CN110760664B - 一种初轧石墨钢辊性能提升的修复热处理工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种使用在初轧V1机架上的石墨钢轧辊的修复热处理工艺。采用所述的修复热处理工艺，实现初轧V1辊力学性能的全面恢复和提升，使用寿命得到有效延长，解决了轧辊在工作层末端由于裂纹、磨损等原因造成停机换辊、断裂等问题，提高生产效率，降低了辊耗和生产成本。

Description

一种初轧石墨钢辊性能提升的修复热处理工艺
技术领域
本发明涉及石墨钢轧辊的修复热处理工艺，具体涉及一种使用在初轧V1机架上的石墨钢轧辊的修复热处理工艺。
背景技术
初轧生产线承担着将炼钢生产的大钢锭轧成钢材轧机所需尺寸的圆棒坯、方坯，为发动机曲轴、油井管提供坯料，将大型连铸坯再开坯，及利用初轧工艺改善成品质量的使命。
初轧厂产品结构已经从原来的简单规格、碳钢产品，变化成为多规格、合金钢(轴承钢、无缝钢管用高合金钢T91、H13、2Cr13等)、碳钢并存的产品结构。而初轧厂现有6VH钢坯连轧机V1架轧辊(有效工作层直径为Φ810-720mm)，自初轧厂投产至今30年来，一直使用锻造半钢材质，2012年开始使用锻造Cr5辊，2015年尝试使用石墨钢材质轧辊。石墨钢材质轧辊在使用前期，菱方孔工作面在轧制一段时间后也会有异常凸起的痕迹，凸起高度很浅，轧制吨位达到12000吨时凸起的高度最高点为0.1mm，不需打磨；辊面热裂纹情况优于锻造半钢、Cr5材质轧辊，菱方孔在轧制量达到5000吨时，裂纹长度不足轧辊周长的10％，且裂纹不扩展；但到使用后期，当其使用至直径小于740mm(距报废直径720mm还有20mm)，或轧制吨位达12000吨时，开始出现深度较大的热裂纹，且磨损量和车削量大幅增加，情况严重时，上机存在断辊的危险，只能停止使用，转变为废辊，造成极大的浪费。因此，对直径小于740mm的石墨钢辊进行性能提升的修复技术研究，是一个重要的研究方向。
中国专利CN201611250527.5公开了“一种高碳石墨钢轧辊及其制备方法”，通过冶炼和特殊的热处理工艺，制备具有球状石墨，硬度高、韧性好的石墨钢轧辊，延长轧辊使用寿命。
中国专利CN200910305914.8公开了“一种石墨铸钢及其用途和碳素钢钢轨的轧制方法”，通过添加特定比例的化学成分，制成的轧辊可以有效防止粘钢现象产生，避免钢轨表面产生轧疤缺陷。
中国专利CN201621469831.4公开了“一种新型高碳石墨钢轧辊的组件”，通过调整合金元素，特殊热处理和机械加工，使工作表面硬度达标，结构更加合理。
中国专利CN201210171141.0公开了“提高石墨易切削钢力学性能的热处理方法”，通过采用亚温淬火-高温回火的工艺路线，可以减小经淬火后的石墨易切削钢的内应力，降低脆性，提高塑性、韧性和组织的稳定性，使石墨易切削钢具有良好的强韧性配合和较高的疲劳强度，达到最佳的使用性能，克服了传统易切削钢虽然切削性能优良，但疲劳强度偏低的问题。
中国专利CN20151492294公开了“一种型钢万能轧机用高碳石墨钢辊环及其制造方法”，其中包括熔炼、球化、离心铸造及热处理工艺等。
美国Timken Roller Bearing Co.在1940-1977年间，不断有研究石墨钢的专利发布，如US2283664(A)、US2438267(A)、US19570700982、US19760705779等，均是通过改进其制造工艺以获得适应其工况的力学性能。
日本专利JP19990194260公开了“Graphitic Steel Excellent InMachinability”，提供调整成分和热处理获得一种具有优异的可加工性的石墨钢，以替代无铅切削钢。
日本专利JP19810137767公开了“Artificial Graphitic Graphitic Roll”，通过控制石墨钢辊的表面硬度来提高其耐磨性。
可见热处理工艺是影响石墨钢轧辊力学性能的关键要素，需根据工况需要进行精准控制。这些专利用不同的方法，通过改进某一方面，达到满足其使用工况的需求，然而，有的设计热处理工艺过于复杂，反而增加了时间和成本；但这些方法均不适合用于对初轧V1机架石墨钢辊性能提升的修复热处理的工况及需求。
发明内容
经过对用于初轧V1机架的石墨钢辊进行解析，发现当直径小于740mm后，轧辊的球化率由1级降为2级，组织由辊面的索氏体变为珠光体，这可能是因为轧辊在原热处理时，由于辊径较大，辊面及辊内冷却速度不同造成组织不同；同时，发现硬度、强度由辊面的48HSD和650MPa分别降低至42HSD和530MPa，因此，随着轧辊直径的减小，轧辊可以承受的屈服应力降低，在相同轧制力的作用下，轧辊较易出现深度较大的热裂纹；同时，当辊面与高温轧材接触时，辊面受热膨胀，当受冷却水冷却时，发生收缩，当收缩轴向受阻后，即产生裂纹；因此，磨损量和车削量大幅增加，严重时造成断辊。
为改善石墨钢辊直径小于740mm后的使用效果，及将因此而报废的石墨钢辊重新修复使用，降低工具成本，特设计该类报废辊性能提升的修复热处理工艺，改善剩余工作层的力学组织和性能，提高其强度和硬度，满足使用需求。
本发明的目的在于提供一种初轧石墨钢辊性能提升的修复热处理工艺；轧辊的耐磨性由基体组织决定，但硬度对耐磨性的影响较大；热裂纹是在交变应力幅值超过轧辊的屈服强度时，首先在石墨钢辊表层引起往复塑性变形，最终导致热疲劳裂纹萌生和扩展；热裂纹萌生阶段主要受强度控制，热裂纹扩展阶段主要受塑性控制，因此，本发明设计石墨钢辊性能提升的修复热处理工艺时，考虑兼顾了硬度、强度和韧性，以达到初轧辊小于Φ740mm后，不产生较深的裂纹，断辊和耐磨性不足的问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是：
石墨钢轧辊的化学成分组成及质量百分含量为：C 1.5-2.0％，Si 1.1-1.6％，Mn0.6-1.0％，P<0.01％，S<0.01％，Cr 0.5-0.9％，Ni 1.0-1.8％，Mo 0.2-0.6％，
其余为铁及不可避免的杂质；
所述初轧石墨钢辊性能提升的修复热处理工艺包括以下步骤，
S1、退火预备热处理
(1.1)以130～150℃/h的升温速度加热，在600±10℃时，进行8～12min的恒温保温；
(1.2)以130～150℃/h的升温速度升温，在800±10℃时，进行8～12min的恒温保温；
(1.3)在980～1000℃高温退火，保温2-4h之后，停止加热，随炉缓冷到600℃，出炉空冷至室温；
S2、正火和回火最终热处理
(2.1)以230～250℃/h的升温速度加热，在600±10℃时，进行8～12min的恒温保温；
(2.2)以230～250℃/h的升温速度升温，在800±10℃时，进行8～12min的恒温保温；
(2.3)在920～950℃正火，保温25～32min，随炉冷却至850～870℃，保温20min，之后吹氮气冷却，冷却到300℃以下，出炉空冷至室温，及时回火；
优选地，步骤(2.3)中，
所述的吹氮气冷却的冷却速度为0.8～1.6℃/s；
所述的及时回火为空冷至室温后2～3h内回火；
(2.4)以230～250℃/h的升温速度加热，在630～650℃回火保温120～130min；之后随炉冷却至200℃出炉空冷至室温；
优选地，重复进行步骤(2.4)回火工艺1～3次。
在步骤S1、退火预备热处理中，该退火的特点有三，一是降低硬度，便于后续修复热处理工艺的实施；二是去应力，以消除轧辊本身所具有的热处理和机加工后的残余应力；三是打散基体组织中网状碳化物，以形成断续网状碳化物，消除碳化物的不均匀性，调整基体机械性能，充分发挥合金元素的作用。
退火工艺速率设定在130～150℃/h，同时升温过程中进行两次恒温保温，这是因为，退火温度较高时，适当稍低的升温速度，及短时的恒温保温可以使轧辊受热均匀，并避免轧辊变形；因此，本发明技术方案的步骤(1.1)和(1.2)中，在600℃和800℃时，进行两次8～12min的恒温保温。
进一步地，所述步骤(1.3)所述的退火工艺，本发明中考虑到该轧辊中碳化物含量较多，退火工艺采用高温退火及稍长的保温时间，以保证足够量的碳化物和珠光体发生分解，为下一步的正火和回火做好准备；冷却方式选择随炉冷却，以避免产生新的应力。该退火工艺获得铁素体F+珠光体P+渗碳体+石墨组织。
在步骤S2、正火和回火最终热处理中，为使轧辊强度和硬度最终满足初轧V1机架轧制力大、减径量大，轧制温度高等恶劣的工况，最终组织控制为索氏体或球状珠光体，硬度为45±5HSD，硬度层厚度为单边10～15mm，保证工作层硬度、耐磨性、耐热裂性的同时，保证芯部韧性。
为达到以上目标，需严格控制修复热处理工艺的升温速率、保温时间、冷却方式。
正火和回火最终热处理工艺的目的是获得索氏体/球化珠光体基体组织，增加珠光体的分散度，细化组织，提高轧辊的强度、硬度和耐磨性；试验研究表明，加热速度需设定在230～250℃/h之间，同时进行两次恒温保温，可保证升温过程中轧辊工作层部分受热均匀，晶粒不长大，同时可保证辊面和辊芯的温度差异，保证辊芯的韧性不受影响；因此，步骤(2.1)和(2.2)中，在600℃和800℃时，进行两次8-12min的恒温保温。
进一步的，步骤(2.3)将轧辊加热到920～950℃使工作层基体奥氏体化；保温时间控制在25～32min，既可以保证工作层基体完全奥氏体化，及较多的碳化物充分溶入基体中，基体合金元素和碳固溶度增加，又能保证芯部组织不受影响；加之较高的正火温度配合较高的回火温度，可使轧辊的强度和抗回火性提高，同时热循环稳定性亦提高。若保温时间小于25min，工作层的基体奥氏体化不充分，达不到最终组织要求，若保温时间大于32min，工作层基体晶粒开始长大，同时工作层厚度大于15mm，芯部有效尺寸较小，韧性降低，增大轧制时断辊的风险。
由于石墨钢轧辊中合金元素含量较低，轧辊的强韧性等均需通过控制基体组织和力学性能来实现，因此，步骤(2.3)的特点之一为，增加一步球化工艺，即随炉冷却至850～870℃，保温20min；通过此步骤珠光体球化，基体的强韧韧性和抗热裂性得到提高。同时，试验研究结果表明，吹气冷却速度控制在0.8～1.6℃/s，可获得70～75％的珠光体和少量贝氏体的基体组织，同时可避免辊面出现微裂纹。
步骤(2.4)，采用高温回火，将回火温度控制在630～650℃之间，回火保温时间控制在120～130min内；这是因为，钢的微观组织和性能在热疲劳过程中有较大变化，要获得优异的热循环稳定性，需通过热处理工艺设计，提高轧辊在循环温度条件下的抗回火性能。试验表明，该石墨钢轧辊中主要合金元素Cr形成的M23C6型碳化物在500～600℃以上回火温度，可由被Cr饱和的Fe3C转变而来，或直接从基体析出，它不易聚集长大，析出可使回火硬度和热稳定性增加。当回火温度高于650℃时，会造成轧辊最终硬度较低，当回火温度低于630℃时，会造成轧辊强度和抗热裂性不足；因此，通过试验优选，回火温度控制在630～650℃之间，回火保温时间控制在120～130min内，可保证硬度满足要求，且具有较高的强度和韧性。
在一优选实施方式中，所述初轧石墨钢辊性能提升的修复热处理工艺在S1步骤前还包括以下步骤，对初轧石墨钢辊进行超声检测。
所述超声检测可选择没有缺陷的直径小于740mm的初轧石墨钢辊，所述缺陷非限制性的包括芯部铸造缺陷、较深的裂纹等。
有益效果
本发明针对初轧V1辊易产生较深的热裂纹、耐磨性下降等问题，设计特殊的修复热处理工艺，实现初轧V1辊力学性能的全面恢复和提升，硬度恢复至46-48HSD，强度恢复至630MPa，达到新辊辊面硬度和强度水平；使用寿命得到有效延长，解决了轧辊在工作层末端由于裂纹、磨损等原因造成停机换辊、断裂等问题，提高生产效率，降低了辊耗和生产成本。
附图说明
图1为实施例1中退火工艺曲线；
图2为实施例1中正火和回火最终热处理工艺曲线。
具体实施方式
实施例1
本实施例石墨钢辊规格为Φ740mm*480，辊号为V1-SH001和V1-SH002，其化学成分组成及质量百分含量见表1。
表1各化学组成的质量百分含量(％)
成分 C Si Mn P S Cr Ni Mo
检测值 1.47 1.35 0.85 0.014 0.0041 0.73 1.21 0.39
成分 V Nb Ti N Co Sb W Fe
检测值 0.01 0.01 0.03 <0.015 0.01 <0.01 0.02 余量
初轧石墨钢辊性能提升的修复热处理工艺具体实施步骤为：
1、选择待处理V1辊
对待处理辊进行宏观辊面检测，无较大尺寸裂纹、无剥落等缺陷；检测硬度，作为修复热处理工艺的硬度基础；超声波检测裂纹内部是否有严重的铸造缺陷、裂纹缺陷等；在无重大缺陷的情况下，进行下一步的修复热处理。
2、修复热处理
1)退火
(a)以150℃/h的升温速度加热，在600℃时，进行10min的恒温保温；
(b)以150℃/h的升温速度升温，在800℃时，进行10min的恒温保温；
(c)在980℃高温退火，保温2.5h，缓冷到600℃，出炉空冷至室温。
退火工艺曲线如图1所示。
2)正火和回火
(d)以250℃/h的升温速度加热，在600℃时，进行10min的恒温保温；
(e)以250℃/h的升温速度升温，在800℃时，进行10min的恒温保温；
(f)在930℃正火，保温30min，随炉冷却至850℃，保温20min，之后吹氮气冷却，控制冷却速度为1.2℃/s，炉内冷却到300℃以下，出炉空冷至室温后，3h内回火。
(g)以50℃/h的升温速度加热，在630℃回火保温120；之后随炉冷却至200℃空冷至室温。
(h)重复步骤(g)1次。
正火和回火最终热处理工艺曲线如图2所示。
实施例2
本实施例石墨钢辊规格为Φ720mm*480，辊号为V1-SH003和V1-SH004，其化学成分组成及质量百分含量见表2。
表2各化学组成的质量百分含量(％)
成分 C Si Mn P S Cr Ni Mo
检测值 1.47 1.35 0.85 0.014 0.0041 0.73 1.21 0.39
成分 V Nb Ti N Co Sb W Fe
检测值 0.01 0.01 0.03 <0.015 0.01 <0.01 0.02 余量
初轧石墨钢辊性能提升的修复热处理工艺具体实施步骤为：
1、选择待处理V1辊
对待处理辊进行宏观辊面检测，无较大尺寸裂纹、无剥落等缺陷；检测硬度，作为修复热处理工艺的硬度基础；超声波检测裂纹内部是否有严重的铸造缺陷、裂纹缺陷等；在无重大缺陷的情况下，进行下一步的修复热处理。
2、修复热处理
1)退火
(a)以150℃/h的升温速度加热，在600℃时，进行10min的恒温保温；
(b)以150℃/h的升温速度升温，在800℃时，进行10min的恒温保温；
(c)在980℃高温退火，保温2.5h，缓冷到600℃，出炉空冷。
2)正火和回火
(d)以250℃/h的升温速度加热，在600℃时，进行10min的恒温保温；
(e)以250℃/h的升温速度升温，在800℃时，进行10min的恒温保温；
(f)在930℃正火，保温30min，随炉冷却至850℃，保温20min，之后吹氮气冷却，控制冷却速度为1.5℃/s，炉内冷却到300℃以下，出炉空冷至室温后2h内回火。
(g)以50℃/h的升温速度加热，在630℃回火保温120；之后随炉冷却至200℃空冷至室温。
(h)重复步骤(g)1次。
测试例1辊面车削
按常规车削方法对实施例1制备的辊面进行车削，达到上机所需辊面尺寸、粗糙度要求。其中辊面尺寸要求一方面需将下机后裂纹车削干净，另一方面需保持孔型尺寸，即两槽面夹角106°，槽底至辊面深度为113mm。粗糙度要求不高，车床精车后粗糙度Ra3.2即可满足。
测试例2组织和力学性能检测
用便携式硬度计检测实施例1制备的辊面硬度，采用金相覆膜法，对辊面的组织进行检验；结果表明，修复热处理后，辊面硬度达46-49HSD；辊面组织为索氏体、碳化物和石墨，与新辊组织和力学性能一致，均达到上机对轧辊的要求。
该轧辊在热处理前，Φ740mm处辊面硬度为42-43HSD，辊面强度是530MPa，经过本发明所述热处理工艺处理后，硬度恢复至46-48HSD，强度恢复至630MPa，达到新辊辊面硬度和强度水平。实验表明，该修复热处理工艺达到了差温淬火工艺的效果。
测试例3上机对比试验
对用于初轧V1机架的30对V型辊使用情况(其中，未处理的28对V型辊V1-SH005～V1-SH060，修复热处理后的2对V型辊V1-SH001～V1-SH004)进行调研和统计分析，上机试验结果对比如表3。
表3上机试验结果对比
Figure GDA0003013762420000081
未经过本发明所述处理的石墨钢辊，Φ740-720mm范围内工作层使用次数为0次、1次，最多使用2次，单次轧制量为1-1.1万吨；而经过本发明中的修复热处理工艺处理后的石墨钢辊，可使用3次，单次轧制量为1.5-1.8万吨。

Claims (6)

1.一种初轧石墨钢辊性能提升的修复热处理工艺，其特征在于，所述修复热处理工艺包括以下步骤，
S1、退火预备热处理
(1.1)以130～150℃/h的升温速度加热，在600±10℃时，进行8～12min的恒温保温；
(1.2)以130～150℃/h的升温速度升温，在800±10℃时，进行8～12min的恒温保温；
(1.3)在980～1000℃高温退火，保温2～4h之后，停止加热，随炉缓冷到600℃，出炉空冷至室温；
S2、正火和回火最终热处理
(2.1)以230～250℃/h的升温速度加热，在600±10℃时，进行8～12min的恒温保温；
(2.2)以230～250℃/h的升温速度升温，在800±10℃时，进行8～12min的恒温保温；
(2.3)在920～950℃正火，保温25～32min，随炉冷却至850～870℃，保温20min，之后吹氮气冷却，冷却到300℃以下，出炉空冷至室温，及时回火；
(2.4)以230～250℃/h的升温速度加热，在630～650℃回火保温120～130min；之后随炉冷却至200℃出炉空冷至室温。
2.如权利要求1所述的初轧石墨钢辊性能提升的修复热处理工艺，其特征在于，步骤(2.3)中，所述的吹氮气冷却的冷却速度为0.8～1.6℃/s。
3.如权利要求1所述的初轧石墨钢辊性能提升的修复热处理工艺，其特征在于，步骤(2.3)中，所述的及时回火为空冷至室温后3h内回火。
4.如权利要求1所述的初轧石墨钢辊性能提升的修复热处理工艺，其特征在于，在步骤S2完成后，重复进行步骤(2.4)1～3次。
5.如权利要求1所述的初轧石墨钢辊性能提升的修复热处理工艺，其特征在于，所述的修复热处理工艺在S1步骤前还包括以下步骤，对初轧石墨钢辊进行超声检测。
6.如权利要求1所述的初轧石墨钢辊性能提升的修复热处理工艺，其特征在于，所述的石墨钢轧辊的化学成分组成及质量百分含量为：C 1.5～2.0％，Si 1.1～1.6％，Mn 0.6～1.0％，P<0.01％，S<0.01％，Cr 0.5～0.9％，Ni 1.0～1.8％，Mo 0.2～0.6％，其余为铁及不可避免的杂质。
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