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1、冶金轧辊表面 激光强化技术及其应用,沈阳大陆企业集团 2011年8月,目 录,一、热轧辊激光强化典型案例分析鞍钢大型厂BD2轧辊激光表面强化 （一）BD2轧辊的使用工况和主要失效方式 （二）激光强化处理方案 （三）激光合金化层金相组织及显微硬度 （四）轧辊激光强化处理后上机轧制效果 （五）结果分析与讨论 二、热轧辊激光表面强化的典型应用 （一）螺纹钢轧辊 （二）大中型棒材轧辊 （三）高速线材轧辊 （四）中大型型材轧辊 （五）热轧无缝管轧辊及芯棒 （六）热轧板材粗轧辊及中宽带轧辊,什么是好轧辊？好的轧辊要求在辊身有高的强度的同时，轧辊工作面有良好的耐磨性能和抗热疲劳开裂和剥落性能，以保证轧辊工作
2、时既不发生断辊失效，又不发生显著的热裂和磨损，确保轧辊长的工作寿命和换辊时间。上述要求一直是轧辊制造和轧辊使用长期不懈追求的目标。通过轧辊化学成分及制造工艺的改进、采用复合浇铸技术、机械复合高速钢及硬质合金等方法，可以在一定程度上改进轧辊使用性能，但是仍然不能彻底解决上述相互矛盾的性能要求所带来的问题。采用热轧辊表面激光强化技术，在具有高强度的轧辊基材表面进行激光强化，基材具有优良的抗冲、抗压、抗断裂和抗热裂、剥落的能力，轧辊表面具有优异的耐磨性能，可以很好地解决上述矛盾和问题。下面结合鞍钢大型厂BD2轧辊激光表面强化的案例，分析和介绍激光表面强化技术如何有效解决上述问题并达到真正意义上好轧辊
3、的技术性能。,一、鞍钢大型厂BD2轧辊激光表面强化,（一）BD2轧辊的使用工况和主要失效方式BD2辊承担着开坯的艰巨任务，工作条件恶劣。坯料经加热炉加热后进入开坯机架，轧制温度高，变形量大，轧制压力大，且采用闭口孔型轧制，轧槽加工较深，要求轧辊具有较高的强度和抗热疲劳性能；尤其可逆式轧制，坯料对轧辊冲击较大，对轧辊的抗事故性能要求提高；鞍钢大型BD2轧辊采用粗加工预开孔型后进行最终热处理，使孔槽侧壁和槽底部都能获得一定深度的均匀硬化层，特别是减少侧壁磨损程度，以提高轧辊寿命。,一、鞍钢大型厂BD2轧辊激光表面强化,1.材质：球墨铸铁 2.工作温度：1000-1050 3.辊重：毛坯27T，开完
4、孔型20T左右 4.轧辊架次：重轨万能轧开坯第二架 5.轧辊型号：110022406.轧辊硬度情况：,7.轧辊材质（化学成分%）,8.轧制品种及材质：350KM高铁重轨，U75V，U71Mn,一、鞍钢大型厂BD2轧辊激光表面强化,鞍钢大型BD2轧辊采用球墨铸铁，轧制品种为时速350KM高速铁路重轨，由于钢轨要求高，厂方采取提高轧制标准，增加辊耗，减低过钢量的办法，目前过钢量为3000-5000T/次，严重影响生产节奏，辊耗也高。现厂方需求在保证产品质量前提下提高过钢量，重点是改善起“檩子”现象。,一、鞍钢大型厂BD2轧辊激光表面强化,由于上述恶劣的工作条件， BD2轧辊在使用过程中主要的失效方
5、式有： A.局部磨损导致孔形的失效 B.局部起“檩子” 影响轧材质量 C.局部热裂纹影响轧辊的使用寿命,局部磨损,热裂纹,“檩子”,一、鞍钢大型厂BD2轧辊激光表面强化,（二）激光强化处理方案针对轧辊不同孔型、孔型不同部位的上述失效方式，针对性地分别采用激光固态淬火、激光熔凝淬火、激光合金化、激光熔覆四种表面强化技术进行激光强化处理，对不磨损或热磨损不严重的部位不予处理或视磨损严重程度进行固态淬火或熔凝淬火，对磨损较严重而不产生“檩子”的部位进行激光合金化，对磨损严重且产生明显“檩子”和热裂的部位激光熔覆具有良好高温强度和抗热蠕变性能的镍基和钴基高温合金，使各孔型和部位的耐磨性能、抗热裂性能和
6、抗起“檩子”性能达到最优匹配，以显著提高轧辊重车轧制量和换辊时间，显著降低轧辊消耗。,一、鞍钢大型厂BD2轧辊激光表面强化,熔凝,合金化,熔覆,一、鞍钢大型厂BD2轧辊激光表面强化,（三）激光合金化层金相组织及显微硬度,合金化层为碳化物+共晶莱氏体 莱氏体上分布大量的弥散碳化物颗粒,硬度分布,一、鞍钢大型厂BD2轧辊激光表面强化,第二槽,钢坯经90翻钢进入2孔轧制此时表现为3处受力严重，2处次之，在2和3交接圆角R处整个斜面有较严重起“檩子”现象，棱高约23mm，且随着重车次数的增越来越严重，此处在轧制时有较严重冲击。上图是末次轧辊经上机后磨损情况。1处和2处表现为磨损， 3处起“檩子”现象严
7、重。,（四）轧辊激光强化处理后上机轧制效果,未经激光处理的轧辊正常轧制3000-5000T后，由于磨损和起“檩子”换辊，而经激光处理后的轧辊轧制11000T后换辊，而且磨损和起“檩子”现象得到明显改善。,一、鞍钢大型厂BD2轧辊激光表面强化,激光前1区起“檩子”现象严重，2区有磨损,轧辊经激光后，起“檩子”现象得到改善,2区磨损也得到改善，激光层仍可见,一、鞍钢大型厂BD2轧辊激光表面强化,第三槽,3孔磨损以2处（凸台）磨损较重，且有较大的轴向裂纹和严重起“檩子”现象；两侧壁（1、3）处起“檩子”现象不明显。,一、鞍钢大型厂BD2轧辊激光表面强化,未激光处理轧辊,激光处理后轧辊,经图片可明显看
8、出，1区磨损与2区起“檩子”现象得到明显改善。,一、鞍钢大型厂BD2轧辊激光表面强化,第四槽,4孔的轧制力较大为1孔的1.6倍，主要表现为2、3槽面为磨损，腰部两侧为磨损+起“檩子”。,一、鞍钢大型厂BD2轧辊激光表面强化,未经激光处理轧辊,激光处理后轧辊,经图片可明显看出，磨损与起“檩子”现象得到明显改善。,一、鞍钢大型厂BD2轧辊激光表面强化,第五槽,5孔的轧制力最小，是3、4孔的40%左右，且无特殊受力严重部位，整个孔型表现为均匀的磨损。,一、鞍钢大型厂BD2轧辊激光表面强化,未经激光处理轧辊,激光处理后轧辊,一、鞍钢大型厂BD2轧辊激光表面强化,（五）结果分析与讨论上述试验结果表明：采
9、用激光淬火、激光熔凝、激光合金化、激光熔覆四种工艺组合方案对BD2轧辊进行表面强化处理，在显著提高轧辊耐磨性的同时还可以明显抑制起“檩子”及热裂纹的产生，显著降低轧辊的重车车削量并增加重车轧制量，延长换辊时间，提高轧制效率和产量，大幅降低轧辊消耗，其广泛应用具有明显的经济效益。上述强化方案可以广泛推广到相似工况的轧辊强化处理，为多种失效方式并存、工况复杂的各类型材热轧辊的激光表面强化处理提供了完整有效的解决方案。,一、鞍钢大型厂BD2轧辊激光表面强化,二、热轧辊激光表面强化的典型应用,（一）螺纹钢轧辊,1.唐钢棒线材厂 名称：粗中轧辊 架次：1-12架 材质：中低Ni合金铸铁 处理工艺：激光合
10、金化 激光强化后过钢量：过钢量提高0.5-1.2倍 唐钢拥有两条棒材生产线，年产量200万吨，沈阳大陆企业集团唐山分公司已在唐钢棒线厂形成轧辊包线商务模式，年合同额近千万元。,螺纹钢轧辊激光强化中,二、热轧辊激光表面强化的典型应用,2.首钢中型轧钢厂 名称：粗中轧辊 架次：1-10架 材质：中NiCrMo合金铸铁 处理工艺：激光合金化 激光强化后过钢量：提高0.5-1倍,第6架轧辊激光强化后形貌,第8架轧辊原始形貌,二、热轧辊激光表面强化的典型应用,3.承钢棒线材厂 名称：粗中轧辊 架次：1-12架 材质：中低Ni合金铸铁 处理工艺：激光合金化 激光强化后过钢量：提高0.5-1.2倍 承钢拥有
11、五条棒线材生产线，年产量300万吨，沈阳大陆企业集团承德分公司已在承钢棒线厂对五条生产线实行包线，年合同额近1500万元。,螺纹钢中轧辊原始形貌,螺纹钢轧辊激光强化中,二、热轧辊激光表面强化的典型应用,4.凌钢棒线厂 名称：粗轧辊 材质：150CrNiMo合金半钢 处理工艺：激光合金化 激光强化后过钢量：提高1-1.5倍,轧辊激光强化后形貌,轧辊激光强化中,二、热轧辊激光表面强化的典型应用,（二）棒材轧辊,1.大冶钢厂 名称：650、750、850轧机粗轧开坯辊及中轧辊 材质：150CrNiMo半钢及中Ni合金铸铁 处理工艺：激光合金化 激光强化后过钢量：提高0.7-1.5倍,750粗轧开坯辊
12、原始形貌,750粗轧开坯辊激光强化中,二、热轧辊激光表面强化的典型应用,粗轧辊激光处理中,粗轧辊激光处理后形貌,2.兴澄钢厂 名称：1-5架粗轧辊及6-8架中轧辊 材质：粗轧辊：150CrNiMo及220CrNiMo；中轧辊：中低Ni合金铸铁 处理工艺：激光合金化 激光强化后过钢量：提高0.7-1.2倍,二、热轧辊激光表面强化的典型应用,连轧第4架激光处理中,非连轧第2架激光处理中,3.石家庄钢厂 名称：粗轧开坯辊及中轧辊 材质： 粗轧辊：150CrNiMo半钢；中轧辊：中Ni合金铸铁 处理工艺：激光合金化 激光强化后过钢量：提高0.7-1倍,二、热轧辊激光表面强化的典型应用,粗轧轧辊激光强化
13、中,粗轧轧辊原始形貌,4.首钢特钢厂 名称：粗轧辊 材质：70Mn2Mo 处理工艺：激光合金化+激光熔覆 激光强化后过钢量：提高0.7-1倍,二、热轧辊激光表面强化的典型应用,（三）高速线材轧辊,1.唐钢棒线材厂 名称：粗中轧辊 架次：1-10架 材质：中低Ni合金铸铁 处理工艺：激光合金化 激光强化后过钢量：提高0.5-1.2倍,高线中轧轧辊原始形貌,二、热轧辊激光表面强化的典型应用,高速线材轧辊原始形貌,高速线材轧辊激光处理后形貌,2.首钢高速线材厂 名称：粗轧辊 材质：150CrNiMo合金半钢 处理工艺：激光合金化 激光强化后过钢量：提高0.7-1倍,二、热轧辊激光表面强化的典型应用,
14、高速线材粗轧开坯辊原始形貌,高速线材粗轧开坯辊激光处理后形貌,3.湘钢高速线材厂 名称：粗轧辊 材质：150CrNiMo合金半钢或 60CrNiMo锻钢 处理工艺：激光合金化 激光强化后过钢量：提高1.5-2倍,二、热轧辊激光表面强化的典型应用,（四）中大型型材轧辊,1.宝钢条钢厂 名称：开坯辊 材质：60CrNiMo 处理工艺：激光熔凝、激光熔覆 激光强化后过钢量：提高0.7-1倍,开坯辊原始形貌,开坯辊激光强化中,二、热轧辊激光表面强化的典型应用,2.鞍钢大型厂 名称：铁路重轨轧辊 架次：BD1-BD2 材质：60CrMnMo锻钢或合金铸铁 处理工艺：激光熔凝或激光合金化 激光强化后过钢量
15、：提高50%以上,鞍钢重轨轧辊激光强化中,激光强化重轨轧辊轧制后形貌,二、热轧辊激光表面强化的典型应用,3.武钢大型厂 大型角钢槽钢 名称：粗轧辊 架次：1架 材质：60CrMnMo锻钢 处理工艺：激光合金化 激光强化后过钢量：提高1-1.5倍 名称：精轧辊 架次：2-4架 材质：合金球墨铸铁 处理工艺：激光合金化 激光强化后过钢量：提高1-2.5倍,武钢大型厂14角钢,二、热轧辊激光表面强化的典型应用,轧辊激光强化处理中,轧辊激光强化处理后形貌,4.阿城钢铁厂 名称：中型角槽钢轧辊 架次：粗中连轧轧辊 材质：粗轧辊：60CrMnMo锻钢；中轧辊：CrMo合金球墨铸铁 处理工艺：激光合金化 激
16、光强化后过钢量：提高0.7-1.5倍,二、热轧辊激光表面强化的典型应用,轧辊激光强化处理中,轧辊激光强化处理后形貌,5.东四钢铁厂 名称：大型槽钢轧辊 架次：粗轧轧辊 材质：中低Ni合金铸铁 处理工艺：激光合金化 激光强化后过钢量：提高0.7-1.5倍,二、热轧辊激光表面强化的典型应用,轧辊激光强化处理后形貌,6.吉泰特钢厂 名称：大中型球扁钢轧辊 架次：粗中轧轧辊 材质：粗轧辊：60CrMnMo锻钢或150CrMnMo半钢；精轧辊：中Ni合金铸铁 处理工艺：激光合金化 激光强化后过钢量：提高0.7-1.5倍,二、热轧辊激光表面强化的典型应用,（五）热轧无缝管轧辊及芯棒,1.鲁宝钢管厂 名称：轧管机、平整机轧辊，芯棒 轧辊材质：中低Ni合金铸铁 芯棒材质：40CrNiMo锻钢 处理工艺：激光合金化 激光强化后过钢量：提高1倍以上,芯棒激光强化中,
