CN104388812B

CN104388812B - 棒线材用高速钢复合轧辊及其制备方法

Info

Publication number: CN104388812B
Application number: CN201410590301.4A
Authority: CN
Inventors: 高玉章; 李元春; 肖连华; 张�杰; 盛强; 刘宝存; 李仕源; 黄明; 刘双喜; 李红宇; 刘宇
Original assignee: Tangshan Iron and Steel Group Co Ltd
Current assignee: Tangshan Iron and Steel Group Co Ltd
Priority date: 2014-10-29
Filing date: 2014-10-29
Publication date: 2017-02-01
Anticipated expiration: 2034-10-29
Also published as: CN104388812A

Abstract

本发明公开了一种棒线材用高速钢复合轧辊及其制备方法，其包括钢水熔炼、浇注、退火、粗加工、热处理和精加工工序；所述钢水熔炼工序：分别熔炼轧辊芯部铁水、中间过渡层铁水和轧辊工作层铁水；所述轧辊芯部采用过高强度合金球墨铸铁，中间过渡层采用石墨半钢，轧辊工作层采用高速钢；所述浇注工序：先离心浇注轧辊工作层，再离心浇注中间过渡层，合箱后静态浇注轧辊芯部。本复合轧辊中间过渡层的设置，一方面避免了因工作层和芯部在短距离内性能的差异而造成的在结合层出现质量问题的情况；一方面阻断了工作层碳化物形成元素如Cr、W、V等元素向轧辊芯部扩散，避免了轧辊芯部强度的降低；降低甚至弃用了部份贵重金属，生产成本大为下降。

Description

棒线材用高速钢复合轧辊及其制备方法

技术领域

本发明属于轧辊铸造技术领域，尤其是一种棒线材用高速钢复合轧辊及其制备方法。

背景技术

近年来世界钢铁工业的迅速发展，使轧辊的消耗越来越大，对其轧辊性能的要求也越来越高。而高速钢轧辊以其较高的硬度、优良耐磨性和高红硬性等特点，已逐步在热轧带钢精轧机、钢管轧机、型钢轧机和棒、线材轧机上获得了广泛的应用。目前，国外高速钢轧辊成制造技术较多，主要有日本新日铁的CPC (连续复合烧注法)，日本和英国合作开发喷射沉积法，日本开发了ESR电渣重熔法等，上述轧辊制造新工艺尽管具有各自的优点，但普遍存在生产效率低和成本较高等不足，因此，在轧辊生产中并未获得广泛应用。目前国内外制造棒线材用高速钢复合轧辊，主要是采用生产效率高的离心铸造法，在采用离心铸造时，由于轧辊工作层金属与轧辊芯部金属的合金含量差距较大，如何解决好高速钢轧辊工作层与芯部的结合问题和辊颈的强度问题是离心生产高速钢轧辊的难点。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种结合质量好、强度高的棒线材用高速钢复合轧辊；本发明还提供了一种棒线材用高速钢复合轧辊的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：其由轧辊芯部、中间过渡层和轧辊工作层构成；所述轧辊芯部材质为高强度合金球墨铸铁，中间过渡层材质为石墨半钢，轧辊工作层材质为高速钢。

本发明所述过高强度合金球墨铸铁的重量成分为：C 3.0～3.5%，Si1.6～2.2%，Mn0.3～0.8%，Ni0.4～0.8%，Cr≤0.2%，Mg≥0.05%，P≤0.1%，S≤0.035%，其余为铁和不可避免的杂质元素；

所述石墨半钢的重量成分为：C 1.0～1.5%，Si 1.4～1.8%，Mn 0.4～1.0%，Ni 0.3～0.8%，P≤0.025%，S≤0.035%，其余为铁和不可避免的杂质元素；

所述高速钢的重量成分为：C 1.5～1.8%，Si 0.2～0.6%，Mn 0.2～0.6%，Ni 0.3～0.6%，Cr 5.0～6.0%，Mo 4.0～5.0%，V 3.0～4.0%，Nb 0.5～1.5，W 1.5～2.0%，其余为铁和不可避免的杂质元素。

本发明方法包括钢水熔炼、浇注、退火、粗加工、热处理和精加工工序；

所述钢水熔炼工序：分别熔炼轧辊芯部铁水、中间过渡层铁水和轧辊工作层铁水；所述轧辊芯部采用过高强度合金球墨铸铁，中间过渡层采用石墨半钢，轧辊工作层采用高速钢；

所述浇注工序：先离心浇注轧辊工作层，再离心浇注中间过渡层，合箱后静态浇注轧辊芯部。

本发明方法所述过高强度合金球墨铸铁、石墨半钢和高速钢采用上述的重量成分。

本发明方法所述钢水熔炼工序，所述高速钢在出钢水前，在包底加入稀土硅铁合金1～3kg/t，硅钙合金1～3kg/t，硅锆合金1～2kg/t，对高速钢钢水进行复合变质处理。

本发明方法所述钢水熔炼工序，中间过渡层铁水出钢前，包底加入1～3kg/t硅钙合金、1～3kg/t稀土硅铁进行处理。

本发明方法所述钢水熔炼工序，轧辊芯部铁水出铁前，包底加入75硅铁2～3kg/t、钇基重稀土球化剂18～20kg/t、硅锆合金1～2kg/t，对芯部铁水进行球化孕育处理。

本发明方法所述热处理工序：退火温度为860±5℃，淬火温度为1050℃±5℃，淬火后分别采用510±5℃和530±5℃两次进行回火处理。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：（1）本发明中间过渡层的设置，一方面避免了因工作层和芯部在短距离内性能的差异而造成的在结合层出现质量问题的情况；一方面阻断了工作层碳化物形成元素如Cr、W、V等元素向轧辊芯部扩散，避免了降低轧辊芯部强度情况的发生。

（2）与普通高速钢轧辊相比，本发明大幅度降低甚至弃用了部份贵重金属，如金属钨、钛等，生产成本大幅度下降，比常用的高速钢轧辊材料成本降低30～40%。

（3）本发明方法通过三次浇注二次复合成型生产而成，生产过程方便快捷，易操作，生产周期短。

（4）本发明方法通过合理的成份设计，钢水变质处理、热处理等手段，轧辊的耐磨性，热稳定性显著提高，平均单槽过钢比普通高速钢轧辊过钢量提高15～20%；采用离心铸造的生产方式，控制工作层高速钢材质的成份偏析和硬度降落问题；获得的基体组织为回火马氏体+弥散分布的碳化物（MC、M2C）的高速钢，具有性能稳定、高硬度和耐磨性的特点。

（5）本发明方法获得的轧辊比普通的高速钢轧辊耐磨性提高3～5倍，制造费用降低30～40%，使用安全、可靠，推广使用具有很好的经济效益。

附图说明

图1是本发明的工艺流程示意图；

图2是本发明工作层组织图；

图3是本发明工作层向中间层的过渡区组织图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1所示，本棒线材用高速钢复合轧辊的制备方法采用三次浇注二次复合的浇心铸造方式，即在轧辊工作层和轧辊芯部之间设置中间过渡层，轧辊工作层为针对棒、线材使用设计的高速钢材质；中间过渡层采用石墨半钢材质；轧辊芯部采用合金球墨铸铁，轧辊工作层和中间过渡层在离心机上浇注成型，然后经过合箱，再将芯部铁水在静态下浇注成棒线材用高速钢复合轧辊，铸坯先后经过球化退火、高温淬火和二次回火热处理手段，最终获得基体组织为回火马氏体+弥散分布的碳化物（MC、M2C）的高速钢轧辊。

本棒线材用高速钢复合轧辊的制备方法的成分以及工艺步骤如下所述：

（1）成份设计：

A、轧辊工作层高速钢材质按重量百分比计，其成分为：C 1.5～1.8%，Si 0.2～0.6%，Mn 0.2～0.6%，Ni 0.3～0.6%，Cr 5.0～6.0%，Mo 4.0～5.0%，V 3.0～4.0%，Nb 0.5～1.5，W 1.5～2.0%，其余为铁和不可避免的杂质元素。

本复合轧辊的轧辊工作层高速钢材增加了V、Mo含量以取代部分重元素W，同时添加了少量了的铌，有助于抑制重元素W造成的比重偏析；同时在工作层厚度范围内，靠近外层主要碳化物为WC，靠近中间部分主要碳化物为NbC，靠近里层主要碳化物为VC；该成分设计与普通高速钢辊相比，不仅原料成本大幅度下降，而且在工作层厚度范围内硬度降落较小。

B、中间过渡层石墨半钢材质按重量百分比计，其成分为：C 1.0～1.5%，Si 1.4～1.8%，Mn 0.4～1.0%，Ni 0.3～0.8%，P≤0.025%，S≤0.035%，其余为铁和不可避免的杂质元素。中间过渡层的设置，一方面避免了因工作层和芯部在短距离内性能的差异而造成的在结合层出现质量问题的情况；一方面阻断了工作层碳化物形成元素如Cr、W、V等元素向轧辊芯部扩散，避免了降低轧辊芯部强度情况的发生。

C、轧辊芯部球墨铸铁材质按重量百分比计，其成分为：C 3.0～3.5%，Si 1.6～2.2%，Mn 0.3～0.8%，Ni0.4～0.8%，Cr≤0.2%，Mg≥0.05%，P≤0.1%，S≤0.035%，其余为铁和不可避免的杂质元素。轧辊芯部成分设计有意增加了Ni的含量，有利于提高轧辊辊颈的强度。

（2）炉前钢、铁水处理方式：

A、轧辊工作层高速钢材质，出钢水前，在包底加入稀土硅铁合金1～3kg/t、硅钙合金1～3kg/t、硅锆合金1～2kg/t，其作用是对高速钢水进行复合变质处理，以细化晶粒、改善碳化物的形态和分布，提高轧辊的抗热裂性能。

B、中间过渡层铁水出钢前，按出钢重量计，包底加入1～3kg/t硅钙合金、1～3kg/t稀土硅铁进行处理。

C、轧辊芯部铁水出铁前，按出铁水量，包底加入75硅铁2～3kg/t、钇基重稀土球化剂18～20kg/t、硅锆合金1～2kg/t，对芯部铁水进行球化孕育。与普通轧辊芯部铁水处理方式相比，本轧辊芯部采钇基重稀土球化剂，可以减缓球化衰退，同时采用复合孕育的方式，增强孕育效果，这两方面都有利于辊颈强度的提高。

在合金熔炼过程中不单独加入镁，镁是钇基重稀土球化剂的组成成分，在芯部铁水出铁前，包底加入的钇基重稀土球化剂，使得铁水的残镁量一般≥0.05%，且不超过0.1%，认为铁水合格；如果镁烧损严重，使残镁量小于0.05%，则认为铁水不合格。

上述合金的国标牌号分别为：75硅铁：FeSi75-A；稀土硅铁：195026；硅钙合金：Ca24Si60；硅锆合金：Si75Zr2；钇基重稀土球化剂：195105A。

（3）钢水熔炼：

轧辊各层按（1）成分设计要求的材质成分进行熔炼。

（4）浇注：

A、离心浇注时冷型温度要求120～150℃，离心机转速950r/min，轧辊工作层钢水浇注温度为1470～1490℃，轧辊工作层钢水浇注完成后，向冷型内腔按3.8kg/m²加入“O”型玻璃渣，防止氧化。

B、轧辊工作层离心旋转时间3～5min后，开始浇注中间过度层，中间过度层浇注温度为1470～1490℃，控制中间过度层浇注的单边厚度为20～25mm，浇注完成后，向离心内腔按3.8kg/m²加入“O”型玻璃渣，防止型腔内钢水氧化。

C、合箱：浇入中间层5～8min后，离心机停转；将冷型与底箱和冒口组合，合箱时间控制在3min以内，以防止时间太长，工作层温度太低造成结合不良。

D、填芯（静态）浇注：合箱后，开始浇注轧辊芯部铁水，铁水浇注温度为1480～1500℃，在浇注过程中，按浇注铁水重量，随流加入1～1.5kg/t硅铁进行孕育处理，以细化晶粒，提高辊颈强度。

E、保温：填芯浇注完成后，将保温罩套在冷型外侧，以降低工作层与中间层的冷却速度，使中间层和芯部铁水能充分的熔合。保温8小时后可将保温罩去除，当冷型温度降到100℃以下时，可以开箱。

F、开箱清砂：利用天车，分别将轧辊底箱、冒口和冷型去除，并清理轧辊表面型砂。

（5）等温球化退火：

将毛坯辊及时进行球化退火处理，去除铸造应力，降低硬度，以便于切削加工，并为随后的淬火、回火热处理做好组织准备；退火温度为860±5℃。

（6）粗加工：

将退火后的轧辊按照粗车图纸进行加工。

（7）热处理：

本方法采用1050℃高温淬火，淬火后分别采用510℃和530℃进行回火处理。采用高温处理时，钢中的二次碳化物可充分溶解，一次碳化物可部分溶解。这些碳化物所含有的碳和合金元素溶入到奥氏体中，并在淬火时固溶于贝氏体和马氏体中，在回火时析出弥散分布的粒状碳化物；这样有利于获得高的硬度和耐磨性。因此，高速钢淬火时，在保证晶粒不长大的原则下，尽可能提高加热温度；但淬火温度太高，又会影响到轧辊芯部球铁的强度；所以本复合轧辊的热处理，既要保证轧辊工作层高速钢的淬火效果，又要兼顾轧辊芯部材质。

（8）精加工：

将热处理完成的轧辊，按照精车图纸进行加工，经检验合格后入库。

实施例1－6：本棒线材用高速钢复合轧辊的规格为φ365*600，采用下述具体工艺制备而成。分别采用1T、1.5T和3T中频感应电炉熔炼棒线材用高速钢复合轧辊的中间过度层、轧辊工作层和轧辊芯部铁水。

（1）采用1.5T中频感应电炉熔炼轧辊工作层高速钢铁水.

A、轧辊工作层高速钢的化学成份见表1。

表1：轧辊工作层高速钢的化学成份（wt%）

在出铁前，根据铁水量，在浇注包的背水侧依次加入硅钙合金、稀土硅铁和硅锆合金，对轧辊工作层钢水进行复合变质处理，加入量见表2。

表2：合金加入量（kg/t钢）

B、中间过渡层材质的化学成份见表3。

表3：中间过渡层石墨半钢材质化学成份（wt%）

出钢前，根据钢水量，包底加入1～3kg/t硅钙合金、1～3kg/t稀土硅铁进行处理，加入量见表4。

表4：合金加入量（kg/t钢）

C、轧辊芯部高强度合金球墨铸铁的化学成份见表5。

表5：轧辊芯部高强度合金球墨铸铁的化学成份（wt%）

出铁前，包底加入75硅铁2～3kg/t、钇基重稀土球化剂18～20kg/t、硅锆合金1～2kg/t，对芯部铁水进行球化孕育；加入量见表6。

表6：合金加入量（kg/t钢）

（2）浇注工序：

用热电偶检测包内轧辊工作层钢水温度，当包内钢水温度达到1470～1490℃时，开始工作层浇注。浇注时离心机转速为950转/分种，浇注时冷型温度控制为120～150℃，工作层浇注的铁水量为340kg。轧辊工作层实际浇注温度分别为1472℃、1478℃、1488℃、1475℃、1486℃和1472℃。

当冷型内的工作层钢离心3～5分钟时，开始浇入中间过渡层。

中间过渡层钢水采用硅钙合金和稀土复合孕育，加入量分别为2kg/t，中间层的出铁量为90kg；中间过渡层的浇注温度分别为1482℃、1478℃、1488℃、1486℃、1480℃和1485℃。

中间层浇注完毕后，当型腔内的钢水完全凝固后开始减速停转，然后进行合箱操作。

在离心机停转的过程中，开始出芯部铁水，包内加入依次加入钇基球化剂20kg/t、75硅铁2kg/t和硅锆合金1kg/t，芯部出水量为650kg。芯部铁水经过球化，检测包内温度为1480～1500℃时，开始浇注轧辊芯部铁水，浇注完成后，冒口加入2Kg保温剂。

（3）退火、粗加工、淬火以及精加工：

铸型经保温，开箱，毛坯辊清砂后，及时放出加热炉进行球化退火；毛坯辊退火后进行粗加工，加工后将轧辊进行高温淬火+2次回火处理；热处理温度制度见表7。

表7：热处理温度制度（℃）

轧辊经过热处理后进行精加工，检验入库。经检测，实施例1－6所得复合轧辊的性能见表8。

表8：所得复合轧辊的性能

本复合轧辊超声波检测：采用φ25mm单晶直探头，探头频率为2.5MHz，轧辊结合层质量满足GB/T1503-2008国家标准。

金相检验：工作层组织为回火马氏体+弥散分布的碳化物（MC、M₂C），金相（100X）见图2；工作层向中间层组织过渡平缓，过渡区域未出现大量板条状碳化物，金相（100X）见图3，结合质量较好。

本复合轧辊在大量试用过程中，轧辊过钢量优于同类产品，且未发生轧辊质量事故。由表8和相关检测结果及实际使用效果可知，本棒线材用高速钢复合轧辊具有硬度高、耐磨性好、抗轧辊事故能力强的特点。

Claims

1.一种棒线材用高速钢复合轧辊，其特征在于：其由轧辊芯部、中间过渡层和轧辊工作层构成；所述轧辊芯部材质为高强度合金球墨铸铁，中间过渡层材质为石墨半钢，轧辊工作层材质为高速钢；所述高强度合金球墨铸铁的重量成分为：C 3.0～3.5%，Si1.6～2.2%，Mn0.3～0.8%，Ni0.4～0.8%，Cr≤0.2%，Mg≥0.05%，P≤0.1%，S≤0.035%，其余为铁和不可避免的杂质元素；

所述高速钢的重量成分为：C 1.5～1.8%，Si 0.2～0.6%，Mn 0.2～0.6%，Ni 0.3～0.6%，Cr 5.0～6.0%，Mo 4.0～4.6%，V 3.0～4.0%，Nb 0.5～1.5，W 1.5～2.0%，其余为铁和不可避免的杂质元素；

所述棒线材用高速钢复合轧辊由以下方法制备：包括钢水熔炼、浇注、退火、粗加工、热处理和精加工工序；

所述钢水熔炼工序：分别熔炼轧辊芯部铁水、中间过渡层铁水和轧辊工作层铁水；所述轧辊芯部采用高强度合金球墨铸铁，中间过渡层采用石墨半钢，轧辊工作层采用高速钢；

所述浇注工序：先离心浇注轧辊工作层，轧辊工作层离心旋转3-5分钟后，再离心浇注中间过渡层，合箱后静态浇注轧辊芯部；

所述钢水熔炼工序，所述高速钢在出钢水前，在包底加入稀土硅铁合金1～3kg/t，硅钙合金1～3kg/t，硅锆合金1～2kg/t，对高速钢钢水进行复合变质处理；中间过渡层铁水出钢前，包底加入1～3kg/t硅钙合金、1～3kg/t稀土硅铁进行处理；轧辊芯部铁水出铁前，包底加入75硅铁2～3kg/t、钇基重稀土球化剂18～20kg/t、硅锆合金1～2kg/t，对芯部铁水进行球化孕育处理。

2.一种棒线材用高速钢复合轧辊的制备方法，其特征在于：其包括钢水熔炼、浇注、退火、粗加工、热处理和精加工工序；

所述浇注工序：先离心浇注轧辊工作层，轧辊工作层离心旋转3-5分钟后，再离心浇注中间过渡层，合箱后静态浇注轧辊芯部；所述高强度合金球墨铸铁的重量成分为：C 3.0～3.5%，Si1.6～2.2%，Mn0.3～0.8%，Ni0.4～0.8%，Cr≤0.2%，Mg≥0.05%，P≤0.1%，S≤0.035%，其余为铁和不可避免的杂质元素；

3.根据权利要求2所述的棒线材用高速钢复合轧辊的制备方法，其特征在于：所述热处理工序：退火温度为860±5℃，淬火温度为1050℃±5℃，淬火后分别采用510±5℃和530±5℃两次进行回火处理。