CN1086632C - 制造和重新调整浇铸辊的方法 - Google Patents

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Abstract

在连续的浇铸辊(40)的工作表面上的一个热处理的金属包层(44)可减小活化区。所进行的热处理，在围绕滚子(40)的圆周的所有位置上，基本上均匀地对滚子的工作表面(44)进行调整，从而将所形成的碳化物溶解为奥氏体固溶体和除去所形成的碳化物和贫铬区或在焊接过程中，与再加热区相联系的活化区。热处理过程不会对基体滚子材料有热的影响，或改变其性能与尺寸，不论是在滚子体工作表面之下相当深的地方或在滚子轴颈表面上或该表面之下。

Description

制造或重新调整浇铸辊的方法
技术领域
一般来说，本发明涉及浇铸辊，更具体地说，涉及这些辊包层的外表面。
发明背景
所谓“浇铸辊”的辊一般用于熔融金属的铸造。浇铸辊是一系列辊或滚子，它们容纳和支承着一个正在固化的金属板坯，并将板坯通过一条通道输送。当熔融的金属从一个连续铸模中流出时，浇铸辊支承着熔融金属，它将熔融的金属带“弯曲”至水平位置，并将金属带输送至工作台上，完全凝固。
浇铸辊要求在恶劣的不利的工作环境下工作，在这种环境下，辊受到循环的热冲击、热应力和机械弯曲应力作用和高温磨耗的影响。在第一个浇铸辊上的正在固化的板坯的温度可能超过1204℃。另外，当正在固化的板坯在浇铸辊之间运动时，该板坯快速冷却下来，因而，在辊上造成迅速的热偏差。所有这些作用都是在辊处在冷却水的高腐蚀性水环境下产生的，冷却水中含有来自熔剂和水处理化学物质的酸和/或碱。此外，当辊与正在固化的板坯接触时，在接触位置处，辊膨胀，因此，辊总是受到拉伸压缩循环应力作用。
一般辊的外径为15～48cm，辊体长度为25～230cm。典型的辊结构是空心的，有一个中心孔，供滚子轴承水冷之用。
为了延长在这种恶劣的工作环境下工作的浇铸辊的寿命，一般要在辊体的工作表面上焊上一层或包上一层合金，该合金与基底合金钢辊材料比较，对工作环境的有害作用具有卓越的抵抗力。换句话说，浇铸辊具有一个厚度约为0.1～2.5cm的外保护金属包层或连续的外工作表面。这样，辊为复合或双金属结构。由于控制板坯厚度和凝固所要求的容许偏差小，因此，辊直径的波动必须不能大于大约0.05cm。当磨损、热冲击或腐蚀使辊表面产生哪怕是很小一点的变化，都必需停止铸造作业。然后，取下辊组件(一般，一组中有8～16个辊)，并将损坏的辊重新机加工和/或进行焊接表面处理。
浇铸辊的表面处理可以用镍基、钴基、铁基和不锈钢形式的合金来进行。最典型的金属包层是马氏体不锈钢。本领域的技术人员都知道，表面金属包层过程中有关的热量输入和冷却速率，对不锈钢合金和其他材料的微观结构有不利影响。这会造成微观结构的改变、偏析和沉淀的不均匀区，这些都影响工作性能，这些将在下文中更详细地说明。
辊表面恶化的主要原因是从形核区(称为“腐蚀坑”)扩展开来的裂纹，这些形核区择优位于靠近焊接内焊缝区域的再加热区中。
更具体地说，金属包层一般是用材料围绕辊体的圆周焊接一条连续焊缝，或沿着辊体焊接纵向焊缝而形成。首先，将辊加热至大约260～370℃。当焊上焊缝时，它冷却，并粘接在辊表面上(一般辊为经热处理的锻钢)。本领域的技术人员知道，在辊被第一条焊缝限定以后，焊炬的下一次回转与第一条焊缝的一个侧面稍微隔开一点，使新的焊缝稍稍与前一次回转的凝固焊缝重叠。每一条焊缝的宽度一般约为1.3～7.6cm。以均匀的厚度或深度连续涂敷材料，直至整个辊表面都被覆盖为止。一般使用多层焊缝。例如，为了生产厚度约为0.6cm的最终的金属包层，需要三个完整的焊接层。另外，每一个焊接层的成分特性可以改变。
在焊好焊缝后，表面冷却至室温，以便于微观结构转变，然后，将辊回火，以软化表层，释放应力，再将焊接的表面机加工，以获得光滑均匀的表面。分析表明，再加热区包含铬的碳化物，它们在先前的奥氏体晶界上形成。亦即，当熔融的焊缝与凝固的粘接区重叠时，固溶体中的碳和铬以碳化物沉淀物的形式，从固溶体中析出，形成贫铬区。此外，当焊缝的第二层施加在第一层上时，产生另一个沉淀/贫化区。实际上，在整个金属包层上，产生了贫铬的圆周方向的和平行的平面。这个过程有时称为活化。贫铬区会形成阳极区，这些阳极区容易受到腐蚀和丧失钝化作用。
几百年来，一直采用对各种金属进行热处理，以改善各种性能。具体地说，有控制地加热(例如炉子)和控制冷却速度(例如，借助在水中快速的冷却)，早就是冶金和金属加工技术的一部分。公知这种工艺可以改变要处理的金属或合金的微观结构，以增强有利的性能。利用热处理，可以改变材料的微观结构，生成有利的结构。
一般，热处理可作为淬硬一个工件的表面区域的手段，使在使用过程中会受到磨损的工件表面区域淬火。当借助热处理使工件表面区域淬硬以抵抗磨损时，它也使处理区变脆。热处理还会使工件的原来形状变形，因此增加了后续再加工的工作量，并使工件不再满足要求的尺寸公差。
自从1927年将感应热处理用于轧辊以来，已经利用感应热处理对冷轧应用场合的非包层锻钢的工作表面进行表面淬硬(深度达到大约2.5cm)。现在这个技术已在全世界广泛使用。另外，铸钢和锻钢的工作辊和支承辊，已经借助感应和氧化燃料炉淬火的方法表面淬硬或有区别地淬硬至7.5cm深度。然而，据申请者所知，这些方法还没有应用于本发明所提供的金属包层浇铸辊。
感应热处理是在许多工业部门中广泛应用以增加关键的机械零件抗磨损能力的通用的工程方法。感应热处理运用了基本的规律即随时间变化的磁场可感应出电场(法拉第定律)。当一个导体(例如工件)放在电场中时，电流在电场方向上，流过该导体，电流大小与电场强度成正比，与导体电阻成反比(库仑定律和欧姆定律)。工件对电流的阻力使工件发热，从而导致理想的热处理效应。
本发明将感应加热的独特用途集中在控制的时间、温度和深度上，以便将在辊上不锈钢表面包层固溶退火，并控制冷却速度，使碳化物生成和沉淀在整个结构的基体上均匀地分布，从而，可避免先前的奥氏体晶界处形成铬的碳化物。
发明概要和目的
从一个方面来说，本发明提供了一种金属包层辊，其中金属包层基本上没有活化区。
在另一方面，本发明提供了一种形成金属包层辊的方法，该方法包括下述步骤：在一个辊的滚压表面上形成一个焊接金属包层，该金属包层具有多个贫铬区；将所述焊接的金属包层加热至足以将形成的碳化物溶入奥氏体固溶体的温度，并去除所形成的碳化物和贫铬区；然后，淬火和/或控制冷却金属包层，以生成活化区数量非常少的微观结构。
还有一方面，本发明的热处理是这样来完成的：将一个感应线圈在金属包层表面上扫过，以有选择地只加热金属包层的一部分，然后淬火和/或控制该被有选择地加热了的金属包层部分的冷却。
因此，本发明的主要目的是消除或最大限度减少表面金属包层辊上靠近焊接内焊缝区域的再加热区中的被活化的微观结构。
本发明的另一个目的是采用感应加热提供横跨整个辊体长度基本上没有活化的金属包层。
本发明的另一个目的是要提供一种基本上没有活化的滚子金属包层，而又不会对精加工的滚子尺寸精度有不利的影响。
本发明还有一个目的是要提供一种基本上没有活化的滚子金属包层，其有足够的深度以至于直径减少不超过1.3cm，从而不需要再加热处理工作表面。
本发明的另一个目的是提供一种基本上没有活化的滚子金属包层，其有足够深度使得位于表面金属包层和基底辊材料之间的熔融区下面的热影响区(HAZ)的强度和韧性，对于所期望的应用场合是最优的，包括低的循环疲劳应力和高的弯曲应力。
本发明的再一个目的是要提供一种对用过的浇铸辊表面进行热处理的方法，在这些用过的辊表面中，工作中遇到的高温已造成微观结构不稳定，并且出现了活化。
本发明的另一个目的是要提供一种对用过的浇铸辊表面进行热处理的方法，这些表面由于暴露在高温下，已使其辊工作表面软化，因此需要重新淬硬辊表面，以避免过早地磨损。
本发明的再一个目的是要提供一种基本上没有活化的滚子金属包层，使得金属包层处于受压缩状态，而不是拉伸状态，从而使辊的工作表面更能抵抗在疲劳负载作用下的裂纹形核和扩展。
本发明的再一个目的是要提供一种形成没有活化的滚子金属包层的方法，其中，辊体经过热处理，从而可阻断对辊体的热作用，可以避免在支承轴颈精加工的表面上形成氧化皮和脱碳。
附图的说明
图1为根据本发明的处于中间阶段的一个焊缝辊的透视图；
图2为一个焊缝辊的透视图；
图3为根据本发明用感应加热对一个浇铸辊的表面金属包层进行热处理的设备的基本结构的示意图。
优选实施例的详细说明
现参照图1，图中表示了具有连续的圆柱形表面22的浇铸辊20。图中所示的粘附在表面22一部分上的焊缝24是在制造的中间阶段。虽然，本发明特别适用于支承从连续的铸模中流出的正在固化的金属，例如，钢或类似物的那种形式的浇铸辊，但也适用于其它的辊，例如，辊道辊、拉伸辊、夹道辊和热与冷加工辊。一般，辊20的直径为15～48cm，其长度大约为25～230cm。如上所述，一般，辊20是空心的，并有一个或多个冷却液通道，主要用于冷却轴承。焊缝24在表面22上连续地围绕着辊20的圆周延伸，并可以使用诸如埋弧焊、或开弧焊、或气体保护焊、或电渣焊、或电子束或激光焊之类的方法，顺序地焊接而成的。一般，单个侧面焊缝表面26(即，每一条焊缝)的宽度约1.3～7.6cm，从表面22向外测量的厚度或深度约为0.13～0.32cm。表面22一般为经过热处理的锻钢，而构成表面22的辊20的壁厚一般为大约7.6～21.6cm。在辊20被第一条焊缝28包围之后，将连续焊机移动一下，使第二条焊缝，焊缝30与焊缝28稍微重叠，其重叠区约为0.3～1.3cm。应当理解，焊缝26在与表面22接触以后，几乎立即就凝固。这个过程以均匀的速度和厚度继续直至整个辊表面20被焊缝层32覆盖为止，图2清楚地表示了这点。也可以采用其他的金属包层方法。
在许多情况下，为了形成合适厚度的最终的金属包层，需要重复进行连续的焊接作业，使得第二和有可能第三层焊缝表面，一个位于另一个的顶面上。可以使用许多合金作为焊缝26，例如：镍合金、钴合金、铁合金和不锈钢类合金。本发明最优选使用的是不锈钢合金，例如410或414或/420或423SS。为了使材料的使用和金属包层的表面特性最优，在某些应用场合，可能希望改变各个焊缝层的成分，即：第一、第二和第三焊缝层使用不同的合金。在多数应用场合中，在表面22上形成的焊缝或焊接金属包层32的厚度约为0.25～1.30cm。如下面将更详细地说明那样，在以后的操作阶段中，表面32的一些部分被加工除去。
已经发现，当熔融的焊缝接触和再次加热先前凝固的焊缝时，固溶体中的铬析出形成碳化物，结果产生贫铬区。这些贫铬区这里称为“活化”带或区。这样，金属包层32具有许多被活化的区域，包括圆周区域，它们容易受到腐蚀，因而会造成材料损失。这里所述的“基本上没有活化区”等意味着一种微观结构，在其整个基体上，碳化物的生成是稳定的和均匀分布的，没有由于金属包层工艺出现贫铬区。
现参照图3，图中表示了具有表面42的滚子40。表面42是焊缝包层的外表面，其边缘用标号44表示。如所说明的那样，焊缝包层44的厚度最好大约为0.13～1.30cm。在对焊接金属包层44进行热处理之前，要利用通常的金属成形方法，将金属包层44加工成均匀光滑的表面，或者，如果金属包层44的直径是均匀的，公差在±0.32cm范围内，则可在金属包层44处于刚焊接好条件下进行热处理。
最好在对金属包层44进行热处理之前，将辊40预热至大约20℃～370℃，这有助于控制金属包层44的加热和冷却速度，防止热冲击和减小金属包层44的应力。辊40支承在轴颈46上，而末端48与变速回转驱动装置50连接。轴颈51的端部52与不被驱动的尾座54连接。本领域的熟练技术人员知道，有许多使辊40作相对运动的方法。即：热源或滚子、或两者都可以运动，以产生相对运动。
在本发明中，如上所述，为了清除由焊缝产生的活化区，金属包层44要经过热处理。为此，可以应用许多热源，例如，氧/燃料燃烧器，或激光或等离子体，或电子束。最优选的是使用感应加热，因此，为了逐渐地对金属包层44进行感应加热，图中表示了一个接收交流电的导电线圈56。更具体地说，在本发明的优选实施例中，金属包层44的表面，在按箭头B方向转动时，被按箭头A方向扫过。因此，设置了滑座58，它可按箭头A的方向，沿着轨道60运动。当滑座58运动时，线圈56也运动。线圈56可以包括单一一圈式或多圈式线圈，并且最好包括铜绕组。线圈56被支承在围绕辊40的中心轴的位置上。为了控制表面扫描区和扫描速度，即，热处理区和速度，滑座58可以不同的速度沿着辊40的长度运动。
设置了一个过程控制器61，它可用于预先设定沿着辊40长度的扫描速度。可以理解，在靠近辊40末端的地方，存在“体端效应”，它使辊40的这些区域的热输入和热损失特性不同，因此，为了补偿这种变化，这些区域的扫描速度可以改变。
最好，在邻近线圈56的地方或与它作成一整体，设置一个淬火头62。淬火头62将将淬火介质输送至金属包层44的表面42上，使得在线圈56将表面42的一个区域加热后，立即就将表面42相应地淬火。可以使用多种淬火介质，例如水、空气或水、空气或其他冷却剂的综合，以产生一种冷却速度，该速度对于形成所希望的基体微观结构和控制碳化物生成，以及得到基本上没有活化区的稳定的微观结构是必需的。
熟悉马氏体不锈钢时间-温度转变(TTT曲线)性能的人们知道，以使奥氏体转变为马氏体的从固溶退火温度开始的适当的冷却速度为大约1000秒冷却至704℃以下。因此，这些类型的材料可归类为“可在空气中淬硬”的合金，这样，以前提到的淬火一般可在空气介质(原样的或经过推动的空气)中完成。合金元素可以使转变曲线偏移，从而增加或减少达到所希望的转变所需的时间。在浇铸辊的情况下，横截面的面积一般足以使表层表面自行冷却。
靠近淬火头62，设置有回火线圈64，它也是单一或多圈式的感应线圈，其扫描速度可由控制器61控制。回火线圈64用于在由感应线圈56和淬火头62进行热处理后，接着使金属包层44回火。回火线圈64是供选择使用的，而线圈56既可用于对金属包层44进行开始的热处理，又可以接着进行回火。
线圈56(和可能设有的线圈64)可以是分裂式的环状线圈。最好，线圈56(和可能设有的线圈64)可以包括一个单一的线圈，而辊40放在线圈中心，彼此隔开一个预定的距离。
如此后将更详细地说明那样，由于表面42和线圈之间的间隔很重要，因此，必需为每一个辊子直径配置一个专用的线圈，即感应线圈的内径应足够恰当地容纳辊。最好，线圈滑座58的形状应能使具有适当内径的可互换的感应线圈能快速地与滑座臂68连接。
根据本发明的方法，浇铸辊40是由相应材料焊接包层的，例如如图2所示那样。然后，一般将金属包层加热至超过870℃，最好为870℃至1260℃之间的温度。最好，具有焊缝层44的辊40放置成，使热源，图3中表示成感应线圈56，和辊40的表面42之间能有相对运动。
如上所述，可以使用许多装置来得到相对运动。最好，相对运动不仅仅是沿着滚子40长度的扫描运动，而且包括回转运动。在任何情况下，如本发明所要求那样，使表面42的所有表面都接收必要的热处理，以减少活化区，这时本发明是很关键的。最好采取分割的方法，即同时加热，例如，在所约束的辊40上，宽度大约为1.3～7.6cm的一些小区域，然后淬火。然而，最好，本发明能将加热的表面积从大约122cm2逐渐增加至390cm2。
当热源为图3所示的一个感应线圈时，应该通过将频率大约为300HZ～5KHZ的交流电供给功率大约为0.5～2.0KW/cm2的感应线圈56，使得金属包层44被加热到大约870℃～1260℃之间。在这个条件下，金属包层44的整个厚度将在优选的温度范围内。位于下面的辊，亦即在包层44下面的辊的加热限制在达到大约0.1～2.5cm的深度。在大约1～60秒以后，淬火头62对感应线圈56感应加热的金属包层44的区域进行淬火。当空气是淬火介质时，一般可在室温下冷却大约5～360秒，这可以在大约5～360秒内，将层44的温度降低至大约315℃～648℃。因此，用这种方法，可以通过沿圆周流动的感应电流，将辊40的表面金属包层热处理至控制深度。这样，可使金属包层44在固溶退火足够的时间和达到相应的温度，使得在以适当速度冷却时，金属包层44的微观结构完全不被活化，特别是在靠近表面金属包层内焊缝或重叠区的再加热区中的微观结构不被活化，从而大大减少表面42受腐蚀冲击和降低裂纹扩展的敏感性。另外，最好，辊表面的热处理是由感应线圈沿着辊体的长度扫描、逐渐地进行的。在不锈钢的情况下，最优选的微观结构是马氏体微观结构。
还应当理解，本发明的方法，不会对精加工的辊的尺寸精度有不利影响，最好，金属包层达到足够的深度，使得可将用过的滚子表面加工至较小的尺寸，一般直径减小不超过1.3cm，而不需要对工作表面重新加热处理。滚子金属包层应有足够的深度，使位于表面金属包层和辊基体材料之间的熔融区下面的热影响区(HAZ)的强度和韧性对于所期望的应用场合为最优，包括低的循环疲劳应力和高的弯曲应力。
本发明还可用于对用过的浇铸辊表面进行处理，因为已查明，工作中遇到的高温会造成微观结构不稳定和在用过的浇注辊表面上出现活化，同时还查明，暴露在工作中的高温下，会使辊工作表面软化，即需要重新淬硬滚子表面，以避免其过早地磨损。
还应理解，本发明中所形成的金属包层是受压缩而不是受拉伸，这使滚子的工作表面更能抵抗在疲劳负载作用下的裂纹形核和扩展。
最后，还应当了解，本发明的过程提供了一种热处理方法，它可隔断对辊体的热作用，并避免在支承轴颈的精加工表面上形成氧化皮和脱碳。
因此很清楚，根据本发明提供了一种可以完全满足上述目的、目标和优点的方法和装置。虽然本发明是结合具体的实施例说明的，但本领域的熟练技术人员从以上说明中可知道，显然可以有许多变化、改进和变型。另外，还应清楚，根据需要，任何一个实施例可以与任何其他实施例一起使用。因此，我们的意图是要包括所有在后附权利要求书精神和范围内的所有变化、改进和变型。

Claims (16)

1.一种制造浇铸辊的方法，该浇铸辊用于在连续铸造设备中限制和支承正在固化的金属板坯，该方法包括下列步骤：
(a)通过围绕辊体外表面焊接至少一条不锈钢包层材料的焊缝，而对辊体进行金属包层；
(b)将该金属包层加热至某一温度，该温度足以使在步骤(a)中析出的铬的碳化物溶入金属包层材料，并且在进行步骤(b)时限制热侵入位于包层下面的辊体中，使得在辊体的整个半径上，不会因回火而损害辊体的机械性能；和
(c)使金属包层冷却。
2.如权利要求1所述的方法，其特征为，它还包括以下步骤：
(d)对金属包层进行成形处理，以得到一个均匀光滑的表面；该步骤(d)是在步骤(a)之后步骤(c)之前进行的。
3.如权利要求2所述的方法，其特征为，步骤(d)是通过机加工金属包层完成的。
4.如权利要求1所述的方法，其特征为，步骤(b)是通过将金属包层加热一段有限的时间，以限制热侵入位于下面的辊体中而完成的。
5.如权利要求1所述的方法，其特征为，步骤(b)是通过将金属包层加热一段时间，60秒或更少时间来完成的。
6.如权利要求1所述的方法，其特征为，热侵入位于下面的辊体限制在不超过2.5cm的深度。
7.如权利要求1所述的方法，其特征为，步骤(a)是通过采用选自于由410不锈钢、414不锈钢、420不锈钢和423不锈钢组成的群组中的不锈钢材料来完成的。
8.如权利要求1所述的方法，其特征为，所述包层材料最初具有马氏体相的微观结构；在步骤(b)中包层的微观相结构变成奥氏体，并且在步骤(c)之后获得马氏体相的微观结构。
9.如权利要求8所述的方法，其特征为，步骤(b)是通过将金属包层加热一段时间，60秒或更少而完成的。
10.如权利要求8所述的方法，其特征为，热侵入位于下面的辊体限制在不超过2.5cm的深度。
11.如权利要求8所述的方法，其特征为，步骤(a)是通过采用选自于由410不锈钢、414不锈钢、420不锈钢和423不锈钢组成的群组中的不锈钢材料来完成的。
12.一种重新调整用于在连续铸造设备中限制和支承正在固化的金属板坯的浇铸辊的方法，它包括下列步骤：
(a)加热浇铸辊的外包层至某一温度，该温度足以使析出的铬的碳化物溶入包层材料，从而消除活化区域，否则包层容易受到腐蚀袭击，并且在进行步骤(a)时限制热侵入位于包层下面的辊体中，使得在辊体的整个半径上，不会因回火而损害辊体的机械性能；和
(b)冷却金属包层。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
(c)从用过的浇铸辊上清除恶化的金属包层，把位于下面的辊体暴露出来；以及
(d)通过围绕辊体外表面焊接至少一条不锈钢包层材料的焊缝，对辊体进行金属包层，其中步骤(c)和(d)在步骤(a)之前进行。
14.如权利要求12所述的方法，其特征在于，它还包括下列步骤：
(c)将浇铸辊从连续铸造设备上卸下；以及
(d)将浇铸辊送回连续铸造设备上工作，步骤(c)在步骤(a)之前进行，步骤(d)在步骤(b)之后进行。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述浇铸辊是已包层的浇铸辊，包层在步骤(a)中其微观相结构变成奥氏体；在步骤(b)后得到马氏体相微观结构。
16.如权利要求14所述的方法，其特征在于，它还包括下列步骤：
(e)除去浇铸辊外金属包层的质量不好部分，其中步骤(e)在步骤(c)之后步骤(a)之前进行。
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