CN103180075B - 用于剪切轧制产品的剪刀及相关联的生产方法 - Google Patents
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Abstract
设置有至少一个刀片的轧钢机剪刀，所述刀片具有用于热剪切的工具钢的家族所特有的韧性和抗热冲击强度的特性且同时具有用于冷剪切的工具钢所特有的足够高的表面硬度和耐磨性的特性。相对于已知的剪刀，这种剪刀尤其适合用于以较高的效率且在较长的时间内，在段或条的淬火&回火热处理的下游处，在150-800℃之间的温度下剪切该段或条。
Description
发明领域
本发明涉及用于剪切长的轧制产品的剪刀，尤其是适合用于在淬火和回火(quenching and tempering)(Q&T)区的出口处直接进行剪切的剪刀。
现有技术
目前，对于在中等温度范围内，即可分类为高于冷剪切温度(因此高于150℃)且同时低于热剪切温度(即低于800℃)下剪切长的轧制产品，尤其是具有趋向于该温度范围的下限的轧制产品表面及其趋向于上限的内部的轧制产品，各种类型的工具钢被用于制造剪刀刀片，然而，所述剪刀刀片不够坚固，且因此，从由存在于轧钢机中的各种剪刀组成的链的性能的角度，构成了薄弱环节。这个薄弱环节使得仅为了更换有问题的剪刀刀片而频繁地停止轧钢机成为必要，在所有的情况下，在程序停机之外发生停机时，涉及相当大的额外的维修成本和生产损失。
而且，关键要记住，在150-800℃的温度范围内，温度变化本身造成了剪切的材料的最大单位负荷(MPa)的显著变化，且因此造成了刀片本身的磨损率随其硬度而变化的显著变化，及造成了用于进行剪切的通过其传递的能量的显著变化。
当前，在轧钢机中，设想用于在中等温度下，在适合用于进行轧制的材料的淬火和回火处理的淬火&回火箱(QTB)的下游且定位在冷却板的上游进行剪切的剪刀：
-由用于冷剪切的工具钢制成的刀片的用途，这通过在约第二硬度峰值(参考钢的回火图)下进行回火的热处理，使得以相对小的韧性损失和因此相对小的耐磨性损失为代价来获得最大的材料韧性成为可能。这些刀片尽管在约第二峰值下回火，表现出高的耐磨性，但不能抵抗热冲击，且当在较低温度范围下使用时，它们的韧性通常变得不足以进行剪切，尤其是较大厚度的剪切。这些效应导致形成深表面裂缝，其损害了刀片的进一步使用且造成其破损；
-或由用于热剪切的工具钢制成的刀片的用途，其在经历了设想用于这个类别的标准的热处理后，表现出高的甚至足以用于进行相当大厚度的冷剪切的韧性及良好的抗热冲击强度，但相反地，具有比前述钢低的耐磨性，且太软并因此易于由剪切的条(sheared bar)留下痕迹。
上述两种类型的刀片之间的差异归因于碳和铬的不同浓度，在用于冷剪切的工具钢的情况下，该浓度较高且因此使得在接近第二硬度峰值下进行热处理后获得较高的硬度值和耐磨性成为可能。其次，钼的较高浓度连同碳浓度的下降使得，对由用于热处理的工具钢制成的刀片来说，获得较好的韧性和改进的耐热性是可能的。
最后，据说，从操作的角度，即使它们表现出良好的耐磨性，由于在刀片自身的切割边缘上形成的裂缝，用于冷剪切的工具钢的应用过早地需要刀片更换；而即使它们的特征在于令人满意的韧性和抗热冲击强度，由于低的硬度，用于热剪切的工具钢的应用也导致刀片的切割表面上的痕迹及切割边缘的快速钝化，且因此快速磨损。而且，当设想所述冷却时，由用于冷剪切的工具钢制成的刀片的应用不允许刀片本身的冷却。
因此，存在对使得克服前述缺点成为可能的剪刀的需要。
发明概述
本发明的主要目的是设计剪刀，所述剪刀设置有至少一个刀片，该刀片具有用于热剪切的工具钢的家族所特有的韧性和抗热冲击强度的特性且同时具有用于冷剪切的工具钢所特有的足够高的表面硬度和耐磨性的特性。
本发明的另一个目的是设计剪刀，在用于长的产品的轧制线中，所述剪刀相对于已知的剪刀能够以较高的效率且在较长的时间内，在段或条的淬火&回火热处理的下游处，在150-800℃之间的段或条温度下对该段或条进行剪切。
本发明的另一目的是提供用于使得前述结果能够实现的剪刀刀片的相关联的生产方法。
因此，本发明提出通过提供轧钢机剪刀来实现前面讨论的目的，根据权利要求1，所述剪刀包括由钢制成的至少一个刀片，所述钢的化学组成由按质量百分数计0,45-0,55％的碳、0,10-0,30％的硅、0,20-0,50％的锰、4,00-5,50％的铬、2,00-3,00％的钼、0,45-0,65％的钒、剩余部分组成，所述剩余部分为铁和不可避免的杂质，且所述钢的微观结构由回火马氏体构成。
本发明的第二方面设想了用于剪刀刀片的生产方法，根据权利要求4，该生产方法包括以下阶段：
-提供第一钢锭，所述第一钢锭的化学组成由按质量百分数计0,45-0,55％的碳、0,10-0,30％的硅、0,20-0,50％的锰、4,00-5,50％的铬、2,00-3,00％的钼、0,45-0,65％的钒、剩余部分组成，所述剩余部分为铁和不可避免的杂质；
-提供所述第一锭的电渣重熔(Electroslag Remelting)且得到第二新固化的锭；
-提供所述第二锭的轧制，直到获得具有预定形状的刀片坯件(blank)；
-提供由以下组成的淬火循环：通过在分别等于590-610℃和840-860℃的中等温度下的两个预热步骤，将刀片加热至包括在1035-1055℃之间的钢奥氏体化温度，且然后在真空下使刀片冷却至室温；
-提供在510和550℃之间的温度下进行的三次回火循环。
本发明的剪刀及方法给出以下益处：
-使得刀片或刀对小直径(约16mm)的条的使用寿命增加了约5倍且对大直径(约25mm-32mm)的条的使用寿命增加了约2.5倍；
-由于刀片更换的轧钢机的停机数目减少，且因此由于生产损失、刀片更换等的相对成本减少。
在长期、艰苦的研究后，用于制造本发明的剪刀刀片的材料具有与目前用于轧钢机剪刀的用于冷剪切的工具钢的碳含量(约0,5％)相似的碳含量，连同用于热剪切的工具钢所特有的合金元素的以下量和特性：
-相对于用于冷剪切的钢，锰的量减少(Mn小于0,5％)，以在淬火后以材料的弹性减少为代价增加硬度；
-相对于用于冷剪切的钢，硅的量减少(Si小于0,3％)，以减少耐磨性和回弹性的降低；
-铬的量(Cr约5％)等于目前用于剪刀刀片的应用中的钢中的那些铬的量，以保持足够的韧性；
-相对于用于冷剪切的钢，钼的量增加(Mo大于或等于2,0％)，为了利于碳化钼的形成，增加耐磨性、机械性能及耐热性；
-钒的存在(V约0,55％)，其有利地促进非常细且极其硬(约2000HV)的碳化钒的形成，这还改进耐磨性且改善微观结构，使得切割边缘在较长的时间内保持锋利。
从属权利要求描述本发明的优选实施方式。
附图简述
在附图的帮助下，从作为非限制性实例而阐述的优选但非排他性的剪刀的实施方式的详细描述中，本发明的另外的特性和益处将变得更加明显，附图中：
图1显示根据本发明的剪刀刀片的表面微观结构的图像；
图2显示相应于根据本发明的剪刀刀片的厚度的最深区的微观结构的图像。
发明的优选实施方式的详细描述
根据本发明的剪刀的优选实施方式包括由具有按质量百分数计的以下化学组成的钢制成的至少一个刀片：
| C％ | Si％ | Mn％ | Cr％ | Mo％ | V％ |
| 0,45-0,55 | 0,10-0,30 | 0,20-0,50 | 4,00-5,50 | 2,00-3,00 | 0,45-0,65 |
剩余部分为铁和不可避免的杂质。
所述剪刀的由前述钢制成的刀片或刀的生产方法有利地包括以下阶段：
-熔化具有前述组成的金属装载物(metallic charge)且将熔化的材料倾入锭模中，之后使熔化的材料固化，形成第一锭；
-通过活动的锭模，使所述第一锭电渣重熔(ESR)，用于除去炉渣且进一步增加新固化的第二锭的微观结构的均匀性的目的；
-轧制所述第二锭，以获得由其制成具有预定形状的刀片的、具有小于或等于约60mm的厚度的坯件；
-由以下组成的淬火循环：通过在分别等于590-610℃和840-860℃的中等温度下的两个预热步骤，将刀片加热至约1035-1055℃的钢奥氏体化温度，且然后在真空下以10-12℃/秒的冷却速率冷却至室温；
-在510℃和550℃之间的温度下进行的三次回火循环，其提供完全由回火马氏体构成且具有56-58HRC的硬度的微观结构。
图1和图2分别显示了剪刀刀片的在刀片的表面和在刀片的最深区或中心部分处的微观结构的图像。可以看到，两个图像极其相似：这表示，已存在淬火在表面和在深处两者的完全渗透。本发明的剪刀刀片的厚度小于或等于约60mm。
在用于轧制的产品的淬火和回火机的出口处，当产品具有在150-800℃的温度时，所选定的钢具有比目前用于轧钢机的剪刀刀片的领域中所采用的韧性特征好的韧性特征。
实验结果
假设在轧钢机中，当所述产品具有在150-800℃温度时，根据本发明的剪刀被布置在淬火和回火机的轧制产品的出口处并在此处被开动。剪刀有利地被布置在所述淬火和回火机的下游且在冷却板或冷却床的上游。在一个特定的变体中，剪刀被直接布置在淬火和回火机的下游，在所述淬火和回火机与所述剪刀之间没有另外的中间设备。
本发明的剪刀提供远超出在研发阶段中所估计的极其意想不到的结果。
实施例1
为了制造剪刀刀片，选择具有按质量百分数计的以下优选化学组成的第一钢：
| C％ | Si％ | Mn％ | Cr％ | Mo％ | V％ |
| 0,46 | 0,26 | 0,25 | 4,50 | 3,00 | 0,57 |
剩余部分为铁和不可避免的杂质。前述钢经历包括以下阶段的方法：
-熔化具有前述组成的金属装载物且将熔化的材料倾入锭模中，之后使熔化的材料固化，形成第一锭；
-使用活动的锭模，使所述第一锭电渣重熔，用于除去炉渣且进一步增加新固化的第二锭的微观结构的均匀性的目的；
-轧制所述第二锭，以获得具有等于约60mm的最大厚度的刀片坯件；
-由以下组成的淬火循环：通过在分别等于600℃和850℃的中等温度下的两个预热步骤，将刀片加热至等于约1050℃的钢奥氏体化温度，且然后在真空下，以等于3,5巴的N2压力冷却至室温，以具有在10-12℃/秒之间的平均冷却速率；
-分别在等于550℃、550℃和530℃的温度下进行的三次连续的回火循环，其允许获得完全由回火马氏体构成且具有57,1HRC的硬度的微观结构。
设置有由这种特定钢制成的刀片的剪刀被用于剪切在设置在轧钢机中的淬火和回火机的出口处的圆形轧制条，所述条在约620℃的温度下。
涉及在刀片更换变成必要之前所进行的剪切数目的结果关于轧制条的有效直径(以毫米计)给出在下表中，且与使用由钢X50CrVMo5-1制成的刀片进行的剪切数目相比，钢X50CrVMo5-1属于用于冷剪切且通常用于轧钢机剪刀的工具钢的家族。
实施例2
为了制造剪刀刀片，选择具有按质量百分数计的以下优选化学组成的第二钢：
| C％ | Si％ | Mn％ | Cr％ | Mo％ | V％ |
| 0,48 | 0,24 | 0,25 | 4,30 | 2,90 | 0,59 |
剩余部分为铁和不可避免的杂质。前述钢经历包括以下阶段的方法：
-熔化具有前述组成的金属装载物且将熔化的材料倾入锭模中，之后使熔化的材料固化，形成第一锭；
-使用活动的锭模，使所述第一锭电渣重熔，用于除去炉渣且进一步增加新固化的第二锭的微观结构的均匀性的目的；
-轧制所述第二锭，以获得具有等于约60mm的最大厚度的刀片坯件；
-由以下组成的淬火循环：通过在分别等于610℃和860℃的中等温度下的两个预热步骤，将刀片加热至等于约1035℃的钢奥氏体化温度，且然后在真空下，以等于3,5巴的N2压力冷却至室温，以具有在10-12℃/秒之间的平均冷却速率；
-分别在等于540℃、540℃和510℃的温度下进行的三次连续的回火循环，其允许获得完全由回火马氏体构成且具有56,6HRC的硬度的微观结构。
设置有由这种特定钢制成的刀片的剪刀被用于剪切在设置在轧钢机中的淬火和回火机的出口处的圆形轧制条，所述条在约600-650℃的温度下。
涉及在刀片更换变成必要之前所进行的剪切数目的结果关于轧制条的有效直径(以毫米计)给出在下表中，且与使用由钢X50CrVMo5-1制成的刀片进行的剪切数目相比，钢X50CrVMo5-1属于用于冷剪切且通常用于轧钢机剪刀的工具钢的家族。
实施例3
为了制造剪刀刀片，选择具有按质量百分数计的以下优选化学组成的第三钢：
| C％ | Si％ | Mn％ | Cr％ | Mo％ | V％ |
| 0，48 | 0，22 | 0，24 | 4，35 | 2，85 | 0，58 |
剩余部分为铁和不可避免的杂质。前述钢经历包括以下阶段的方法：
-熔化具有前述组成的金属装载物且将熔化的材料倾入锭模中，之后使熔化的材料固化，形成第一锭；
-使用活动的锭模，使所述第一锭电渣重熔，用于除去炉渣且进一步增加新固化的第二锭的微观结构的均匀性的目的；
-轧制所述第二锭，以获得具有等于约60mm的最大厚度的刀片坯件；
-由以下组成的淬火循环：通过在分别等于610℃和860℃的中等温度下的两个预热步骤，将刀片加热至等于约1040℃的钢奥氏体化温度，且然后在真空下，以等于3，5巴的N2压力冷却至室温，以具有在10-12℃/秒之间的平均冷却速率；
-分别在等于540℃、540℃和510℃的温度下进行的三次连续的回火循环，其允许获得完全由回火马氏体构成且具有56,3HRC的硬度的微观结构。
设置有由这种特定钢制成的刀片的剪刀被用于剪切在设置在轧钢机中的淬火和回火机的出口处的圆形轧制条，所述条在约600-650℃的温度下。
涉及在刀片更换变成必要之前所进行的剪切数目的结果关于轧制条的有效直径(以毫米计)给出在下表中，且与使用由钢X50CrVMo5-1制成的刀片进行的剪切数目相比，钢X50CrVMo5-1属于用于冷剪切且通常用于轧钢机剪刀的工具钢的家族。
基于前面的实施例1-3，在进行将用于刀片更换的成本的减少及与目前所使用的解决方案相比的所述刀片的价格差考虑在内的定量分析时，应注意，对于32mm和25mm的直径，节省50-55％，而对于16mm的直径，这个节省可量化成约60-65％。此评估未考虑归因于预定停机之外的刀片更换的生产损失，其还可以量化成几十万欧元。
实施例4
为了制造剪刀刀片，选择具有按质量百分数计的以下优选化学组成的第四钢：
| C％ | Si％ | Mn％ | Cr％ | Mo％ | V％ |
| 0,49 | 0,23 | 0,22 | 4,24 | 2,83 | 0,61 |
剩余部分为铁和不可避免的杂质。前述钢经历包括以下阶段的方法：
-熔化具有前述组成的金属装载物且将熔化的材料倾入锭模中，之后使熔化的材料固化，形成第一锭；
-使用活动的锭模，使所述第一锭电渣重熔，用于除去炉渣且进一步增加新固化的第二锭的微观结构的均匀性的目的；
-轧制所述第二锭，以获得具有等于约40mm的最大厚度的刀片坯件；
-由以下组成的淬火循环：通过在分别等于610℃和860℃的中等温度下的两个预热步骤，将刀片加热至等于约1040℃的钢奥氏体化温度，且然后在真空下，以等于3,6巴的N2压力冷却至室温，以具有在10-12℃/秒之间的平均冷却速率；
-分别在等于530℃、530℃和510℃的温度下的三次连续的回火循环，其允许获得完全由回火马氏体构成且具有57,0HRC的硬度的微观结构。
设置有由这种特定钢制成的刀片的剪刀被用于剪切在设置在轧钢机中的淬火和回火机的出口处的圆形轧制条，所述条在约600-650℃的温度下。
在刀片更换变成必要之前，与被剪切的条的吨数相关的结果关于轧制条的有效直径(以毫米计)给出在下表中，且与使用由钢40NiCrMoV16制成的刀片剪切的条的吨数相比，钢40NiCrMoV16属于用于热剪切的工具钢的家族。
基于前面的实施例，在进行将用于刀片更换的成本的减少及与目前所使用的解决方案相比的所述刀片的价格差考虑在内的定量分析时，应注意，对于12mm-14mm的直径，节省可量化为约60-65％。此评估未考虑归因于预定停机之外的刀片更换的生产损失，其还可以量化成几十万欧元。
Claims (4)
1.具有由钢制成的至少一个刀片的轧钢机剪刀，所述钢的化学组成由按质量百分数计0.45-0.55％的碳、0.10-0.30％的硅、0.20-0.50％的锰、4.00-5.50％的铬、2.00-3.00％的钼、0.45-0.65％的钒和剩余部分组成，所述剩余部分为铁和不可避免的杂质，且所述钢的微观结构由回火马氏体构成。
2.根据权利要求1所述的剪刀在轧钢机中的用途，其中所述剪刀被布置在淬火和回火机的下游且在冷却板的上游。
3.根据权利要求2所述的剪刀的用途，其中所述剪刀被布置在所述淬火和回火机的下游，在所述淬火和回火机与所述剪刀之间没有另外的中间设备。
4.一种用于生产根据权利要求1所述的剪刀的刀片的生产方法，包括以下步骤：
-提供第一钢锭，所述第一钢锭的化学组成由按质量百分数计0.45-0.55％的碳、0.10-0.30％的硅、0.20-0.50％的锰、4.00-5.50％的铬、2.00-3.00％的钼、0.45-0.65％的钒和剩余部分组成，所述剩余部分为铁和不可避免的杂质；
-提供所述第一钢锭的电渣重熔且得到新固化的第二钢锭；
-提供所述第二钢锭的轧制，直到获得具有预定形状的刀片坯件；
-提供由以下组成的淬火循环：通过在分别等于590-610℃和840-860℃的中等温度下的两个预热步骤，将所述刀片加热至包括在1035℃-1055℃之间的钢奥氏体化温度，且然后在真空下使所述刀片冷却至环境温度；
-提供在510℃和550℃之间的温度下进行的三次回火循环。
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