CN101240403A - 一种高速钢复合轧辊及其铸造方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于轧钢制造领域，具体地说是一种轧钢行业中板带轧机应用的高速钢复合轧辊及其铸造方法。复合轧辊的外层材料为高速钢，中间层材料为球墨铸铁原铁水或石墨半钢，轧辊芯部材料为球墨铸铁。采用离心复合铸造工艺，轧辊分三次浇注成型，在离心机上，保持恒定的离心转速，将外层和中间层金属材料浇注成型，然后静止浇注轧辊芯部金属使之最终成型；本发明高速钢复合轧辊，与以往双层或其他三层复合高速钢轧辊相比，三层金属冶金结合良好，强度高；中间层材质的优化选择提高了结合层强度，中间层中影响结合性能的碳化物减少，并有效地避免了外层高速钢中的合金元素向芯部扩散，影响芯部材质性能，避免热处理过程以及轧制过程中工作层开裂和脱落。

Description

一种高速钢复合轧辊及其铸造方法

技术领域

本发明属于轧钢制造领域，具体地说是一种轧钢行业中板带轧机应用的高速钢复合轧辊及其铸造方法。

背景技术

随冶金工业的迅速发展，轧制技术的不断改进，轧材质量要求的不断提高，以及节能降耗，节约能源，保护环境，可持续发展战略的需要，轧机使用高性能，高耐磨、抗事故性强的轧辊的要求也越来越迫切。由于高速钢轧辊有着较高的耐磨性和较长的使用寿命，所以备受青睐。然而高速钢轧辊的制造在国内一直存在各种技术壁垒，举步维艰，更多的技术都只停留在研究阶段，不能应用到实际生产中，进行产业化。所以高速钢轧辊制备工艺的成熟化亟待改善，其中以离心复合铸造高速钢轧辊最为突出。

离心复合高速钢轧辊工作层为高合金钢，轧辊芯部为高强度球墨铸铁或铸钢，二者通常采用离心方法浇注成两层或三层的复合轧辊。如中国专利申请(公开号CN1082950A)公开了一种复合轧辊和生产方法，复合轧辊由高合金铸钢或铸铁及铸铁或铸钢二层复合而成。中国专利申请(公开号CN1179368 A)公开了一种离心复合高速钢轧辊的生产方法，中国专利申请(公开号CN1846887A)公开了一种高速钢复合轧辊及其制造方法，复合轧辊由高速钢和球墨铸铁二层复合而成。中国专利申请(公开号CN1803325A)公开了一种高速钢复合轧辊及其制备方法，复合轧辊采用高速钢和石墨钢复合而成。中国专利申请(公开号CN1853811A)采用五层变离心转速复合而成。中国专利申请(公开号CN1803339A)公开了一种低裂纹型高速钢轧辊及其离心铸造方法，采用变速离心、变流量浇注和变凝固冷却等复杂的控制技术制造高速钢复合轧辊。日本专利申请(公开号：特开平11-279705)则介绍了高速钢、球墨铸铁和铸钢三层复合而成。这些技术都由于结合不良、抗事故性差、工艺复杂、成本高和结构设计不合理等方面限制而未得到推广与应用。

高速钢轧辊采用两层复合，由于内外层材料成分差异较大，在实际离心浇注过程中容易造成外层材料的合金元素熔入内层，导致芯部材料碳化物含量增加，更有甚者碳化物呈网状分布，从而使轧辊芯部材料的强度降低，在轧制过程中易发生断辊。另外由于中间层材料选择不合理，造成结合部位石墨畸变、碳化物含量变大、碳化物成网等结合缺陷，进而在使用过程中在结合位置萌生裂纹，裂纹扩展造成工作层脱落等。

采用三层复合，如果材料选择不当，使得外层、中间层和芯部的弹性模量、膨胀系数、比热导热等热物性存在较大差异，从而在热处理以及使用过程中产生较大的热应力，热应力与组织应力叠加造成结合层开裂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种各层成分设计合理、成本低，铸造工艺操作简单，铸造结合质量好，产品使用强度高、耐磨性好，抗剥落和抗断辊能力强的高速钢复合轧辊及其铸造方法。

基于此目的，本发明的技术方案是：

一种高速钢复合轧辊，复合轧辊的外层材料为高速钢，中间层材料为球墨铸铁原铁水或石墨半钢，轧辊芯部材料为球墨铸铁。

所述的高速钢复合轧辊，高速钢选用高钼高钒铸造高速钢，按重量百分比计，其成分为：C 1.2～2.8％，Si 0.2～1.0％，Mn 0.2～1.0％，Ni 0.3～1.2％，Cr 3.0～6.0％，Mo 5.0～10.0％，V 5.0～12.0％，Al 0.1～0.7％，P≤0.025％，S≤0.025％，其余为铁。

所述的高速钢复合轧辊，中间层材料采用球墨铸铁原铁水或石墨半钢；按重量百分比计，石墨半钢成分为：C 1.0～2.0％，Si1.2～3.0％，Mn 0.1～1.0％，Ni 0.2～0.8％，P≤0.05％，S≤0.05％，其余为铁和不可避免的杂质元素。

所述的高速钢复合轧辊的铸造方法，采用离心复合铸造工艺，轧辊分三次浇注成型；在离心机上，保持恒定的离心转速，将外层和中间层金属材料浇注成型，然后静止浇注轧辊芯部金属使之最终成型；具体步骤如下：

1)离心冷型和上下辊颈及浇冒口准备

冷型内壁涂挂水基或醇基锆英粉涂料，涂料厚度为1～7mm，并预热烘干；预热温度为250～500℃，预热时间为3～20小时；

2)按轧辊各层材料要求的成分进行熔炼；

3)待外层高速钢钢水温度达到1380℃～1520℃时，将其浇入旋转速度为200～1000转/分的冷型中，并要求冷型内壁温度为20℃～220℃；

4)待高速钢钢水浇入离心冷型后，随即加入玻璃渣，加入量为1～10Kg/m²；

5)外层浇注完毕后，以恒定速度离心旋转3～50分钟，将温度为1400℃～1520℃的中间层球墨铸铁原铁水或石墨半钢钢水浇入离心冷型，中间层单边浇注厚度为15～45mm；

6)中间层浇注完成后，旋转速度不变，离心旋转2～30分钟，停止离心机；

7)离心机停稳后，将离心冷型与上下辊颈箱进行组装，并放置好顶注浇口和冒口；

8)将温度为1400℃～1550℃的球墨铸铁浇入型腔，冒口加保温剂。

本发明的有益效果是：

1、本发明高速钢复合轧辊采用卧式离心铸造方法，三次浇注，在离心机上以恒定的离心转速浇注外层和中间层，待中间层温度冷却至材料固相线以下，静止顶注轧辊芯部，其工艺简单，易于控制。

2、本发明高速钢复合轧辊外层高速钢，增加了V、Mo含量，以取代W元素的加入，离心铸造过程中有效地抑制了重元素W造成的比重偏析。

3、本发明高速钢复合轧辊中间层材料采用石墨半钢或球墨铸铁原铁水，成本低，且避免了外层合金元素向内层扩散，结合质量好，结合层内碳化物含量较少，没有或很少呈网状分布，强度高。

4、本发明高速钢复合轧辊硬度高，耐磨性好，抗事故能力强。

附图说明

图1是轧辊铸造毛坯图。

图2是加工后的高速钢轧辊。

图3是离心冷型预热工艺曲线。

图4是冷型上窑烘干工艺曲线。

图5是高速钢复合轧辊示意图。图中，1外层；2中间层；3轧辊芯部。

具体实施方式

本发明在工作层材料选用高钼高钒微偏析高速钢(具体成分为：按重量百分比计，C 1.2～2.8％，Si 0.2～1.0％，Mn 0.2～1.0％，Ni 0.3～1.2％，Cr 3.0～6.0％，Mo 5.0～10.0％，V 5.0～12.0％，Al 0.1～0.7％，P≤0.025％，S≤0.025％，其余为铁和不可避免的杂质元素)的基础上对中间层材料和轧辊铸造工艺做了详细的研究和试验。

上述高钼高钒微偏析铸造高速钢的具体熔炼过程如下：采用常规中频真空感应电炉，电弧炉或真空炉进行熔炼。首先在炉内加入生铁和废钢启炉熔化；1400℃以上加入锰铁、硅铁，1500℃以上加入Ni和钼铁，1550℃以上加入铬铁、钒铁和铝铁；根据工艺要求除硫磷和杂质；根据实际工艺要求选择浇注温度和凝固速度。

采用上述设计的成分，离心铸造过程中有效地抑制了重元素造成的比重偏析，使轧辊径向材质分布均匀，性能优良。凝固组织中生成大量弥散分布的点状、棒状、草莓状MC型高钒共晶碳化物和层片状M₂C型高钼共晶碳化物。共晶碳化物的弥散生成有效地抑制了晶粒长大，提高了高速钢的机械性能。共晶碳化物在随后的淬火、回火热处理过程中基本不发生变化，保留至最终使用状态中，这些高硬度的碳化物大大提高了高速钢的耐磨性和红硬性。

如图5所示，本发明复合轧辊分三次浇注，在离心机上浇注外层(工作层)1和中间层2，待中间层温度冷却至材料固相线以下，静止顶注轧辊芯部3。外层材料选用高钼高钒高速钢，中间层材料为球墨铸铁原铁水或石墨半钢，芯部材料为球墨铸铁。

为了避免外层与芯部成分在短距离内有较大差异，特选择采用球墨铸铁原铁水或石墨半钢作为中间层，其中石墨半钢成分(wt％)为C 1.0～2.0％，Si1.2～3.0％，Mn 0.1～1.0％，Ni 0.2～0.8％，P≤0.05％，S≤0.05％，其余为铁和不可避免的杂质元素。球墨铸铁原铁水是指未经球化和孕育处理的铁水。采用此中间层材质的优点在于，结合层质量较好，强度高，碳化物含量较少，且没有或很少有网状碳化物出现。

本发明高速钢复合轧辊的具体铸造方法如下：

1.离心冷型及上下辊颈箱准备

1.1冷型预热规范

将离心冷型入窑预热，预热工艺曲线见图3，采用200～550℃保温2小时以上；

1.2冷型涂料涂挂

将预热好的冷型吊装至离心机上，并清理好冷型内腔。涂挂时，将离心机主轴转速调至300～1000转/分，涂料涂挂时冷型温度为150～550℃，涂料厚度为1～7mm；

1.3将涂挂完涂料的冷型上窑烘干，烘干工艺如图4所示，采用250～500℃保温3～20小时；

1.4上下辊颈造型；

2.钢水熔炼

按轧辊各层材料要求的成分进行熔炼；

3.离心浇注

3.1准备好浇注铁水溜槽及铁水包；

3.2将预热好的冷型出窑，吊至离心机，检查涂料及端盖质量，试运转后，将，冷型内腔清理干净；

3.3待外层高速钢钢水温度达到1380℃～1520℃时，进行浇注。浇注时冷型旋转速度为200～1000转/分，冷型内壁温度为20℃～220℃；

3.4按1～10Kg/m²加入玻璃渣，防止氧化；

3.5外层浇注完毕后，以恒定速度离心旋转3～50分钟后，将温度为1400℃～1520℃的中间层球墨铸铁原铁水或石墨半钢钢水浇入离心冷型，中间层钢水浇注量按单边浇注厚度为15～45mm计算；

3.6中间层浇注完成后，旋转速度不变，离心旋转2～30分钟，停止离心机；

4.铸型组装与充填轧辊芯部

4.1离心机停稳后立即将冷型吊下离心机，与事先准备好的上、下辊颈铸型进行组装；

4.2将温度为1400℃～1550℃的球墨铸铁浇入型腔，冒口加保温剂。；

4.3轧辊毛坯浇注5～150小时后，脱模打箱，进行热处理和机加工。

实施例1

按本发明高速钢复合轧辊铸造方法，生产了外层材料为高速钢，中间层为球墨铸铁原铁水，芯部材料为球墨铸铁的高速钢复合轧辊一支。轧辊辊身直径为Φ500mm，工作层厚度为50mm。轧辊本体取样成分如表1所示。

表1实施例1轧辊本体化学成分(wt％，余量为Fe)

材质	C	Si	Mn	P	S	Ni	Cr	Mo	V	Al
											外层	1.60	0.23	0.53	0.021	0.02	0.53	3.02	5.00	6.20	0.51
中间层	3.0	1.8	0.4	0.03	0.034	-	-	-	-	-
											芯部	3.2	2.1	0.5	0.03	0.025	-	-	-	-	-

本实施例实际工艺参数如下：

锆英粉涂料厚度：  6mm；

冷型预热温度：480℃；

冷型预热时间：  3.5小时；

浇注时，离心冷型旋转速度为300转/分，冷型内壁温度为52℃；

外层高速钢钢水浇注温度为：  1520℃；

玻璃渣加入量：    6Kg/m²；

外层离心旋转时间：    40分钟；

中间层石墨半钢钢水浇注温度：    1520℃；

中间层浇注厚度：40mm；

中间层浇注完成至离心机停机时间：  25分钟；

芯部浇注温度：  1536℃。

浇注48小时后，脱膜打箱，进行热处理，热处理工艺参数采用常规高速钢轧辊热处理工艺参数。

实施例2

按本发明高速钢复合轧辊铸造方法，生产了外层材料为高速钢，中间层为石墨半钢，芯部材料为球墨铸铁的高速钢复合轧辊一支。轧辊辊身直径为Φ500mm，工作层厚度为50mm。轧辊本体取样成分如表2所示。

表2.实施例2轧辊本体化学成分(wt％，余量为Fe)

材质	C	Si	Mn	P	S	Ni	Cr	Mo	V	Al
											外层	2.6	1.0	0.33	0.024	0.021	0.93	6.00	8.03	9.87	0.2
中间层	1.5	1.4	0.5	0.032	0.027	0.5	-	-	-	-
											芯部	3.3	2.1	0.5	0.032	0.025	-	-	-	-	-

本实施例实际工艺参数如下：

锆英粉涂料厚度：1mm；

冷型预热温度：250℃；

冷型预热时间：18小时；

浇注时，离心冷型旋转速度为900转/分，冷型内壁温度为204℃；

外层高速钢钢水浇注温度为：1409℃；

玻璃渣加入量：1.5Kg/m²；

外层离心旋转时间：6分钟；

中间层石墨半钢钢水浇注温度：1423℃；

中间层浇注厚度：20mm；

中间层浇注完成至离心机停机时间：7分钟；

芯部浇注温度：1455℃。

浇注120小时后，脱膜打箱，进行热处理，热处理工艺参数采用常规高速钢轧辊热处理工艺参数。

实施例3

按本发明高速钢复合轧辊铸造方法，生产了外层材料为高速钢，中间层为石墨半钢，芯部材料为球墨铸铁的高速钢复合轧辊一支。轧辊辊身直径为Φ500mm，工作层厚度为50mm。轧辊本体取样成分如表3所示。

表3.实施例3轧辊本体化学成分(wt％，余量为Fe)

材质	C	Si	Mn	P	S	Ni	Cr	Mo	V	Al
											外层	2.14	0.73	0.48	0.025	0.006	0.64	4.20	5.08	5.05	0.55
中间层	1.0	2.0	0.8	0.035	0.030	0.2	-	-	-	-
											芯部	2.9	1.9	1.0	0.02	0.02	-	-	-	-	-

本实施例实际工艺参数如下：

锆英粉涂料厚度：4mm；

冷型预热温度：350℃；

冷型预热时间：8小时；

浇注时，离心冷型旋转速度为600转/分，冷型内壁温度为150℃；

外层高速钢钢水浇注温度为：1450℃；

玻璃渣加入量：10Kg/m²；

外层离心旋转时间：20分钟；

中间层石墨半钢钢水浇注温度：1450℃；

中间层浇注厚度：30mm；

中间层浇注完成至离心机停机时间：15分钟；

芯部浇注温度：1480℃。

浇注12小时后，脱膜打箱，进行热处理，热处理工艺参数采用常规高速钢轧辊热处理工艺参数。

轧辊铸造毛坯及加工后实物如图1和图2所示。实施例结果表明，本发明设计的高速钢复合轧辊，与以往双层或其他三层复合高速钢轧辊相比，三层金属冶金结合良好，强度高；中间层材质的优化选择提高了结合层强度，中间层中影响结合性能的碳化物减少，并有效地避免了外层高速钢中的合金元素向芯部扩散，影响芯部材质性能，可以避免热处理过程以及轧制过程中工作层开裂和脱落。

Claims (4)

1、一种高速钢复合轧辊，其特征在于：复合轧辊的外层材料为高速钢，中间层材料为球墨铸铁原铁水或石墨半钢，轧辊芯部材料为球墨铸铁。

2、按照权利要求1所述的高速钢复合轧辊，其特征在于：高速钢选用高钼高钒铸造高速钢，按重量百分比计，其成分为：C 1.2～2.8％，Si 0.2～1.0％，Mn 0.2～1.0％，Ni 0.3～1.2％，Cr3.0～6.0％，Mo 5.0～10.0％，V 5.0～12.0％，Al0.1～0.7％，P≤0.025％，S≤0.025％，其余为铁。

3、按照权利要求1所述的高速钢复合轧辊，其特征在于：中间层材料采用球墨铸铁原铁水或石墨半钢；按重量百分比计，石墨半钢成分为：C 1.0～2.0％，Si1.2～3.0％，Mn 0.1～1.0％，Ni 0.2～0.8％，P≤0.05％，S≤0.05％，其余为铁和不可避免的杂质元素。

4、按照权利要求1所述的高速钢复合轧辊的铸造方法，其特征在于：采用离心复合铸造工艺，轧辊分三次浇注成型；在离心机上，保持恒定的离心转速，将外层和中间层金属材料浇注成型，然后静止浇注轧辊芯部金属使之最终成型；具体步骤如下：

1)离心冷型和上下辊颈及浇冒口准备

冷型内壁涂挂水基或醇基锆英粉涂料，涂料厚度为1～7mm，并预热烘干；预热温度为250～500℃，预热时间为3～20小时；

2)按轧辊各层材料要求的成分进行熔炼；

3)待外层高速钢钢水温度达到1380℃～1520℃时，将其浇入旋转速度为200～1000转/分的冷型中，并要求冷型内壁温度为20℃～220℃；

4)待高速钢钢水浇入离心冷型后，随即加入玻璃渣，加入量为1～10Kg/m²；

5)外层浇注完毕后，以恒定速度离心旋转3～50分钟，将温度为1400℃～1520℃的中间层球墨铸铁原铁水或石墨半钢钢水浇入离心冷型，中间层单边浇注厚度为15～45mm；

6)中间层浇注完成后，旋转速度不变，离心旋转2～30分钟，停止离心机；

7)离心机停稳后，将离心冷型与上下辊颈箱进行组装，并放置好顶注浇口和冒口；

8)将温度为1400℃～1550℃的球墨铸铁浇入型腔，冒口加保温剂。

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