CN103469109B - 一种石墨钢材质的粗轧辊及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种石墨钢材质的粗轧辊及其制造方法，其合金成分及各合金成分的重量百分含量为C：1.20～2.30%，Si：1.00～2.20%，Mn：0.50～1.20%，P≤0.03%；S≤0.03%，Cr：0.40～3.50%，Ni：0.20～2.00%，Mo：0.20～1.00%，其余为Fe和不可避免的杂质，其制造方法包括熔炼、孕育及球化处理、浇注、热处理步骤，所述孕育及球化处理中使用铝、稀土硅铁镁合金的孕育剂，1吨钢水加入1～3Kg，出钢过程中随钢流冲入Fe-Si颗粒和Si-Ca颗粒；出钢完成后对钢包内钢液进行吹氩处理，然后镇静10分钟以上，使钢液温度到达本钢液熔点50℃以上的浇注温度，然后进行浇注。本发明具有的高耐磨性，兼有优良的抗热裂性、抗事故冲击能力。

Description

一种石墨钢材质的粗轧辊及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种轧辊及其制造方法，具体的说是一种用于轧机的具有高耐磨性和抗热裂性的石墨钢材质的粗轧辊及其制造方法。

背景技术

大中型型钢轧机、钢坯连轧机粗轧机架的粗轧辊一般采用合金铸钢或半钢材质制作，合金铸钢材质的轧辊在使用中存在耐磨性差、在线磨损严重的缺点。而半钢材质的轧辊的耐磨性虽然比合金铸钢材质的轧辊有所提升，但抗热裂性差，使用中易产生龟裂，甚至剥落掉块，尤其是对于带深孔的轧辊，轧制钢材过程中冷却水很难冷却到的深孔内部，致使轧辊的热裂纹倾向尤其严重。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种石墨钢材质的粗轧辊及其制造方法，使轧辊的硬度落差小，提高轧辊的耐磨性能和抗热裂性能。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种石墨钢材质的粗轧辊，其合金成分及各合金成分的重量百分含量为C：1.20～2.30%，Si：1.00～2.20%，Mn：0.50～1.20%，P≤0.03%；S≤0.03%，Cr：0.40～3.50%，Ni：0.20～2.00%，Mo：0.20～1.00%，其余为Fe和不可避免的杂质。

本发明的进一步改进在于：各合金成分的重量百分含量为C：1.60～2.00%，Si：1.30～1.90%，Mn：0.70～1.00%，P≤0. 02%；S≤0.02%，Cr：1.10～2.50%，Ni：0.90～1.30%，Mo：0.40～0.80%，其余为Fe和不可避免的杂质。

一种石墨钢材质的粗轧辊的制造方法，包括熔炼、孕育及球化处理、浇注、热处理步骤，

所述熔炼在电弧炉内进行，采用氧化法熔炼，熔炼温度为1500℃～1600℃，熔炼过程中应防止还原期内P、C升高现象，在还原期内用白渣脱氧，出钢前用碳粉和硅铁粉增碳，保证化学成分符合要求；

孕育及球化处理：熔炼好的钢液采用大口钢、渣混出方式将电弧炉内钢液转移到钢包中，钢包中预先加入铝、稀土硅铁镁合金，加入的比例为1吨钢水加入1～3Kg，出钢过程中随钢流冲入Fe –Si颗粒和Si-Ca颗粒；出钢完成后对钢包内钢液进行吹氩处理，然后镇静10分钟以上，使钢液温度到达本钢液熔点50℃以上的浇注温度，然后进行浇注；

热处理：钢坯开箱后进行退火处理，退火温度为700℃～800℃；机械加工后进行正火+回火处理，正火温度为900℃～980℃，正火冷却方式采用风冷+空的冷却方式，当轧辊冷却到400℃时，停止冷却，进行回火处理，回火温度为560℃～610℃。

本发明的进一步改进在于：吹氩气处理完成后取样分析，如果钢液中含碳量低于标准则采用专用喂丝机向钢液内喂碳线，直到达到碳含量要求。

本发明的进一步改进在于：所述浇注采用底注切线开放式浇注方式，浇注时使钢液产生旋转，将夹杂物汇聚在中心并随着钢液上升带到冒口部位。

本发明的进一步改进在于：所述Si-Ca颗粒和Fe-Si颗粒的粒度为10～20mm。

由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：

本发明结合型钢轧机和粗轧机架的自身特点及工作条件，确定轧辊中合金元素的成分及含量，设计合理的制作工艺，采用静态或离心铸造粗轧辊，完成了以半钢轧辊为基础的一种轧辊新材质的研发，由于其基体组织与半钢相似，硬度值设计合理，同时还含有一些细小、弥散分布的球型石墨，因此不仅具有半钢轧辊硬度落差小、耐磨性能好的优点，同时还克服了半钢轧辊在使用中对冷却水要求高，抗热裂性能差的缺点，其良好的高耐磨性和抗热裂性，是型钢粗轧机架理想的工作部件。

本发明的耐磨型石墨钢材质的粗轧辊中含有较高含量的Cr、Ni、Mo等多种合金元素，而且生产过程中采用整体制造工艺，通过合理控制石墨化元素和碳化物形成元素的含量及相应比例，使基体组织中含有一定数量的石墨，仍然存在具有较高显微硬度的细粒状及棒状碳化物形成耐磨的质点，提高基体显微硬度，进一步提高耐磨性。

本发明对浇注液进行合理的孕育处理、对冶炼浇注工艺和热处理工艺进行合理的改进设计，使基体中有弥散分布的细小的球型石墨，球型均匀分布的石墨阻止热疲劳裂纹的发生和扩展，其阻尼性能可以使抗裂性能提高，提高了轧辊的抗热裂，同时还提高了粗轧辊的工作效率，尤其对于轧制时冷却水很难深入到深孔部位的轧辊，解决热裂纹和磨损严重问题，兼顾轧辊侧壁承受的相对较大的冲击要求。

综上，本发明具有的高耐磨性，兼有优良的抗热裂性、抗事故冲击能力，具有适中的抗破断强度和韧性，硬度降落小，使用中对热影响敏感较小。适用于型钢类粗轧机架，能较好的满足轧制轧制型材的需求。

附图说明

图1、图2是本发明的耐磨型石墨钢粗轧辊工作层的金相组织照片；

其中，图1是放大50倍的石墨照片，采用光学显微镜在未腐蚀状态下拍摄；图2是放大100倍的工作层组织照片，采用光学显微镜在腐蚀状态下拍摄，图2中白色的为碳化物，黑色的为珠光体基体。

图3是本发明的轧辊硬度落差分布图。

具体实施方式

耐磨型石墨钢材质的粗轧辊，各合金成分及重量百分含量为C：1.20～2.30%，Si：1.00～2.20%，Mn：0.50～1.20%，P≤0. 03%；S≤0.03%，Cr：0.40～3.50%，Ni：0.20～2.00%，Mo：0.20～1.00%，其余为Fe和不可避免的杂质。

本发明粗轧辊的各合金成分及重量百分含量进一步优选为：C：1.60～2.00%，Si：1.30～1.90%，Mn：0.70～1.00%，P≤0. 02%；S≤0.02%，Cr：1.10～2.50%，Ni：0.90～1.30%，Mo：0.40～0.80%，其余为Fe和不可避免的杂质。实验发现，该优选设计结合制造工艺，更能使石墨化元素和碳化物网络化形成弥散分布的球型石墨，由于基体中分布的球型石墨的形态数量是生产出合格品的关键，该优选设计业成为生产合格品的控制目标。

下面结合实施例对本发明做进一步详细说明：

实施例1

本实施例中，耐磨型石墨钢材质的粗轧辊各合金成分及重量百分含量的设计目标为C：1.20～1.60%，Si：1.00～1.30%，Mn：0.50～0.70%，P≤0. 02%；S≤0.02%，Cr：0.40～1.10%，Ni：0.20～0.90%，Mo：0.20～0.40%，其余为Fe和不可避免的杂质。

该耐磨型石墨钢材质的粗轧辊的制造方法为：

A. 借助造型机制作铸型。

B. 按设计目标的各合金元素的含量配比选配原料并放入电弧炉中采用氧化法进行熔炼，熔炼温度为1500℃～1600℃，升温速度为50℃/h，熔炼过程中应防止还原期内P、C升高现象，在还原期内用白渣脱氧，出钢前使用碳粉和硅铁粉增碳，保证化学成分符合要求。

孕育及球化处理：熔炼好的钢液采用大口钢、渣混出方式将电弧炉内钢液转移到钢包中，钢包中预先加入铝（Al）、稀土硅铁镁合金（FeSiMg5RE），其中铝与稀土硅铁镁合金混合物的质量份数比为3～5：5～7，每1吨钢水加入1～3Kg的铝与稀土硅铁镁合金混合物。出钢过程中随钢流冲入10～20mm 的Fe-Si颗粒和Si-Ca颗粒；浇注时随流孕育，发挥孕育剂瞬时孕育的效果。出钢完成后，对钢包内钢液进行吹氩处理，吹氩气处理完成后取样分析，如果钢液中含碳量低于标准则采用专用喂丝机向钢液内喂碳线，直到达到碳含量要求。然后镇静10分钟以上，并使钢液温度降温至工艺浇注温度，然后进行浇注。

C. 浇注过程采用合箱底注法切线开放式浇注方式进行浇注，开放式浇注系统的直浇道出口截面积小于横浇道截面积，横浇道出口截面积又小于或等于全部内浇道截面积，钢液从铸型底部进入，上部设置浇冒口系统。将达到浇注温度的浇注液浇注到已经组装在一起的铸型、底箱、冒口箱内，浇注时使钢液产生旋转，将夹杂物汇聚在中心并随着钢液上升带到冒口部位，得到健全毛坯。可以采用静态整体铸造或者离心铸造。

D、热处理

钢坯开箱后进行退火处理，退火温度为700～800℃；机械加工后进行正火+回火处理，正火温度为900℃～980℃，正火冷却方式采用吹风+空冷冷却方式，当轧辊冷却到400℃时，停止冷却，进行回火处理，回火温度为560℃～610℃，时间依据轧辊规格尺寸进行确定。

E. 探伤检测合格者入库。

本实施例中对毛坯件进行化学成分分析，各化学组分及重量百分含量为C：1.40%，Si：1.20%，Mn：0.60%，P≤0. 02%；S≤0.01%，Cr：0.50%，Ni：0.60%，Mo：0.30%，其余为Fe和不可避免的杂质。

本实施例中对合格品检测发现，粗轧辊的工作层硬度为48～50HSD，硬度均匀性≤4HSD，金相组织如图1和图2所示。粗轧辊的辊颈的抗拉强度为535MPa。

实施例2

本实施例采取与实施例1相同的制作方法，其区别点在于：

所述耐磨型石墨钢材质的粗轧辊各合金成分及重量百分含量的设计目标为C：1.60～2.00%，Si：1.30～1.90%，Mn：0.70～1.00%，P≤0. 02%；S≤0.02%，Cr：1.10～2.50%，Ni：0.90～1.30%，Mo：0.40～0.80%，其余为Fe和不可避免的杂质。

本实施例中对毛坯件进行化学成分分析，各化学组分及重量百分含量为C：1.60%，Si：1.50%，Mn：0.80%，P≤0. 01%；S≤0.01%，Cr：1.40%，Ni：1.00%，Mo：0.60%，其余为Fe和不可避免的杂质。

本实施例中对合格品检测发现，粗轧辊的工作层硬度为51～53HSD，硬度均匀性≤3HSD。粗轧辊的辊颈的抗拉强度为565MPa。

实施例3

本实施例采取与实施例1相同的制作方法，其区别点在于：

所述耐磨型石墨钢材质的粗轧辊各合金成分及重量百分含量的设计目标为C： 2.00～2.30%，Si：1.90～2.20%，Mn：1.00～1.20%，P≤0. 03%；S≤0.03%，Cr：2.50～3.50%，Ni：1.30～2.00%，Mo：0.80～1.00%，其余为Fe和不可避免的杂质。

本实施例中对毛坯件进行化学成分分析，各化学组分及重量百分含量为C：2.10%，Si：2.00%，Mn：1.10%，P≤0. 02%；S≤0.03%，Cr：2.80%，Ni：1.70%，Mo：0.90%，其余为Fe和不可避免的杂质。

本实施例中对合格品检测发现，粗轧辊的工作层硬度为48～50HSD，硬度均匀性≤4HSD。粗轧辊的辊颈的抗拉强度为510MPa。

实施例4

本实施例采取与实施例1相同的制作方法，其区别点在于：

所述耐磨型石墨钢材质的粗轧辊各合金成分及重量百分含量的设计目标为C：1.70～1.90%，Si：1.40～1.70%，Mn：0.80～1.00%，P≤0. 02%；S≤0.02%，Cr：1.30～1.70%，Ni：0.90～1.20%，Mo：0.40～0.70%，其余为Fe和不可避免的杂质。

本实施例中对毛坯件进行化学成分分析，各化学组分及重量百分含量为C：1.70%，Si：1.50%，Mn：0.80%，P≤0. 02%；S≤0.01%，Cr：1.50%，Ni：1.00%，Mo：0.60%，其余为Fe和不可避免的杂质。

本实施例中对合格品检测发现，粗轧辊的工作层硬度为52～55HSD，硬度均匀性≤3HSD。粗轧辊的辊颈的抗拉强度为575MPa。

此外，本发明还对孕育剂进行了更深入一步的研究。实验发现，当铝与稀土硅铁镁合金混合物的质量份数比为4：6时，孕育效果提高5%。而且如果加入1#合金，混合物的使用量可以降低为每1吨钢水加入1～2Kg的铝、1#合金、稀土硅铁镁合金孕育剂混合物，使用效果明显提高约20%，铝、1#合金、稀土硅铁镁合金三者的合理质量份数比为1～3：2～4：3～7，优选2：3：5。

Claims (2)

1.一种石墨钢材质的粗轧辊，其特征在于：其合金成分及各合金成分的重量百分含量为C：2.00～2.30％，Si：1.90～2.20％，Mn：1.00～1.20％，P≤0.03％；S≤0.03％，Cr：2.50～3.50％，Ni：1.30～2.00％，Mo：0.80～1.00％，其余为Fe和不可避免的杂质；

其制造方法为，包括熔炼、孕育及球化处理、浇注、热处理步骤，

所述熔炼在电弧炉内进行，采用氧化法熔炼，熔炼温度为1500℃～1600℃，熔炼过程中应防止还原期内P、C升高现象，在还原期内用白渣脱氧，出钢前用碳粉和硅铁粉增碳，保证化学成分符合要求；

孕育及球化处理：熔炼好的钢液采用大口钢、渣混出方式将电弧炉内钢液转移到钢包中，钢包中预先加入铝、稀土硅铁镁合金，加入的比例为1吨钢水加入1～3Kg，出钢过程中随钢流冲入Fe-Si颗粒和Si-Ca颗粒；出钢完成后对钢包内钢液进行吹氩处理，然后镇静10分钟以上，使钢液温度到达本钢液熔点50℃以上的浇注温度，然后进行浇注；吹氩气处理完成后取样分析，如果钢液中含碳量低于标准则采用专用喂丝机向钢液内喂碳线，直到达到碳含量要求；所述浇注采用底注切线开放式浇注方式，浇注时使钢液产生旋转，将夹杂物汇聚在中心并随着钢液上升带到冒口部位；

热处理：钢坯开箱后进行退火处理，退火温度为700℃～800℃；机械加工后进行正火+回火处理，正火温度为900℃～980℃，正火冷却方式采用风冷+空冷的冷却方式，当轧辊冷却到400℃时，停止冷却，进行回火处理，回火温度为560℃～610℃。

2.根据权利要求1所述的一种石墨钢材质的粗轧辊，其特征在于：所述Si-Ca颗粒和Fe-Si颗粒的粒度为10～20mm。