CN105543641A - 粒子强化热轧无缝钢管连轧机复合轧辊及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种粒子强化热轧无缝钢管连轧机复合轧辊及其制备方法，其中，复合轧辊采用的复合粒子由强化粒子，活性湿润剂，基体强化剂组成；通过对球墨铸铁基体金属熔体的强化，以及采用两部分分开浇铸的工艺方法后，铸造出粒子强化热轧无缝钢管连轧机复合轧辊，通过对复合轧辊进行等温淬火和加工，得到高强度，高韧性的无缝钢管连轧机复合轧辊；本发明的复合轧辊耐磨耐冲击，轧辊的使用寿命提高了1.5倍以上，降低了生产成本，提高了钢管生产企业的生产效率和经济效益。

Description

粒子强化热轧无缝钢管连轧机复合轧辊及其制备方法

技术领域

本发明涉及轧辊制造技术，尤其涉及一种粒子强化热轧无缝钢管连轧机复合轧辊及其制备方法。

背景技术

轧辊是轧钢生产中重要的大宗消耗工具，轧辊的质量和使用寿命是制约一个国家轧钢技术发展水平的先决条件。在可预见的未来，以辊轧为特征的连续变形轧钢技术仍将是钢材成型的核心技术。我国已成为世界上最大的无缝钢管生产国，而无缝钢管连轧机轧辊的质量问题和使用寿命也是制约无缝钢管生产的一大瓶颈。

热连轧无缝钢管是在高温下将穿孔后的厚壁毛管轧成薄壁的荒管，以达到成品管所需求的热尺寸和均匀性。在连轧机轧制过程中，轧件变形受多组连轧辊与芯轴或芯棒的从圆到椭圆，从椭圆再到圆的反复轧制过程。热连轧轧辊的工作环境恶劣，在轧制不同材质、不同壁厚毛管时的工作温度达到1100℃～1200℃的高温，并伴有冷却水的激冷激热作用，承受切向拉伸和径向压缩的复合应力，并同时承受交变热应力作用，轧辊工作表面与钢管之间产生滚动与滑动摩擦。当工作温度低于1100℃时，由于轧件变形抗力增加，轧辊的工作层和芯轴非常容易损坏。因此，要求热连轧无缝钢管轧辊的辊身工作层部分具有较高硬度、高强度、良好的耐磨性和抗冷热疲劳性，同时要求有较厚的工作层，以满足使用中多次加工修复的需求；而芯轴应具有高强度和高韧性。根据无缝钢管连轧辊的结构和服役条件分析，理想状态是辊身工作层和芯轴采用双金属结构，以满足轧辊和芯轴不同的服役要求。

而目前无缝钢管轧辊所存在问题是：双金属复合轧辊生产工艺用两台冶炼设备分别冶炼两种金属材料，首先离心铸造外层即工作层部分，待外层部分基本凝固后将离心铸造金属模整体放置到铸轴的砂型中，然后静态铸造芯轴部分，从而获得双金属轧辊坯。这种工艺方法及设备复杂。由于连轧辊辊身厚度大，要求离心转速变化大，内外层凝固速度差异大，从而增加了离心铸造的难度，使生产成本升高。又由于双金属复合制造工艺和设备复杂，较难实现，所以国内外生产的连轧辊基本都是铸造的单一金属整体式。这种制备方法通常选用的材料为含Ni2.5～4.5％、含Mo0.6～1.0％的合金球墨铸铁，依靠合金元素来提高无缝钢管连轧机轧辊的性能。

无缝钢管连轧辊属厚大球墨铸铁件，其制造难点在于厚大球墨铸铁件铸造时易产生球化衰退。由于Cr、Mo的反球化作用，所以很难得到球化率和球化级别较高的基体；同时由于厚大球墨铸铁件在进行等温淬火热处理时易开裂，因此，其选用的热处理工艺为正火。而正火轧辊性能比等温淬火轧辊低的多，抗拉强度一般为390～500MPa、冲击韧性只有2.2-3.2J/cm²。因此在使用中易产生碎裂、断轴等影响生产的问题。也有为了降低成本使用普通冷硬铸铁连轧辊，而冷硬铸铁作为热轧钢管连轧辊时耐磨性差、硬度低，不仅使用寿命低，而且易产生“粘钢”等缺陷，从而影响钢管产品的质量。

发明内容

本发明的目的是提供一种粒子强化热轧无缝钢管连轧机复合轧辊及其制备方法，以解决现有热轧无缝钢管连轧机轧辊存在的诸多问题。本发明采用以下技术方案来解决其提出的技术问题。

本发明所提供的一种技术解决方案为一种粒子强化热轧无缝钢管连轧机复合轧辊，其特点在于，该复合轧辊采用复合粒子强化球墨铸铁基体；其基体成分以重量百分比计为：C：3.4～3:7％，Si：1.8～2.2％，Mn：≤0.35％，P：≤0.03％，S：≤0.025％；复合粒子是由强化粒子，活性湿润剂和基体强化剂组成，其组成比率为：强化粒子:活性湿润剂:基体强化剂为1:1:0.001～0.002；所述强化粒子为碳化钨和碳化钛或其中的一种，强化粒子为复合轧辊辊身工作层重量的5～10％；所述活性湿润剂为Ni粉,Nb粉及工业还原铁粉中的任意组合或者其中至少一种；所述基体强化剂为铋粉和锑粉或其中的一种。

本发明所提供的另一种技术解决方案为一种粒子强化热轧无缝钢管连轧机复合轧辊制备方法，其特点在于所说的复合轧辊采用复合粒子强化球墨铸铁基体,所述基体成分以重量百分比计为：C：3.4～3:7％，Si：1.8～2.2％，Mn：≤0.35％，P：≤0.03％，S：≤0.025％；所述复合粒子由强化粒子，活性湿润剂和基体强化剂组成；所述强化粒子为碳化钨和碳化钛或其中的一种，当同时采用碳化钨和碳化钛时，其比例为1:1，强化粒子为复合轧辊辊身工作层重量的5～10％；所述活性湿润剂为Ni粉,Nb粉及工业还原铁粉中的任意组合或者其中至少一种；所述基体强化剂为铋粉和锑粉或其中的一种。

其制备方法如下：a)铸型设计:铸坯型腔设计为由钢制分型圈隔开的辊身工作层部分和芯轴部分，并且各自设置有浇冒系统；b)将所述强化粒子，活性湿润剂，基体强化剂按1:1:0.001～0.002的比例均匀混合压制成5～10mm的复合粒子块,并且将其预热至350～400℃待用；c)冶炼复合粒子强化球墨铸铁基体，采用两个浇包分别浇铸辊身工作层和芯轴两部分；将预热至350～400℃的复合粒子块放入浇铸辊身工作层的浇包中，冲入冶炼好的复合粒子强化球墨铸铁基体熔液，在芯轴浇包中冲入复合粒子强化球墨铸铁基体熔液；d)浇铸时先浇铸芯轴部分，待芯轴型腔内的基体熔液升至辊身工作层型腔的底部时开始浇铸辊身工作层，使辊身工作层和芯轴两部分的基体熔液液面同时上升，直至浇铸完成；辊身工作层和芯轴两部分的基体熔液在浇铸后将钢制分型圈完全熔化，两部分基体熔液互相渗透形成冶金化一体，冷却后获得复合轧辊辊坯；e)热处理设计：采用双介质互换式等温淬火工艺，在浴盐和空气中反复交換冷却，浴盐和空气冷却各为5min，反复重复6～9次；f)进行机械加工。

本发明的复合粒子强化球墨铸铁基体成分中加入有以重量百分比计Cu：0.2～0.4％，Ni：0～0.5％，Mg：0.04～0.06％，Nb：0.01～0.1％。复合轧辊的抗拉强度为σb≥900MPa，冲击韧性为αk≥90J/cm2。

本发明的粒子强化热轧无缝钢管连轧机复合轧辊及其制备方法由于加入了强化粒子、活性湿润剂、基体强化剂等强化元素而形成了复合强化粒子块，这些强化粒子块不与基体发生化学反应，因此可以获得良好的球化效果。尤其是厚大件和超厚大件轧辊的球化效果明显提高，从而保证了热轧无缝钢管连轧机复合轧辊的铸造质量。又由于本发明采用了铸坯型腔设计为由钢制分型圈隔开的辊身工作层和芯轴两部分以及各自设置有浇冒系统的铸造模型和所采用的浇铸方法，从而获得具有耐磨耐冲击耐激冷激热的辊身工作层以及具有高强度高韧性的芯轴。充分满足了热轧无缝钢管连轧机轧辊的服役条件要求，同时又使复合轧辊保持了高的使用寿命和良好的冷加工性能，提高了热连轧钢管轧辊的使用寿命，显著降低了其制造和生产成本。

附图说明

图1是热连轧无缝钢管复合轧辊的结构示意图。

图2是复合轧辊铸型的结构示意图。其中1为辊身工作层部分，2为报废时辊身工作曲线位置，3为钢制分型圈，4为芯轴部分。

具体实施方式

以下参照本发明的设计思想，示例性实施例并结合附图对本发明作如下详细说明。

本发明提供了一种粒子强化热轧无缝钢管连轧机复合轧辊及其制备方法。该方法采用复合粒子进行轧辊强化，采用分别浇铸轧辊辊身工作层和芯轴两部分，以及等温淬火的方法制成。该方法采用强化粒子、活性湿润剂、基体强化剂制成复合强化粒子球墨铸铁基体，通过铸造及等温淬火得到经过强化且性能提高的复合粒子强化等温淬火球墨铸铁轧辊，用于生产无缝钢管的热连轧轧机上。本发明采用的复合粒子强化球墨铸铁基体成分为：C：3.4～3:7％，Si：1.8～2.2％，Mn：≤0.35％，P：≤0.03％，S：≤0.025％；还可根据情况在球墨铸铁基体成分中加入Cu：0.2～0.4％，Ni：0～0.5％，Mg：0.04～0.06％，Nb：0.01～0.1％以进行轧辊基体性能的调整。

其中，基体成分中的碳元素比率如高则易产生石墨漂浮或碎块状石墨,而碳元素如低则收缩倾向加大。因此，本发明选择了合适的C元素含量3.4～3.7％，在实际生产中证明该含量是合理的。基体成分中的硅元素如高则易形成异形石墨，使低温脆性提高。因此，本发明的基体成分经实验后采用的硅元素以1.8～2.2为宜。因锰元素有显著的偏析倾向，致使石墨分布不均匀。因此，应严格控制锰元素在0.4％以下。而磷、硫元素过多则容易产生夹杂以及使球化衰退，应越低越好。本基体成分采用了P：≤0.03％，S：≤0.025％。本发明还在其成分中适量加入了镍和铜等元素，如在复合粒子强化球墨铸铁基体成分中选择加入以重量百分比计的Cu：0.2～0.4％，Ni：0～0.5％，Mg：0.04～0.06％，Nb：0.01～0.1％。以提高球墨铸铁的淬透性，强化其基体的力学性能。

在制备过程中，本发明采用复合强化粒子:活性湿润剂:基体强化剂＝1:1:0.001～0.002的比例制成复合强化粒子块，加入到球墨铸铁基体中。所选择添加的强化粒子为碳化钨和碳化钛或其中的一种。碳化钛具有高硬度、耐腐蚀、热稳定性好的特点，碳化钨具有超硬耐磨材料的特性；强化粒子的加入量为复合轧辊辊身工作层总重量的5～10。活性湿润剂可在Ni粉,Nb粉及工业还原铁粉中任意组合或采用其中的至少一种。基体强化剂为铋粉和锑粉，或其中之一。其中，活性湿润剂当在两种或两种以上时比例可均等，以及当同时采用强化粒子碳化钨和碳化钛时，其比例优先采用1:1。也可根据具体需求进行合理调整。

由于复合强化粒子球墨铸铁基体成分中不含反球化元素，锰元素含量又严格控制在0.4％以下，再加上复合粒子块中基体强化剂的作用，加入的碳化钨、碳化钛等均不与基体发生化学反应，因此可以获得良好的球化效果。尤其是厚大件和超厚大件轧辊的球化效果明显提高，从而保证了无缝钢管连轧机轧辊坯的铸造质量，为获得高性能轧辊奠定了基础。

本发明在制备过程中，将轧辊的铸坯型腔设计为由钢制分型圈隔开的辊身工作层和芯轴两部分，各自设置有独立的浇冒系统，分别进行浇铸。将所说的强化粒子，活性湿润剂，基体强化剂按1:1:0.001～0.002的比例均匀混合压制成5～10mm的复合粒子块,并且将其预热至350～400℃备用。本发明采用两个浇包分别用来浇铸辊身工作层和芯轴两部分。将预热至350～400℃的复合粒子块放入浇铸辊身工作层的浇包中，冲入冶炼好的复合粒子强化球墨铸铁基体熔液；而在芯轴浇包中则只冲入复合粒子强化球墨铸铁基体熔液。在浇铸时，先浇铸芯轴部分，使芯轴型腔内的基体熔液上升至辊身工作层型腔的底部，此时开始浇铸辊身工作层，使辊身工作层和芯轴两部分的基体熔液液面同时上升，当浇铸完成后，辊身工作层和芯轴两部分的基体熔液在浇铸时将钢制分型圈完全熔化，两部分基体熔液互相渗透成为冶金化一体。本发明采用常规冶炼方法进行复合粒子强化球墨铸铁基体的冶炼，同时，球墨铸铁所需的孕育和球化按常规进行，冷却后获得粒子强化的复合轧辊辊坯。之后对复合轧辊辊坯进行双介质互换式等温淬火热处理。双介质互换式等温淬火即为常规的加热和保温，在淬火完成后在浴盐和空气中反复进行冷却交換，采用浴盐和空气冷却各为5min的时间，反复重复6～9次。最后进行常规的机械加工。本发明复合轧辊的抗拉强度可达到σb≥900MPa，冲击韧性可达到αk≥90J/cm2，极大地提高了复合轧辊的机械性能。而现有技术的抗拉强度仅为390～500MPa、冲击韧性只有2.2-3.2J/cm²，两者形成了显著的性能对比。

本发明制备的粒子强化热轧无缝钢管连轧机复合轧辊，采用复合粒子强化等温淬火球墨铸铁基体，通过科学的两部分铸造方法，并且通过双介质互换式等温淬火热处理获得高强度和高韧性的热轧无缝钢管连轧机复合轧辊。该复合轧辊同时具有耐磨和耐冲击，以及良好的冷加工性能。使轧辊具备了优良的动态力学性能，提高了轧辊的使用寿命。并且在使用中克服了现有技术中的易粘钢，易碎裂，以及断轴等经常影响生产的问题。

实施例1

参照附图1和附图2，本实施例为制造Φ250热轧无缝钢管机组三辊式G1连轧辊。铸坯重量854kg，辊身工作层部分铸造理论重量为314kg。

本实施例的基体成分为：C：3.6％，Si：2.1％，Mn：0.32％，P：0.017％，S：0.014％，Cu：0.25％，Mg：0.05％；复合粒子的配比为：TiC16kg，WC16kg，Ni粉2kg，Nb粉2kg，工业还原铁粉28kg，铋粉0.02kg，锑粉0.012kg。将上述材料配比放入球磨机中搅拌2小时，使其混合均匀成混合材料，将该混合材料压制成5～10mm的复合粒子块，并将其预热至350～400℃待用。

设计钢制分型圈3将复合轧辊铸坯型腔隔开，制备成辊身工作层1和芯轴4两部分，各自设置有浇冒系统分别进行浇铸。

浇铸时采用2个浇包，分别用来浇铸辊身工作层1部分和芯轴4部分。在用来浇铸辊身工作层1部分的浇包内放入预加热至350～400℃的复合粒子块，然后冲入冶炼好的基体金属熔液；在浇铸芯轴的浇包内只冲入冶炼好的基体金属熔液用于浇铸芯轴4部分。先浇铸芯轴4部分，使铸坯型腔内的金属液面升至辊身工作层1部分的底部时，用来浇铸辊身工作层1的浇包开始浇铸，使浇铸辊身工作层1和芯轴4两部分的金属液面同时上升，直至浇铸完成。此时，两部分的金属液在浇铸时将钢制分型圈3完全熔化，两部分金属熔体互相渗透形成冶金化结合，从而凝固形成一体，冷却后获得粒子强化复合辊坯。

在常规的粗加工后进行双介质互换式等温淬火热处理，即按常规加热、保温，完成后进行5min盐冷，之后再进行5min空冷，如此重复9次。然后，对热处理后的复合轧辊进行常规的精加工获得粒子强化复合轧辊产品。

本实施例粒子强化复合轧辊的辊身工作层1表面硬度达到了55～57HRC，芯轴4表面硬度达到280～320HB。经实际装机使用并经过重复修复使用后检测(参考附图2中的报废时辊身工作曲线位置2)，其使用寿命是含Ni2.5～4.5％、含Mo0.6～1.0％的合金球墨铸铁轧辊的2倍以上，并且解决了碎裂、断轴、“粘钢”等问题。

实施例2

参照图1和图2，本实施例为采用不同的基体成分比例制造Φ250热轧无缝钢管机组三辊式G3连轧辊。铸坯重量845kg，辊身工作层1部分的铸造理论重量为310kg。

本实施例的基体成分采用：C：3.7％，Si：1.8％，Mn：0.35％，P：0.015％，S：0.010％，Cu：0.20％，Mg：0.045％；复合粒子分别采用：TiC8kg，WC8kg，Ni粉1kg，Nb粉1kg，工业还原铁粉14kg，铋粉0.018kg，锑粉0.014kg；上述原料放入球磨机中搅拌2小时，使其混合均匀，将其压制成5～10mm的复合粒子小块，并将这些小块预加热至350～400℃备用。

采用钢制分型圈3将铸坯型腔隔开成为辊身工作层1和芯轴4两部分，并采用各自具有的浇冒系统进行分开浇铸。在用来浇铸辊身工作层1的浇包内放入预加热至350～400℃的复合粒子块，冲入冶炼好的基体金属熔体。而在芯轴4的浇包内只冲入冶炼好的基体金属熔体。先浇铸芯轴4部分，待型腔内的金属液面升至辊身工作层1部分的底部时，再开始浇铸辊身工作层1，使浇铸辊身工作层1和芯轴4两部分的金属液面同时上升至浇铸完成。浇铸后两部分的基体金属熔液将夹在其间的钢制分型圈完全熔化，而两部分金属熔体也互相渗透，从而冶金结合形成一体，在冷却凝固后获得强化的粒子强化复合辊坯。

在对复合辊坯进行粗加工后，进行双介质互换式等温淬火热处理。即按常规对轧辊进行加热、保温，再进行5min盐冷和5min空冷的互换式冷却，重复进行了7次后，进行常规的精加工，获得粒子强化复合轧辊产品。

经检测，本实施例的粒子强化复合轧辊辊身工作层1表面硬度达到了50～52HRC，芯轴4的表面硬度达到了280～320HB。在装机使用后，其使用寿命为含Ni2.5～4.5％、含Mo0.6～1.0％的合金球墨铸铁轧辊的1.5倍以上，并且没有出现如碎裂、断轴、“粘钢”等现象。

本发明的上述实施例已经使用在国内的大型钢管生产企业，其实际应用的效果和数据对比说明，本发明制备的粒子强化热轧无缝钢管连轧机复合轧辊的机械性能均比现有轧辊有了很大提高，具有高强度，高韧性和高耐磨性，并且具有良好的耐冲击性能。由于同时具有良好的冷加工性能，在使用中经过多次修复重车后仍然具有优良的动态力学性能，使轧辊的使用寿命提高了1.5倍以上。由于轧辊寿命的提高，使生产过程中因修复重车以及换辊的频率大为降低，进而也极大的降低了生产成本。克服了现有技术中的易粘钢，易碎裂，以及断轴等经常影响生产的缺陷，提高了生产效率和使用寿命，降低了生产成本,产生了良好的经济效益和社会效益。

本发明不限于上述实施例，在不脱离本发明设计思想的范围内，可以进行各种变形和修改，这些变化均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种粒子强化热轧无缝钢管连轧机复合轧辊，其特征在于，所述复合轧辊采用复合粒子强化球墨铸铁基体；其基体成分以重量百分比计为：C：3.4～3:7％，Si：1.8～2.2％，Mn：≤0.35％，P：≤0.03％，S：≤0.025％；

所述复合粒子由强化粒子，活性湿润剂和基体强化剂组成，其组成比率为：强化粒子:活性湿润剂:基体强化剂为1:1:0.001～0.002；所述强化粒子为碳化钨和碳化钛或其中的一种，强化粒子为复合轧辊辊身工作层重量的5～10％；所述活性湿润剂为Ni粉,Nb粉及工业还原铁粉中的任意组合或者其中至少一种；所述基体强化剂为铋粉和锑粉或其中的一种。

2.根据权利要求1所述粒子强化热轧无缝钢管连轧机复合轧辊，其特征在于，所述复合粒子强化球墨铸铁基体成分中加入以重量百分比计的Cu：0.2～0.4％，Ni：0～0.5％，Mg：0.04～0.06％，Nb：0.01～0.1％。

3.根据权利要求1所述粒子强化热轧无缝钢管连轧机复合轧辊，其特征在于，所述复合轧辊的抗拉强度σb≥900MPa，冲击韧性αk≥90J/cm²。

4.一种粒子强化热轧无缝钢管连轧机复合轧辊制备方法，其特征在于，所述复合轧辊采用复合粒子强化球墨铸铁基体,所述基体成分以重量百分比计为：C：3.4～3:7％，Si：1.8～2.2％，Mn：≤0.35％，P：≤0.03％，S：≤0.025％；所述复合粒子由强化粒子，活性湿润剂和基体强化剂组成；所述强化粒子为碳化钨和碳化钛或其中的一种，为所述复合轧辊辊身工作层重量的5～10％；所述活性湿润剂为Ni粉,Nb粉及工业还原铁粉中的任意组合或者其中至少一种；所述基体强化剂为铋粉和锑粉或其中的一种；其制备方法如下：

a)铸型设计:所述复合轧辊的铸坯型腔设计为由钢制分型圈隔开的辊身工作层和芯轴两部分，并且各自设置有浇冒系统；

b)将所述强化粒子，活性湿润剂，基体强化剂按1:1:0.001～0.002的比例均匀混合压制成5～10mm的复合粒子块,并且将其预热至350～400℃备用；

c)冶炼所述复合粒子强化球墨铸铁基体，采用两个浇包分别浇铸所述辊身工作层部分和芯轴部分；

将预热至350～400℃的所述复合粒子块放入所述浇铸辊身工作层的浇包中，冲入冶炼好的所述复合粒子强化球墨铸铁基体熔液；在所述芯轴浇包中冲入所述复合粒子强化球墨铸铁基体熔液；

d)浇铸时先浇铸所述芯轴部分，待芯轴型腔内的基体熔液升至所述辊身工作层型腔的底部时开始浇铸所述辊身工作层，使所述辊身工作层和芯轴两部分的基体熔液液面同时上升，直至浇铸完成；所述辊身工作层和芯轴两部分的基体熔液在浇铸后将钢制分型圈完全熔化，两部分基体熔液互相渗透形成冶金化一体，冷却后获得所述复合轧辊辊坯；

e)热处理设计：采用双介质互换式等温淬火所述复合轧辊，在浴盐和空气中反复进行交換冷却，浴盐和空气冷却各为5min，反复重复6～9次；

f)进行机械加工。

5.根据权利要求4所述粒子强化热轧无缝钢管连轧机复合轧辊制备方法，其特征在于，当同时采用所述强化粒子碳化钨和碳化钛时，其比例为1:1。

6.根据权利要求4所述粒子强化热轧无缝钢管连轧机复合轧辊制备方法，其特征在于，所述复合粒子强化球墨铸铁基体成分中加入以重量百分比计的Cu：0.2～0.4％，Ni：0～0.5％，Mg：0.04～0.06％，Nb：0.01～0.1％。

7.根据权利要求4所述粒子强化热轧无缝钢管连轧机复合轧辊制备方法，其特征在于，所述双介质互换式等温淬火为加热、保温，淬火完成后在浴盐和空气中反复交換冷却。

8.根据权利要求4所述粒子强化热轧无缝钢管连轧机复合轧辊制备方法，其特征在于，所述复合轧辊的抗拉强度为σb≥900MPa，冲击韧性为αk≥90J/cm²。