CN110257594A - 一种预制表面氧化膜热轧辊工艺及设备 - Google Patents

一种预制表面氧化膜热轧辊工艺及设备 Download PDF

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Abstract

一种预制表面氧化膜热轧辊工艺及设备，所述设备包括炉体；支撑机构，设于炉体内，用于放置轧辊；加热机构，环绕所述轧辊，且与轧辊之间设有一密封腔；气体进口管道，与所述密封腔连通，用于向密封腔内输送保护气体或冷却气体；试剂进口管道，包括氧化剂进口管、增碳剂进口管和催化剂进口管，并分别与所述密封腔连通。本发明还包括一种预制表面氧化膜热轧辊工艺。本发明一方面能够防止打滑粘钢，直接保证轧材质量；另一方面，起到隔热作用，减少因冷热温差过大而影响的冷热疲劳应力，防止基体龟裂，大大提高工作效率；还保证了热轧工作辊在高温氧化过程中不会产生脱碳现象。

Description

一种预制表面氧化膜热轧辊工艺及设备
技术领域
本发明涉及热轧辊技术领域，特别是一种预制表面氧化膜热轧辊工艺及设备。
背景技术
中国的钢铁产量占了全世界的53%，而热轧产品又占钢产量的50%，轧辊是使（轧材）金属产生塑性变形的工具，是钢厂的主要消耗品（0.5KG/T的轧辊消耗）。2018年《世界金属导板》报道世界钢产量中，全球130家大钢厂总产量18亿吨，而中国近10亿吨，所以国内一年消耗轧辊量为50万吨以上，平均按2.5万元/吨，单热轧辊产值为125亿元/年（国内大钢厂）。随着目前国内进口炼钢设备及轧钢设备的增多，轧制工艺技术不断地发展，对轧辊材料要求越来越高，我国每年要花费大量的外汇进口轧辊，但进口轧辊：一是价格贵，成本高，二是交货时间长，所以生产高性能的轧辊已成为我国各大钢厂研究的热点，尤其是环保抓得严的情况下，对轧辊制造提出了更高的要求。
现有的热轧工作辊存在以下缺陷：
（1）热轧工作辊的使用条件非常恶劣，轧辊常与温度高达900～1150℃的轧材接触，使得轧辊温度高达600～750℃，同时又要承受强大的轧制力。在初轧时，光滑的工作冷辊由于摩擦系数小，容易产生打滑粘钢，直接影响轧材质量。在随后轧制中，在高温和水冷作用下，使轧辊表面自身开始产生氧化，形成Fe3O4、FeO及Fe2O3氧化膜（其中Fe2O3、FeO不稳定、不抗压耐磨，易脱落），但氧化膜非常薄，不能持久保持。
（2）在轧制过程中，由于轧制咬入时轧辊温度达600～750℃，过钢后又快速水冷至40～100℃，这样反复冷热交替，使轧辊产生冷热疲劳应力，进而还会产生疲劳裂纹和热裂纹。如果不断扩展就会导致本来就很薄且不稳定的氧化膜脱落，使基体也慢慢形成龟裂，从而报废；而且只要一支轧辊出现问题，就要停机更换轧辊，大大降低工作效率。
（3）现有的热轧工作辊在高温氧化过程中还会产生脱碳现象，这样会降低轧辊硬度，减小使用寿命。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的上述不足而提供一种隔热、防打滑、防脱碳、质量高的预制表面氧化膜热轧辊工艺及设备。
本发明的技术方案是：
本发明之一种预制表面氧化膜热轧辊设备，包括：
炉体；
支撑机构，设于炉体内，用于放置轧辊；
加热机构，环绕所述轧辊，且与轧辊之间设有一密封腔；
气体进口管道，与所述密封腔连通，用于向密封腔内输送保护气体或冷却气体；
试剂进口管道，包括氧化剂进口管、增碳剂进口管和催化剂进口管，并分别与所述密封腔连通。
进一步，所述加热机构包括感应加热组件，所述感应加热组件设于加热炉腔内，加热炉腔的顶部和底部开口，用于穿过轧辊，加热炉腔顶部和底部的开口外部封设有密封盖体；或者所述密封盖体与加热炉腔的顶部和底部开口之间通过密封件封接。
进一步，所述支撑机构包括设于炉体内部下方的旋转台，所述旋转台通过旋转机构控制其转动；所述炉体的上部设有顶头机构，所述轧辊设于顶头机构与旋转台之间。
进一步，所述热轧辊设备还包括用于检测所述密封腔内温度的温度传感器。
进一步，所述气体进口管道和试剂进口管道上均设有调节阀门。
本发明之一种预制表面氧化膜热轧辊工艺，包括以下步骤：
S1：将轧辊装入加热炉腔内并密封，检查各进口管是否关闭；
S2：在保护气体的保护下加热轧辊，且加热温度小于轧辊的氧化温度；
S3：注入增碳剂和催化剂，使得轧辊的表面开始增碳；
S4：对轧辊进行升温加热，并保持增碳剂和催化剂的注入量；
S5：当轧辊表面升温至目标温度后，减小增碳剂及催化剂的注入量，并注入氧化剂，使轧辊的表面均匀氧化，直接形成与基体结合的氧化膜组织；
S6：降低炉温，减小氧化剂注入量，控制增碳剂和催化剂的注入量以及密封腔内的压力，使氧化膜组织处于稳定阶段；
S7：当温度随炉降至目标温度后，关闭所有管道，对轧辊表面进行冷却淬火；
S8：对轧辊进行回火处理，出炉，获得表面带氧化膜的轧辊。
进一步，S2中具体包括：在压力为0.3MPa以上的保护气体的保护下加热轧辊，加热温度大于800℃。
进一步，S3~S5中具体包括：按100～120滴/min的滴量注入增碳剂和催化剂，防止轧辊表面过早氧化和脱碳，同时轧辊的表面开始增碳；再以80-120℃/h的速度开始升温到1000℃~1050℃，且增碳剂和催化剂滴入量不变；当轧辊表面达到1000℃~1050℃继续增碳，并调节增碳剂及催化剂的滴入量为20-50滴/min，立即注入氧化剂，此时炉内压力控制在0.4~0.6MPa，再保温0.5-2.5h，使轧辊的表面均匀氧化，直接形成Fe3O4与基体结合的氧化膜组织。
进一步，S6中具体包括：降低炉温，氧化剂减半注入，保护气体压力不变，增碳剂和催化剂的注入量不变，炉内压力控制在0.3MPa以上，使氧化膜组织处于稳定阶段。
进一步，S7中具体包括：当温度随炉降至850~900℃，关闭所有管道，注入液氮气体，使轧辊的表面冷却至200~250℃，达到淬火效果；然后慢速升温至550℃，保温6-18h，进行回火，消除应力，炉冷至室温，出炉。
本发明的有益效果：通过在轧辊表面预制较厚且稳定的氧化膜组织，一方面，增大摩擦系数，防止打滑粘钢，直接保证轧材质量；另一方面，又起到隔热作用，使轧辊的表面温度降低，减少了因冷热温差过大而影响的冷热疲劳应力，防止基体龟裂，大大提高工作效率；还保证了热轧工作辊在高温氧化过程中不会产生脱碳现象。
附图说明
图1是本发明实施例的设备结构示意图。
附图标识说明：
1.支架；2.加热炉腔；3.旋转台；4.顶头机构；5.轧辊；6.感应圈；7.红外线测温仪；8.热电偶；
11.支撑工作台；12.气体进口管道；13.氧化剂进口管；14.增碳剂进口管；15.催化剂进口管；16.调节阀；21.密封腔；22.密封盖体；23.密封条；31.电机。
具体实施方式
以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
如图1所示：一种预制表面氧化膜热轧辊设备，用于对轧制前的轧辊预制氧化膜。其具体包括炉体、支撑机构、加热机构。所述炉体包括支架1和设于支架内的加热炉腔2，加热炉腔设保温材料，以防止热量损失。所述支撑机构包括设于炉体内部下方的旋转台3，具体设于支架1的底部，旋转台3通过电机31控制其360°范围内转动。支架1的上部设有顶头机构4，所述轧辊5设于顶头机构4与旋转台3之间，通过旋转台3带动轧辊5旋转，达到轧辊表面氧化均匀的目的；通过顶头机构4顶住轧辊5的中心孔，防止轧辊5旋转时产生偏心。所述加热机构包括感应加热组件，具体为感应圈6，感应圈6的功率优选1000KW。感应圈6设于加热炉腔内，环绕轧辊设置，且与轧辊之间设有一密封腔21。加热炉腔2的顶部和底部开口，用于穿过轧辊，加热炉腔顶部和底部的开口外部封设有密封盖体22，密封盖体22与加热炉腔的顶部和底部开口之间通过耐高温的密封条23（或密封圈）封接，保证炉腔内绝对密封。通过密封盖体22和密封条23的设置以及感应圈6与轧辊5之间设有间隙，从而形成所述密封腔21。支架1的中下部两侧还设有支撑工作台11，加热炉腔2置于支撑工作台11上，具体为加热炉腔底部的密封盖体22与支撑工作台11连接。
本实施例还包括气体进口管道12和试剂进口管道，且气体进口管道12和试剂进口管道均与密封腔连通。其中，气体进口管道12用于向密封腔内输送保护气体或冷却气体，例如输入氮气用于防止轧辊过早氧化；输入液氮可对轧制后的轧辊进行冷却淬火。气体进口管道外接氮气（液氮）罐，优选提供0.1～0.6MPA的压力。试剂进口管道包括氧化剂进口管13、增碳剂进口管14和催化剂进口管15，均连接于密封腔21的上部，加热炉腔顶部的密封盖体上设有用于穿过各试剂进口管道的穿孔，以使试剂进口管道穿过密封盖体22与密封腔21的上部连通。加热炉腔底部的密封盖体22设有用于穿过气体进口管道的穿孔，以使气体进口管道穿过密封盖体与密封腔的下部连通。所述气体进口管道12、氧化剂进口管13、增碳剂进口管14和催化剂进口管15上均设有调节阀16，用于控制加入量。
本实施例还包括用于检测所述密封腔内温度的温度传感器。本实施例优选三个红外线测温仪7，对准密封腔21，来检测密封腔内的温度；另外还设置三个热电偶8，起到辅助作用，以保证温度的均匀性。红外线测温仪7和热电偶8设于加热炉腔2的不同侧。上述仅为本发明的一个优选实施例，并不限定本发明。
本发明的设备具有以下优点：（1）通过设置密封腔，并将气体进口管道和试剂进口管道于密封腔连通，能够使轧辊在保护气体的保护下进行加热，防止表面过早氧化和脱碳，且气体进口管道还可通入冷却剂，对轧制后的轧辊进行淬火冷却；通过设置氧化剂进口管、增碳剂进口管和催化剂进口管，能够保护轧辊在高温氧化过程中不会产生脱碳现象，从而保证轧辊质量；（2）本设备能够实现在轧辊上预制氧化膜，这样，在轧制过程中，既起到润滑轧辊，增大摩擦系数、防止打滑的作用，同时又起到隔热作用；从而防止轧辊报废，大大提高工作效率。
以下为本发明预制表面氧化膜热轧辊工艺，具体包括以下步骤：
S101：将轧辊装入加热炉腔内并密封，检查各进口管是否关闭。
具体地，将轧辊从加热炉腔的顶部和底部开口穿过，经加热炉腔置于旋转台上，且与加热圈之间存有间隙，以形成密封腔，加热炉腔的顶部和底部开口于轧辊之间通过高温密封条密封；密封后，确认气体进口管道、氧化剂进口管、增碳剂进口管和催化剂进口管处于关闭状态。本发明的炉腔内可一次性装入一个或多个轧辊。
S102：在保护气体的保护下加热轧辊，且加热温度小于轧辊的氧化温度。
具体地，通过气体进口管道向密封腔内通入保护气体，如氮气，并调节密封腔内氮气的压力为0.3MPA以上，优选为0.3~1Mpa，从而阻止氧气进入，进而防止轧辊表面氧化；开启感应圈加热至800℃以上，优选为820~850℃，以防止轧辊过早氧化形成Fe2O3 和FeO，因为一旦过早氧化，会形成不稳定且不耐压耐磨的Fe2O3 和FeO，而且轧辊中的碳会产生氧化反应，使碳原子降低，直接影响轧辊的机械性能。此处的加热温度依据轧辊的材质而定，只要防止轧辊过早氧化的温度都在本发明的保护范围内。
S103：注入增碳剂和催化剂，使得轧辊的表面开始增碳。
具体地，在步骤S102加热的过程中，同时经增碳剂进口管和催化剂进口管滴入增碳剂和催化剂，且按100～120滴/min滴入，以防止轧辊表面过早氧化和脱碳，同时表面开始增碳，以预防后期因氧化脱碳而降碳的现象发生。其中，若增碳剂滴入剂量过低，导致增碳不足，若剂量过高，会使轧辊表面增碳过量，同样影响轧辊的机械性能。通过设置增碳剂，能够防止加入氧化剂后使轧辊表面的碳氧化，从而影响机械性能，尤其是耐磨性。本发明中，催化剂的作用是加快增碳剂的碳均匀渗入轧辊的基体中。
S104：对轧辊进行升温加热，并保持增碳剂和催化剂的注入量。
具体地，以80-120℃/h（优选为100℃/h）的速度开始升温到1000~1050℃，且维持增碳剂和催化剂滴入量不变，即继续按100～120滴/min滴入，以防止轧辊表面脱碳。升温到1000~1050℃，能够保证生成的Fe3O4达到90%的稳定耐磨。
S105：当轧辊表面升温至目标温度后，减小增碳剂及催化剂的注入量，并注入氧化剂，使轧辊的表面均匀氧化，直接形成与基体结合的氧化膜组织。
具体地，轧辊表面达到目标温度1000~1050℃后继续增碳，且调节增碳剂及催化剂的滴入量为20-50滴/min（优选为30滴/min），并立即注入氧化剂；此时密封腔内压力控制在0.4~0.6MPa（优选为0.5MPA），再保温0.5-2.5h（优选为1h），以保证高温下表面均匀氧化直接形成Fe3O4与基体结合的氧化膜组织。其中，氧化剂的滴入量以入炉立即气化为标准，与轧辊大小和数量有关。轧辊表面开始氧化时，降低增低增碳剂和催化剂的滴入量，以防止氧化剂与过多的增碳剂反应形成C+O2=CO2，从而避免降低轧辊氧化的效果。密封腔内压力控制在0.4~0.6MPa，是为了加速Fe3O4的形成。
S106：降低炉温，减小氧化剂注入量，控制增碳剂和催化剂的注入量以及密封腔内的压力，使氧化膜组织处于稳定阶段。
具体地，保温1h后开始随炉降温，氧化剂减半注入，增碳剂和催化剂注入量不变，炉内压力控制在0.3MPA，此阶段为氧化膜组织稳定阶段。
S107：当温度随炉降至目标温度后，关闭所有管道，对轧辊表面进行冷却淬火。
具体地，当温度随炉降至850~900℃，关闭所有管道，打开液氮开关注入液氮气体，加速表面快速冷却至200~250℃，关闭液氮，以达到淬火效果。
S108：对轧辊进行回火处理，出炉，获得表面带氧化膜的轧辊。
具体地，慢速升温到550℃，保温6-18h，进行回火，消除应力，炉冷至室温，出炉，获得表面带Fe3O4的轧辊。经检测氧化膜厚度为20~25μm。
以上过程能形成表面稳固并与基体形成冶金结合的氧化膜组织，由于加了增碳剂和催化剂，在氧化脱碳后碳含量并未明显减少，机械性能良好。有了预制氧化膜的热轧工作辊就能够防止上机打滑、粘钢；并且氧化膜的存在能够起到隔热作用，降低了轧辊工作温度，轧辊轧制过钢量可提高50%，大大提高轧钢的生产效率，降低成本，提高轧件的表面质量，同时提高合格率。

Claims (10)

1.一种预制表面氧化膜热轧辊设备，其特征在于，包括：
炉体；
支撑机构，设于炉体内，用于放置轧辊；
加热机构，环绕所述轧辊，且与轧辊之间设有一密封腔；
气体进口管道，与所述密封腔连通，用于向密封腔内输送保护气体或冷却气体；
试剂进口管道，包括氧化剂进口管、增碳剂进口管和催化剂进口管，并分别与所述密封腔连通。
2.根据权利要求1所述的预制表面氧化膜热轧辊设备，其特征在于，所述加热机构包括感应加热组件，所述感应加热组件设于加热炉腔内，加热炉腔的顶部和底部开口，用于穿过轧辊，加热炉腔顶部和底部的开口外部封设有密封盖体；或者所述密封盖体与加热炉腔的顶部和底部开口之间通过密封件封接。
3.根据权利要求1或2所述的预制表面氧化膜热轧辊设备，其特征在于，所述支撑机构包括设于炉体内部下方的旋转台，所述旋转台通过旋转机构控制其转动；所述炉体的上部设有顶头机构，所述轧辊设于顶头机构与旋转台之间。
4.根据权利要求1或2所述的预制表面氧化膜热轧辊设备，其特征在于，所述热轧辊设备还包括用于检测所述密封腔内温度的温度传感器。
5.根据权利要求1或2所述的预制表面氧化膜热轧辊设备，其特征在于，所述气体进口管道和试剂进口管道上均设有调节阀门。
6.一种预制表面氧化膜热轧辊工艺，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将轧辊装入加热炉腔内并密封，检查各进口管是否关闭；
S2：在保护气体的保护下加热轧辊，且加热温度小于轧辊的氧化温度；
S3：注入增碳剂和催化剂，使得轧辊的表面开始增碳；
S4：对轧辊进行升温加热，并保持增碳剂和催化剂的注入量；
S5：当轧辊表面升温至目标温度后，减小增碳剂及催化剂的注入量，并注入氧化剂，使轧辊的表面均匀氧化，直接形成与基体结合的氧化膜组织；
S6：降低炉温，减小氧化剂注入量，控制增碳剂和催化剂的注入量以及密封腔内的压力，使氧化膜组织处于稳定阶段；
S7：当温度随炉降至目标温度后，关闭所有管道，对轧辊表面进行冷却淬火；
S8：对轧辊进行回火处理，出炉，获得表面带氧化膜的轧辊。
7.根据权利要求6所述的预制表面氧化膜热轧辊工艺，其特征在于，S2中具体包括：在压力为0.3MPa以上的保护气体的保护下加热轧辊，加热温度大于800℃。
8.根据权利要求6或7所述的预制表面氧化膜热轧辊工艺，其特征在于，S3~S5中具体包括：按100～120滴/min的滴量注入增碳剂和催化剂，防止轧辊表面过早氧化和脱碳，同时轧辊的表面开始增碳；再以80-120℃/h的速度开始升温到1000℃~1050℃，且增碳剂和催化剂滴入量不变；当轧辊表面达到1000℃~1050℃继续增碳，并调节增碳剂及催化剂的滴入量为20-50滴/min，立即注入氧化剂，此时炉内压力控制在0.4~0.6MPa，再保温0.5-2.5h，使轧辊的表面均匀氧化，直接形成Fe3O4与基体结合的氧化膜组织。
9.根据权利要求6或7所述的预制表面氧化膜热轧辊工艺，其特征在于，S6中具体包括：降低炉温，氧化剂减半注入，保护气体压力不变，增碳剂和催化剂的注入量不变，炉内压力控制在0.3MPa以上，使氧化膜组织处于稳定阶段。
10.根据权利要求6或7所述的预制表面氧化膜热轧辊工艺，其特征在于，S7中具体包括：当温度随炉降至850~900℃，关闭所有管道，注入液氮气体，使轧辊的表面冷却至200~250℃，达到淬火效果；然后慢速升温至550℃，保温6-18h，进行回火，消除应力，炉冷至室温，出炉。
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