CN102330013B - 热轧无缝钢管连轧机球墨铸铁轧辊及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种热轧无缝钢管连轧机球墨铸铁轧辊及其制备方法，该方法根据轧辊的结构形状，选用圆截面近等厚复合砂型，选用合金含量低的原材料进行冶炼，将铸型凝固时间控制在2小时之内，对轧辊铸坯进行等温淬火，最后对轧辊进行精加工和检验；本发明同时提供一种无镍无铬以及低钼合金减量化成分设计的热轧无缝钢管连轧机球墨铸铁轧辊，制造出满足服役条件的热轧无缝钢管连轧机球墨铸铁轧辊，避免轧辊在使用中碎裂，减少了贵重金属镍、铬、钼和能源的消耗，降低了企业的制造和使用成本。
Description
技术领域
本发明涉及轧辊制造技术领域，尤其涉及热轧无缝钢管连轧机球墨铸铁轧辊及其制备方法。
背景技术
近年来，我国大量引进、新建先进的钢管生产机组，拥有世界上所有先进的轧管机机型和大型机组，其中不乏世界首创。我国已成为世界上最大的钢管生产国和消费国，钢管轧辊消耗量世界最大。先进的钢管生产机组和高级别合金钢管的生产对轧辊提出了更高的要求。
热轧无缝钢管连轧机轧辊服役条件恶劣，工作温度一般为1120-1200℃，轧辊同时还要承受冷却水的激冷激热作用。当工作温度低于1100℃时，由于轧件变形抗力增加，易损坏轧辊和芯棒。连轧机轧辊在使用中需经过多次车削修复，要求连轧辊同时具有高强度、高韧性、耐激冷激热性和足够厚的耐磨损的工作层。因此，国内外热轧无缝钢管连轧机轧辊选用材料通常为合金球墨铸铁，依靠合金元素来提高钢管连轧机轧辊的的性能。
热轧无缝钢管连轧机轧辊属厚大件，其制造难点在于获得球化率和球化级别较高的基体，以及进行等温淬火获得较高的综合性能。目前国内外热轧无缝钢管连轧机轧辊化学成分中由于含有较高含量的镍、钼成分，而厚大件铸造时易产生球化衰退，使得球化率和球化级别较低，碳化物含量较高；又因为厚大件等温淬火难度较大，故采用相对简单的正、回火热处理工艺，从而使其力学性能较差：抗拉强度一般为390-500MPa、冲击韧性只有2.2-3.2J/cm2，因此在使用中易产生碎裂而影响生产。
连轧机轧辊每次使用后均需修复孔型，车削量一般为3mm左右，虽然报废轧辊可以回收重熔，但报废轧辊重量一般要损失10-20％。而真正在生产中的磨损量比车削量要少，绝大部分都在修复中变为废屑。尤其是在轧制批量小的钢管时，有时使用寿命仅为正常的20％左右，用过后仍需修复。因此，现有技术所生产的轧辊由于所使用的材料尤其是贵重金属镍、铬的大量加入以及轧辊力学性能不佳，使轧辊的修复量加大，造成了轧辊制造和使用企业生产成本的增加以及贵重金属材料的很大浪费。
发明内容
本发明的目的是提供一种无镍无铬以及低钼合金减量化成分设计的热轧无缝钢管连轧机球墨铸铁轧辊及其制备方法。本发明采用特殊的铸造方法提高球化率和球化级别、采用等温淬火热处理提高轧辊的综合性能，解决了厚大件球墨铸铁铸造及等温淬火难的问题，制造出满足服役条件的热轧无缝钢管连轧机球墨铸铁轧辊，避免轧辊在使用中碎裂，降低制造和使用成本，减少贵重金属镍、铬、钼和能源的消耗。
目前，在金属产品的材料设计中，合金减量化设计成为设计者的追求目标。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、节约材料和能源的重要原则。而本发明正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。本发明的一方面为一种热轧无缝钢管连轧机球墨铸铁轧辊，该轧辊的特点在于采用了合金减量化设计，轧辊的化学成分以重量百分比计为：C：3.2-4.0％、Si：2.3-2.9％、Mn：≤0.30％、Cu：0.2-0.6％、Mo：0.2-0.4％、Ti：0.05-0.1％、Al：0.02-0.05％、Bi：0.002-0.005％、Mg：0.04-0.06％、P≤0.06、S≤0.02，余量为铁。
本发明的另一方面为一种热轧无缝钢管连轧机球墨铸铁轧辊制备方法，该方法采用以下步骤：
铸型设计：根据轧辊的结构形状，选用圆截面变径式或圆截面近等厚式纯砂或复合砂型，铸型浇道为独立设置；其中，所述圆截面变径式砂型是指将砂型根据连轧辊的形状分为上部短轴、中间辊环和下部长轴3部分，每部分圆砂箱直径根据连轧辊该部分直径确定，整体砂型呈阶梯状，同时使砂型的厚度从下到上逐步增加；所述上部短轴部分砂型厚度为150-250mm纯砂型；中间辊环上、下及外圆部分砂型厚度为130-200mm复合砂型，靠型腔内部厚度约为15-25mm纯砂型；下部长轴部分砂型厚度为100-160mm复合砂型，靠型腔内部厚度约为15-25mm纯砂型；砂型上刷涂有掺入0.05％-0.1％碲粉的涂料；所使用的复合砂型是在型砂中混有Φ30-40mm钢球。
冶炼：选用合金减量化设计轧辊材料进行冶炼，获得所需要的浇铸液；
浇铸：轧辊材料中的铋为在铸型内孕育；在临近浇铸时选用含锶、钡孕育剂以及球化剂进行临近浇铸孕育和球化，浇铸时加入2％-5％的悬浮剂，使其均匀分布于浇铸液中，凝固时间控制在2小时之内；
加工、热处理及检验：对轧辊铸坯进行粗加工、等温淬火、精加工以及检验；其中，等温淬火是将粗加工后的轧辊放入淬火介质为50％NaNO3+50％KNO3、温度为260℃-290℃的混合熔盐中进行等温淬火，等温时间为30-60min，然后取出轧辊进行空冷；其中，所述等温淬火的等温温差为设定温度±10℃，熔盐重量与每次处理工件重量比≥6∶1。最后对轧辊进行精加工和检验。
本发明制备的轧辊，由于采用无镍、铬及低钼合金减量化成分设计，添加了铝、铜、钛、铋等强石墨化元素，采用独特的圆截面变径式纯砂或复合砂型、浇铸时加入悬浮剂等技术，获得了高质量的轧辊毛坯，并通过等温淬火热处理、加工等过程获得高强度、高韧性和足够的耐磨性的热轧无缝钢管连轧机球墨铸铁轧辊，有效的防止了轧辊在使用中易产生碎裂的问题，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。
本发明通过采用合金减量化设计轧辊以及通过有效控制铸型凝固时间等方法步骤，获得了球化率和球化级别较高的球墨铸铁连轧辊毛坯，通过等温淬火使成品轧辊的硬度达到270-450HB，抗拉强度达到790-890MPa，。达到或超过了与现有无缝钢管连轧机合金轧辊的使用性能。
附图说明
图1为本发明的热轧无缝钢管连轧机球墨铸铁轧辊的结构示意图。
具体实施方式
以下参照附图并结合本发明的设计思想，示例性实施例对本发明作进一步详细描述。
本发明采用合金减量化设计并经多次实验，选择轧辊成分以重量百分比计：C：3.2-4.0％、Si：2.3-2.9％、Mn：≤0.30％、Cu：0.2-0.6％、Mo：0.2-0.4％、Ti：0.05-0.1％、Al：0.02-0.05％、Bi：0.002-0.005％、Mg：0.04-0.06％、P≤0.06、S≤0.02，余量为铁。
本发明的另一组合金减量化设计轧辊以重量百分比计为：C：3.6-3.8％、Si：2.5-2.8％、Mn：≤0.30％、Cu：0.4-0.6％、Mo：0.2-0.4％、Ti：0.05-0.08％、Al：0.02-0.05％、Bi：0.002-0.005％、Mg：0.04-0.06％、P≤0.06、S≤0.02。
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，达到节约贵重金属、节省生产成本，以及满足生产需要的目的。
本发明的热轧无缝钢管连轧机球墨铸铁轧辊制备方法具有如下步骤：
铸型设计：根据轧辊的结构形状，选用圆截面变径式或圆截面近等厚式纯砂或复合砂型；铸型浇道为独立设置浇道。铸型圆截面是使用圆型砂箱而不是传统的方形砂箱，使每部分的砂型厚度相同，冷却条件一致。
铸型圆截面变径式是将砂型根据连轧辊的形状分为上部短轴、中间辊环和下部长轴3部分，每部分圆砂箱直径根据连轧辊该部分直径确定，整体砂型呈阶梯状，同时使砂型的厚度从下到上逐步增加，以利浇铸液按顺序凝固。
其中：所述上部短轴部分砂型厚度为150-250mm纯砂型；中间辊环上、下及外圆部分砂型厚度约为130-200mm复合砂型，靠型腔内部厚度约为15-25mm纯砂型；在中间辊环部分砂箱外部设有3条或多条连接支撑与底箱连接，以维持整个砂型的稳定并保证铸型的密封；下部长轴部分砂型厚度为100-160mm复合砂型，靠型腔内部厚度约为15-25mm纯砂型；铸型底箱直径与中间辊环部分砂箱相同；复合砂型是在型砂中混有Φ30-40mm钢球。在砂型上刷涂有掺入0.05-0.1％碲粉的优质涂料。
冶炼：选用本发明所设计的合金减量化设计轧辊材料进行冶炼。由于锰、硫均为反石墨化元素，因此应选用锰、硫、磷含量尽可能低的原材料，获得所需要的浇铸铁液；
浇铸：轧辊材料中的铋是在铸型内孕育的，加入0.002-0.005％的铋可明显增加石墨球数；在临近浇铸时选用抗球化衰退效果好的含锶、钡孕育剂和重稀土球化剂并按常规用量加入，进行临近浇铸孕育和球化。浇铸时加入与浇铸液成分相近的粒度为3-5mm的白口化铁丸做为悬浮剂，加入量2-5％，使其均匀分布于浇铸液中，可有效抑制球化衰退。铁液的凝固时间一般控制在2小时之内为宜，以使轧辊的球化率达到1-2级、球化级别达到6-8级。
然后，对轧辊毛坯进行粗加工、工序检验以及等温淬火。等温淬火是将粗加工后的轧辊放入淬火介质为50％NaNO3+50％KNO3混合熔盐中、等温温度根据需要在260℃-290℃中设定，等温温差为设定温度的±10℃，熔盐重量与每次处理工件重量比应≥6∶1，并用在熔盐中通风和在熔盐中密封的水管中通冷却水控制温升，等温时间根据需要在30-60min中设定，完后取出空冷。
最后进行工序检验、精加工及成品检验，使成品轧辊的物理性能达到硬度270-450HB，抗拉强度≥700MPa。
实施例1
实施例1为制造Φ460热轧无缝钢管连轧机轧辊，轧辊化学成分按重量百分比(％Wt)见表1。
表1
| C | Si | Mn | Cu | Mo | Ti | Al | Bi | Mg | P | S |
| 3.2 | 2.3 | 0.20 | 0.23 | 0.22 | 0.05 | 0.02 | 0.002 | 0.05 | 0.03 | 0.02 |
余量为Fe。
参照图1，该轧辊上部短轴直径Φ300mm、轴长147mm，中部辊环直径Φ803.9mm、报废时直径Φ740mm、辊环厚320mm，下部长轴直径Φ280-300mm、轴长700mm，成品重量1310kg/件。
工艺要求：抗拉强度≥800MPa、硬度270-330HB，至报废时硬度应≥270HB。
铸型为圆截面变径式纯砂/复合砂型：上部短轴部分砂型厚度为250mm纯砂型；中间辊环上、下及外圆部分砂型厚度为200mm，下部长轴部分砂型厚度为160mm，在型砂中混有Φ30-40mm钢球，靠近型腔内部厚度15-25mm为纯砂型；砂型内刷涂掺入0.05-0.1％碲粉的优质涂料；中间辊环部分砂箱的外部设有6条连接支撑与底箱联接，以维持整个砂型稳定和保证密封；浇道独立设置。其余操作按常规进行。
根据表1所列组分选定原料配比进行冶炼。所选用的锰、硫、磷含量较低，为优质原材料，冶炼获得所需要的浇铸液；其中铋为型内孕育，选用含锶、钡等孕育剂和重稀土球化剂，常规用量加入，进行临近浇铸孕育和球化。
浇铸时加入悬浮剂均匀分布于铁液中，加入量5％。悬浮剂成分为与浇铸液成分相近的白口化铁丸，粒度为3-5mm。铸件的凝固时间约为100分钟。
通过上述工序得到高质量毛坯，然后进行粗加工、工序检验，等温淬火：将粗加工后的轧辊放入温度为290℃的50％NaNO3+50％KNO3混合熔盐中，熔盐重量与工件重量比为7∶1，在熔盐中通风并在熔盐中密封的水管中通冷却水，控制等温淬火的等温温差为±10℃，使最高等温温度为300℃，最低等温温度为285℃，等温时间60min，取出空冷。
工序检验该轧辊的球化率为2级，球化级别为6级，硬度320-330HB，连体试块抗拉强度为830MPa，然后进行精加工和检验。
制备出的Φ460热轧无缝钢管连轧机轧辊，使用性能和使用寿命均达到了传统合金球墨铸铁连轧辊的同等水平，在使用中未发生碎裂，报废时硬度320HB，满足了生产需求。
实施例2
实施例2为制造Φ180热轧无缝钢管连轧机轧辊，轧辊化学成分按重量百分比(％Wt)见表2。
表2
| C | Si | Mn | Cu | Mo | Ti | Al | Bi | Mg | P | S |
| 3.6 | 2.61 | 0.20 | 0.39 | 0.30 | 0.07 | 0.04 | 0.003 | 0.04 | 0.03 | 0.02 |
余量为Fe。
参照图1，该轧辊上部短轴直径Φ275mm、轴长140mm，中部辊环直经Φ623.1mm、报废时直径Φ573mm、辊环厚220mm，下部长轴直径Φ260-275mm、轴长500mm，成品重量623kg/件。
工艺要求：抗拉强度为≥850MPa、硬度为420-450HB，至报废时硬度应≥420HB。
铸型为圆截面变径式纯砂/复合砂型：上部短轴部分砂型厚度为200mm纯砂型；中间辊环上、下及外圆部分砂型厚度为160mm；下部长轴部分砂型厚度为130mm，在型砂中混有Φ30-40mm钢球，靠近型腔内部厚度15-25mm为纯砂型；砂型内刷涂掺入0.05-0.1％碲粉的优质涂料；中间辊环部分砂箱的外部设有4条连接支撑与底箱联接，以维持整个砂型稳定和保证密封；浇道独立设置。
根据表2所列组分选定原料配比进行冶炼。获得所需要的浇铸液；其中铋为型内孕育，选用常规用量的含锶、钡等孕育剂和重稀土球化剂，进行临近浇铸孕育和球化。
加入粒度为3-5mm的白口化铁丸悬浮剂均匀分布于浇铸液中，加入量3.5％，铸件的凝固时间约为110分钟，获得高质量轧辊毛坯，然后进行粗加工、工序检验，等温淬火：将粗加工后的轧辊放入温度为260℃的50％NaNO3+50％KNO3混合熔盐中，熔盐重量与每次处理工件重量比为8∶1，并在熔盐中通风和在熔盐中密封的水管中通冷却水，控制等温淬火的等温温差为±10℃，最高等温温度为270℃，最低等温温度为265℃，等温时间45min，取出空冷。
工序检验该轧辊的球化率为2级，球化级别为6级，硬度440-450HB，连体试块抗拉强度为890MPa，然后进行精加工和检验。
本实施例的热轧无缝钢管连轧机轧辊使用状况良好，报废时硬度430HB，其使用性能和使用寿命均达到了传统合金球墨铸铁连轧辊的同等水平，完全满足生产需要。
实施例3
实施例3为制造Φ89热轧无缝钢管连轧机轧辊，轧辊化学成分按重量百分比(％Wt)见表3。
表3
| C | Si | Mn | Cu | Mo | Ti | Al | Bi | Mg | P | S |
| 3.93 | 2.87 | 0.28 | 0.59 | 0.38 | 0.09 | 0.05 | 0.005 | 0.06 | 0.05 | 0.02 |
余量为Fe。
参照图1，该轧辊下端长轴直径Φ185-190mm、轴长607mm，中部辊环直经Φ450mm、报废时直径Φ410mm、辊环厚220mm，上部短轴直径Φ190mm、轴长200mm，成品重量348kg/件。
工艺要求：抗拉强度为≥760MPa、硬度为400-440HB，至报废时硬度应≥400HB。
铸型为圆截面变径式纯砂/复合砂型：上部短轴部分砂型厚度为150mm纯砂型；中间辊环上、下及外圆部分砂型厚度为130mm，下部长轴部分砂型厚度为100mm，使用混有Φ30-40mm钢球的复合砂型；在靠近型腔内部厚度15-25mm为纯砂型；砂型内刷涂掺入0.05-0.1％碲粉的优质涂料；中间辊环部分砂箱的外部设有3条连接支撑与底箱联接，浇道独立设置。其余操作按常规进行。
根据表3所列原料的组分配比进行冶炼。获得所需要的浇铸液；其中铋成分为型内孕育，加入常规用量的含锶、钡等的孕育剂和重稀土球化剂，进行临近浇铸孕育和球化。加入2％、粒度3-5mm的悬浮剂白口化铁丸，均匀分布于浇铸液中，铸件的凝固时间约为100分钟，得到轧辊毛坯。然后进行粗加工、工序检验，等温淬火。将粗加工后的轧辊放入温度为275℃的50％NaNO3+50％KNO3混合熔盐中，熔盐重量与每次处理工件重量比为8∶1，并用在熔盐中通风和在熔盐中密封的水管中通冷却水，控制等温淬火的等温温差在±10℃，最高等温温度为285℃，最低等温温度为275℃，，等温时间30min，取出空冷。
该轧辊的检验结果为，球化率为1级，球化级别为7级，硬度430-440HB，连体试块抗拉强度为800MPa，最后进行精加工。
本实施例的Φ89热轧无缝钢管连轧机轧辊，经过在恶劣条件下使用后，报废时硬度仍在410HB，使用性能与现有高合金成分的球墨铸铁轧辊相比略高或位于同等水平。
优选实施例
表4
| C | Si | Mn | Cu | Mo | Ti | Al | Bi | Mg | P | S |
| 3.7 | 2.5 | 0.25 | 0.4 | 0.2 | 0.06 | 0.03 | 0.004 | 0.06 | 0.04 | 0.02 |
| 3.8 | 2.8 | 0.3 | 0.6 | 0.4 | 0.08 | 0.04 | 0.005 | 0.05 | 0.045 | 0.02 |
余量为铁。
根据表4所列优选合金减量化设计轧辊材料进行冶炼、浇铸成型并通过加工、等温淬火以及精加工制备的连轧机轧辊，在上述实施例1、2、3热轧无缝钢管连轧机上使用，可得到与上述实施例同等或更优良的效果。
本发明轧辊实物和现有合金球墨铸铁轧辊实物耐磨性能对比如表4。
表4
| 材料名称 | 本发明轧辊实物 | 高镍合金球墨铸铁轧辊实物 |
| 磨损量(mg) | 17.4，17.8 | 17.4，17.9 |
本发明轧辊实物和国内合金球墨铸铁轧辊实物力学性能对比如表5。
表5
| 名称 | 抗拉强度(MPa) | 冲击韧性(J/cm2) |
| 本发明轧辊实物 | 790-890 | 33-38 |
| 现有合金球墨铸铁轧辊实物 | 390-500 | 2.2-3.2 |
从表4和表5的数据可看出，本发明不加铬、镍并选用低含量钼成分的球墨铸铁与现有高镍合金球墨铸铁轧辊相比，两者的磨损量基本相同，耐磨性处于同等水平。但其抗拉强度、冲击韧性都大大高于现有高镍合金球墨铸铁轧辊。由于本发明采用了合金减量化设计，节约了贵重金属，每吨成品至少可节约36-50公斤镍和4.5-8.6公斤钼，大大降低了生产成本。而且本发明的工艺简单实用，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和高韧性，有效的避免了热轧无缝钢管连轧机轧辊在使用中易裂、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。
Claims (8)
1.一种热轧无缝钢管连轧机球墨铸铁轧辊制备方法，其特征在于采用以下步骤：
铸型设计：根据轧辊的结构形状，选用圆截面变径式或圆截面近等厚式纯砂或复合砂型，铸型浇道为独立设置；
冶炼：选用合金减量化设计轧辊材料进行冶炼，轧辊以重量百分比计为：C：3.2-4.0％、Si：2.3-2.9％、Mn：≤0.30％、Cu：0.2-0.6％、Mo：0.2-0.4％、Ti：0.05-0.1％、Al：0.02-0.05％、Bi：0.002-0.005％、Mg：0.04-0.06％、P≤0.06、S≤0.02，余量为铁，获得所需要的浇铸液；
浇铸：轧辊材料中的铋为在铸型内孕育；在临近浇铸时选用含锶、钡孕育剂以及球化剂进行临近浇铸孕育和球化，浇铸时加入2％-5％的悬浮剂，使其均匀分布于浇铸液中，凝固时间控制在2小时之内；
加工、热处理及检验：对轧辊铸坯进行粗加工、等温淬火、精加工以及检验；其中，等温淬火是将粗加工后的轧辊放入淬火介质为50％NaNO3+50％KNO3、温度为260℃-290℃的混合熔盐中进行等温淬火，等温时间为30-60min，然后取出轧辊进行空冷，其后对轧辊进行精加工和检验。
2.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述圆截面变径式或圆截面近等厚式纯砂或复合砂型是指将砂型根据连轧辊的形状分为上部短轴、中间辊环和下部长轴3部分，每部分圆砂箱直径根据连轧辊该部分直径确定，整体砂型呈阶梯状，同时使砂型的厚度从下到上逐步增加。
3.根据权利要求2所述制备方法，其特征在于，所述上部短轴部分砂型厚度为150-250mm纯砂型；中间辊环上、下及外圆部分砂型厚度为130-200mm复合砂型，靠型腔内部厚度为15-25mm纯砂型；下部长轴部分砂型厚度为100-160mm复合砂型，靠型腔内部厚度为15-25mm纯砂型；砂型上刷涂有掺入0.05％-0.1％碲粉的涂料。
4.根据权利要求1或3所述制备方法，其特征在于，所述复合砂型是在型砂中混有Φ30-40mm钢球。
5.根据权利要求2或3所述制备方法，其特征在于，所述中间辊环部分砂箱的外部设有至少3条连接支撑与底箱连接，以维持整个砂型的稳定以及保证铸型的密封。
6.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述球化剂为重稀土球化剂；悬浮剂为白口化铁丸，粒度为5-7mm。
7.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述等温淬火的等温温差为设定温度±10℃，熔盐重量与每次处理工件重量比≥6：1。
8.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述轧辊的硬度为270-450HB，抗拉强度≥700MPa。
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