发明内容
本发明的目的是克服上述轧辊出现的问题,提供一种无镍低钼合金减量化成分设计的钢管及冷弯型钢高铬轧辊及其制备方法。本发明采用特殊的冶炼、铸造及热处理方法细化铸件晶粒,充分发挥所含合金的作用,提高轧辊的使用性能、制造出满足服役条件的钢管及冷弯型钢高铬轧辊。
目前,在产品的金属材料设计中,减少二氧化碳排放最有效的手段就是合金的减量化设计。即在满足产品服役条件的前提下,尽可能的减少合金含量,尤其是减少贵重金属含量的加入成为低碳要求的重要原则。而本发明则是遵循这一原则进行实施的过程。
本发明采用两种技术方案完成其目的。本发明的一种技术方案为一种钢管及冷弯型钢高铬轧辊,该轧辊的特点在于采用了合金减量化设计,轧辊以重量百分比计为:C:1.80-2.30%、Si:0.10-0.60%、Mn:0.40-0.80%、Cr:7.00-13.00%、Mo:0.10-0.40%、Ti:0.03-0.1%、RE:0.01-0.03、P≤0.04、S≤0.04,余量为Fe。
本发明的另一种技术方案为钢管及冷弯型钢高铬轧辊的制备方法,其特点在于采用以下步骤:
冶炼:在高铬轧辊的组分范围内选取配比进行冶炼,并进行脱气和精炼,以获得纯净钢水;其中,钛铁和稀土硅铁合金在钢水倒入浇包约1/4-1/3时加入;
浇铸:在冒口中采用压力发热保温技术,并采用隋性气体保护浇铸成型;
其中,在铸型中设置有测温系统,以监测铸坯各部位的温度变化;
在铸型中设置有强制冷却系统,以实现强制顺序凝固和有效控制凝固速度;
在铸型外部设置有可调节保温系统,以实现强制顺序凝固和有效控制凝固速度;
热处理及加工:对浇铸成型轧辊进行退火、粗加工、淬火、回火;
加工及检验:对上述轧辊进行探伤、精加工以及成品检验。
本发明制备的轧辊,由于采用无镍低钼合金减量化成分设计,在制备过程中,采用独特的铸型测温系统,强制冷却系统,可调节保温系统,压力发热保温冒口以及气体保护浇铸成型方法,获得了高质量的毛坯,通过热处理、加工获得高强度、高硬度、高耐磨性、以及抗冷热疲劳性钢管及冷弯型钢用高铬轧辊,既降低了贵重金属的使用和消耗,又充分保证了生产的正常运行,达到了本发明降低制造及使用成本的目的。
具体实施方式
以下参照本发明的设计思想,示例性实施例并结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明的钢管及冷弯型钢高铬轧辊具体应用于焊管轧机、冷弯型钢轧机、以及钢管矫直机上。由于本发明轧辊的工况条件比较恶劣,因此要求其具有高强度、高韧性、良好的耐磨性以及抗冷热疲劳性。为了节约贵重合金和制 造成本,本发明的轧辊采用合金减量化设计,即在不改变轧辊使用性能的条件下,减去成本高的镍成分以及降低成本高的钼含量,采用特殊的冶炼、铸造、和常规热处理方法,使焊管和冷弯型钢轧辊、钢管矫直机轧辊的使用性能达到国际先进锻钢轧辊的水平,以满足使用要求,从而大大降低制造和使用成本。
因此,本发明经过多次实验,选择采用轧辊成分组分以重量百分比计为:C:1.80-2.30%、Si:0.10-0.60%、Mn:0.40-0.80%、Cr:7.00-13.00%、Mo:0.10-0.40%、Ti:0.03-0.1%、RE:0.01-0.03、P≤0.04、S≤0.04,余量为Fe。
本发明同时还选用一组优选成分组分为:C:1.95-2.15%、Si:0.30-0.50%、Mn:0.50-0.70%、Cr:9.00-11.00%、Mo:0.20-0.30%、Ti:0.05-0.08%、RE:0.01-0.03、P≤0.04、S≤0.04,余量为Fe。
本发明在上述轧辊成分组分的范围内按其重量百分比进行配比,并采用本发明独创的制备方法进行制备,以满足生产的需要,达到节省贵重金属的目的。
本发明在冶炼时,选定高铬轧辊的组分配比,选用合格的原料,在中频感应电炉中冶炼,并进行脱气和吹氩精炼,以获得纯净的钢水。其中钛铁和稀土硅铁合金事先破碎成尺寸约10mm的小块并在180-200℃的温度下烘干,在钢水倒入浇包约1/4-1/3时加入,然后倒满钢水,这样可减少烧损,提高收得率,充分发挥Ti、RE细化晶粒的作用。
本发明在铸造时在铸型中设置有测温系统,即在铸件铸型的下、中、上三个部位各设一个或多个热电偶,以监测铸坯各部位的温度变化。
本发明在铸型中设置有强制冷却系统;即在铸型的底部以及周围设置有一层或多层具有独立进出口的盘形通风管进行通风,以实现强制顺序凝固和有效控制凝固速度。如,在下箱砂型中埋有盘形通风管,在型腔周围的砂型中设有多层有独立进出口的盘形通风管,当钢水浇满后,先在下箱砂型中埋有盘形通风管进行通风,使铸件底部强冷凝固,然后依次根据测温情况,自 下而上逐个开启在型腔周围的砂型中设有多层有独立进出口的盘形通风管通风进行强制冷却。
本发明在铸造时在冒口中采用压力发热保温技术;所述压力发热保温技术是在完成浇铸后在保温冒口的钢液内加入发热块,即由20-23%铝、60-75%四氧化三铁、1-2%镁,以及前述成分总重5%的粘结剂-浓度3%的聚乙烯醇缩丁醛酒精溶液组成,将上述组成混合均匀并成型烘干成发热块,加入量为冒口钢水重量的3-5%,加入后在冒口上加盖用保温材料制成的冒口罩,发热块在发热的同时产生气体可增加压力,以强化补缩。本发明在浇铸时采用隋性气体保护浇铸成型。
本发明在铸型外部设置可调节位置的保温系统;即在铸型上设置有保温罩,在完成浇铸后将保温罩罩在铸型上,并随强制冷却系统的开启通风而逐步上提直到最后移出,以实现强制顺序凝固和有效控制凝固速度。保温罩可采用耐高温的纤维毡制成,完成浇铸后罩在铸型上,罩的下边处于铸件下部约为铸件高度1/4-1/6的高度上,随铸腔周围有独立进出口的盘形通风管逐步开启通风而逐步上提,最后移开。
上述工序完成后,对铸造成型的铸件进行常规的热处理和加工;即对浇铸成型轧辊进行退火、粗加工、淬火、回火,以及对成型轧辊进行常规的探伤、精加工以及成品检验。
实施例1
实施例1为制造Φ660无缝钢管矫直机用轧辊,轧辊化学成分按重量百分比(%Wt)见表1。
表1
C |
Si |
Mn |
Cr |
Mo |
Ti |
RE |
P |
S |
2.30 |
0.59 |
0.70 |
12.88 |
0.39 |
0.10 |
0.03 |
0.026 |
0.017 |
其余为Fe。
参照图1,该轧辊为世界上最大的无缝钢管矫直机轧辊,成品重量4.584 吨。最大直径Φ1019mm、最小直径Φ900mm、高1160mm、内孔Φ480mm。
根据表1所列组分选定原料配比,在中频感应电炉中进行冶炼,进行脱氧和吹氩精炼,获得所需成分的纯净钢水;在冶炼过程中,将钛铁和稀土硅铁合金事先破碎成尺寸约10mm的小块并在200℃的温度下烘干,在钢水倒入浇包约1/4时加入,然后倒满钢水。出钢温度1500℃,浇铸温度1400℃;浇铸时采用隋性气体保护。
完成浇铸后在保温冒口的钢液内加入3%的发热块,加盖冒口罩,然后,在铸型上罩上保温罩,保温罩的下边位于铸件下部约为铸件高度1/4的高度上,随铸型周围有独立进出口的盘形通风管逐步开启通风,并根据凝固情况逐步上提来保温罩来调节位置,同时开启底部通风管,并根据测温情况,自下而上逐个开启在型腔周围的砂型中设有多层有独立进出口的盘形通风管进行通风强冷。直到最后移出。然后进行常规的铸件退火;粗加工;淬火、回火;超声探伤;精加工;成品检验,完成本发明轧辊的制做。
经检验,本实施例轧辊的工作面硬度为57.9-59.1HRC,该轧辊应用于世界上最大的Φ660无缝钢管矫直机,使用寿命达到X155CrVMo121锻钢轧辊的水平,直到报废时其工作面硬度仍保持在58.6HRC,完全满足生产的实际需求。
实施例2
实施例2为制造Φ355.6HFW/ERW焊管挤压轧辊,轧辊化学成分组分按重量百分比(%Wt)见表2。焊管挤压轧辊硬度工艺要求为HRC54-57。
表2
C |
Si |
Mn |
Cr |
Mo |
Ti |
RE |
P |
S |
1.80 |
0.23 |
0.40 |
7.15 |
0.20 |
0.03 |
0.01 |
0.021 |
0.02 |
其余为Fe。
该轧辊成品重量482kg。最大直径Φ639mm、最小直径Φ465mm、高365mm、内孔Φ280mm。
根据表2所列组分选定原料配比,在中频感应电炉中进行脱氧和吹氩精炼,获得所需成分的纯净钢水;在冶炼过程中,将钛铁和稀土硅铁合金事先破碎成尺寸约10mm的小块并在180℃的温度下烘干,在钢水倒入浇包约1/3时加入,然后倒满钢水。出钢温度1450℃,浇铸温度1360℃;浇铸时采用隋性气体保护。
完成浇铸后在保温冒口的钢液内加入4%的发热块,加盖冒口罩,然后,在铸型上罩上保温罩,保温罩的下边位于铸件下部约为铸件高度1/5的高度上,随铸型周围有独立进出口的盘形通风管逐步开启通风,并根据凝固情况逐步上提来保温罩来调节位置,同时开启底部通风管,并根据测温情况,自下而上逐个开启在型腔周围的砂型中设有多层有独立进出口的盘形通风管进行通风强冷。直到最后移出。然后进行常规的铸件退火;粗加工;淬火、回火;超声探伤;精加工;成品检验,完成本发明轧辊的制做。
经检验,本实施例轧辊的工作面硬度为55.5-56.2HRC,该轧辊应用于Φ355.6HFW/ERW焊管机组,使用寿命达到SKD61锻钢轧辊的水平,直到报废时其工作面硬度仍保持在56HRC,满足了生产实际需求。
实施例3
参照图2,实施例3为制造Φ660HFW/ERW焊管定径轧辊,轧辊组分化学成分按重量百分比(%Wt)见表3。
表3
C |
Si |
Mn |
Cr |
Mo |
Ti |
RE |
P |
S |
2.06 |
0.50 |
0.63 |
11.23 |
0.25 |
0.07 |
0.02 |
0.029 |
0.018 |
其余为Fe。
该轧辊为世界上最大的HFW/ERW焊管定径轧辊,成品重量1.258吨。最大直径Φ873mm、最小直径Φ530mm、高650mm、内孔Φ330mm。
根据表3所列组分选定原料配比,在中频感应电炉中进行脱氧和吹氩精炼,获得纯净钢水;在冶炼过程中,将钛铁和稀土硅铁合金事先破碎成尺寸 约10mm的小块并在190℃的温度下烘干,在钢水倒入浇包约1/3时加入,然后倒满钢水。出钢温度1490℃,浇铸温度1380℃;浇铸时采用隋性气体保护。
完成浇铸后在保温冒口的钢液内加入5%的发热块,加盖冒口罩,然后,在铸型上罩上保温罩,保温罩的下边位于铸件下部约为铸件高度1/6的高度上,随铸型周围有独立进出口的盘形通风管逐步开启通风,并根据凝固情况逐步上提来保温罩来调节位置,同时开启底部通风管,并根据测温情况,自下而上逐个开启在型腔周围的砂型中设有多层有独立进出口的盘形通风管进行通风强冷。直到最后移出。然后进行常规的铸件退火;粗加工;淬火、回火;超声探伤;精加工;成品检验,完成本发明轧辊的制做。
经检验,轧辊的工作面硬度为58.6-60.1HRC,该轧辊应用于世界上最大的Φ660HFW/ERW焊管机组,使用寿命达到D2锻钢轧辊的水平,直到报废时其工作面硬度仍保持在59.6HRC,充分满足实际生产要求。
实施例4
实施例4为制造Φ250无缝钢管矫直机用轧辊,轧辊化学成分按重量百分比(%Wt)见表4。
表4
C |
Si |
Mn |
Cr |
Mo |
Ti |
RE |
P |
S |
1.95 |
0.10 |
0.50 |
9.00 |
0.10 |
0.05 |
0.03 |
0.03 |
0.03 |
其余为Fe。
该轧辊成品重量0.9吨,最大直径Φ572mm、最小直径Φ480mm、高660mm、内孔Φ240mm。
根据表4所列组分选定原料配比,在中频感应电炉中进行脱氧和吹氩精炼,获得纯净钢水;在冶炼过程中,将钛铁和稀土硅铁合金事先破碎成尺寸约10mm的小块并在190℃的温度下烘干,在钢水倒入浇包约1/4时加入,然后倒满钢水。出钢温度1470℃,浇铸温度1380℃;浇铸时采用隋性气体保护。
完成浇铸后在保温冒口的钢液内加入3%的发热块,加盖冒口罩,然后, 在铸型上罩上保温罩,保温罩的下边位于铸件下部约为铸件高度1/5的高度上,随着铸型周围独立进出口的盘形通风管逐步开启通风,根据凝固情况逐步上提来保温罩来调节位置,同时开启底部通风管,并根据测温情况,自下而上逐个开启在型腔周围的砂型中设有多层有独立进出口的盘形通风管进行通风强冷。直到最后移出。然后进行常规的铸件退火;粗加工;淬火、回火;超声探伤;精加工;成品检验,完成本发明轧辊的制做。
经检验,本实施例轧辊的工作面硬度为58-60HRC,该轧辊应用于Φ250无缝钢管矫直机,使用寿命达到X155CrVMo121锻钢轧辊的水平,报废时其工作面硬度仍保持在59HRC,满足实际生产要求。
实施例5
参照图2,实施例3为制造Φ610HFW/ERW焊管成型轧辊,轧辊组分化学成分按重量百分比(%Wt)见表3。
表5
C |
Si |
Mn |
Cr |
Mo |
Ti |
RE |
P |
S |
2.15 |
0.30 |
0.80 |
11 |
0.30 |
0.08 |
0.02 |
0.035 |
0.03 |
其余为Fe。
该轧辊为焊管成型轧辊,成品重量0.2吨。最大直径Φ426mm、最小直径Φ350mm、高330mm、内孔Φ225mm。
根据表5所列组分选定原料配比,在中频感应电炉中进行脱氧和吹氩精炼,获得纯净钢水;在冶炼过程中,将钛铁和稀土硅铁合金事先破碎成尺寸约10mm的小块并在180℃的温度下烘干,在钢水倒入浇包约1/4时加入,然后倒满钢水。出钢温度1490℃,浇铸温度1380℃;浇铸时采用隋性气体保护。
完成浇铸后在保温冒口的钢液内加入5%的发热块,加盖冒口罩,然后,在铸型上罩上保温罩,保温罩的下边位于铸件下部约为铸件高度1/4的高度上,随铸型周围有独立进出口的盘形通风管逐步开启通风,并根据凝固情况逐步上提来保温罩来调节位置,同时开启底部通风管,并根据测温情况,自 下而上逐个开启在型腔周围的砂型中设有多层有独立进出口的盘形通风管进行通风强冷。直到最后移出。然后进行常规的铸件退火;粗加工;淬火、回火;超声探伤;精加工;成品检验,完成本发明轧辊的制做。
经检验,轧辊的工作面硬度为58.6-59.5HRC,该轧辊应用于Φ610HFW/ERW焊管机组,使用寿命达到SKD11锻钢轧辊的水平,直到报废时其工作面硬度仍保持在59HRC,完全满足实际生产要求。
本发明轧辊实物与国际先进同类轧辊实物性能对比,试样均取自本发明实物和国际先进同类轧辊实物。
表6本发明轧辊实物与国际先进同类轧辊实物硬度及淬透性对比
表7本发明轧辊实物与国际先进同类轧辊力学性能对比
牌号名称 |
状态 |
取样方向 |
抗拉强度MPa |
冲击韧性J/cm2 |
D2 |
淬、回火 |
径向 |
733 |
3.1 |
X155CrVMo121 |
淬、回火 |
径向 |
711 |
3 |
SKD11 |
淬、回火 |
径向 |
750 |
3.5 |
本发明轧辊 |
淬、回火 |
径向 |
698 |
5.5 |
表8本发明轧辊实物和国际先进同类轧辊实物耐磨性能对比
表9本发明制造工艺与国内外同类产品锻造轧辊制造工艺每吨成品轧辊综合能耗对比
从表6、7、8的数据可看出,本发明的淬透性、力学性能和耐磨性均达到了同类产品国际先进锻钢轧辊的同等水平。
从表9的数据可看出,本发明制造工艺与国内外同类产品锻造轧辊制造工艺相比具有良好的节能节材效果。
本发明与传统铸造高铬轧辊相比,每吨成品至少可节约30~40kg金属铬、10~13kg金属镍、6.5~8.5kg金属钼。
本发明实现了以铸代锻,节约了贵重金属,节能节材,大大降低了生产成本,具有显著的技术进步效果,体现了其创造性所在。
由于本发明轧辊的高强度、高韧性以及良好的抗冲击性能,有效的避免了在焊管轧辊或矫直机用轧辊或定径辊在使用中易裂、易碎的现象,保证了生产的正常进行。
本发明不限于上述实施例,在不脱离本发明设计思想的范围内,可以进行各种变形和修改,这些变化均属于本发明的保护范围。