CN102366822B

CN102366822B - 一种高速钢轧辊材料的钢水处理方法

Info

Publication number: CN102366822B
Application number: CN 201110359367
Authority: CN
Inventors: 符寒光; 邢建东; 雷永平
Original assignee: Beijing University of Technology; Xian Jiaotong University
Current assignee: Beijing University of Technology; Xian Jiaotong University
Priority date: 2011-11-14
Filing date: 2011-11-14
Publication date: 2013-03-06
Anticipated expiration: 2031-11-14
Also published as: CN102366822A

Abstract

一种高速钢轧辊材料的钢水处理方法，属于冶金技术领域。将变质元素稀土镁硅铁合金、钒铁、钛铁、铌铁、锆铁、氧化钾、硅钙钡合金、含氮铬铁、硼铁和锌破碎成60～100目的粉末，按质量分数混合均匀；采用厚度0.15～0.22mm低碳钢钢带包装，滚轧成直径φ5-8mm金属包芯线；采用喂丝法将金属包芯线添加到钢包内浇注高速钢轧辊的钢水中，金属包芯线的加入量为8～10kg/T钢水。本发明工艺简便，变质元素收得率高，变质效果稳定，导致高速钢轧辊的力学性能和使用性能明显提高，推广应用具有很好的经济效益。

Description

一种高速钢轧辊材料的钢水处理方法

技术领域

本发明为一种金属材料的液态金属处理方法，特别涉及一种高速钢轧辊材料的钢水处理方法，属于冶金技术领域。

背景技术

提高轧辊性能和延长轧辊寿命是轧钢工作者和轧辊工程技术人员不断关注的课题，大量研究发现，用高速钢取代普通高铬铸铁、镍硬铸铁和半钢材料制造轧辊，是提高轧辊寿命的重要途径。美国专利US6095957公开了一种离心铸造高速钢轧辊制造方法，其主要成分如下：2.4-2.9％C，＜1％Si，＜1％Mn，12-18％Cr，3-9％Mo，3-8％V和0.5-4％Nb，余量为Fe。这种高速钢轧辊由于铬含量过高，碳化物以M7C3为主，不利于明显提高轧辊耐磨性，另外，轧辊中碳含量较高，基体抗热疲劳性能差。日本专利JP5305312-A公开了一种离心铸造高速钢复合轧辊制造方法，外成采用高速钢，其化学组成如下：1.5-3.5％C，＜1.5％Si，＜1.2％Mn，5.5-12.0％Cr，2.0-8.0％Mo，3.0-10.0％V， 0.6-7.0％Nb，1-10.0％Co，2.0％Cu，1.0％W，2.0％Ti，2.0％Zr，0.1％B，余量Fe。为了减轻偏析，将钨含量控制在1.0％，为了改善高温耐磨性，加入了价格昂贵的钴合金。中国发明专利CN101037760公开了一种高碳高钒高速钢复合轧辊，制得的该高碳高钒高速钢轧辊外层的化学成分及其重量百分比为，C：1.8％～3.0％，V：3.0％～6.0％，Cr：4.0％～6.0％，Mo：3.0％～6.0％，W：1.0％～3.0％，Nb：1.0％～5.0％，Co：1.0％～5.0％，Si＜1.0％，Mn＜1.5％，P＜0.04％，S＜0.04％，Y：0.05％～0.20％，Ti：08％～0.25％，Mg：0.03％～0.12％，Zr：0.04％～0.18％，Te：0.02％～0.12％，余量为Fe，化学成分的总和为100％。其制备利用电炉熔炼，采用离心铸造方法铸造成形，热处理包括淬火和回火处理。高速钢轧辊的硬度和强度高、韧性和耐磨性好，且具有良好的抗热疲劳能力，使用中无断辊和剥落现象出现。应用该发明制备的轧辊，可降低轧辊消耗，提高轧钢机作业率。中国发明专利CN101240403还公开了一种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；该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。为了改善高速钢轧辊的性能，中国发明专利CN101240402还公开了一种复合辊环轧辊用铸造高硼高速钢及其热处理方法，其化学成分设计为(重量％)：0.20-1.10C，1.0-2.5B，3.0-5.0Cr，0.5-0.9Si，0.6-1.3Mn，2.0-10.0V，0.5-1.5Ni，1.0-4.0Mo，0.2-4.0W，0.1-2.0Nb，S＜0.04，P＜0.04，其余为Fe；它的热处理方法包括退火，淬火和2-3次回火，退火加热温度为800-860℃；淬火加热温度为1020-1150℃，随后风冷或空冷；回火2-3次，加热温度500-550℃，随后炉冷或空冷。但该发明轧辊中因硼元素的加入，易形成连续网状的Fe₂B化合物，降低轧辊强度和韧性。中国发明专利CN101403032还公开了一种轧钢行业中板带轧机应用的高速钢复合轧辊的热处理工艺。热处理工艺分为退火、淬火和回火三个阶段，适用于高速钢复合轧辊。其中，退火加热速度为10～60℃/h，退火加热温度为600～750℃，保温时间8～20h，退火冷却采用炉冷。该发明具有退火硬度低，利于切削加工，淬火回火后高速钢轧辊硬度高、硬度均匀性好、径向硬度降小等优良的特点。

中国发明专利CN101812646A还公开了轧辊用高速钢合金的铸造工艺，涉及金属铸造工艺，该工艺先采用快淬甩带法分别制得薄片状的纳米晶稀土硅铁孕育剂和薄片状的纳米晶硼铁细化剂，再用由该纳米晶稀土硅铁孕育剂和纳米晶硼铁细化剂构成的变质剂对轧辊用高速钢合金组织进行晶粒和组织细化处理，以克服高速钢合金铸造的缺陷，显著细化了其基体晶粒并使碳化物断网，从而明显地提高了所制得的高速钢轧辊的综合力学性能。中国发明专利CN101705430A还公开了一种高速钢轧辊及其在电磁场下离心复合制备方法，属于高速钢轧辊的制备技术领域。高速钢轧辊的工作层材质成分为(重量％)，C：1.5％～2.5％，V：4.0～6.0％，W：4.0％～6.0％，Mo：1.5％～4.5％，Cr：2.0％～4.0％，Zr：0.04％～0.18％，B：0.001～0.003％，Si≤0.5％，Mn≤0.5％，余量为Fe及杂质元素，杂质中要求S＜0.01％，P＜0.01％，O＜0.0010％。采用脉冲电磁场下离心复合方法浇铸轧辊，脉冲磁场的频率为0.1～10Hz，铸型中心磁场的峰值强度为1～10T。该轧辊具有多种析出强化相，施加的脉冲磁场使强化相及基体晶粒有效细化，并使强化相弥散分布，克服了合金元素的偏析，能大幅度提高轧辊的性能。

但是，高速钢轧辊中合金元素数量较多，形成的碳化物也较多，脆性较大。为了提高高速钢轧辊的性能，通常在炉内或浇包内加入微合金元素进行变质处理。中国发明专利CN101596553公开了一种应用于高速线材轧机的高速钢辊环及其制造方法，其化学组成成分是(质量分数，％)：3.0～3.5C，5.0～7.0V，4.2～4.5Cr，9.0～10.0Mo，5.5～8.0Co，0.4～1.0Al，1.5～4.0Nb，0.10～0.25Ti，0.003～0.006B，0.08～0.25RE，0.06～0.12Zr，＜0.8Si，≤1.0Mn，其余为铁和不可避免的微量杂质。该发明辊环经熔炼、变质处理后，在离心铸造机上浇注。辊环经退火后进行粗加工，经淬火和回火后进行精加工。该发明辊环具有硬度高、红硬性好等特点，在高速线材轧机上使用，具有优良的耐磨性。中国发明专利CN102061423A还公开了一种含硼高速钢轧辊材料的复合处理方法，处理步骤如下：首先在电炉内熔炼高速钢轧辊材料，钢水经脱氧、脱硫后，将温度升至1630～1650℃后出炉，然后将加热至1000～1100℃，并破碎至2～6mm的硼铁颗粒随流冲入钢包。钢包底部预先加入了含稀土、钾、镁、锶、钙等多种微量元素的复合变质剂，钢水出炉3～5分钟后，在钢包底部对钢水进行吹氩净化处理，吹氩时间6～10分钟，钢水温度达到1460～1480℃后，将钢水浇注成轧辊。中国发明专利CN101191179还公开了一种高速钢材料及其制造方法，涉及一种机械加工材料，尤其是涉及一种对高速钢辊环及其制造方法。高速钢材料的制造方法包括配制熔料、熔炼、精炼球化、离心浇铸、球化退火、热处理淬火、回火、精坯机加工；在精炼球化过程中，当温度达到1500℃～1650℃之间时，加入变质剂，所述变质剂的用量为熔料总量的0.25％～0.55％。中国发明专利CN102031442A还公开了轧辊用高速钢组织变质细化用的孕育剂的制备和应用方法，涉及金属铸造工艺，该孕育剂是一种将钒铁、铌铁和生铁按质量比Fe∶V∶Nb＝3.2～5.6∶1.9～4.3∶1.5～3.5配比混合熔炼凝固后经快淬处理得到的薄带，在熔炼轧辊用高速钢过程中加入该孕育剂，使Nb与V原位形成复合碳化物(V，Nb)C，其作为初晶析出时，密度与钢液大致相同，从而作为基体合金液体的孕育变质形核核心，整体细化轧辊用高速钢基体晶粒和组织，从而提高了轧辊用高速钢材料的综合力学性能。中国发明专利CN101177753还公开了一种用于各类轧钢机的高钒高速钢轧辊材料的熔体处理方法，钢水出炉时，随流加入钒铁颗粒，其加入量占钢水总重量的0.80-1.20％。钢水冲入浇包前，在浇包内预先加入钇基稀土镁合金、氮化铬铁、钾盐和金属铝，其中钇基稀土镁合金加入量占钢水重量的0.30-0.80％，氮化铬铁加入量占钢水重量的0.20-0.50％，钾盐加入量占钢水重量的0.30-0.80％，金属铝加入量占钢水重量的0.30-0.60％。当钢水温度达到1450-1480℃时，在离心机上直接浇注成轧辊，在钢水浇注过程中，随流加入颗粒尺寸5mm-8mm的钒铁和钛铁颗粒，其中钒铁颗粒加入量占钢水总量的0.30-0.80％，钛铁颗粒加入量占钢水总量的0.40-1.00％。

但是，上述高速钢轧辊采用变质剂直接加入炉内或浇包内存在变质处理稳定性差和高速钢轧辊性能波动大等不足，阻碍了高速钢轧辊的推广应用。

发明内容

本发明目的是针对常用高速钢轧辊变质处理存在的不足，开发一种新型的高速钢轧辊材料的钢水处理方法，即将稀土、钒、钛、铌、锆、钾、钡、钙、氮、锌、硼、镁等变质元素采用低碳钢钢带包装，滚轧成直径φ5-8mm金属包芯线，然后采用喂丝法将金属包芯线添加到钢包的钢水中，确保了变质元素收得率的提高和高速钢轧辊变质效果的稳定。

本发明的目的可以通过以下措施来实现：一种高速钢轧辊材料的钢水处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)首先将变质元素稀土镁硅铁合金、钒铁、钛铁、铌铁、锆铁、氧化钾、硅钙钡合金、含氮铬铁、硼铁和锌破碎成60～100目的粉末。

2)然后将质量分数22～26％稀土镁硅铁合金粉、10～12％钒铁粉、10～12％钛铁粉、5～7％铌铁粉、5～7％锆铁粉、10～12％氧化钾粉、10～12％硅钙钡合金粉、2～3％硼铁粉、10～12％含氮铬铁粉和5～7％锌粉混合均匀。

3)再将步骤2)得到的混合均匀的变质剂粉末采用厚度0.15～0.22mm低碳钢钢带包装，滚轧成直径φ5-8mm金属包芯线。

4)最后采用喂丝法将金属包芯线添加到钢包内浇注高速钢轧辊的钢水中，金属包芯线的加入量为8～10kg/T钢水。

所述的稀土镁硅铁合金的化学成分(质量分数)为：8.0～10.0％RE，8.0～10.0％Mg，1.0～3.0％Ca，≤44.0％Si，≤2.0％Mn，≤1.0％Ti，余量Fe。

所述的钒铁的化学成分(质量分数)为：50～55％V、＜0.40％C、＜2.00％Si、＜0.07％P、＜0.04％S、＜0.5％Al、＜0.50％Mn，余量为Fe。

所述的钛铁的化学成分(质量分数)为：70～75％Ti，≤5％Al，≤2.5％Si，≤0.20％C，≤0.05％P，≤0.03％S，≤0.3％Mn，余量为Fe。

所述的铌铁的化学成分(质量分数)为：70～80％Nb，≤3.8％Al，≤1.5％Si，≤0.20％C，≤0.04％P，≤0.03％S，≤0.8％Mn，余量为Fe。

所述的锆铁的化学成分(质量分数)为：22～27％Zr，38～43％Si，0.5～1.0Al％，0.1～0.5％C，余量为Fe。

所述的硅钙钡合金的化学成分(质量分数)为：40～45％Si，10～12％Ca，10～12％Ba，≤0.8％C，≤0.04％P，≤0.06％S，余量为Fe。

所述的含氮铬铁的化学成分(质量分数)为：60～65％Cr，3.5～6.5％N，0.02～0.06％C，0.7～1.5％Si，余量Fe。

所述的硼铁的化学成分(质量分数)为：17.0～19.0％B，＜0.5％C，＜3.5％Si，余量为Fe。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

(1)采用本发明处理高速钢轧辊钢水，工艺简便，微合金变质元素的收得率明显提高，达到88～93％。

(2)采用本发明处理高速钢轧辊钢水，钢中碳化物形态的改善和凝固组织细化效果良好，促进随后浇注的高速钢轧辊力学性能明显提高，与普通炉内变质处理和钢包内变质处理相比，本发明浇注的高速钢轧辊冲击韧性提高18～22％，抗拉强度提高10～15％。

(3)本发明处理高速钢钢水浇注而成的轧辊，在相同热处理工艺条件下，其耐磨性明显优于普通炉内变质处理和钢包内变质处理高速钢轧辊，约提高24～28％。

本发明高速钢轧辊的钢水处理方法已在实际轧辊生产中实现了工业应用。试验结果表明，采用本发明处理高速钢轧辊，变质元素收得率高、轧辊变质处理稳定，性能波动小。本发明处理高速钢钢水浇注而成的轧辊，在相同热处理工艺条件下，其耐磨性明显优于普通炉内变质处理和钢包内变质处理高速钢轧辊，约提高24～28％。使用本发明技术，可以提高轧钢机作业率，降低轧材生产成本，具有较好的经济效益。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详述：

实施例1：

本发明的具体工艺步骤是：

1)首先将变质元素稀土镁硅铁合金(质量分数为：8.15％Ce，9.86％Mg，1.54％Ca，41.70％Si，1.08％Mn，0.21％Ti，余量Fe。)、钒铁(质量分数为：52.63％V、0.17％C、1.38％Si、0.05％P、0.02％S、0.25％Al、0.18％Mn，余量为Fe)、钛铁(质量分数为：72.05％Ti，2.80％Al，1.93％Si，0.08％C，0.04％P，0.01％S，0.16％Mn，余量为Fe)、铌铁(质量分数为：75.18％Nb，2.10％Al，0.88％Si，0.15％C，0.03％P，0.02％S，0.39％Mn，余量为Fe)、锆铁(质量分数为：25.40％Zr，39.68％Si，0.71Al％，0.39％C，余量为Fe)、氧化钾(K₂O)、硅钙钡合金(质量分数为：43.01％Si，11.45％Ca，10.86％Ba，0.38％C，0.03％P，0.04％S，余量为Fe)、含氮铬铁(质量分数为：62.54％Cr，4.87％N，0.05％C，1.26％Si，余量Fe)、硼铁(质量分数为：18.53％B，0.27％C，2.10％Si，余量为Fe)和锌(99.84％Zn)破碎成60～100目的粉末。

2)然后将质量分数24％稀土镁硅铁合金粉、10％钒铁粉、12％钛铁粉、5％铌铁粉、7％锆铁粉、10％氧化钾粉、12％硅钙钡合金粉、3％硼铁粉、10％含氮铬铁粉和7％锌粉混合均匀。

3)再将混合均匀的变质剂粉末采用厚度0.15mm的H08A钢带包装，滚轧成直径φ5mm金属包芯线。

4)最后采用喂丝法将金属包芯线添加到钢包内浇注高碳高钒高速钢轧辊的钢水(钢水具体质量分数为：2.18％C，5.21％V， 4.88％Cr，5.01％Mo，2.69％W，1.78％Nb，余量Fe)中，金属包芯线的加入量为8kg/T钢水。经金属包芯线处理高碳高钒高速钢浇注而成的轧辊经淬火和回火热处理后，其硬度达到85.6HSD，冲击韧性达到12.7J/cm²，抗拉强度达到845MPa。

实施例2：

本发明的具体工艺步骤是：

2)然后将质量分数25％稀土镁硅铁合金粉、12％钒铁粉、10％钛铁粉、7％铌铁粉、5％锆铁粉、12％氧化钾粉、10％硅钙钡合金粉、2％硼铁粉、12％含氮铬铁粉和5％锌粉混合均匀。

3)再将混合均匀的变质剂粉末采用厚度0.15mm的H08A钢带包装，滚轧成直径φ8mm金属包芯线。

4)最后采用喂丝法将金属包芯线添加到钢包内浇注高碳高钒高速钢轧辊的钢水(钢水具体质量分数为：1.97％C，4.61％V， 5.03％Cr，4.82％Mo，2.86％W，1.55％Nb，0.83％Ni，余量Fe)中，金属包芯线的加入量为10kg/T钢水。经金属包芯线处理高碳高钒高速钢浇注而成的轧辊经淬火和回火热处理后，其硬度达到84.9HSD，冲击韧性达到13.4J/cm²，抗拉强度达到860MPa。

实施例3：

本发明的具体工艺步骤是：

1)首先将变质元素稀土镁硅铁合金(质量分数为：9.15％Ce，8.72％Mg，2.05％Ca，41.20％Si，0.96％Mn，0.37％Ti，余量Fe)、钒铁(质量分数为：51.94％V、0.18％C、1.05％Si、0.05％P、0.01％S、0.19％Al、0.26％Mn，余量为Fe)、钛铁(质量分数为：72.91％Ti，3.50％Al，2.08％Si，0.12％C，0.04％P，0.02％S，0.11％Mn，余量为Fe)、铌铁(质量分数为：76.30％Nb，1.84％Al，0.69％Si，0.05％C，0.03％P，0.01％S，0.33％Mn，余量为Fe、)锆铁(质量分数为：26.28％Zr，39.51％Si，0.83Al％，0.26％C，余量为Fe)、氧化钾(K₂O)、硅钙钡合金(质量分数为：43.06％Si，11.67％Ca，11.48％Ba，0.40％C，0.03％P，0.04％S，余量为Fe)、含氮铬铁(质量分数为：62.90％Cr，6.01％N，0.05％C，0.94％Si，余量Fe)、硼铁(质量分数为：18.38％B，0.18％C，2.03％Si，余量为Fe)和锌(99.67％Zn)破碎成60～100目的粉末。

2)然后将质量分数23％稀土镁硅铁合金粉、11％钒铁粉、11％钛铁粉、6％铌铁粉、6％锆铁粉、11％氧化钾粉、11％硅钙钡合金粉、3％硼铁粉、12％含氮铬铁粉和6％锌粉混合均匀。

3)再将混合均匀的变质剂粉末采用厚度0.22mm的H08A钢带包装，滚轧成直径φ6mm金属包芯线。

4)最后采用喂丝法将金属包芯线添加到钢包内浇注高碳高钒高速钢轧辊的钢水(钢水具体质量分数为：2.35％C，4.91％V， 5.86％Cr，6.01％Mo，3.74％W，0.94％Ni，余量Fe)中，金属包芯线的加入量为9kg/T钢水。经金属包芯线处理高碳高钒高速钢浇注而成的轧辊经淬火和回火热处理后，其硬度达到86.2HSD，冲击韧性达到13.3J/cm²，抗拉强度达到795MPa。

Claims

1.一种高速钢轧辊材料的钢水处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)首先将变质元素稀土镁硅铁合金、钒铁、钛铁、铌铁、锆铁、氧化钾、硅钙钡合金、含氮铬铁、硼铁和锌破碎成60～100目的粉末；

2)然后将质量分数22～26％稀土镁硅铁合金粉、10～12％钒铁粉、10～12％钛铁粉、5～7％铌铁粉、5～7％锆铁粉、10～12％氧化钾粉、10～12％硅钙钡合金粉、2～3％硼铁粉、10～12％含氮铬铁粉和5～7％锌粉混合均匀；

3)再将步骤2)得到的混合均匀的变质剂粉末采用厚度0.15～0.22mm低碳钢钢带包装，滚轧成直径φ5-8mm金属包芯线；

2.根据权利要求1的一种高速钢轧辊材料的钢水处理方法，其特征在于，所述的稀土镁硅铁合金的化学成分的质量分数为：8.0～10.0％RE，8.0～10.0％Mg，1.0～3.0％Ca，≤44.0％Si，≤2.0％Mn，≤1.0％Ti，余量Fe。

3.根据权利要求1的一种高速钢轧辊材料的钢水处理方法，其特征在于，所述的钒铁的化学成分质量分数为：50～55％V、＜0.40％C、＜2.00％Si、＜0.07％P、＜0.04％S、＜0.5％Al、＜0.50％Mn，余量为Fe。

4.根据权利要求1的一种高速钢轧辊材料的钢水处理方法，其特征在于，所述的钛铁的化学成分质量分数为：70～75％Ti，≤5％Al，≤2.5％Si，≤0.20％C，≤0.05％P，≤0.03％S，≤0.3％Mn，余量为Fe。

5.根据权利要求1的一种高速钢轧辊材料的钢水处理方法，其特征在于，所述的铌铁的化学成分质量分数为：70～80％Nb，≤3.8％Al，≤1.5％Si，≤0.20％C，≤0.04％P，≤0.03％S，≤0.8％Mn，余量为Fe。

6.根据权利要求1的一种高速钢轧辊材料的钢水处理方法，其特征在于，所述的锆铁的化学成分质量分数为：22～27％Zr，38～43％Si，0.5～1.0％Al，0.1～0.5％C，余量为Fe。

7.根据权利要求1的一种高速钢轧辊材料的钢水处理方法，其特征在于，所述的硅钙钡合金的化学成分质量分数为：40～45％Si，10～12％Ca，10～12％Ba，≤0.8％C，≤0.04％P，≤0.06％S，余量为Fe。

8.根据权利要求1的一种高速钢轧辊材料的钢水处理方法，其特征在于，所述的含氮铬铁的化学成分质量分数为：60～65％Cr，3.5～6.5％N，0.02～0.06％C，0.7～1.5％Si，余量Fe。

9.根据权利要求1的一种高速钢轧辊材料的钢水处理方法，其特征在于，所述的硼铁的化学成分质量分数为：17.0～19.0％B，＜0.5％C，＜3.5％Si，余量为Fe。