CN114622154A - 一种热轧辊表面激光成形预制氧化膜设备及工艺 - Google Patents
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Abstract
一种热轧辊表面激光成形预制氧化膜设备及工艺，所述设备包括支撑机构，用于放置轧辊；工作室，用于覆盖轧辊的整个工作层表面，工作室与轧辊之间设有密封腔；激光系统，包括多激光头管道，固定于所述密封腔上，用于射出激光束辐照轧辊的工作层表面；气体进口管道单元，固定于密封腔上；喷水进口管道单元，固定在密封腔上；以及温度测试系统，用于检测激光辐照工作区与非激光辐照工作区的温度。本发明还包括一种热轧辊表面激光成形预制氧化膜工艺。本发明通过一系列系统参数设计与控制，采用激光辐照热轧辊表面形成高质量预制氧化膜，解决了热轧辊轧制初期表面存在打滑粘钢、形成氧化膜易脱落、裂纹源形成及脱碳行为，且成形效率高，控制简单。
Description
技术领域
本发明涉及热轧辊技术领域，特别是一种热轧辊表面激光成形预制氧化膜设备及工艺。
背景技术
轧辊是轧制钢材必不可少的重要工具和消耗性备件，其质量性能直接决定着轧机轧制效率和钢材表面质量。其中，热轧辊产值每年超150亿元以上，然而随着轧制工艺技术不断发展，对热轧辊材料要求越来越高，尤其对于热轧辊表面形成预制氧化膜的控制技术显得越来越重要。
热轧辊表面成形预制氧化膜控制技术在于解决轧制初期4大问题：①热轧辊轧制初期一旦出现打滑粘钢，直接造成轧板质量降低，后续很难进行修正；②轧制过程，轧辊表面开始氧化，形成Fe3O4、FeO及Fe2O3氧化膜，其中Fe2O3和FeO不稳定、不抗压耐磨，且氧化形成氧化膜极薄以及3种不同氧化物热物性参数存在差距会互相排斥，极易导致轧制脱落，影响轧板质量；③轧辊轧制初期存在明显升温与降低的不规则热循环，一旦存在打滑粘钢以及氧化物脱落，极易伴随轧辊表面出现更多裂纹扩展，会进一步加剧轧板质量下降；④轧制初期，受温度梯度以及氧化影响，热轧辊表面会出现脱碳行为，一旦出现会造成轧辊表面硬度马上降低，进而降低热轧辊表面耐磨性，影响轧辊使用寿命。
针对以上问题，CN2019212041458公开了一种预制表面氧化膜热轧辊工艺及设备，虽能够成功在热轧辊表面成形出预制氧化膜，起到防止打滑粘钢、隔热、基体龟裂及脱碳效果，但存在预制氧化膜成形效率低下与控制工艺复杂等问题，极易导致预制氧化膜成本加大。鉴于此，本发明采用激光作为热源，在热轧辊表面进行高效率预制氧化膜。然而，要成功实现激光辐照热轧辊表面成形氧化膜控制技术，需解决以下几方面内容：
第一，从氧化物类型来看，热轧辊表面成形Fe3O4性能最佳，其次为Fe2O3，再为亚稳定FeO，即要形成某一类型氧化物，既需要满足热力学条件，还需要满足动力学条件。热力学方面，通过调控恰当激光能量密度实现轧辊表面反应温度控制；动力学条件，Fe3O4的Fe与O原子比列，刚好介于FeO和Fe2O3之间，通过精确控制Fe与O原子比例来实现。该方面存在技术难点为：热轧辊表面温度低，无法有效达到Fe3O4反应温度；轧辊表面温度高，马上形成激光熔池。而一旦形成激光熔池，就会出现从上自下为双旋涡对流，平面方向为层流。出现该行为，就相当于热轧辊表面激光重熔过程，就会变得较难获得纯Fe3O4氧化膜形成。
第二，在采用激光成形Fe3O4氧化膜厚度控制方面，极易会出现O原子无法有效扩散进入较深厚度热轧辊表面，且氧原子浓度受阻隔会出现浓度进入下降，进而影响形成Fe3O4的动力学反应条件。该方面存在技术难点为：激光辐照热轧辊表面成形Fe3O4氧化膜控制技术中，采用气-固反应较易控制，而采用液-液反应较难控制，且二者之间反应的分界线不易控制；要增强O原子进入热轧辊表面深度，需增强O原子扩散驱动力。
第三，热轧辊表面成分不均匀性问题，且表面还含有非常多微量元素，如Cr、C、V、B、P、O、Si等微量元素，在形成Fe3O4氧化膜，要防止O元素与微量元素过渡反应。该方面存在技术难点为：在调控热轧辊表面温度上升过程中，要防止O元素与微量元素进行原位反应。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的上述不足而提供一种热轧辊表面激光成形预制氧化膜设备及工艺。
本发明的技术方案是：
本发明之一种热轧辊表面激光成形预制氧化膜设备，包括：
支撑机构，用于放置轧辊，以及连接电机系统来调节轧辊的旋转速率；
工作室，用于覆盖轧辊的整个工作层表面，工作室与轧辊之间设有密封腔；
激光系统，包括多激光头管道，固定于所述密封腔上，用于射出激光束辐照轧辊的工作层表面；
气体进口管道单元，固定于密封腔上，用于分别对准激光辐照的轧辊工作层表面、激光辐照前的轧辊工作层表面以及激光辐照后的轧辊工作层表面进行吹气；
喷水进口管道单元，固定在密封腔上，用于分别对准激光辐照的轧辊工作层表面以及激光辐照后的轧辊工作层表面进行喷水；
温度测试系统，用于检测激光辐照工作区与非激光辐照工作区的温度。
进一步，还包括试剂进口管道单元，试剂进口管道单元包括催化剂进口管道和增碳剂进口管道，试剂进口管道单元与气体进口管道单元连通，经气体进口管道单元向密封腔内注入相应试剂。
进一步，所述多激光头射出激光束辐照在轧辊表面的光斑为矩形光斑，并能拼接辐照整根长度的轧辊工作层表面。
进一步，所述多激光头管道内的激光头带有同轴吹气系统，并与密封腔连通。
进一步，所述密封腔的底部设有排气口和排水口。
进一步，所述气体进口管道单元、喷水进口管道单元和试剂进口管道单元均设置有可调节压力和喷口管道尺寸的调节阀门。
进一步，所述气体进口管道单元包括至少三套气体进口管道，分别对准激光辐照的轧辊工作层表面、激光辐照前的轧辊工作层表面以及激光辐照后的轧辊工作层表面，且每套气体进口管道包括并排连续设置在密封腔上的吹气口，与轧辊的工作层长度一致。
进一步，所述喷水进口管道单元包括至少两套喷水进口管道，分别对准激光辐照的轧辊工作层表面以及激光辐照后的轧辊工作层表面，且每套喷水进口管道包括并排连续设置在密封腔上的喷水口，与轧辊的工作层长度一致。
本发明之一种热轧辊表面激光成形预制氧化膜工艺，包括以下步骤：
S1：将轧辊安装后，使轧辊工作面整体密封；
S2：开启各进口管开关，将保护气体冲入密封腔，使密封腔内不含有氧气；
S3：控制轧辊旋转，待旋转加速到目标转速后保持均匀转速；
S4：开启激光系统，使多个激光头的激光束辐照整根轧辊的工作层，且控制激光功率逐渐增加；
S5：当激光辐照轧辊表面升温至目标温度后，先开启能直接对准激光辐照轧辊工作层表面的吹气口，注入氧化剂；
S6：再开启另一套吹气口对准激光辐照后的轧辊工作层表面，吹入催化剂；
S7：接着开启一套吹气口对准激光辐照前的轧辊工作层表面，共同注入氮气剂和氧气剂；
S8：当轧辊表面形成均匀氧化膜组织后，关闭激光系统与全部吹气口管道；
S9：开启喷水口直接对轧辊表面氧化膜进行喷射；
S10：当水流在密闭腔内逐渐累积到目标高度后进行排流；
S11：当喷射水流至氧化膜温度降至目标温度后，对轧辊进行回火处理，获得表面带氧化膜的轧辊。
进一步，S3中，由电机系统调节轧辊旋转至匀速，转速为50r/min~200r/min；
进一步，S4中，激光功率从0逐渐增加至800W以内，功率增加速率为50W/min~150W/min，升至目标温度为800℃~900℃后保持温度为恒温。
进一步，S5中，升至目标温度为恒温后，注入纯度为20%~60%氧化剂，并使轧辊表面恒温温度立即升温50~200℃，保持30~60s后立即恢复到恒温温度。
进一步，S6中，吹入催化剂的纯度在80%以上。
进一步，S7中，氮气剂和氧气剂共同注入，且氧气剂纯度为20~40%。
进一步，S11中，喷射水流至氧化膜温度从恒温温度降至目标温度为200~300℃后，对轧辊进行回火处理，即慢速升温至500~600℃，保温10~20h。
本发明的有益效果：
（1）本发明通过调节恰当的激光功率大小，能够维持热轧辊表面处于半熔化状态，既防止热轧辊表面形成明显熔池，又能达到Fe3O4氧化膜形成的热力学条件。而通过激光辐照过程自带的同步吹气系统，使O原子受推动而穿透半熔化的热轧辊表面，为Fe3O4氧化膜形成提供动力学条件。
（2）本发明通过升至目标温度为恒温后，注入纯度为20%~60%氧化剂，并使轧辊表面在恒温温度后立即升温50~200℃，保持30~60s后立即恢复到恒温温度，这种操作的目的，使得轧辊表面达到恒温后，突然再立即升温50~200℃，使轧辊表面受热进一步膨胀，使氧化剂更易进入更深度的轧辊表面，而通过保持30~60s后立即恢复到恒温温度，也是让温度降低，使其膨胀收缩，降低O原子含量过渡进入，若O原子过量进入反而不利Fe3O4氧化膜形成。
（3）本发明一方面，通过吹入催化剂，且催化剂纯度在80%以上，该催化剂只增强Fe3O4氧化膜形成，并不会促进其他微量元素与O元素反应；另一方面，O元素要与微量元素过渡反应，需要热力学条件与动力学条件都符合，本发明主要通过调控恰当的激光功率来达到只适合Fe3O4氧化膜形成的热力学条件。
附图说明
图1是本发明实施例的结构示意图。
附图标识说明：
1. 支撑机构；2. 电机系统；3. 旋转台；4. 轧辊；5. 工作室；6. 密封盖；7. 密封条；8. 激光头管道；9. 气体进口管道；10. 喷水进口管道；11. 温度测试系统；12. 催化剂进口管道；13. 密封腔；14. 调节阀；15. 激光头；16. 增碳剂进口管道；17. 排水口；18.夹持部；19.支撑工作台。
具体实施方式
以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
如图1所示：一种热轧辊表面激光成形预制氧化膜设备，用于解决热轧辊轧制初期存在的质量问题。其具体包括支撑机构1、电机系统2和旋转台3。所述支撑机构1与电机系统2、旋转台3直接相连；支撑机构1包括用于支撑轧辊的支撑工作台19以及用于夹持轧辊4的夹持部18，保持轧辊4高速旋转的稳定性。而轧辊的旋转是通过旋转台3与电机系统2控制其转速速率，通过高速旋转达到激光辐照轧辊4表面预热温度均匀性目的。轧辊4的四周设有工作室5，用于覆盖轧辊整个工作层表面，工作室5的顶部设有密封盖6，轧辊通过密封盖6罩住，且工作室5与轧辊6之间设有可抽真空的密封腔13，密封腔13与轧辊4连通；密封腔13的底部设有排气口和排水口17。密封腔13的开口之间通过耐高温的密封条7（或密封圈）封接，保证密封腔5内与外界气体彻底隔绝。密封盖6与密封条7连接。
本实施例还包括多激光头管道8、气体进口管道9、喷水进口管道10和试剂进口管道，并均与密封腔13连通。其中，多激光头管道8包括并排开设于密封腔两侧的多个管道口，管道口内安装有激光头15，用于射出激光束辐照轧辊4的工作层表面，且激光头15附带同轴吹气系统。多个激光头15辐照在轧辊表面的光斑优选为矩形光斑，并能拼接辐照整根长度的轧辊表面。
气体进口管道9和喷水进口管道10用于向轧辊4表面工作层输送氧化剂、氮气剂和喷洒水等。气体进口管道9外接氧气、氮气罐，优选提供0.5~1.5MPa的压力。试剂进口管道包括催化剂进口管道12和增碳剂进口管道16，试剂进口管道与气体进口管道连通后共同与密封腔连通。所述气体进口管道9、喷水进口管道10、试剂进口管道上均设有调节阀14，用于调节压力和喷口管道尺寸。为了防止多激光头管道8、气体进口管道9、喷水进口管道10与密封腔13连接不紧密，间缝处采用耐高温的密封条封接。
优选地，气体进口管道9设置三套，每一套都包括在密封腔13上并排连续设置的吹气口，多个吹气口尺寸等于多个激光头辐照在轧辊表面的激光光斑尺寸，保证能覆盖整根长度的轧辊表面。其中，一套吹气口能直接对准激光辐照轧辊工作层表面；另一套吹气口对准激光辐照前的轧辊工作层表面；再一套吹气口对准激光辐照后的轧辊工作层表面。由于试剂进口管道与气体进口管道9连通，因此，试剂也从吹气口进入。
优选地，喷水进口管道10设置两套，每一套都包括在密封腔13上并排连续设置的喷水口，喷水口尺寸等于激光光斑尺寸，保证能覆盖整根长度的轧辊表面。其中，一套喷水口能直接对准激光辐照轧辊工作层表面；另一套喷水口对准激光辐照后的轧辊工作层表面。
本实施例还包括用于检测轧辊4表面工作层温度的温度测试系统11。本实施例优先4个红外线测温仪，固定于密封腔上，其中2个对准激光辐照工作区，即对准另外2个对准非激光辐照工作区，来检测轧辊4表面工作温度。当激光辐照工作区与非激光辐照工作区温度差异大时，通过调节轧辊4旋转速率给予缩短轧辊4表面整体温度差异。上述仅为本发明的一个优选实施例，并不限定本发明。
本发明的设备具有以下优点：（1）通过设置密封腔，并将多激光头管道、气体进口管道、喷水进口管道、试剂进口管道于密封腔连通，通过先使轧辊旋转至均匀，再使激光辐照轧辊表面进行加热至目标温度。操作便捷，温度易于控制，并不会影响轧辊内部温度；（2）本设备能够实现热轧辊形成均匀的高质量预制氧化膜，能解决热轧辊轧制初期存在打滑、粘钢、氧化膜脱落、形成裂纹源及脱碳行为，既提高轧板质量，也防止热轧辊报废。
以下为本发明热轧辊表面激光成形预制氧化膜工艺，具体包括以下步骤：
S101：将热轧辊装入支撑机构内并使热轧辊工作面整体密封。
具体地，将轧辊置于旋转台直接相连，通过支撑机构上部的夹持部夹住轧辊的头部；盖上密封盖进行密封，密封后，确认多激光头管道、气体进口管道、喷水进口管道、试剂进口管道以及密封腔底部的排气口、排水口处于关闭状态。
S102：开启各进口管开关，将保护气体冲入密封腔，使密封腔内不含有氧气。
具体地，同时开启气体进口管道与密封腔底部的排气口管道，从气体进口管道通入保护气体，如氩气，并调节密封腔内氩气的压力为0.5MPa以上，优选为0.8MPa，从而使密封腔内不含有氧气。
S103：通过电机系统调节轧辊旋转，加速到一定程度后保持均匀转速。
具体地，通过电机系统调节热轧辊逐渐旋转至匀速，转速优选为100r/min。转速优选为100r/min，基于两点依据：一是如果转速太慢，不利于整根轧辊表面温度均匀性控制；二是如果转速太快，激光辐照过程的自带吹气系统，不利于把O原子推进轧辊的表面深度。
S104：开启激光系统，使多个激光头的激光束辐照整根热轧辊工作层，且采用激光功率逐渐增加。
具体地，轧辊均速旋转过程中，开启多激光头辐照整根轧辊表面，并使激光功率从0逐渐增加至800W以内，优选为400W，而激光功率增加速率优选为80W/min~100W/min。激光功率增加速率优选为80W/min~100W/min。主要基于以下依据：一是激光功率太高，会导致热轧辊表面形成熔池，不利于预制氧化膜形成，而若激光功率太低，达到目标温度需要的时间太长，成本加大。因此，在激光功率增加速率方面，既要考虑成本问题，又不能过渡提高激光功率增加速率，会导致热轧滚表面自内部形成明显温度梯度，也不利于控制预制氧化膜形成。
S105：当激光辐照轧辊表面升温至目标温度后，先开启能直接对准激光辐照轧辊工作层表面的吹气口，注入氧化剂。
具体地，当测温系统检测到轧辊表面温度为800℃，通过调节激光功率，进而维持轧辊表面温度为恒温800℃；而后进行注入纯度为30%的氧化剂，并立即使轧辊表面恒温温度升温到900℃，经保持30s后立即恢复到恒温800℃。氧化剂纯度高，有利于加速预制氧化膜形成，尤其当温度升至目标温度后，再立即升温，高纯度的氧化剂，更容易使O原子进入轧辊表面更深度。而当升温后温度回到目标温度后，反而需要把氧化剂含量下降，这时候就不需要把O原子再进入热轧辊表面深度，否则也会阻碍预制氧化膜形成。
S106：再开启第二套吹气口对准激光辐照后的轧辊工作层表面，吹入催化剂。
具体地，优选催化剂纯度在90%，并尽快使催化剂均匀覆盖到轧辊工作层表面。
S107：接着开启第三套吹气口对准激光辐照前的轧辊工作层表面，进行氮气剂和氧化剂共同注入。
具体地，氮气剂和氧气剂为共同注入，且氧气剂纯度优选为25%。
S108：当热轧辊表面形成均匀氧化膜组织后，关闭激光辐照系统与全部吹气口管道。
具体地，当观察轧辊表面形成暗黑色氧化膜后，先关闭气体进口管道，再关闭激光辐照系统。
S109：开启喷水进口管道直接对轧辊表面氧化膜进行喷射。
具体地，同时开启2套喷水进口管道开关，对轧辊表面的氧化膜进行喷射，这个过程中轧辊仍高速均速旋转，以保证整体轧辊表面冷却速率一致性，并当水蒸气足够多时，开启排气口，让水蒸气能挥发出来。
S110：当水流在密闭腔内逐渐累积到一定高度后，开启底部排水口进行排流。
具体地，在水流未淹没轧辊底部，就开启底部排水口进行排流。
S111：当喷射水流至氧化膜温度降至目标温度后，对轧辊进行回火处理，获得表面带氧化膜的轧辊。
具体地，当用测温系统检测降至轧辊表面氧化膜工作温度为300℃，停止喷射水流；把轧辊放置回火炉，进行回火处理，参数优选为慢速升温至500℃，保温10h。
综上所述，本发明通过一系列系统参数设计与控制，采用激光辐照热轧辊表面形成高质量预制氧化膜，解决了热轧辊轧制初期表面存在打滑粘钢、形成氧化膜易脱落、裂纹源形成及脱碳行为，且成形效率高，控制简单。
Claims (10)
1.一种热轧辊表面激光成形预制氧化膜设备，其特征在于，包括：
支撑机构，用于放置轧辊，以及连接电机系统来调节轧辊的旋转速率；
工作室，用于覆盖轧辊的整个工作层表面，工作室与轧辊之间设有密封腔；
激光系统，包括多激光头管道，固定于所述密封腔上，用于射出激光束辐照轧辊的工作层表面；
气体进口管道单元，固定于密封腔上，用于分别对准激光辐照的轧辊工作层表面、激光辐照前的轧辊工作层表面以及激光辐照后的轧辊工作层表面进行吹气；
喷水进口管道单元，固定在密封腔上，用于分别对准激光辐照的轧辊工作层表面以及激光辐照后的轧辊工作层表面进行喷水；
温度测试系统，用于检测激光辐照工作区与非激光辐照工作区的温度。
2.根据权利要求1所述的热轧辊表面激光成形预制氧化膜设备，其特征在于，还包括试剂进口管道单元，试剂进口管道单元包括催化剂进口管道和增碳剂进口管道，试剂进口管道单元与气体进口管道单元连通，经气体进口管道单元向密封腔内注入相应试剂。
3.根据权利要求1所述的热轧辊表面激光成形预制氧化膜设备，其特征在于，所述多激光头射出激光束辐照在轧辊表面的光斑为矩形光斑，并能拼接辐照整根长度的轧辊工作层表面。
4.根据权利要求1所述的热轧辊表面激光成形预制氧化膜设备，其特征在于，所述多激光头管道内的激光头带有同轴吹气系统，并与密封腔连通；所述密封腔的底部设有排气口和排水口；所述气体进口管道单元、喷水进口管道单元和试剂进口管道单元均设置有可调节压力和喷口管道尺寸的调节阀门。
5.根据权利要求1所述的热轧辊表面激光成形预制氧化膜设备，其特征在于，所述气体进口管道单元包括至少三套气体进口管道，分别对准激光辐照的轧辊工作层表面、激光辐照前的轧辊工作层表面以及激光辐照后的轧辊工作层表面，且每套气体进口管道包括并排连续设置在密封腔上的吹气口，与轧辊的工作层长度一致；或者所述喷水进口管道单元包括至少两套喷水进口管道，分别对准激光辐照的轧辊工作层表面以及激光辐照后的轧辊工作层表面，且每套喷水进口管道包括并排连续设置在密封腔上的喷水口，与轧辊的工作层长度一致。
6.一种热轧辊表面激光成形预制氧化膜工艺，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将轧辊安装后，使轧辊工作面整体密封；
S2：开启各进口管开关，将保护气体冲入密封腔，使密封腔内不含有氧气；
S3：控制轧辊旋转，待旋转加速到目标转速后保持均匀转速；
S4：开启激光系统，使多个激光头的激光束辐照整根轧辊的工作层，且控制激光功率逐渐增加；
S5：当激光辐照轧辊表面升温至目标温度后，先开启能直接对准激光辐照轧辊工作层表面的吹气口，注入氧化剂；
S6：再开启另一套吹气口对准激光辐照后的轧辊工作层表面，吹入催化剂；
S7：接着开启一套吹气口对准激光辐照前的轧辊工作层表面，共同注入氮气剂和氧气剂；
S8：当轧辊表面形成均匀氧化膜组织后，关闭激光系统与全部吹气口管道；
S9：开启喷水口直接对轧辊表面氧化膜进行喷射；
S10：当水流在密闭腔内逐渐累积到目标高度后进行排流；
S11：当喷射水流至氧化膜温度降至目标温度后，对轧辊进行回火处理，获得表面带氧化膜的轧辊。
7.根据权利要求6所述的热轧辊表面激光成形预制氧化膜工艺，其特征在于，S3中，由电机系统调节轧辊旋转至匀速，转速为50r/min~200r/min。
8.根据权利要求6所述的热轧辊表面激光成形预制氧化膜工艺，其特征在于，S4中，激光功率从0逐渐增加至800W以内，功率增加速率为50W/min~150W/min，升至目标温度为800℃~900℃后保持温度为恒温。
9.根据权利要求6所述的热轧辊表面激光成形预制氧化膜工艺，其特征在于，S5中，升至目标温度为恒温后，注入纯度为20%~60%氧化剂，并使轧辊表面恒温温度立即升温50~200℃，保持30~60s后立即恢复到恒温温度；S6中，吹入催化剂的纯度在80%以上；S7中，氮气剂和氧气剂共同注入，且氧气剂纯度为20~40%。
10.根据权利要求12所述的热轧辊表面激光成形预制氧化膜工艺，其特征在于，S11中，喷射水流至氧化膜温度从恒温温度降至目标温度为200~300℃后，对轧辊进行回火处理，即慢速升温至500~600℃，保温10~20h。
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| CN202210090793.5A CN114622154B (zh) | 2022-01-26 | 一种热轧辊表面激光成形预制氧化膜设备及工艺 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115404433A (zh) * | 2022-11-02 | 2022-11-29 | 上海大陆天瑞激光表面工程有限公司 | 钢铁材料表面氧化膜的激光高温闪速形成方法 |
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