保温一段时间 ， 然后回冷到室温进行回火 。
２ ．４ 冷轧辊的硬度及机械性能 冷轧辊 ９Ｃｒ２Ｍ ｏ 和 Ｍ Ｃ５ 的残余奥氏体量控制 在 １０％ 以下 ，残余应力控制在 １０００Ｍ Ｐａ 以下 ，检测 的 ９Ｃｒ２Ｍ ｏ 和 ＭＣ５ 冷轧辊的残余奥氏体和残余应 力已达到用户使用要求 ，见表 ３ 。
表 ３ 锻钢冷轧辊残余奥氏体 、残余应力数据
用越来越小 ，Ｍ 和 Ｂ 逐渐减少 ，回火 Ｔ 、Ｓ 组织增 加 ，在过渡区边部区域 ，轧辊的组织主要以回火 Ｔ 为主 ，并伴有少量回火 Ｍ 、Ｂ 以及粒状碳化物 、残余 Ａ ，如图 ７（ｃ） 、（ｆ ）所示 。
２ ．３ 超声波检测 材质 Ｍ Ｃ５ 和 ９Ｃｒ２Ｍ ｏ 的冷轧工作辊辊面采用 频率 ２Ｍ Ｈｚ 的表面斜探头 ，芯部检测采用频率为 ２ ．５Ｍ Ｈｚ的直探头 ，按照 ＧＢ ／Ｔ１３３１４ － ２００８ 标准对 辊身表面和芯部进行超声波无损检测 ，检测结果未 发现超标缺陷 ，辊面和芯部均完好 ，合乎成品冷轧工 作辊的技术规范 。
Ｐ ≤ ０ ．０２０ ≤ ０ ．０１５
工艺内容
预热温度
／
℃
５０
淬火功率 ／２５０ Ｈｚ （ｋＷ
）
下降速度 ／ｍ ｍ · ｓ － １
旋转速度 ／ｒ · ｍｉｎ － １
淬火水压 感应器尺寸 续冷时间 冷处理温度 低温回火
／Ｍ Ｐａ
Φ ／ｍ ｍ
／ｍｉｎ
℃ ／ｈ
℃ ／ｈ
Ｍ Ｃ５
３５０ ／２５０
５１０ ／２２０ ０ ．５ － ０ ．６
１ ．１ ．３ 电气部分 双频感应淬火机电气控制系统图如图 ３ 所示 ，该 淬火机工频电源是将 １０ｋＶ 高压通过感应调压器 、电 容器及电感得到频率为 ５０Ｈｚ 的 ３００ ～ ８００Ｖ 电压 ，再 经过可变电容器 、扼流圈及淬火变压器送给 ５０ Ｈｚ 感 应圈供电 ，功率在 １５０ ～ ９７０ｋＷ 可调 ；低频电源是将 １０ｋＶ 高压通过变压器（１０００ｋＶＡ ）变成 ７８０Ｖ 电压 ，经 静态变频器得到频率为 ２５０Ｈｚ 的 １２００Ｖ 电压 ，再经 平波电抗器 、电容器 、扼流圈及淬火变压器送 ２５０Ｈｚ 感应器供电 ，功率在 ７５ ～ ７５０ｋＷ 可调 。
２ ．２ 金相显微检测 图 ７（ａ） 、（ｄ）显示的是 Ｍ Ｃ５ 和 ９Ｃｒ２Ｍ ｏ 的冷轧 工作辊表面金相组织 ，为隐针状 Ｍ 、细小颗粒状碳 化物 、残余 Ａ ，这种组织状态表现出高的硬度 、高的 耐磨性以及一定的抗接触疲劳性能 ，这也已经被国 内外轧辊界普遍认同 ，实际使用也证明了这一点 。 随深度的增加 ，轧辊的冷却速度降低 ，在淬硬层边缘 处有少量下贝氏体组织出现 ，但仍然以回火 Ｍ 为 主 ，如图 ７（ｂ ） 、（ｅ）所示 。 在过渡区位置 ，热影响作
表 １ 冷轧辊化学成分
元素
Ｍｎ
Ｃｒ
Ｎｉ
Ｍｏ
０ ．２ ／０ ．３５ １ ．７ ／２ ．１
０ ．１ ／０ ．２
０ ．２ ／０ ．４
０ ．２ ／０ ．５
４ ．８ ／５ ．２
０ ．３ ／０ ．５
０ ．２ ／０ ．４
表 ２ 锻钢冷轧辊双频淬火工艺参数
Ｖ － ０ ．１ ／０ ．２
Ｓ ≤ ０ ．０２０ ≤ ０ ．０２０
材质
应力 １ 靠传动 端辊身 ／Ｍ Ｐａ
应力 ２ 辊身 中部 ／Ｍ Ｐａ
残余奥氏 体量 ／％
９Ｃｒ２Ｍ ｏ
－ ３７３ ± ４６
－ ６１９ ± ２４
７ ．８
Ｍ Ｃ５
－ ３７７ ± ６３
－ ６９６ ± ８７
８ ．７
２ ．５ 冷轧辊硬度及机械性能 （见表 ４）
表 ４ 冷轧辊硬度及机械性能表
材质 Ｍ Ｃ５
４０
华陈亮 张 伟 王 甫 ：冷轧辊双频感应淬火热处理工艺探讨
牌号
９Ｃｒ２Ｍ ｏ Ｍ Ｃ５
Ｃ ０ ．８５ ／０ ．９５ ０ ．８２ ／０ ．９０
Ｓｉ ０ ．２５ ／０ ．４ ０ ．５ ／０ ．８
图 ５ 冷处理设备示意图