AT508145B1 - Verfahren zum herstellen von walzwerk-gusswalzen und walzwerk-gusswalze - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von sehr verschleißbeständigen Walzwerk-Gusswalzen sowie durch ein derartiges Verfahren hergestellte Walzen. Insbesondere betrifft die Erfindung die Einführung von Schwefel als Legierungselement in Hochchrom-Weißgusseisen und Mehrkomponenten-Weißgusseisen, um in der Mikrostruktur kontrolliert Sulfidphasenpartikeln auszubilden, damit dieser Materialtyp für die Herstellung von Walzwerk-Gusswalzen mit einer langen Lebensdauer verwendet werden kann. Dieses Verfahren umfasst die folgenden Schritte:Beladen des Schmelzofens (1) mit Rohmaterial: Internem flüssigen oder festen Schrott (a), reinem Stahlschrott und Ferrolegierungen; Schmelzen (2) der Ladung; chemische Voranalyse (3) einer Probe (d) der Schmelze, um die chemische Zusammensetzung (durch Zugabe (e) von Ferrolegierungen oder reinen Metallen) einzustellen (4). Zugabe (5) vom Eisen (f) zur Schmelze; chemische Voranalyse (6) einer neuen Probe (g) der Schmelze, um die chemische Zusammensetzung (h) einzustellen (7); Zugabe (8) einer Seltenerdmetalllegierug (k) in die Gießpanne (j); Transfer (9) der Schmelze (i) vom Schmelzofen zur Gießpfanne (j); Transfer der Schmelze in der Gießpfanne zur Gussvorrichtung (10), um die halbfertige Walze (11) zu formen.

Description

österreichisches Patentamt AT 508 145 B1 2010-11-15

Beschreibung [0001] Wie der Fachmann weiß, sind Walzwerkwalzen Werkzeuge, die im Walzvorgang verwendet werden, mit denen Metallmaterialien, wie vor allem Stähle, in flache oder lange Produkte geformt werden. Wie jedes Formwerkzeug kommt die Walzwerkwalze mit dem zu formenden Produkt in direkten Kontakt, weshalb die Oberfläche der Walzwerkwalze während ihrer Nutzung einem ständigen und allmählich fortschreitenden Verschleiß unterliegt, sodass die Oberfläche nach einer bestimmten Nutzungsdauer in den ursprünglichen Zustand zurückversetzt werden muss. Eine derartige Wiederherstellung wird ausgeführt indem die beschädigte Oberflächenschicht maschinell abgetragen wird, sodass die Walzwerkproduktion unterbrochen werden muss, um die verschlissene Walze zu entnehmen und durch eine neue oder eine bereits wiederhergestellte Walze zu ersetzen.

[0002] Die Qualität des gewalzten Produkts und die Produktivität des Walzprozesses hängen also eng mit der Serviceleistung der Walzwerkwalzen zusammen, weil: [0003] a) Die Qualität der Bänder wird vor allem durch deren Form, Rauigkeit und Abmes sungstoleranzen beurteilt, die alle stark vom Formprofil und der Oberflächenqualität der Arbeitswalze abhängen.

[0004] b) Die Produktivität des Walzwerks steht in direktem Zusammenhang mit der Einsatz dauer der Walzen, wobei das wesentliche Ziel ist, die Oberflächenrauigkeit und das Formprofil im zeitlichen Verlauf so nahe wie möglich an den Anfangswerten zu halten (das Reduzieren von Unterbrechungen zum Entnehmen der verschlissenen Walzen als Folge der Verwendung von verschleißbeständigen Walzen erhöht direkt die Produktivität des Walzwerks).

[0005] In der Endphase des Prozesses zum Heißwalzen von Bändern wird ein Satz von Walzmodulen („Walzgerüsten") verwendet, der als Endbearbeitungszug bezeichnet wird. Die Anzahl der Walzgerüste kann in Abhängigkeit vom Aufbau und dem Konzept des Walzwerks selbst variieren.

[0006] Da unterschiedliche Verschleißmodi an den vorderen Walzgerüsten und den hinteren Walzgerüsten wirken, werden Walzen aus verschiedenen Materialien verwendet.

[0007] Der Verschleiß der Walzwerkwalzen ist ein Prozess, der durch die gleichzeitige Wirkung verschiedener Verschleißmodi gekennzeichnet wird: Abrieb, Oxidation, Adhäsion und thermische Ermüdung. Es ist jedoch bekannt, dass jeweils einer oder zwei derartige Verschleißmodi in jedem Walzgerüst vorherrschend sind: in den vorderen Walzgerüsten, in denen das Walzen bei Temperaturen in der Größenordnung von 1000°C stattfindet, sind die thermische Ermüdung und die Oxidation vorherrschend; in den hinteren Walzgerüsten, in denen das Walzen bei Temperaturen in der Größenordnung von 700°C stattfindet, sind der Abrieb und die Adhäsion vorherrschend.

[0008] Zusammen mit dem allmählichen Verschleiß der Oberfläche der Walze führen auch unvorhersehbare Schäden aufgrund bestimmter Betriebsvorfälle, wie etwa dem Haften des gewalzten Bandes an der Walze („kleben" oder „schweißen") oder der instabilen Fortpflanzung von Rissen in oder unter der Oberfläche, dazu, dass der Betrieb des Walzwerks unterbrochen werden muss, um die Walze zu entfernen. Zwei Betriebseigenschaften der hinteren Walzgerüste führen dazu, dass die darin verwendeten Walzen anfälliger für derartige Schäden sind: [0009] a) eine niedrige Walztemperatur (das führt zu einer niedrigen Oxidbildungskinetik auf der Oberfläche der Walze, wobei dadurch ihre Rolle zum Schutz gegen Adhäsion beeinträchtigt wird) [0010] b) eine geringe Dicke des gewalzten Bandes.

[0011] Die Arbeitswalzen für die Endbearbeitungswalzgerüste von Heißwalzwerken sind meistens Verbundgusskomponenten aus einem äußeren Schild aus einem verschleißbeständigen Material und einem Kern aus einem nodularen oder Graugusseisen. Das gewöhnlich für die 1/7 österreichisches Patentamt AT 508 145 B1 2010-11-15

Herstellung von derartigen aus zwei Metallen bestehenden Walzen verwendete Verfahren ist ein Zentrifugalguss in einer Metallform: Das Material des Schilds wird in die Form gegossen und aufgrund der Wirkung der Zentrifugalkraft gleichmäßig über ihre Innenfläche verteilt, um eine Außenschicht (einen Schild) mit einer Dicke zwischen 40 und 120 mm zu bilden; nach der Verfestigung des Schilds wird das Material des Kerns in dieselbe sich weiterhin drehende Form gegossen, um diese zu füllen. Wenn das Material des Kerns in Kontakt mit der Innenfläche des bereits verfestigten Schilds kommt, wird ein geringes Volumen des Schilds (ungefähr 10 mm entlang des gesamten Innenumfangs) erneut geschmolzen, wodurch eine metallurgische Verbindung zwischen dem Schild und dem Kern erzeugt wird, die als Grenzschicht bezeichnet wird.

[0012] Für die vorderen Walzgerüste ist als Schildmaterial die Verwendung von Hochchrom-Gusseisen oder Mehrkomponenten-Weißgusseisen (auch als Hochgeschwindigkeitsstahle bezeichnet) weit verbreitet. Das gleiche gilt für das Indefinite-Chill-Gusseisen als Schildmaterial für Walzen in den hinteren Walzgerüsten. Im Allgemeinen ist die Lebensdauer der ersteren mindestens zweimal der Lebensdauer der letzteren, was verschiedene Walzentauschzeitpläne für die vorderen und die hinteren Walzgerüste begründet. Das Anpassen der Walzeneinsätze in allen Walzgerüsten mit Hilfe von Walzen mit höherer Leistung in den hinteren Walzgerüsten sollte eine wesentliche Verbesserung der Produktivität von Walzwerken fördern.

[0013] Während die Entwicklung des Schildmaterials für die Walzen der vorderen Walzgerüste in den letzten zwanzig Jahren intensiv war, wurde eine Fe-Cr-Si-Ni-C-Legierung, genannt Indefinite-Chill-Gusseisen für die Walzen der hinteren Walzgerüste für mehr als vierzig Jahre als Schildmaterial verwendet. Die Mikrostruktur dieses Materials hat eine gehärtete Martensit-Matrix mit einer Präzipitation von sekudären M3C-Carbiden und interdendritischem Netzwerk von eutektischen M3C-Carbiden (Volumsfraktion von etwa 25 %) sowie interdendritischen nodularen oder kompakten Graphit (Volumsfraktion von etwa 3 %). Diese Mikrostruktur ist das Ergebnis des Gleichgewichts zwischen den Eigenschaften der Legierungselemente in der chemischen Zusammensetzung des Indefinite-Chill-Gusseisens: Silizium und Nickel sind Graphitstabilisatoren, Chrom ist ein starke Carbidbildner und zusätzlich bestimmt Nickel auch die geeignete Härtbarkeit, um die Bildung von Perlit während des Abkühlens auf Raumtemperatur nach dem Gießen zu verhindern.

[0014] Die lange Lebensdauer des Indefinite-Chill-Gusseisens als Schildmaterial der Walzen für die hinteren Walzgerüste wird darauf zurückgeführt, dass seine Mikrostruktur bis heute den besten Kompromiss zwischen Abriebbeständigkeit, die durch die Matrix und die eutektischen Carbide gefördert wird, und der Beständigkeit gegenüber Adhäsion und gegenüber einer instabilen Fortpflanzung von Mikrorissen, die durch den Graphit gefördert werden, bietet. Es ist allgemein anerkannt, dass Graphit als Schmiermittel an der Grenzfläche zwischen der Walze und dem Band wirkt (die Haftung vermindert) und die Konzentration von Spannung am Ende von Mikrorissen vermindert und somit die Fortpflanzungsrate derselben reduziert.

[0015] Trotz der Forderung der Endnutzer wurden wenige wesentliche Verbesserungen in der Abriebbeständigkeit des Indefinite-Chill-Gusseisens bei Beibehaltung der anderen Leistungsparameter erzielt. Die vielversprechenste basiert auf der Verwendung von Legierungselementen, die die Bildung von eutektischen und sekundären Carbiden, die härter als M3C-Carbide sind, wie MC- und M7C3-Carbide, fördern. Es wurde jedoch herausgefunden, dass dies die Reduktion oder Unterdrückung der Graphitbildung fördert und folglich die Reduktion der Beständigkeit gegenüber einer Adhäsion und gegenüber einer instabilen Fortpflanzung von Mikrorissen; d.h. die Walzeneigenschaften wurden unausgeglichen und die Produktivität des Walzwerkes wurde nicht verbessert.

[0016] Zusätzlich zu einem solchen Versuch verwenden nur wenige Walzwerke in den hinteren Walzgerüsten Mehrkomponenten-Weißgusseisenwalzen, die entweder durch Zentrifugalgussprozess oder CPC-Prozess („continuous pouring cladding") erhalten werden. Ein Problem, das solchen Walzwerken gegenüberstehen ist, dass die Mikrostruktur dieser Legierungsart keinen Graphit enthält, was die Beständigkeit gegen Adhäsion beeinträchtigt.

[0017] Das Patent PCT/US1996/09181 gibt ein Verfahren zum Herstellen von Indefinite-Chill- 2/7 österreichisches Patentamt AT 508 145 B1 2010-11-15

Gusseisen mit einem Niob-Zusatz von 0,3 bis 6 Gewichtsprozent an, das eine längere Lebensdauer aufweist, als Indefinite-Chill-Gusseisen. Die Gegenwart von Niob fördert die Bildung von isolierten Partikeln von sehr hartem primären NbC-Carbid, ohne dass die Graphit-Bildung beeinträchtigt wird, sodass also die Abriebbeständigkeit erhöht wird und die Beständigkeit gegenüber einer Adhäsion und gegenüber einer instabilen Fortpflanzung von Mikrorissen aufrecht erhalten wird (die Bildung von NbC-Carbid findet bei Temperaturen statt, die höher sind als jene für Graphit und daher gibt es keine Konkurrenz zwischen ihnen).

[0018] Die Zugabe von Niob ist jedoch tatsächlich in der Größenordnung von 0,6 Gewichtsprozent, da bei höherem Gehalt die Gusstemperatur der Walze wesentlich erhöht werden müsste und so das Verfahren ungeeignet machen würde. Mit diesem Niob-Gehalt ist die Zunahme der Abriebbeständigkeit beschränkt, da der volumetrische Anteil des eutektischen NbC-Carbids in der Mikrostruktur sehr gering ist (weniger als 1 %) und die sekundären NbC-Carbide nicht in die Matrix präzipitieren.

[0019] Mit der Absicht diese Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden wurden das Verfahren und die Gegenstände der vorliegenden Erfindung entwickelt.

[0020] Es ist daher Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Verfahren für die Herstellung von Walzwerk-Gusswalzen zu schaffen, die gegen Adhäsion der gewalzten Bänder beständig sind sowie beständig gegenüber einem abrasiven Verschleiß und gegenüber einer instabilen Fortpflanzung von Rissen.

[0021] Dafür wurde eine Möglichkeit entwickelt, Mehrkomponenten-Weißgusseisen oder Hoch-chrom-Weißgusseisen als Schildmaterial bei den Walzen der hinteren Walzgerüste zu verwenden, sodass das Problem des Fehlens von Graphit (Schmierelement) beseitigt werden konnte. Daher besteht die Erfindung aus einem Verfahren zur Erzeugung einer Walzwerkgusswalze, welches Schwefel als Legierungelement in einem Mehrkomponenten-Weißgusseisen oder Hochchrom-Weißgusseisen verwendet, wodurch die gesteuerte Präzipitation von Mangansulfid in der Mikrostruktur induziert wird. Auf diese Weise spielt Mangansulfid die gleiche Rolle wie Graphit (Schmiermittel und Mikrorisssperre). Gleichzeitig sind sowohl Mangansulfid und sehr harte Carbide in der Mikrostruktur des schwefeltragenden Mehrkomponenten-Weißgusseisens und des schwefeltragenden Hochchrom-Weißgusseisens vorhanden.

[0022] Die herkömmlichen Schritte eines Verfahrens zur Herstellung von Hochchrom-Weißgusseisenwalzen oder Mehrkomponenten-Weißgusseisenwalzen sind: [0023] - Beladen des Schmelzofens mit Rohmaterial: reinem Stahlschrott, Ferrolegierungen und internem flüssigen oder festen Schrott; [0024] - Schmelzen der Ladung; [0025] - Gießen der resultierenden Schmelze in eine Gießpfanne; [0026] - Transfer der Schmelze von der Gießpfanne zur Gußvorrichtung um die halbfertige

Walze zu formen.

[0027] Die vorliegende Erfindung umfasst in einer erfinderischen Weise, wie man in Fig. 1 sieht, die folgenden Schritte: [0028] - Beladen des Schmelzofens (1) mit Rohmaterial: internem flüssigen oder festen Schrott (a), reinem Stahlschrott und Ferrolegierungen; [0029] - Schmelzen (2) der Ladung; [0030] - Chemische Voranalyse (3) einer Probe (d) der Schmelze, um die chemische Zusam mensetzung einzustellen (4) (durch die Zugabe (e) von Ferrolegierungen und reinen Metallen); [0031] - Zugabe (5) von Schwefel (f) zu der Schmelze; [0032] - Chemische Voranalyse (6) einer neuen Probe (g) der Schmelze, um die chemische

Zusammensetzung (h) einzustellen (7); 3/7 österreichisches Patentamt AT 508 145 B1 2010-11-15 [0033] - Zugabe (8) einer Seltenerdmetalllegierung (k) zur Gießpfanne (j); [0034] - Transfer (9) der Schmelze (i) vom Schmelzofen zur Gießpfanne (j); [0035] - Transfer der Schmelze in der Gießpfanne zur Gussvorrichtung (10), um die halbfertige

Walze (11) zu formen.

[0036] Das Zusetzen von Schwefel in Verbindung mit einer Seltenerdmetalllegierung erlaubt es die gesteuerte Bildung von Sulfidphasenpartikel in der Mikrostruktur zu erzielen, wodurch ein Schildmaterial mit einer besseren Beständigkeit gegenüber Abrieb und gleicher Beständigkeit gegen Adhäsion und gegen instabile Mikrorissfortpflanzung in Vergleich zu Indefinite-Chill-Gusseisen erhalten wird. Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass erstens die Elemente Vanadium, Chrom, Molybdän und Wolfram, die in der chemischen Zusammensetzung von Mehrkomponenten-Weißgusseisen vorhanden sind und von denen mehrere im Hochchrom-Weißgusseisen vorhanden sind, die Bildung von eutektischen und sekundären Carbiden mit Härten im Bereich zwischen 2000 HV und 2800 HV (Vickers Härte) fördern; zweitens die Sulfidphase Graphit als ein Schmiermittel an der Grenzschicht zwischen Walze und gewalztem Band ersetzt und auch die Entlastung der Spannungskonzentration an den Enden der Mikrorisse fördert.

[0037] Die chemische Zusammensetzung der Legierung enthält 1,0% bis 3,0% Kohlenstoff, bis zu 18% Chrom, bis zu 8,0% Molybdän, bis zu 8,0% Wolfram, bis zu 10% Vanadium, bis zu 2,0% Mangan, 0,1 bis 1,0% Schwefel, bis zu 1,0% Nickel und bis zu 2,0% Silizium (bezogen auf das Gewicht). Der Mangangehalt ist auf den Schwefelgehalt in der Zusammensetzung abgestimmt (Mn : S-Verhältnis = 2:1).

[0038] Die Zugabe der Seltenerdmetalllegierung liegt in einem Verhältnis von 0,2% des Gewichts der Schmelze in der Gießpfanne. Die Seltenerdmetalllegierung enthält vorzugsweise 50% Cer bezogen auf das Gewicht.

[0039] Die Schmelztemperatur kann zwischen etwa 1.200°C und 1.500°C variieren, abhängig von der Art der Ladung.

[0040] Somit bietet die.vorliegende Erfindung den Vorteil, dass die Zugabe von Schwefel zum Verfahren für die Herstellung von Walzwerk-Gusswalzen zu Walzwerkwalzen mit hoher Verschleißfestigkeit während des Einsatzes führt.

[0041] Folglich ermöglicht das Zusetzen von Schwefel die Verwendung einer kleineren Anzahl von Walzen mit einer geringeren Notwendigkeit den anfänglichen Zustand derselben wieder herzustellen. Dann werden längere Walzwerkeinsätze mit geringeren Unterbrechungen während des Walzvorganges erhalten, wobei die Oberflächenqualität der Endprodukte über dem minimal erforderlichen Niveau gehalten wird.

[0042] Eine Tabelle mit Beispielen bevorzugter Ausführungsformen der chemischen Zusam

Chemische Legierung Zusammensetzung A B C 1,5-2,5 2,0-3,0 Cr 3,0-10 10-18 Mo 2,0-8,0 <3 W 2,0-8,0 < 1,0 V 2,0-10 < 1,0 Mn* <2,0 <2,0 4/7 mensetzung des Materials, das verwendet wurde, um die Schale der Walzwerk-Gusswalze mit einem höheren Verschleißwiderstand der vorliegenden Erfindung herzustellen ist unten angegeben^__

Claims (7)

1. AT 508 145 B1 2010-11-15 österreichisches Patentamt Si < 1,0 <1,0 Ni < 1,0 <1,0 P <0,08 <0,08 S 0,1-0,8 0,1-0,8 Fe q.s.p. q.s.p. [0043] Legierung A = schwefeltragendes Mehrkomponenten-Weißgusseisen [0044] Legierung B = schwefeltragendes Hochchrom-Weißgusseisen [0045] q.s.p. = ausreichende Menge [0046] * das Element Mangan (Mn) ist auf den Schwefelgehalt für die Bildung der Sulfidphase abgestimmt. [0047] Obwohl ein bevorzugtes Konzept dieser Lösung beschrieben und dargestellt wurde, soll darauf hingewiesen werden, dass es möglich ist, alternative Vorgänge zu verwenden, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es gibt Beispiele für diese alternativen Verfahren, die die Zugabe der Seltenerdmetalllegierung erwägen, wobei diese Zugabe vorzugsweise am Boden der Gießpfanne (j) vorgenommen wird, um bessere Ergebnisse zu erzielen; dennoch könnte es auch direkt im Metallstrom während des Gießens vom Schmelzofen in die Pfanne sowie direkt in die Verteiler der Zentrifugal-Gießvorrichtung durchgeführt werden. [0048] Eine andere Variation der vorliegenden Erfindung ist, das neben dem Zentrifugalgießen das neue entwickelte Material (Produkt) bei der Herstellung von Walzen über das CPC-Verfahren („continuous pouring cladding"), das zuvor bereits erwähnt wurde, verwendet werden könnte. [0049] Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug darauf, was derzeit die praktischere bevorzugte Ausführungsform betrachtet wird, beschrieben wurde, soll verstanden werden, dass die Erfindung nicht auf die vorgenannte Ausführungsform beschränkt sein soll, sondern mehrere Modifikationen und äquivalente Anordnungen, die im Geiste und Umfang der angeschlossenen Ansprüche enthalten sind, abdeckt. Daher sollte der Umfang der angeschlossenen Ansprüche in Übereinstimmung mit einer weiteren Interpretation sein, um alle solche ähnlichen Modifikationen und Einstellungen zu erfassen. Patentansprüche 1. Walzwerk-Gusswalze gekennzeichnet dadurch, dass sie enthält 2,0 - 3,0 Gewichtsprozent Kohlenstoff, 10,0 -18,0 Gewichtsprozent Chrom, 0,1 - 0,8 Gewichtsprozent Schwefel, bis zu 3,0 Gewichtsprozent Molybdän, bis zu 1,0 Gewichtsprozent Wolfram, bis zu 1,0 Gewichtsprozent Vanadium, bis zu 2,0 Gewichtsprozent Mangan, bis zu 1,0 Gewichtsprozent Silizium, bis zu 1,0 Gewichtsprozent Nickel und bis zu 0,08 Gewichtsprozent Phosphor.
2. 2. Walzwerk-Gusswalze gekennzeichnet dadurch, dass sie enthält 1,5 - 2,5 Gewichtsprozent Kohlenstoff, 3,0 - 10 Gewichtsprozent Chrom, 2,0 - 8,0 Gewichtsprozent Molybdän, 2,0 - 8,0 Gewichtsprozent Wolfram, 2,0 - 10 Gewichtsprozent Vanadium, 0,1 - 0,8 Gewichtsprozent Schwefel, bis zu 2,0 Gewichtsprozent Mangan und bis zu 1,0 Gewichtsprozent Silizium, bis zu 1,0 Gewichtsprozent Nickel und bis zu 0,8 Gewichtsprozent Phosphor.
3. 3. Verfahren zum Herstellen von Walzwerk-Gusswalzen gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass es folgende Schritte umfasst: - Beladen des Schmelzofens (1) mit Rohmaterial: Interner flüssiger oder fester Schrott (a), einfacher Stahlschrott und Ferrolegierungen; - Schmelzen (2) der Ladung; 5/7 österreichisches Patentamt AT 508 145 B1 2010-11-15 - Zugabe (5) von Schwefel (f) zur Schmelze; - Zugabe (8) von einer Seltenerdmetalllegierung (k) in die Gießpfanne (j); - Transfer (9) der Schmelze (i) vom Schmelzofen zur Gießpfanne (j); - Transfer der Schmelze in der Gießpfanne zur Gussvorrichtung (10) um die halbfertige Walze (11) zu formen.
4. 4. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Mangan mit dem Schwefel in einem 2:1 Verhältnis (Mn : S) abgestimmt ist.
5. 5. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugabe der Seltenerdmetalllegierungen in einem 0,2 Gewichtsprozent-Verhältnis der Schmelze in der Gießpfanne erfolgt.
6. 6. Verfahren gemäß Anspruch 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Seltenerdmetalllegierung vorzugsweise 50 Gewichtsprozent Cer enthält.
7. 7. Verwendung einer gegossenen Walzwerkwalze gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie in den Endwalzgerüsten eines Walzprozesses verwendet wird. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 6/7