CN100574910C - 离心铸造半钢/石墨钢复合辊环及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种离心铸造半钢/石墨钢复合辊环及其制备方法属于轧钢技术领域。现有半钢辊环存在硬度低、耐磨性差、制备周期长和能耗高等问题。本发明通过将成分(wt%)为2.0-2.4C、3.0-3.5Cr、0.3-0.6Si、0.5-0.8Mn、0.6-1.2W、0.5-1.0V、0.2-0.4Ti、0.10-0.25Nb、0.08-0.20RE、0.12-0.20Al、0.003-0.006B、0.03-0.06Ca、P≤0.04、S≤0.03,余量为Fe的外层半钢和内层石墨钢离心浇铸成型制得复合辊环。本发明辊环的硬度高、耐磨性好,制备工艺简单,成本低。

Description

离心铸造半钢/石墨钢复合辊环及其制备方法
技术领域
本发明属于轧钢技术领域,具体涉及一种离心铸造半钢辊环及其制备方法,特别涉及一种离心铸造半钢/石墨钢复合辊环及其制备方法。
背景技术
铸造半钢(国外又被称为Adamite)辊环综合了铸钢与铸铁两者的优点,其强韧性和热疲劳性能接近于铸钢辊环而优于铸铁辊环,硬度与耐磨性接近于铸铁辊环而好于铸钢辊环,因此,在国外冶金轧钢行中业得到了广泛的应用,特别在大型H型钢生产中的应用极为广泛。目前,半钢辊环主要采用锻造和普通铸造方法生产,前者组织致密,但工艺复杂,材料利用率低,生产周期长,生产成本高。后者组织致密性差,辊面硬度均匀性也差,使用寿命较短,元素偏析严重,碳化物呈连续网状分布于晶界,使半钢强度和韧性下降。为了改善碳化物的形态和分布,往往需要在1050-1100℃扩散退火,800-820℃球化退火,900-950℃正火和600-650℃回火热处理(王贵明,王璞琪,孙铎基.铸造半钢轧辊的研制.钢铁,1984年第5期,29-36页),热处理周期长,能耗高。目前,铸造半钢辊环的铬、碳含量普遍较低,其中,铬含量一般控制在2%以下,碳含量一般控制在1.7%以下,由于铬、碳含量低,凝固组织中碳化物耐磨硬质相的数量少,基体中固溶的铬也较少,辊环硬度低,耐磨性差。为了提高半钢辊环的硬度,改善耐磨性,美国专利US4000010公开了一种高碳半钢轧辊材料,含有1.5-2.5%C,0.2-1.0%Si,0.5-1.0%Mn,0.5-3.0%Cr,0.2-3.0%Mo,0-2.0%V。为了进一步提高半钢轧辊材料的耐磨性,美国专利US3968551还公开了一种含钴半钢轧辊材料,其主要成分为1.0-2.2%C,0.5-0.8%Si,0.5-0.8%Mn,0.5-1.0%Ni,1.0-2.0%Cr,0.1-1.0%Mo,0.5-2.0%Co。由于钴元素价格昂贵,导致含钴半钢轧辊材料生产成本升高。中国发明专利CN1861828公开了合金半钢复合辊环及制备方法,是对热或冷轧铸造合金半钢复合辊环及制备方法的改进,半钢工作层成份为:C1.80-2.20%,Si0.50-0.80%,Mn0.80-1.10%,Ni1.20-1.70%,Cr2.80-3.20%,Mo0.40-0.60%,P≤0.03%,S≤0.03%,余量为Fe及少量残余元素。铬、碳含量的提高,有利于提高半钢辊环的硬度和耐磨性,但也带来的半钢辊环强度和韧性下降,使用中易萌生裂纹、甚至出现剥落和断辊的不足。
发明内容
本发明目的在于解决上述现有技术中的问题,而提供一种离心铸造半钢/石墨钢复合辊环及其制备方法。本发明所提供的离心铸造半钢/石墨钢复合辊环硬度和强度高、耐磨性和韧性好、生产周期短,成本低。
本发明所提供的一种离心铸造半钢/石墨钢复合辊环的外层材料为半钢,内层材料为石墨钢,外层半钢的化学成分为(重量%):2.0-2.4C、3.0-3.5Cr、0.3-0.6Si、0.5-0.8Mn、0.6-1.2W、0.5-1.0V、0.2-0.4Ti、0.10-0.25Nb、0.08-0.20RE、0.12-0.20Al、0.003-0.006B、0.03-0.06Ca、P≤0.04、S≤0.03,余量为Fe;内层石墨钢的化学成分为(重量%):1.4-1.8C、1.5-2.0Si、0.5-0.8Mn、0.3-0.5Cr、0.8-1.0Cu、0.03-0.06RE、0.02-0.04Mg、Ca<0.03、Al<0.05、P<0.04、S<0.03,余量为Fe。
本发明所提供的离心铸造半钢/石墨钢复合辊环可采用电炉生产,具体步骤如下:
1)熔化外层半钢:
①将普通废钢、生铁、增碳剂、铬铁、硅铁、锰铁和钨铁混合加热熔化,钢水熔清后加入钒铁,炉前调整成分合格后将温度升至1640-1660℃,依次加入硅-钙合金、铝、钛铁和铌铁,而后出炉;
②将稀土硅铁和硼铁破碎至粒度为6-10mm的小块,于180-220℃烘干后,置于浇包底部,用包内冲入法对步骤①中的钢水进行复合变质处理,得到外层钢水;
2)熔化内层石墨钢:将废钢、石墨块、硅铁、锰铁、铬铁和铜板混合加热熔化,炉前调整成分合格后将温度升至1630-1660℃,在浇包内加入占内层钢水总重量0.4-0.6%的稀土镁合金、0.5-0.8%的硅-钙合金和0.05-0.12%的Al,并用铸铁屑覆盖,避免冲入内层钢水时漂浮,随后将内层钢水冲入浇包,稀土镁合金使石墨发生球化反应,待球化反应完毕后充分搅拌、扒渣,包内钢水加保温剂覆盖;
3)在离心机上浇注半钢复合辊环:当铸型温度为150-180℃时浇注外层钢水,外层钢水浇注温度为1520-1540℃,外层钢水总重量的70%-80%浇入铸型后,将已预热的保护渣在浇道内随流均匀撒入,待铸型内外层钢水内表面温度降至1060-1080℃时,开始浇注内层钢水,内层钢水浇注温度为1510-1530℃;
4)当复合辊环凝固成型后,置于保温坑或保温炉缓冷,粗加工;
5)将粗加工后的复合辊环于940-960℃保温4-6小时后,风冷,再于550-600℃保温6-10小时后,炉冷至150-200℃,空冷,精加工,得到离心铸造半钢/石墨钢复合辊环。
本发明外层半钢成分的主要特点是碳含量和铬含量较高,较高的碳、铬含量,可形成高硬度碳化物,有利于提高半钢的硬度,并改善耐磨性。但是,半钢中仅提高铬、碳含量,而不改善碳化物形态和分布并细化其组织,使用中易出现开裂、掉块、剥落和断裂等现象,影响轧机的正常运行。因此,本发明在提高半钢中碳、铬含量基础上,通过Ti、Nb、RE、Al、B和Ca等元素的加入,使网状碳化物断网,且分布均匀性也得到了明显改善,促进半钢综合力学性能的提高。加之在离心力作用下凝固,凝固速度较快,可得到致密细小的铸态组织,因此本发明可取消高温扩散退火+球化退火工艺,缩短了生产周期,并具有良好的节能效果。由于钼、镍元素价格高,加入辊环中会增加辊环生产成本,本发明半钢中取消了钼、镍元素的加入,为了确保辊环具有优良的耐磨性,除了提高铬、碳含量外,还加入钒、钨元素,加入钒元素可与碳结合,生成高硬度的MC型碳化物,且呈孤立块状分布,代替网状的M3C型碳化物,既可提高半钢辊环的耐磨性,还可改善其韧性。加入钨元素,部分进入碳化物,有利于提高碳化物硬度,改善半钢辊环耐磨性,部分进入基体,可提高辊环的抗回火稳定性。另外,微量硼的加入,可改善半钢辊环的淬透性,使辊环工作层具有良好的耐磨性。
本发明与现有技术相比具有以下特点:
1)本发明离心铸造半钢/石墨钢复合辊环,外层采用碳、铬含量较高的半钢,具有硬度高和耐磨性好的特点,内层采用石墨钢,与外层在离心力作用下,实现了良好的冶金结合,内层强度高、韧性好,复合辊环具有优异的综合性能。
2)本发明复合辊环不合价格昂贵的镍、钼、钴等合金元素,具有较低的生产成本。
3)本发明复合辊环在是在离心力作用下凝固的,凝固速度较快,可得到致密细小的铸态组织,Ti、Nb、RE、Al、B和Ca等元素的加入,使网状碳化物断网,且分布也得到了明显改善,本发明复合辊环取消了高温扩散退火+球化退火工艺,只需采用简单的风冷淬火+回火热处理工艺,即可满足使用要求,因此可缩短生产周期,节约能源,简化生产工艺,降低辊环生产成本。
4)本发明离心铸造半钢/石墨钢复合辊环外层硬度为62-65HSD,抗拉强度大于800Mpa,冲击韧性大于40J/cm2,内层硬度为44-46HSD,抗拉强度大于700Mpa。
5)本发明离心铸造半钢/石墨钢复合辊环在H型钢轧机的水平辊和立辊上都具有良好的使用效果,使用中不粘钢、不剥落、不断裂,使用寿命比50CrNiMo锻钢辊环提高60%以上,比普通含镍、钼半钢辊环提高40%,而生产成本比普通含镍、钼辊环降低15%-20%。
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详述。
具体实施方式
下述实施例中均采用1500公斤中频感应电炉熔炼离心铸造半钢/石墨钢复合辊环的内层半钢和外层石墨钢。
实施例1
1)熔化外层半钢:
①将普通废钢、生铁、增碳剂、铬铁、硅铁、锰铁和钨铁混合加热熔化,钢水熔清后加入钒铁,炉前调整成分合格后将温度升至1643℃,依次加入硅-钙合金、铝、钛铁和铌铁,而后出炉;
②将稀土硅铁和硼铁破碎至粒度为6-10mm的小块,于200℃烘干后,置于浇包底部,用包内冲入法对步骤①中的钢水进行复合变质处理,得到外层钢水;
2)熔化内层石墨钢:将废钢、石墨块、硅铁、锰铁、铬铁和铜板混合加热熔化,炉前调整成分合格后将温度升至1658℃,在浇包内加入占内层钢水总重量0.6%的稀土镁合金、0.5%的硅-钙合金和0.12%的Al,并用铸铁屑覆盖,随后将内层钢水冲入浇包,稀土镁合金使石墨发生球化反应,待球化反应完毕后充分搅拌、扒渣,包内钢水加保温剂覆盖;
3)用卧式离心机浇注半钢复合辊环:当铸型温度为177℃时浇注外层钢水,外层钢水浇注温度为1525℃,外层钢水总重量的70%浇入铸型后,将已预热的保护渣在浇道内随流均匀撒入,待铸型内外层钢水内表面温度降至1075℃时,开始浇注内层钢水,内层钢水浇注温度为1526℃;
4)当复合辊环凝固成型后,开箱置于保温坑缓冷,粗加工;
5)将粗加工后的复合辊环于960℃保温4小时后,风冷,再于600℃保温6小时后,炉冷至200℃,空冷,精加工,得到离心铸造半钢/石墨钢复合辊环,其成分见表1,其力学性能见表2。
  元素   C   Cr   Si   Mn   W   V   Ti   Nb
  外层   2.23   3.26   0.45   0.73   0.98   0.77   0.31   0.20
  内层   1.64   0.33   1.79   0.66   -   -   -   -
  元素   Al   B   Ca   Cu   RE   Mg   S   P
  外层   0.181   0.005   0.048   -   0.116   -   0.027   0.035
  内层   0.027   -   0.012   0.92   0.051   0.032   0.014   0.031
表1离心铸造半钢/石墨钢复合辊环的化学成分(重量%)
  力学性能   硬度/HSD   抗拉强度/Mpa   冲击韧性/(J/cm<sup>2</sup>)
  外层   63.9   847.8   45.3
  内层   45.3   736.0   -
表2离心铸造半钢/石墨钢复合辊环的力学性能
实施例2
1)熔化外层半钢:
①将普通废钢、生铁、增碳剂、铬铁、硅铁、锰铁和钨铁混合加热熔化,钢水熔清后加入钒铁,炉前调整成分合格后将温度升至1659℃,依次加入硅-钙合金、铝、钛铁和铌铁,而后出炉;
②将稀土硅铁和硼铁破碎至粒度为6-10mm的小块,于180℃烘干后,置于浇包底部,用包内冲入法对步骤①中的钢水进行复合变质处理,得到外层钢水;
2)熔化内层石墨钢:将废钢、石墨块、硅铁、锰铁、铬铁和铜板混合加热熔化,炉前调整成分合格后将温度升至1633℃,在浇包内加入占内层钢水总重量0.4%的稀土镁合金、0.8%的硅-钙合金和0.08%的Al,并用铸铁屑覆盖,随后将内层钢水冲入浇包,稀土镁合金使石墨发生球化反应,待球化反应完毕后充分搅拌、扒渣,包内钢水加保温剂覆盖;
3)用卧式离心机浇注半钢复合辊环:当铸型温度为154℃时浇注外层钢水,外层钢水浇注温度为1536℃,外层钢水总重量的80%浇入铸型后,将已预热的保护渣在浇道内随流均匀撒入,待铸型内外层钢水内表面温度降至1062℃时,开始浇注内层钢水,内层钢水浇注温度为1514℃;
4)当复合辊环凝固成型后,开箱置于保温炉缓冷,粗加工;
5)将粗加工后的复合辊环于940℃保温6小时后,风冷,再于550℃保温9小时后,炉冷至160℃,空冷,精加工,得到离心铸造半钢/石墨钢复合辊环,其成分见表3,其力学性能见表4。
  元素   C   Cr   Si   Mn   W   V   Ti   Nb
  外层   2.03   3.49   0.58   0.55   0.61   0.50   0.38   0.10
  内层   1.40   0.31   1.98   0.52   -   -   -   -
  元素   Al   B   Ca   Cu   RE   Mg   S   P
  外层   0.124   0.006   0.032   -   0.095   -   0.025   0.037
  内层   0.036   -   0.018   0.99   0.035   0.026   0.016   0.030
表3离心铸造半钢/石墨钢复合辊环的化学成分(重量%)
  力学性能   硬度/HSD   抗拉强度/Mpa   冲击韧性/(J/cm<sup>2</sup>)
  外层   62.8   841.7   46.4
  内层   44.6   728.9   -
表4离心铸造半钢/石墨钢复合辊环的力学性能
实施例3
1)熔化外层半钢:
①将普通废钢、生铁、增碳剂、铬铁、硅铁、锰铁和钨铁混合加热熔化,钢水熔清后加入钒铁,炉前调整成分合格后将温度升至1648℃,依次加入硅-钙合金、铝、钛铁和铌铁,而后出炉;
②将稀土硅铁和硼铁破碎至粒度为6-10mm的小块,于220℃烘干后,置于浇包底部,用包内冲入法对步骤①中的钢水进行复合变质处理,得到外层钢水;
2)熔化内层石墨钢:将废钢、石墨块、硅铁、锰铁、铬铁和铜板混合加热熔化,炉前调整成分合格后将温度升至1647℃,在浇包内加入占内层钢水总重量0.5%的稀土镁合金、0.67%的硅-钙合金和0.09%的Al,并用铸铁屑覆盖,随后将内层钢水冲入浇包,稀土镁合金使石墨发生球化反应,待球化反应完毕后充分搅拌、扒渣,包内钢水加保温剂覆盖;
3)用卧式离心机浇注半钢复合辊环:当铸型温度为165℃时浇注外层钢水,外层钢水浇注温度为1530℃,外层钢水总重量的74%浇入铸型后,将已预热的保护渣在浇道内随流均匀撒入,待铸型内外层钢水内表面温度降至1080℃时,开始浇注内层钢水,内层钢水浇注温度为1522℃;
4)当复合辊环凝固成型后,开箱置于保温坑缓冷,粗加工;
5)将粗加工后的复合辊环于950℃保温5小时后,风冷,再于580℃保温8小时后,炉冷至180℃,空冷,精加工至规定尺寸和精度,得到离心铸造半钢/石墨钢复合辊环,其成分见表5,其力学性能见表6。
  元素   C   Cr   Si   Mn   W   V   Ti   Nb
  外层   2.39   3.03   0.30   0.79   1.16   0.98   0.21   0.24
  内层   1.78   0.46   1.50   0.77   -   -   -   -
  元素   Al   B   Ca   Cu   RE   Mg   S   P
  外层   0.198   0.003   0.059   -   0.081   -   0.024   0.033
  内层   0.030   -   0.011   0.80   0.057   0.039   0.016   0.031
表5离心铸造半钢/石墨钢复合辊环的化学成分(重量%)
  力学性能   硬度/HSD   抗拉强度/Mpa   冲击韧性/(J/cm<sup>2</sup>)
  外层   64.8   850.3   43.6
  内层   45.7   739.4   -
表6离心铸造半钢/石墨钢复合辊环的力学性能
取本发明所制备的离心铸造半钢/石墨钢复合辊环在H型钢万能轧机上用做水平辊和立辊。由于H型钢的尺寸、几何公差要求严格,辊环宽度的磨损量不应大于0.2mm,必须具有较高的硬度和良好的耐磨性,另外,辊环在高温下轧制H型钢,需要承受很大的扭力矩,为满足使用要求,辊环还需具备较好的抗热裂性能,较好的强韧性及抗粘钢性能。本发明辊环外层高碳半钢硬度高、耐磨性好,内层石墨钢强度高、韧性好,内外层冶金结合良好,复合辊环具有优异的综合性能,在H型钢轧机的水平辊和立辊上都具有良好的使用效果,使用中不粘钢、不剥落、不断裂,使用寿命比50CrNiMo锻钢辊环提高60%以上,比普通含镍、钼半钢辊环提高40%,而生产成本比普通含镍、钼半钢辊环降低15%-20%。本发明辊环可以显著提高H型钢轧机作业率,降低H型钢生产成本,具有很好的经济效益。

Claims (2)

1、一种离心铸造半钢/石墨钢复合辊环,其特征在于,所述的复合辊环的外层材料为半钢,内层材料为石墨钢,外层半钢的化学成分wt%为:2.0-2.4C、3.0-3.5Cr、0.3-0.6Si、0.5-0.8Mn、0.6-1.2W、0.5-1.0V、0.2-0.4Ti、0.10-0.25Nb、0.08-0.20RE、0.12-0.20Al、0.003-0.006B、0.03-0.06Ca、P≤0.04、S≤0.03,余量为Fe;内层石墨钢的化学成分wt%为:1.4-1.8C、1.5-2.0Si、0.5-0.8Mn、0.3-0.5Cr、0.8-1.0Cu、0.03-0.06RE、0.02-0.04Mg、Ca<0.03、Al<0.05、P<0.04、S<0.03,余量为Fe。
2、根据权利要求1所述的一种离心铸造半钢/石墨钢复合辊环的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)熔化外层半钢:
①将普通废钢、生铁、增碳剂、铬铁、硅铁、锰铁和钨铁混合加热熔化,钢水熔清后加入钒铁,炉前调整成分合格后将温度升至1640-1660℃,依次加入硅-钙合金、铝、钛铁和铌铁,而后出炉;
②将稀土硅铁和硼铁破碎至粒度为6-10mm的小块,于180-220℃烘干后,置于浇包底部,用包内冲入法对步骤①中的钢水进行复合变质处理,得到外层钢水;
2)熔化内层石墨钢:将废钢、石墨块、硅铁、锰铁、铬铁和铜板混合加热熔化,炉前调整成分合格后将温度升至1630-1660℃,在浇包内加入占内层钢水总重量0.4-0.6%的稀土镁合金、0.5-0.8%的硅-钙合金和0.05-0.12%的Al,并用铸铁屑覆盖,随后将内层钢水冲入浇包,待球化反应完毕后充分搅拌、扒渣,包内钢水加保温剂覆盖;
3)在离心机上浇注半钢复合辊环:当铸型温度为150-180℃时浇注外层钢水,外层钢水浇注温度为1520-1540℃,外层钢水总重量的70%-80%浇入铸型后,将已预热的保护渣在浇道内随流均匀撒入,待铸型内外层钢水内表面温度降至1060-1080℃时,开始浇注内层钢水,内层钢水浇注温度为1510-1530℃;
4)当复合辊环凝固成型后,置于保温坑或保温炉缓冷,粗加工;
5)将粗加工后的复合辊环于940-960℃保温4-6小时后,风冷,再于550-600℃保温6-10小时后,炉冷至150-200℃,空冷,精加工,得到离心铸造半钢/石墨钢复合辊环。
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