CN102990031B - 高硼高速钢轧辊的离心复合铸造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高硼高速钢轧辊的离心复合铸造方法，仅用两台电炉分别冶炼钢水和铁水，分三次浇注，即先在离心机上浇注外层高硼高速钢，然后加入第一保护剂，继续在离心机上浇注过渡层球墨铸铁铁水，再加入第二保护剂，在静态下浇注辊芯球墨铸铁铁水，实现高硼高速钢复合轧辊的冶金结合。本发明生产的高硼高速钢轧辊，工艺简便，既使外层高硼高速钢与过渡层球墨铸铁之间，实现了良好的冶金结合，同时也使过渡层球墨铸铁与辊芯球墨铸铁之间实现了良好的冶金结合，使过渡层的抗拉强度达到680Mpa以上，轧辊使用安全、可靠，推广应用效益良好。

Description

高硼高速钢轧辊的离心复合铸造方法

技术领域

本发明涉及一种轧辊的复合铸造方法，特别涉及一种高硼高速钢轧辊的离心复合铸造方法，属于金属铸造技术领域。

背景技术

轧辊是轧钢生产中的主要消耗备件之一，其消耗量是轧钢生产成本的5%～15%。加上因轧辊消耗而带来停机、降产和设备维护增加等因素，则其所占生产成本的比重会更高。轧辊质量不仅关系到轧钢生产成本和轧机生产作业率，还在很大程度上影响轧材质量。随着轧钢技术的发展，轧机速度和自动化程度不断提高，对轧辊质量特别是轧辊的耐磨性、强度及韧性等提出了更高的要求。改变轧辊材质是提高轧辊性能的重要措施。轧辊材质发展的明显趋势是广泛使用合金元素且逐渐提高合金化程度。如热轧带钢精轧前段由20世纪30年代的高镍铬无限冷硬铸铁轧辊发展到60年代的半钢工作轧辊，70年代开始使用高铬铸铁轧辊和高铬铸钢轧辊，80年代末开始使用高速钢轧辊。冷轧带钢工作辊材质由2%Cr钢发展到3%Cr、5%Cr钢，到了90年代开始使用半高速钢，近年来开始使用高速钢。

由于轧辊使用条件极其苛刻，不仅要求具有优良的耐磨性，还要求具有较强的韧性，以防止轧辊使用中发生断裂，因此单一材质难以满足轧辊要求。复合轧辊的研究和应用已越来越引起国内外轧辊研究和制造部门的重视。现有的轧辊复合制造工艺有：冲洗铸造法、离心铸造法、连续浇注外层成形法（简称CPC）、电渣重熔法（简称ESR）、热等静压法（简称HIP）、液态金属电渣熔接法（ESSLM）、喷射沉积成形法（OSPREY）、机械组合法和表面堆焊法等。其中离心复合铸造方法具有生产效率高、轧辊组织致密和操作简便等特点，在复合轧辊生产中已得到广泛使用。

中国发明专利CN102615106A公开了一种含硼离心复合高速钢轧辊，包括高速钢轧辊外层、高速钢轧辊中间层和高速钢轧辊芯部，该制备方法包括熔炼、炉前处理、轧辊浇注、退火、粗加工、二次回火、精加工、检验。通过上述方式，该发明提供的含硼离心复合高速钢轧辊采用了三层复合轧辊技术，增加了高速钢轧辊外层和高速钢轧辊芯部的复合能力，不易剥落，硬度强度高、耐磨性好、抗事故能力强。中国发明专利CN1853811还公开了复合高速钢轧辊及制备方法的改进，其特征是轧辊自外向内依次为高速钢工作层、芯部材料组成的中间层1、中间层2、芯部1和芯部2。该轧辊制备采用离心浇注，浇注工作层后，降低转速分别浇注中间层1 和中间层2，然后再次降低转速至200-350转/分浇注芯部1，关闭动力自由减速烧注芯部2。该发明复合高速钢轧辊，较原双层或三层复合高速钢轧辊，在轧制过程中工作层剥落率降低30％左右，断辊机率减少50-60％。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，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。中国发明专利CN101797630A还公开了一种改进型高速钢轧辊及其制备方法，采用离心复合铸造方法成形，轧辊外层是高速钢，轧辊内层是球铁或高强度铸铁。轧辊外层在离心铸造机上成形，然后将辊芯铁水在静态下填芯，浇注成高速钢复合轧辊。高速钢轧辊外层的原料组成是(质量分数)：60-65％的M2高速钢(W6Mo5Cr4V2)废钢，1.0-1.4％的金属铝，5.0-5.5％的硼铁，9.2-9.4％的碳素铬铁，0.2-0.4％的钛铁，1.0-1.2％的镍镁合金，18-23％的Q235废钢。本发明轧辊利用电炉便可生产，硬度高、不加贵重铁合金、且取消高温淬火处理。中国发明专利CN102319897A还公开了一种喷射成形高钒高速钢复合轧辊的制造方法。高钒高速钢化学组成成分(质量分数,%)是：1.7-1.8C,1.2-1.6Si,5.0-6.0Cr；1.2-1.4Mo；0.5-0.6Mn；8.0-10.0V,余量为Fe；所述轧辊辊芯是球磨铸铁。该发明还公开了上述辐射轧辊的制备方法：将辊芯用感应线圈预热到一定温度,同时将外层高速钢在真空感应炉中熔炼,采用喷射成形的方法,将高速钢金属液流用氮气雾化并沉积在旋转的辊芯上复合成形。该复合轧辊外层组织均匀，消除粗大共晶碳化物及组织偏析，在辊芯与喷射层之间形成良好的冶金结合，辊面硬度高，耐磨性好，疲劳性能提高，使用寿命更长。中国发明专利CN101240403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。中国发明专利CN102274856A还公开了一种离心复合高速钢轧辊及其浇注方法，轧辊包括高速钢外层、中间过渡层、球墨铸铁芯部，所述的高速钢外层的化学成分重量百分比为：C1.8～2.6％、Cr3～10％、Nb0.2～1.0％、Mo4～10％、V5～10％、W4～10％、Co2～10％，其余为Fe及不可避免的杂质，其工作步骤如下：1)中频炉熔炼；2)进行变质处理；3)离心铸造；4)芯部浇铸；5)采用台车式差温炉进行热处理。与现有技术相比，该发明的有益效果是：1)能显著提高高速钢外层的抗热疲劳和耐磨性能。2)高速钢外层和中间过渡层的结合强度达到400Mpa以上，防止高速钢外层的剥落。

但是，采用普通离心复合铸造方法，生产高硼高速钢轧辊，为了防止外层高硼高速钢中的硼元素混入辊芯，需要在辊芯球铁和辊身高硼高速钢中，加入过渡层，采用三层复合法生产高硼高速钢复合轧辊，需要用三台电炉，同时冶炼三种材料，操作复杂。

发明内容

本发明目的是针对现有离心复合铸造高硼高速钢轧辊生产中存在的问题，采用两种金属，分三次浇注，即先在离心机上浇注外层高硼高速钢水，然后加入保护剂1，继续在离心机上浇注过渡层高温球墨铸铁铁水，再加入保护剂2，在静态下浇注辊芯球墨铸铁铁水，实现高硼高速钢复合轧辊的冶金结合。

本发明通过下列具体步骤实现：

1) 在转速为700～750转/分钟的离心机上，浇注温度为1435～1470℃的外层高硼高速钢钢水，浇注完毕后，按每平方米的高硼高速钢辊身内表面积加入0.8～1.0 kg的量（0.8～1.0 kg/m²）计，加入下列质量比的第一保护剂：30～48%的O型玻璃渣，70～52%的无水四硼酸钠，旋转5～10分钟；

2) 当外层高硼高速钢辊身内表面温度为1300℃～1350℃时，继续在转速为700～750转/分钟的离心机上，浇注温度为1450～1470℃的过渡层高温球墨铸铁铁水，并控制过渡层浇注厚度为15～20mm，同时在浇注过程中，随流加入占过渡层球墨铸铁铁水质量的3.0～3.5% 的孕育剂，该孕育剂为下列质量比：45.0～52.0%的Si, 2.0～3.0%的Ti, 1.5～1.8 %的N, 3.5～4.0%的Ba, 3.5～4.0%的Ca, 余量为Fe；浇注完毕后，按每平方米轧辊过渡层球墨铸铁内表面积加入0.5～0.8 kg量（0.5～0.8 kg/m²）计，加入下列质量比的第二保护剂：70～82%的O型玻璃渣，30～18%的无水四硼酸钠，旋转7～10分钟； 

3) 当过渡层球墨铸铁辊身内表面温度为1200～1260℃时，在静态下浇注温度为1320～1350℃的辊芯球墨铸铁铁水，浇注完毕并静置12～24小时后，取出送缓冷坑，经后序常规粗加工、热处理和精加工后，即得高硼高速钢复合轧辊。

本发明在外层高硼高速钢浇注完毕后，加入由质量分数为30～48%的O型玻璃渣和70～52%的无水四硼酸钠组成的第一保护剂，其加入量为：每平方米的高硼高速钢辊身内表面积加入0.8～1.0 kg，这样可确保外层高硼高速钢和过渡层球墨铸铁之间实现良好的冶金结合。

本发明的过渡层球墨铸铁和辊芯球墨铸铁是同炉同包铁水，为了确保辊芯球墨铸铁铁水的浇注温度能控制在1320～1350℃，需要将过渡层浇注温度提高到1450～1470℃，但当提高球墨铸铁铁水的浇注温度时，又会使过渡层组织粗大，且过渡层球墨化效果差，而明显降低过渡层的强度和韧性，为此，在过渡层浇注过程中，又随流加入了改善过渡层球墨化效果及细化过渡层凝固组织的孕育剂，其加入量占过渡层球墨铸铁铁水质量的3.0～3.5%，且孕育剂的质量比为：45.0～52.0%的Si, 2.0～3.0%的Ti, 1.5～1.8 %的N, 3.5～4.0%的Ba, 3.5～4.0%的Ca, 余量为Fe。

本发明在过渡层浇注完毕后，加入由质量分数70～82%的O型玻璃渣和30～18%的无水四硼酸钠组成的第二保护剂，第二保护剂的加入量为0.5～0.8 kg/m²（即每平方米轧辊过渡层球墨铸铁内表面积加入0.5～0.8 kg的第二保护剂），这样就可确保过渡层和辊芯之间的球墨铸铁实现良好的冶金结合。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

(1) 本发明克服了因现有三层复合法生产高硼高速钢复合轧辊时，需要用三台电炉，同时冶炼三种材料，而存在操作复杂，投资大等不便、不足，仅用两台电炉冶炼两种材料，即可简便地获得三层复合高硼高速钢轧辊。

(2) 本发明不仅使外层高硼高速钢与过渡层球墨铸铁之间，实现了良好的冶金结合，同时也使过渡层球墨铸铁与辊芯球墨铸铁之间实现了良好的冶金结合，使过渡层的抗拉强度达到680Mpa以上。

附图说明

图1为本发明铸造的三层复合高硼高速钢轧辊纵向剖面结构图。

图中，1－外层高硼高速钢，2－过渡层球墨铸铁，3－辊芯球墨铸铁。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步描述。

实施例1

采用500公斤中频感应电炉冶炼外层高硼高速钢，采用3吨工频感应电炉冶炼过渡层和辊芯球墨铸铁，复合轧辊的具体制备工艺是：

1) 在转速为700转/分钟的离心机上，浇注温度为1435℃的外层高硼高速钢钢水，浇注完毕后，按每平方米的高硼高速钢辊身内表面积加入0.8 kg的量（0.8 kg/m²）计，加入下列质量比的第一保护剂：30%的O型玻璃渣，70%的无水四硼酸钠，旋转5分钟；

2) 当外层高硼高速钢辊身内表面温度为1300℃时，继续在转速为700转/分钟的离心机上，浇注温度为1450℃的过渡层高温球墨铸铁铁水，并控制过渡层浇注厚度为15mm，同时在浇注过程中，随流加入占过渡层球墨铸铁铁水质量的3.0% 的孕育剂，该孕育剂为下列质量比：45.0%的Si, 2.0%的Ti, 1.5 %的N, 3.5%的Ba, 3.5%的Ca, 余量为Fe；浇注完毕后，按每平方米轧辊过渡层球墨铸铁内表面积加入0.5 kg量（0.5 kg/m²）计，加入下列质量比的第二保护剂：70%的O型玻璃渣，30%的无水四硼酸钠，旋转7分钟； 

3) 当过渡层球墨铸铁辊身内表面温度为1200℃时，在静态下浇注温度为1320℃的辊芯球墨铸铁铁水，浇注完毕并静置12小时后，取出送缓冷坑，经后序常规粗加工、热处理和精加工后，即得高硼高速钢复合轧辊。

实施例2

采用500公斤中频感应电炉冶炼外层高硼高速钢，采用3吨工频感应电炉冶炼过渡层和辊芯球墨铸铁，复合轧辊的具体制备工艺是：

1) 在转速为750转/分钟的离心机上，浇注温度为1470℃的外层高硼高速钢钢水，浇注完毕后，按每平方米的高硼高速钢辊身内表面积加入1.0 kg的量（1.0 kg/m²）计，加入下列质量比的第一保护剂： 48%的O型玻璃渣，52%的无水四硼酸钠，旋转10分钟；

2) 当外层高硼高速钢辊身内表面温度为1350℃时，继续在转速为750转/分钟的离心机上，浇注温度为1470℃的过渡层高温球墨铸铁铁水，并控制过渡层浇注厚度为20mm，同时在浇注过程中，随流加入占过渡层球墨铸铁铁水质量的3.5% 的孕育剂，该孕育剂为下列质量比： 52.0%的Si, 3.0%的Ti, 1.8 %的N, 4.0%的Ba, 4.0%的Ca, 余量为Fe；浇注完毕后，按每平方米轧辊过渡层球墨铸铁内表面积加入0.8 kg量（0.8 kg/m²）计，加入下列质量比的第二保护剂：82%的O型玻璃渣，18%的无水四硼酸钠，旋转10分钟； 

3) 当过渡层球墨铸铁辊身内表面温度为1260℃时，在静态下浇注温度为1350℃的辊芯球墨铸铁铁水，浇注完毕并静置24小时后，取出送缓冷坑，经后序常规粗加工、热处理和精加工后，即得高硼高速钢复合轧辊。

实施例3

采用500公斤中频感应电炉冶炼外层高硼高速钢，采用3吨工频感应电炉冶炼过渡层和辊芯球墨铸铁，复合轧辊的具体制备工艺是：

1) 在转速为720转/分钟的离心机上，浇注温度为1460℃的外层高硼高速钢钢水，浇注完毕后，按每平方米的高硼高速钢辊身内表面积加入0.9 kg的量（0.9 kg/m²）计，加入下列质量比的第一保护剂：38%的O型玻璃渣，62%的无水四硼酸钠，旋转8分钟；

2) 当外层高硼高速钢辊身内表面温度为1320℃时，继续在转速为720转/分钟的离心机上，浇注温度为1460℃的过渡层高温球墨铸铁铁水，并控制过渡层浇注厚度为18mm，同时在浇注过程中，随流加入占过渡层球墨铸铁铁水质量的3.2% 的孕育剂，该孕育剂为下列质量比：48.0%的Si, 2.5%的Ti, 1.6 %的N, 3.8%的Ba, 3.7%的Ca, 余量为Fe；浇注完毕后，按每平方米轧辊过渡层球墨铸铁内表面积加入0.6 kg量（0.6kg/m²）计，加入下列质量比的第二保护剂：76%的O型玻璃渣，24%的无水四硼酸钠，旋转8分钟； 

3) 当过渡层球墨铸铁辊身内表面温度为1230℃时，在静态下浇注温度为1340℃的辊芯球墨铸铁铁水，浇注完毕并静置19小时后，取出送缓冷坑，经后序常规粗加工、热处理和精加工后，即得高硼高速钢复合轧辊。

实施例4

采用500公斤中频感应电炉冶炼外层高硼高速钢，采用3吨工频感应电炉冶炼过渡层和辊芯球墨铸铁，复合轧辊的具体制备工艺是：

1) 在转速为740转/分钟的离心机上，浇注温度为1450℃的外层高硼高速钢钢水，浇注完毕后，按每平方米的高硼高速钢辊身内表面积加入0.9kg的量（0.9 kg/m²）计，加入下列质量比的第一保护剂：35%的O型玻璃渣，65%的无水四硼酸钠，旋转6分钟；

2) 当外层高硼高速钢辊身内表面温度为1330℃时，继续在转速为740转/分钟的离心机上，浇注温度为1465℃的过渡层高温球墨铸铁铁水，并控制过渡层浇注厚度为17mm，同时在浇注过程中，随流加入占过渡层球墨铸铁铁水质量的3.2% 的孕育剂，该孕育剂为下列质量比： 50.0%的Si, 2.6%的Ti, 1.6 %的N, 3.6%的Ba, 3.8%的Ca, 余量为Fe；浇注完毕后，按每平方米轧辊过渡层球墨铸铁内表面积加入0.6kg量（0.6 kg/m²）计，加入下列质量比的第二保护剂：79%的O型玻璃渣，21%的无水四硼酸钠，旋转6分钟； 

3) 当过渡层球墨铸铁辊身内表面温度为1220℃时，在静态下浇注温度为1330℃的辊芯球墨铸铁铁水，浇注完毕并静置20小时后，取出送缓冷坑，经后序常规粗加工、热处理和精加工后，即得高硼高速钢复合轧辊。

本发明轧辊制造工艺简便，过渡层的抗拉强度达到680Mpa以上，经超声波探伤，证实轧辊复合层结合良好，轧辊铸造、热处理和机械加工以及随后的使用过程中均未出现开裂和剥落现象，轧辊使用安全、可靠，效果良好，推广应用具有显著的经济和社会效益。

Claims (1)

1.一种高硼高速钢轧辊的离心复合铸造方法，其特征在于经过下列步骤：

1) 在转速为700～750转/分钟的离心机上，浇注温度为1435～1470℃的外层高硼高速钢钢水，浇注完毕后，按每平方米的高硼高速钢辊身内表面积加入0.8～1.0 kg的量（0.8～1.0 kg/m²）计，加入下列质量比的第一保护剂：30～48%的O型玻璃渣，70～52%的无水四硼酸钠，旋转5～10分钟；

2) 当外层高硼高速钢辊身内表面温度为1300℃～1350℃时，继续在转速为700～750转/分钟的离心机上，浇注温度为1450～1470℃的过渡层高温球墨铸铁铁水，并控制过渡层浇注厚度为15～20mm，同时在浇注过程中，随流加入占过渡层球墨铸铁铁水质量的3.0～3.5% 的孕育剂，该孕育剂为下列质量比：45.0～52.0%的Si, 2.0～3.0%的Ti, 1.5～1.8 %的N, 3.5～4.0%的Ba, 3.5～4.0%的Ca, 余量为Fe；浇注完毕后，按每平方米轧辊过渡层球墨铸铁内表面积加入0.5～0.8 kg量（0.5～0.8 kg/m²）计，加入下列质量比的第二保护剂：70～82%的O型玻璃渣，30～18%的无水四硼酸钠，旋转7～10分钟； 

3) 当过渡层球墨铸铁辊身内表面温度为1200～1260℃时，在静态下浇注温度为1320～1350℃的辊芯球墨铸铁铁水，浇注完毕并静置12～24小时后，取出送缓冷坑，经后序常规粗加工、热处理和精加工后，即得高硼高速钢复合轧辊。