CN111139394B

CN111139394B - 一种高性能粗轧工作辊的制备方法

Info

Publication number: CN111139394B
Application number: CN201911343348.XA
Authority: CN
Inventors: 刘娣; 胡兵; 王延青
Original assignee: Sinosteel Xingtai Machinery and Mill Roll Co Ltd
Current assignee: Sinosteel Xingtai Machinery and Mill Roll Co Ltd
Priority date: 2019-12-24
Filing date: 2019-12-24
Publication date: 2022-01-11
Anticipated expiration: 2039-12-24
Also published as: CN111139394A

Abstract

本发明公开了一种高性能粗轧工作辊的制备方法，属于铸造领域，首先将铌铁与碳粉加入球磨机内，利用硬质合金球互磨，加入液体石蜡，烘干并压制成试样块待用；然后熔炼基体材料成钢液并按重量百分比加入试样块以及稀土元素铈（Ce），经过电磁搅拌后出钢、浇注并进行热处理形成成品。本发明的制备方法提高工作辊的强度、韧性以及耐磨性，冷热疲劳性能也得到明显改善。

Description

一种高性能粗轧工作辊的制备方法

技术领域

本发明涉及铸造领域，尤其是一种工作辊的制备方法。

背景技术

随着钢铁行业尤其是高强钢市场的回暖，高强钢等高附加值产品供不应求，钢铁厂家通过提高轧辊在机周期，加大在机辊役来增加单位时间内的钢板产量，而轧辊作为轧机的主要部件，提高轧辊的使用性能用来满足用户提高轧辊在机周期等使用需求迫在眉睫。而延长轧辊在机周期不仅要求轧辊具有良好的强度来提高基体耐磨性，又需要产品具有一定的韧性提高抗事故性能。细晶强化及第二相质点强化因既能提高基体强度，又能提高材料韧性而成为广大科研工作者优化材料的首选。

如何设计全新粗轧工作辊的基体成分，如何设计铸造参数，如何设计与新材料粗轧工作辊相匹配的热处理工艺等技术参数都是开发新的粗轧工作辊材料急需解决的问题。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种高性能粗轧工作辊的制备方法，提高工作辊的强度、韧性以及耐磨性，冷热疲劳性能也得到明显改善。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种高性能粗轧工作辊的制备方法，首先将铌铁与碳粉加入球磨机内，利用硬质合金球互磨，加入液体石蜡，烘干并压制成试样块待用；然后熔炼基体材料成钢液并按重量百分比加入试样块以及稀土元素铈(Ce)，经过电磁搅拌后出钢、浇注并进行热处理形成成品。

本发明技术方案的进一步改进在于：钢液化学成分为C1.2-1.4％；Si 0.7-0.9％；Mn 0.5-0.6％；P≤0.05％；S≤0.06％；Cr 10-11％；Ni 0.4-0.5％；Mo 8-9％；W 3-4％；Nb0.8-0.9％；Ce 0.05-0.1％。

本发明技术方案的进一步改进在于：具体步骤包括：

步骤A：向球磨机内加入铌铁与碳粉，利用硬质合金球互磨，加入液体石蜡，烘干并压制成试样块待用；

步骤B：在感应熔炼炉内熔炼基体材料，钢液达到设计要求后提温至1600～1700℃，加入步骤A中的试样块并加入稀土元素铈(Ce)，进行电磁搅拌；

步骤C：在钢液温度控制在1650-1750℃出钢并及时进行吹氩，当钢包内温度为1500-1580℃时进行整体浇注；

步骤D：浇注后一段时间开箱得到毛坯；

步骤E：毛坯经初次加工后进行整体高温热处理，高温热处理结束后采用喷雾并空冷处理，空冷至辊身300-350℃后装炉回火，经回火后卸炉进行后续加工直至成品。

本发明技术方案的进一步改进在于：步骤A中铌铁与碳粉质量比为1：1.5，互磨时间为72h，石蜡为5wt％，烘干温度为100～130℃，试样块尺寸为1～3mm。

本发明技术方案的进一步改进在于：步骤B中试样块的加入量为钢液重量的0.5-0.8％，稀土元素铈(Ce)的加入量为钢液重量的0.09-0.15％，电磁搅拌时间为3～5min。

本发明技术方案的进一步改进在于：步骤C中氩气压力0.2-0.6MPa，吹氩同时充分搅拌钢液，使钢液内部温度均匀及浮渣。

本发明技术方案的进一步改进在于：步骤D中浇注完毕20～24h后进行热开箱，放入电阻炉内密封缓冷至炉温≤200℃可卸炉，电阻炉提前预热温度为500～600℃。

本发明技术方案的进一步改进在于：步骤D中浇注完毕至少120h后后进行冷开箱，之后按退火温度750-850℃下保温30-40h。

本发明技术方案的进一步改进在于：步骤E中初次加工辊身直径留量为5-10mm，长度方向留量8-15mm；高温热处理时高温淬火温度为900-950℃；喷雾参数为风压0.4～0.6MPa、水压0.2～0.3MPa、喷雾时间30～60min；回火次数为两次，回火温度均为530-560℃，回火温度时间30h～40h。

本发明技术方案的进一步改进在于：步骤B中熔炼钢水用工频炉进行熔炼，熔炼基体以废钢、铬铁、钨铁、铌铁块为原料，增碳剂采用废电极进行增碳。

由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：

本发明利用TRIZ创新原理，对于碳化物增加带来的韧性降低与碳化物降低带来的耐磨性降低之间的矛盾，采用TRIZ理论中的“分割”发明原理，增加碳化物含量的同时，改善碳化物的形貌，使基体强度及韧性同时增加。稀土Ce有效改善碳化物形貌，试验确定稀土Ce加入范围0.05-0.1％，确保碳化物形貌的明显改善；通过对外层成分利用理论公式及试验室小样试验验证强度、耐磨性及外层凝固试验合理设计浇注温度范围。同时，为使新材质工作辊性能最优化，通过检测CCT曲线确定奥氏体化温度范围，同时通过小样热处理试验确定各热处理阶段的热处理参数。通过研发表明本发明高性能粗轧工作辊较常规高速钢及高铬钢产品耐磨性提高0.5、1.0倍以上，冷热疲劳性能也得到明显改善。

步骤A中利用球磨机将铌铁与碳粉进行互磨，在球磨过程中铌铁与碳粉充分混合，甚至出现微化学反应生成NbC，在后期加入钢液过程中以第二相质点对基体进行细晶强化。

步骤B中利用加入0.05-0.1％的稀土Ce，基体中稀土Ce含量在0.1％以下时，随着稀土Ce的增加，碳化物越弥散，考虑加入钢液的烧损，实际加入钢液中的稀土含量为0.09-0.1％，确保最优的效果。

步骤D采用热开箱+炉内缓冷的形式，起到退火消除铸态应力的作用，降低生产成本；同时也可按退火温度750-850℃下保温30-40h代替，可根据实际情况进行选择。

步骤E根据新材质的CCT曲线，试验室小样热处理试验结果，制定淬火温度900-950℃，保证外层组织充分奥氏体化的同时，不出现组织过热过烧的质量问题。芯部及辊颈在使用时需有一定的柔韧性，因此为退火态组织即可，冷却时仅对辊身喷雾冷却，辊颈不进行喷雾仍保持为退火态组织。

附图说明

图1是本发明制备的高性能轧辊显微组织示意图；

图2是本发明制备的高速钢轧辊显微组织示意图；

图3是本发明制备的高铬钢轧辊显微组织示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细说明：

一种高性能粗轧工作辊的制备方法，其特征在于：首先将铌铁与碳粉加入球磨机内，利用硬质合金球互磨，加入液体石蜡，烘干并压制成试样块待用；然后熔炼基体材料成钢液并按重量百分比加入试样块以及稀土元素铈(Ce)，经过电磁搅拌后出钢、浇注并进行热处理形成成品。具体步骤包括：

步骤A：向球磨机内加入铌铁与碳粉，利用硬质合金球互磨，加入液体石蜡，烘干并压制成试样块待用。

步骤A中铌铁与碳粉质量比为1：1.5，互磨时间为72h，石蜡为5wt％，烘干温度为100～130℃，试样块尺寸为1～3mm。

步骤B：在感应熔炼炉内熔炼基体材料，钢液达到设计要求后提温至1600～1700℃，加入步骤A中的试样块并加入稀土元素铈(Ce)，进行电磁搅拌。

钢液化学成分为C1.2-1.4％；Si 0.7-0.9％；Mn 0.5-0.6％；P≤0.05％；S≤0.06％；Cr 10-11％；Ni 0.4-0.5％；Mo 8-9％；W 3-4％；Nb 0.8-0.9％；Ce 0.05-0.1％。其中熔炼钢水用工频炉进行熔炼，熔炼基体以废钢、铬铁、钨铁、铌铁块为原料，增碳剂采用废电极进行增碳。

试样块的加入量为钢液重量的0.5-0.8％，稀土元素铈(Ce)的加入量为钢液重量的0.05-0.1％，电磁搅拌时间为3～5min。

步骤C：在钢液温度控制在1650-1750℃出钢并及时进行吹氩，当钢包内温度为1500-1580℃时进行整体浇注。

氩气压力0.3-0.6MPa，吹氩同时充分搅拌钢液，使钢液内部温度均匀及去除浮渣，以便后续扒渣，提高钢液洁净度防止内部杂质进入型腔形成铸造缺陷。

步骤D：浇注后一段时间开箱得到毛坯。

可以选择浇注完毕20～24h后进行热开箱，放入电阻炉内密封缓冷至炉温≤200℃可卸炉，电阻炉提前预热温度为500～600℃。

或者浇注完毕至少120h后后进行冷开箱，之后按退火温度750-850℃下保温30-40h。

初次加工辊身直径留量为5-10mm，长度方向留量8-15mm。高温热处理时高温淬火温度为900-950℃、保温时间按单边使用厚度*1.5min进行计算；喷雾参数为风压0.4～0.6MPa、水压0.2～0.3MPa、喷雾时间30～60min；回火次数为两次，回火温度均为530-560℃，回火温度时间30h。

实施例1

利用立式行星球磨机，利用硬质合金球，加入铌铁与碳粉按比例1：1.5互磨72h，加入5wt％液体石蜡，100℃下烘干并压制成1-3mm试样块待用。

以废钢、铬铁、钨铁、铌铁块为原料，分别利用工频感应熔炼炉熔炼外层及芯部钢水，外层成分达到设计组分：C1.29％，Si0.75％，Mn0.55％，P≤0.05％，S≤0.06％，Cr10.6％，Ni0.43％，Mo8.1％，W3.5％，Nb 0.8％，Ce0.1％和Fe余量的标准成分后，将钢液温度加热至1600℃，按重量百分比加入0.5％的试样块并加入0.1％稀土元素铈(Ce)，利用电磁搅拌搅拌3min，钢液温度控制到1690℃出钢，0.25MPa吹氩2min，温度降至1550后浇注。浇注后一段时间开箱得到毛坯，粗加辊身直径余量5mm，辊身长度余量10mm，利用高温加热炉在930℃下加热60min，保温时间不低于单边使用厚度*1.2min进行计算；加热结束后在0.5MPa风压、0.2MPa水压下对辊身喷雾60min空冷，空冷至辊身300℃，之后装炉回火，560℃回火保温30h，两次回火后卸炉，进行后续加工至成品。

实施例2

利用立式行星球磨机，利用硬质合金球，加入铌铁与碳粉按比例1：1.5互磨72h，加入5％液体石蜡，105℃下烘干并压制成1-3mm试样块待用。

以废钢、铬铁、钨铁、铌铁块为原料为原料，分别利用工频感应熔炼炉熔炼外层及芯部钢水，外层成分达到设计组分：C1.35％，Si0.78％，Mn0.51％，P≤0.05％，S≤0.06％，Cr10.9％，Ni0.46％，Mo8.9％，W3.7％，Nb0.88％，Ce0.09％和Fe余量的标准成分后，将钢液温度加热至1650℃，按重量百分比加入0.6％的试样块并加入0.12％稀土元素铈(Ce)，利用电磁搅拌搅拌3.5min，钢液温度控制到1650℃出钢，0.25MPa吹氩3min，温度降至1580后浇注。浇注后一段时间开箱得到毛坯，粗加辊身直径余量10mm，辊身长度余量15mm，利用高温加热炉在920℃下加热55min，加热结束后在0.55MPa风压、0.25MPa水压下对辊身喷雾40min空冷，空冷至辊身310℃，之后装炉回火，550℃回火保温30h，两次回火后卸炉，进行后续加工至成品。

实施例3

利用立式行星球磨机，利用硬质合金球，加入铌铁与碳粉按比例1：1.5互磨72h，加入5％液体石蜡，110℃下烘干并压制成1-3mm试样块待用。

以废钢、铬铁、钨铁、铌铁块为原料为原料，分别利用工频感应熔炼炉熔炼外层及芯部钢水，外层成分达到设计组分：C1.33％，Si0.88％，Mn0.59％，P≤0.05％，S≤0.06％，Cr10.8％，Ni0.49％，Mo8.5％，W3.9％，Nb0.86％，Ce0.08％和Fe余量的标准成分后，将钢液温度加热至1680℃，按重量百分比加入0.7％的试样块并加入0.13％稀土元素铈(Ce)，利用电磁搅拌搅拌4min，钢液温度控制到到1703℃出钢，0.25MPa吹氩3min，温度降至1530后浇注。浇注后一段时间开箱得到毛坯，粗加辊身直径余量8mm，辊身长度余量15mm，利用高温加热炉在940℃下加热50min，加热结束后在0.46MPa风压、0.28MPa水压下对辊身喷雾55min空冷，空冷至辊身320℃，之后装炉回火，555℃回火保温30h，两次回火后卸炉，进行后续加工至成品。

实施例4

利用立式行星球磨机，利用硬质合金球，加入铌铁与碳粉按比例1：1.5互磨72h，加入5％液体石蜡，120℃下烘干并压制成1-3mm试样块待用。

以废钢、铬铁、钨铁、铌铁块为原料为原料，分别利用工频感应熔炼炉熔炼外层及芯部钢水，外层成分达到设计组分：C1.38％，Si0.73％，Mn0.51％，P≤0.05％，S≤0.06％，Cr10.9％，Ni0.45％，Mo8.9％，W3.3％，Nb0.85％，Ce0.09％和Fe余量的标准成分后，将钢液温度加热至1650℃，按重量百分比加入0.6％的试样块并加入0.14％稀土元素铈(Ce)，利用电磁搅拌搅拌4.5min，钢液温度控制到1710℃出钢，0.23MPa吹氩2.5min，温度降至1520后浇注。浇注后一段时间开箱得到毛坯，粗加辊身直径余量7mm，辊身长度余量13mm，利用高温加热炉在925℃下加热50min，加热结束后在0.41MPa风压、0.23MPa水压下对辊身喷雾45min空冷，空冷至辊身340℃，之后装炉回火，530℃回火保温35h，两次回火后卸炉，进行后续加工至成品。

实施例5

利用立式行星球磨机，利用硬质合金球，加入铌铁与碳粉按比例1：1.5互磨72h，加入5％液体石蜡，130℃下烘干并压制成1-3mm试样块待用。

以废钢、铬铁、钨铁、铌铁块为原料为原料，分别利用工频感应熔炼炉熔炼外层及芯部钢水，外层成分达到设计组分：C1.36％，Si0.71％，Mn0.56％，P≤0.05％，S≤0.06％，Cr10.2％，Ni0.5％，Mo8.6％，W3.1％，Nb0.85％，Ce0.09％和Fe余量的标准成分后，将钢液温度加热至1700℃，按重量百分比加入0.8％的试样块并加入0.15％稀土元素铈(Ce)，利用电磁搅拌搅拌5min，钢液温度控制到1740℃出钢，0.21MPa吹氩2.8min，温度降至1510后浇注。浇注后一段时间开箱得到毛坯，粗加辊身直径余量6mm，辊身长度余量12mm，利用高温加热炉在910℃下加热50min，加热结束后在0.52MPa风压、0.23MPa水压下对辊身喷雾45min空冷，空冷至辊身350℃，之后装炉回火，530℃回火保温35h，两次回火后卸炉，进行后续加工至成品。

实施例6

实施例6为对照例，常规粗轧高速钢轧辊。

某常规高速钢C1.25，Si0.85，Mn0.55，Cr3.5，Ni0.45，Mo3.3％，W8％，钢液加热1600℃浇注180h后冷开箱，冷开箱粗加，辊身径向单边留量10mm，长度留量30mm，加热至850℃保温30h后缓冷退火，缓冷至室温后半精加，直径留量5mm，长度方向留量20mm，再利用高温加热炉在980℃下加热80min，加热结束后轴流风机吹风1-2h至辊身500℃空冷，空冷至400℃装炉回火，回火温度500℃保温45h，回火三次。

实施7

实施例7为对照例，常规粗轧高铬钢轧辊。

某常规高速钢C1.35，Si0.85，Mn0.55，Cr14，Ni0.7，Mo0.8％，钢液加热1600℃浇注180h后冷开箱，冷开箱粗加，辊身径向单边留量10mm，长度留量30mm，加热至850℃保温30h后缓冷退火，缓冷至室温后半精加，直径留量5mm，长度方向留量20mm，再利用高温加热炉在980℃下加热80min，加热结束后轴流风机吹风1-2h至辊身500℃空冷，空冷至400℃装炉回火，回火温度490℃保温45h，回火三次。

取实施例1～实施例7产品进行试样拉伸力学性能检测，性能检测执行国家标准GB/T 1503-2008.检测结果见表1。

表1实施例产品拉伸力学性能检测结果

通过对比新材质粗轧工作辊辊身硬度、耐磨性及冷热疲劳性能，表明新性能粗轧工作辊硬度较常规高速钢、高铬钢轧辊硬度略有上升，而表征使用寿命的相对耐磨性、冷热疲劳性能缺大幅提升，尤其相对耐磨性较常规粗轧高速钢提升0.5倍以上，较常规高铬钢轧辊提高1倍以上。

根据性能检测结果，新材质高性能粗轧工作辊材料在使用寿命上相对于常规高速钢及高铬钢轧辊材料大大提高。

Claims

1.一种高性能粗轧工作辊的制备方法，其特征在于：首先将铌铁与碳粉加入球磨机内，利用硬质合金球互磨，加入液体石蜡，烘干并压制成试样块待用；然后熔炼基体材料成钢液并按重量百分比加入试样块以及稀土元素铈（Ce），经过电磁搅拌后出钢、浇注并进行热处理形成成品；

钢液化学成分为C 1.2-1.4%；Si 0.7-0.9%；Mn 0.5-0.6%；P≤0.05%；S≤0.06%；Cr 10-11%；Ni 0.4-0.5%；Mo 8-9%；W 3-4%；Nb 0.8-0.9%；Ce 0.05-0.1%；

具体步骤包括：

步骤B：在感应熔炼炉内熔炼基体材料，钢液达到设计要求后提温至1600～1700℃，加入步骤A中的试样块并加入稀土元素铈（Ce），进行电磁搅拌；

步骤D：浇注后一段时间开箱得到毛坯；

步骤E：毛坯经初次加工后进行整体高温热处理，高温热处理结束后采用喷雾并空冷处理，空冷至辊身300-350℃后装炉回火，经回火后卸炉进行后续加工直至成品；

步骤A中铌铁与碳粉质量比为1：1.5，互磨时间为72h，石蜡为5 wt %，烘干温度为100～130℃，试样块尺寸为1～3mm；

步骤B中试样块的加入量为钢液重量的0.5-0.8%，稀土元素铈（Ce）的加入量为钢液重量的0.09-0.1%，电磁搅拌时间为3～5min；步骤D中浇注完毕20～24h后进行热开箱，放入电阻炉内密封缓冷至炉温≤200℃可卸炉，电阻炉提前预热温度为500～600℃；步骤E中初次加工辊身直径留量为5-10mm，长度方向留量8-15mm；高温热处理时高温淬火温度为900-950℃；喷雾参数为风压0.4～0.6MPa、水压0.2～0.3MPa、喷雾时间30～60min；回火次数为两次，回火温度均为530-560℃，回火温度时间30h～40h。

2.根据权利要求1所述的一种高性能粗轧工作辊的制备方法，其特征在于：步骤C中氩气压力0.2-0.6MPa，吹氩同时充分搅拌钢液，使钢液内部温度均匀及浮渣。

3.根据权利要求1所述的一种高性能粗轧工作辊的制备方法，其特征在于：步骤B中熔炼钢水用工频炉进行熔炼，熔炼基体以废钢、铬铁、钨铁、铌铁块为原料，增碳剂采用废电极进行增碳。