CN105964964B

CN105964964B - 用于连铸机的连铸辊

Info

Publication number: CN105964964B
Application number: CN201610227927.8A
Authority: CN
Inventors: M·C·安德森
Original assignee: SKF AB
Current assignee: SKF AB
Priority date: 2015-03-11
Filing date: 2016-03-11
Publication date: 2021-07-27
Anticipated expiration: 2036-03-11
Also published as: AT516893A2; CN113618032A; ITUA20161598A1; US10047417B2; US20160263648A1; DE102016203839A1; AT516893A3; CN105964964A; AT516893B1

Abstract

本发明涉及一种用于连铸机的连铸辊(28)，包括：基体部分(281)和由马氏体不锈钢制成的覆层部分(282)。所述覆层部分(282)的钢中包含12‑14重量％的Cr(铬)，并且所述钢中还包含0.2‑0.5重量％的Nb(铌)，其相比于铬是更强的碳化物生成元素，从而Cr在覆层部分中保持固溶状态。余量为Fe(铁)、其它合金元素和通常存在的杂质。此外，公开了一种制造连铸辊(28)的方法，其中通过焊接覆层或激光涂覆的方式在基体部分上形成覆层部分(282)。

Description

用于连铸机的连铸辊

技术领域

本发明涉及钢的连铸。更确切地说，根据第一方面，本发明涉及一种用于连铸机的、在连铸过程中支承和引导钢坯的连铸辊(或辊罩)。根据第二方面，本发明涉及一种制造根据本发明第一方面的连铸辊的方法。

背景技术

用于板坯铸造的连铸机(CCM)是非常庞大和复杂的生产设备。连铸机大约有20米高(大约10米的弯曲半径)，30米长。串列式CCM通常由大约200个具有不同直径(直径在140-320mm之间)的辊列(根据一个分流或两个分流的设计，为400-600个辊)组成，这些辊列的内部和外部均被冷却。串列的示意图如图1所示。

铸型为内部水冷以凝固直接与其接触的液态金属。参见图1，该冷却被称为初次冷却。铸坯在足辊处的铸型下方时，其表面温度约为1500℃，在位于串列的水平部分时，温度连续下降到大约800-900℃。坯料(以及铸辊)的冷却分为内部冷却和外部喷射式水冷(二次冷却)。顶部铸辊(足辊)仅仅是外部水冷，而其余的铸辊为内部水冷，例如通过采用中心孔设计、转轮设计或螺旋孔设计进行内部水冷。

对板坯整体进行喷射气雾或水的外部冷却方式。喷嘴可以被设置成使水喷射在铸辊之间，以使板坯的冷却最大化。在串列式中高温和潮湿环境的组合导致连铸机设备、特别是铸辊处在极其恶劣的条件下。因此，采用耐磨堆焊(例如焊接覆层或激光堆焊)为低合金铸辊涂覆不锈钢。这将显著改善铸辊表面抵抗失效机理的性能，借此提高了CCM的整个使用寿命。

铸辊的失效机理、灾难性故障和表面劣化有两种类型。失效机理包括在串列式中由于破裂导致的颈部破损、贯穿主体或熔融主体的裂纹。相比于早期制造的一体式铸辊，如今的芯部主体式铸辊较短(一个或两个分流的铸辊列)，这种情况下的破裂或裂纹非常少见。由于先进的现代生产控制系统，如今破裂也并不常见。

关于表面劣化，铸辊(也被称作辊罩)的使用情况较为复杂，取决于铸辊在串列式中和辊列中的位置而变化。然而，众所周知的是大部分没有遮蔽的辊列位于板坯从其竖直方向变化为水平方向的位置处。相比于侧面位置，辊列的中间位置更易于损坏。许多不同的失效机理都会造成表面劣化，概括起来主要在腐蚀、磨损和疲劳方面。

发明内容

根据如上所述，本发明的目的是提供一种新的连铸辊，其能够更好地经受连铸机中的恶劣环境。此外，本发明的目的是提供一种连铸辊，其具有改善了的耐腐蚀性、耐疲劳性和耐磨性。

这些和其它目的可以由独立权利要求所提供的主题满足。在从属权利要求和所附的详细说明中能够发现优选的、非限制性的示例性实施例。

按照本发明的第一方面，通过一种用于连铸机中的连铸辊实现所述目的。连铸辊包括基体部分和由马氏体不锈钢制成的覆层部分。覆层部分的钢中包含重量百分比为12-14％的Cr(铬)和重量百分比为0.2-0.5％的Nb(铌)，相比于Cr，Ni是更强的碳化物生成元素，使得Cr在覆层部分中将保持固溶状态。其余为Fe(铁)、其它合金元素和通常存在的杂质。

耐腐蚀性在很大程度上取决于铬的含量。通过加入含有Cr的合金并使其保持固溶状态，Cr在合金/氧化物的分界面处氧化成Cr₂O₃。由于Cr₂O₃在FeO中具有较低的溶解度，因此其在FeO的基体中保持为岛状。当游离的Cr的含量超过大约12重量％并且温度不超过1000℃时，在表面形成稠密的、连续的和稳定的Cr₂O₃膜。因此，最常见(堆焊)的覆层是含12％的Cr的马氏体不锈钢，这是由于其在耐腐蚀性和成本之间具有良好的平衡。然而，发明人已经认识到这些材料易于敏化，这意味着铬会成核为碳化铬。铸辊覆层被用在连铸机的非常恶劣的环境中，在堆焊铸辊覆层领域已经普遍发现这一问题。这将导致固溶态(敏化)的铬局部减少，保护面的氧化物局部退化。因此已经认识到有必要添加比铬更强的碳化物生成元素，这样可通过形成碳化物来收集碳并保持铬的固溶态。发明人进一步认识到从性能和费用两方面考虑，如果Nb能适当地平衡碳含量，则添加Nb作为碳化物生成元素是非常成功的。此外，这些碳化物具有沿着马氏体/δ铁素体的晶界不均匀分布的成核的趋势，并且由于多次重新加热，这一现象更容易出现在堆焊工艺中。通过修整碳化物相的沉淀，能够获得更加均匀的分布，借此获得更好的耐腐蚀性能。

耐磨损和耐疲劳性能也完全取决于完整无损、高品质的表面，因此也受益于良好的耐腐蚀性能。此外，微粒稠密的、均匀的分布也将改善耐磨损性(增加的硬度)和耐疲劳性(阻碍位错运动以及晶界处较低的应力)。

在一实施例中，基体材料由钢制成，例如含碳量最高为0.3重量％的高温结构钢(例如21CrMoV5-11，25CrMo4，16CrMo4，S355J2等)。硬化面堆焊覆层(覆层部分)可以由一层或多层组成。

在一实施例中，覆层部分的钢包含0.2-0.35重量％的Nb。

在一实施例中，覆层部分的钢包含0.3-0.5重量％的Nb。

在一实施例中，覆层部分的钢包含1-2.5重量％的Cu(铜)。

在一实施例中，覆层部分的钢还包含0.2-0.35重量％的Zr(锆)。即已经发现Zr在超过1000℃的温度下将主要生成MC型碳化物。

在一实施例中，覆层部分为δ铁素体的体积百分含量不超过10％的马氏体不锈钢。覆层部分的化学组分应当为获得耐腐蚀性、耐磨性和耐疲劳性而尽可能完善。这意味着铬应当保持为固溶态。从热力学的观点看，1000℃以下具有最强驱动力的碳化物相是M₂₃C₆和M₇C₃，其中M是像Cr、Mo、W、V、Nb、Ta、Ti、Zr和Hf的生成碳化物的元素的总量。考虑到生成碳化物的元素和碳含量之间的比率(M除以C)，M₂₃C₆和M₇C₃相需要生成碳化物的元素的显著的量为：

以及

因此，想法是使在1000℃以上热力学稳定的MC碳化物相成核，由此在凝固过程中收集所有的碳。这样，在其它的碳化物相变得稳定之前所有的碳都被耗尽。MC碳化物相的M/C之比为1，从经济角度看这样更加有益，因为生成的碳化物元素能够被最小化。此外，相比于M₂₃C₆和M₇C₃相，这种碳化物相能够在稠密的、更加均匀的方式中成核。因此，堆焊的覆层表面的化学组分(M/C)的原子百分比应当在0.8至1.2之间，其中M是像V、Nb、Ta、Ti、Zr和Hf的生成MC型碳化物的元素的总量。由于相比于上述元素，铬是相对较弱的生成碳化物的元素，因此铬仍保持为固溶态，同时其它生成碳化物的元素将结合碳成核并形成稳定的MC碳化物。

在一实施例中，覆层部分的含碳量在0.10重量％以下，以使生成的碳化物最少，并由此优化耐腐蚀性。这会导致硬度下降，对耐磨性能带来负面影响。对此，通过添加原子百分比在1.0至2.0之间的Cu进行补偿，在硬化面堆焊和潜在的后续热处理过程中，所述Cu成核为金属间沉淀物。富含铜的沉淀物将代替碳化物，并提供超过37HRC的硬度。此外，相比于M₂₃C₆和M₇C₃碳化物的不均匀分布，它们成核为非常稠密并均匀分布的纳米级沉淀物。这将对硬化面堆焊的覆层的耐疲劳性和耐磨性带来积极的影响。

在一实施例中，覆层部分的钢的组分可以如下表所示：

其余为Fe(铁)和通常存在的杂质。

在一实施例中，硬化面堆焊的覆层部分为δ铁素体的体积百分含量不超过10％的马氏体不锈钢。覆层表面的化学组分应当为获得耐腐蚀性、耐磨性和耐疲劳性而尽可能完善。这意味着铬应当保持为固溶态。从热力学的观点看，具有最强驱动力(1000℃以下)的碳化物相是M₂₃C₆，接下来是M₇C₃，其中M是像Cr、Mo、W、V、Nb、Ta、Ti、Zr和Hf的生成碳化物的元素的总量。考虑到生成碳化物的元素和碳含量之间的比率(M除以C)，M₂₃C₆相需要的生成碳化物的元素的原子百分含量为：

以及

因此，堆焊的覆层表面的化学组分(M/C)的原子百分比应当在2.3至3.8之间，其中M是像Mo、W、V、Nb、Ta、Ti、Zr和Hf的生成碳化物的元素的总量。由于相比于上述元素，铬是相对较弱的生成碳化物的元素，因此铬仍保持为固溶态，同时其它生成碳化物的元素将结合碳成核并形成稳定的碳化物。

在一实施例中，覆层部分的钢的组分可以如下表所示：

其余为Fe(铁)和通常存在的杂质。

在一实施例中，硬化面堆焊的覆层部分的碳含量应当在0.10重量％以下，以使生成的碳化物最少，并由此优化耐腐蚀性。这会导致硬度下降，对耐磨性能带来负面影响。对此，通过添加原子百分比在1.0至2.0之间的Cu进行补偿，在硬化面堆焊和潜在的后续热处理过程中，所述Cu成核为金属间沉淀物。富含铜的沉淀物将代替碳化物，并提供超过37HRC的硬度。此外，相比于M₂₃C₆和M₇C₃碳化物的不均匀分布，它们成核为非常稠密并均匀分布的纳米级沉淀物。这将对硬化面堆焊的覆层的耐疲劳性和耐磨性带来积极的影响。

在一实施例中，覆层部分的钢的组分可以如下表所示：

其余为Fe(铁)和通常存在的杂质。

根据本发明的第二方面，通过一种制造本发明第一方面的任一实施例中的连铸辊的方法实现目的，其中通过焊接覆层或激光堆焊在基体部分上涂覆覆层。

在一实施例中，所述制造方法为硬化面堆焊的方法。在另一实施例中，所述焊接覆层为埋弧焊或明弧焊。

附图说明

现在将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例，其中：

图1示出了连铸机的实例。

图2示出了辊列的实例。

图3示出了根据本发明一实施例的用于连铸机的连铸辊的实例。

图4示出了根据本发明一实施例的方法的流程图。

附图示意性地示出了本发明的实施例，因此不需要按照比例绘制。应当理解的是图示和描述的实施例仅仅是举例说明，本发明并不限于这些实施例。还应当指出的是为了更好的描述和图解本发明，图中的一些细节被放大。

具体实施方式

图1示出了板坯的连铸过程，其中熔融金属10被倒入浇包12中。经过任意的浇包处理，例如合金化、脱气以及达到适当的温度，之后经由耐火砖套将浇包12中的熔融金属10输送到中间包14。金属从中间包14中排出到开底式铸模16的顶部.铸模16是水冷的以将与其直接接触的熔融金属凝固。在铸模16中，紧挨着模壁的金属薄壳先于中间部分凝固，此时可称其为板坯，并从铸模16的底部离开进入到冷却室18；板坯的壁内部的大部分金属仍处于熔融态。板坯由紧密排列的、水冷的辊列20支撑着，所述辊列用于支撑着板坯的壁，抵抗板坯内部静静凝固的液体的铁水静压力。为了提高凝固率，当板坯通过冷却室18时向其喷射大量的水。板坯最后的凝固发生在板坯已经离开冷却室18之后。

在图示的实施例中，板坯竖直地(或者在几乎垂直的弯曲路径)离开铸模16，当其行进通过冷却室18时，辊列20使板坯向着水平面逐渐弯曲。(在垂直铸造机中，当板坯通过冷却室18时保持竖直)。

在离开冷却室18后，板坯通过矫直辊列(如果是在除垂直铸造机外的铸造机上)并从辊列中拉出。最后，通过机械剪切或在氧乙炔炬22中行进将板坯切割成预定长度，然后贮存起来或进行下一道成型工艺。在许多情形下，板坯可以继续通过额外的辊列和其它例如压平的机械装置或将金属辊压或挤压成最终的形状。

图2示出了按照本发明实施例的辊列20，即通常的轴辊列20。辊列20包括轴24和多个连铸辊(或辊罩)28，其中轴24的外径为

其由容纳在壳体中的轴承26支撑，所述辊列28用于沿其外表面34输送金属板坯，其内径为

布置成固定地支撑在轴24上。

图3是根据本发明实施例的连铸辊28的截面图。辊为具有轴向延伸L的圆柱形，其包括基体部分281和覆层部分282(对应于图2中的外表面34)。基板部分可由各种类型的钢制成，优选高温结构钢。覆层部分由包含12-14重量％的Cr的马氏体不锈钢制成。所述钢中进一步包含0.2-0.5重量％的Nb，其相比于Cr是更强的碳化物生成元素，从而Cr在覆层部分中保持固溶态。余量为Fe、其它合金元素和通常存在的杂质。

图4中示出了根据第二方面的实施例的流程图。在第一步A中提供柱形的基体部分，其中该基体部分由钢制成，优选高温结构钢。在第二步B中，在基体部分的外周面上形成覆层部分。可通过焊接覆层或激光涂覆的方式在基体部分上形成覆层部分。

Claims

1.一种用于连铸机的连铸辊(28)，包括：

基体部分(281)，

由马氏体不锈钢制成的覆层部分(282)，其中

所述覆层部分(282)的钢中包含0.3-0.5重量％的Nb(铌)，其相比于铬是更强的碳化物生成元素，从而使得Cr在该覆层部分中保持固溶状态，

其中所述覆层部分(282)的钢按照重量百分比具有如下组成：

C 0.05-0.09

Mn 0.70-1.30

Si 0.40-0.80

Cr 12.00-14.00

Ni 3.00-4.50

Mo 0.70-1.30

Cu 1.50-2.50

余量为Fe(铁)、其它合金元素和通常存在的杂质。

2.根据权利要求1所述的连铸辊(28)，

其中所述覆层部分(282)的钢中进一步包含0.2-0.35重量％的Zr(锆)。

3.一种制造根据权利要求1-2中任一项所述连铸辊的方法，

其中通过焊接覆层或激光涂覆的方式在基体部分上形成覆层部分。