CN111945053B - 复合变质处理高速钢轧辊制备方法 - Google Patents

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Abstract

复合变质处理高速钢轧辊制备方法，属于轧钢技术领域。在中频感应电炉内熔炼高速钢轧辊材料，并将炉内钢水的化学组成及其质量分数控制在2.32‑2.49％C,4.17‑4.33％W,4.80‑4.98％Mo,9.63‑9.85％Cr,0.48‑0.66％Mn,0.57‑0.81％Si,<0.035％S,<0.040％P,余量Fe；然后将钢水升温至1615‑1626℃，保温4‑5分钟后加入铝，随后用喂丝法进行变质处理，并将钢水浇入离心机上高速旋转的铸型内，待高速钢凝固后，静态下用球铁填芯，经淬火和回火处理，即可获得性能优异和使用效果良好的高速钢轧辊。

Description

复合变质处理高速钢轧辊制备方法
技术领域
本发明公开了一种高速钢轧辊制备方法，特别涉及一种复合变质处理高速钢轧辊制备方法，属于轧钢技术领域。
背景技术
轧辊是轧钢设备上的关键备件，随着热轧技术的不断发展，对轧辊性能提出了更高的要求，轧辊材料由普通无限冷硬铸铁，发展到高镍铬无限冷硬铸铁、高铬铸铁，目前已发展到高速钢。高速钢轧辊具有优异的红硬性和良好的耐磨性，在热轧领域获得了广泛的应用。为了进一步提高高速钢轧辊性能，中国发明专利CN 111151732A公开了一种无头带钢轧制精轧后段用高速钢轧辊制备方法，采用三层离心复合浇铸，分别对外层、中间层和芯部采用高强度球墨铸铁进行浇铸，控制中间层及芯部的浇铸钢水含量为C1.8～2.8wt％，Si0.6～0.9wt％， Mn0.5～0.8wt％，Ni0.4～0.8wt％，Cr+Mo+Nb+V+W17～22wt％，P≤0.03wt％， S≤0.03wt％，余量为Fe及不可避免杂质。该发明外层得到的石墨降低了摩擦系数，而一定数量的硬质碳化物增强了轧辊的耐磨性能，该组织能有效减少末机架甩尾对轧辊造成的伤害，改善了球墨铸铁的球化等级和提高了抗拉强度，大大增强了轧辊的抗事故性。中国发明专利CN 108660361A还公开了一种热轧无缝钢管用高速钢辊环的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：①先在中频感应电炉内熔炼高速钢钢水，并将高速钢钢水的化学组成及其质量分数控制在3.22-3.45％ C,1.07-1.22％W,2.39-2.61％Mo,1.55-1.86％V,12.44-12.67％Cr,0.37-0.54％ Mn,0.63-0.87％Si,0.29-0.41％Al,≤0.035％S,≤0.035％P,余量Fe，当钢水温度达到1586-1609℃时，将钢水出炉到钢包，钢包内预先加入多元合金颗粒，多元合金颗粒的尺寸为4-6mm，多元合金颗粒的化学组成及其质量分数为6.04～7.71％ Ce,6.15-7.48％La,10.10-11.29％Bi,5.02-5.31％Sb,3.54-4.25％Mg,22.07-26.59％ Si,余量为Fe和不可避免的微量杂质，多元合金颗粒的加入量占进入钢包内钢水质量分数的1.26-1.45％；②步骤①钢包内的钢水经扒渣、静置后，当温度降至 1452-1475℃时，将钢水浇入铸型，并在钢水浇注过程中，随钢水流浇入高硅钙钡锌合金颗粒，高硅钙钡锌合金颗粒尺寸1-3mm，高硅钙钡锌合金颗粒的化学组成及其质量分数为：60.14-63.78％Si,5.07-5.53％Ca,5.52-5.80％Ba, 11.74-12.11％Zn,≤0.50％C,≤0.04％P,≤0.06％S,余量为Fe，高硅钙钡锌合金颗粒的加入量占进入铸型内钢水质量分数的2.63-2.88％；③钢水浇注1-2小时后，开箱取出铸件，经打磨清砂后，得到高速钢辊环毛坯，高速钢辊环毛坯经粗加工后，在其表面涂覆高温防氧化涂料，涂料厚度0.50-0.80mm，然后将涂覆有涂料的高速钢辊环毛坯随炉加热至1120-1135℃，保温2-2.5小时后，炉冷至温度1020-1035℃，保温90-100分钟后，在温度为60-85℃的淬火油中淬火冷却20-25 分钟，随后将高速钢辊环在炉温为300-380℃的炉内随炉加热至580-595℃，加热速度为8℃/20分钟，保温5-6小时，随后炉冷至温度低于200℃，继续将辊环以30℃/30分钟的速度随炉加热至530-545℃，保温8-10小时后，炉冷至温度低于120℃，出炉空冷至室温，最后精加工至规定尺寸和精度，即可获得热轧无缝钢管用高速钢辊环。
中国发明专利CN111136246A公开了一种高速钢轧辊的制备方法，包括如下工序：分别熔炼辊身外层高速钢水、中间层半钢钢水和芯部铁水；依次浇注轧辊的外层、中间层和芯部；待高速钢轧辊铸坯浇注完毕24-48h后，取出并冷却至常温，进行粗加工、淬火和二次回火处理以及精加工，即得高速钢轧辊；其中，铸造工序中，采用超声波辅助离心浇注法铸造辊身外层，超声功率为700-800W，重力倍数计为220-350G。该发明制备方法采用超声波辅助离心铸造，有效地改善高速钢凝固组织中碳化物的形态及分布，使轧辊外层基体上获得大量细小均匀、弥散分布的MC碳化物，减轻合金元素的偏析，全面提升了轧辊的综合力学性能。中国发明专利CN111101062A还公开了一种热轧改良的离心复合铸造的高 Nb高速钢轧辊，包括以下质量百分比的组分：1.50～1.70％的C，1.40～1.60％的Si，0.60～1.00％的Mn，1.00～1.50％的Ni，5.00～8.00％的Cr，3.00～5.00％的Mo，1.00～3.00％的W，4.00～6.00％的Nb，1.00～2.00％的V，≤0.03％的S，≤0.03％的P，其余为Fe及不可避免的杂质。同时，该发明还公开了上述高Nb 高速钢轧辊的制备方法。该发明替代热轧粗轧工作辊较长使用的高铬钢轧辊，打破传统的离心复合高速钢的成份限制，此产品可以覆盖目前热轧机架上的全部工作辊，也可以用于棒线轧辊上，并保证了整个轧辊耐磨性的一致性。
中国发明专利CN110964986A还公开了一种硅铝铬轧辊抗高温氧化高硼高速钢，包括C：0.38％～0.56％，B：1.32％～1.85％，Cr：4.25％～5.00％，Al： 1.0％～1.55％，W：1.0％～1.45％，Mo：0.8％～1.25％，V：0.55％～0.85％， Mn：0.50％～1.00％，Si：1.82％～2.35％，其余为Fe和不可避免的微量杂质。该发明中的高硼高速钢的抗蚀相/SiO2内氧化物双向协同钉扎作用能够提高材料的抗氧化和抗剥落性能，可以为进一步开发能可靠服役于高温工况的高速钢轧辊材料提供研究思路。使得浇注过程受到影响，保证产品致密性以及整体尺寸稳定性。中国发明专利CN107891138A还公开了一种用于制作金属瓦楞板的超高钒高速钢轧辊的制备工艺：步骤一：确定化学成分：包括用于制作金属瓦楞板的超高钒高速钢压辊的外层、中间层、辊颈的化学成分；步骤二：浇注；采用离心浇注，浇注过程采用钢水防氧化剂全覆盖铁水表面；采用陶瓷过滤网过滤钢水内细小非金属夹杂和未溶合金氧化物颗粒；步骤三：冷开箱中温热处理：冷开箱粗车辊身， 800℃-850℃中温处理，保温5h，风冷至常温。该发明通过离心铸造成型、特殊的中温热处理得到超高钒高速钢，该产品硬度落差低，孔型表面质量光滑，制备过程可降低对环境的污染。中国发明专利CN110343839A还公开了一种高速钢轧辊的热处理工艺，高速钢是一种复杂的钢种,含碳量一般在0.70～1.65％之间。含合金元素量较多，总量可达10～25％。按所含合金元素不同可分为：①钨系高速钢(钨9～18％)；②钨钼系高速钢(钨5～12％，钼2～6％)；③高钼系高速钢(钨 0～2％，钼5～10％)；④钒高速钢，按含钒量的不同又分一般含钒量(钒1～2％) 和高含钒量(钒2.5～5％)的高速钢；⑤钴高速钢(钴5～10％)。按用途不同高速钢又可分为通用型和特殊用途两种。该发明高速钢的热处理工艺，在淬火过程中进行一次预热，保证了淬火的工艺要求，增强了材料的冲击韧性，进行两次回火处理，使回火更加充分。中国发明专利CN109778065A还公开了一种高钛高速钢轧辊及其制造方法，属于金属材料技术领域。该发明高钛高速钢轧辊化学组分以质量百分含量表示为：1.4～1.8C、0.2～0.5Si、0.2～0.5Mn、0～0.03P、0～0.03S、 0.6～1.0Ni、1.5～2.0Mo、2.0～5.0Ti、11～13Cr，其余为Fe和不可避免杂质。该发明高钛高速钢轧辊材料中，W、Mo、V等贵重金属的加入量较少，成本显著降低，节约珍惜矿产资源。中国发明专利CN107475641A还公开了一种高速钢轧辊的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S001：分别熔炼辊身外层钢水、中间层半钢钢水和芯部球墨铸铁铁水，待用；所述辊身外层钢水包括以下重量百分比组分：C：1.5％～2.5％，Si：0.5％～1.5％，Mn：0.5％～1.2％，V：2％～ 5％，Cr：3％～8％，Ni：0.6％～1％，Mo：2％～5％，W：0.5％～2％，Zr：0.5％～2％，N：0.1％～0.5％，以及余量Fe；S002：根据离心铸造法，采用所述辊身外层钢水、中间层半钢钢水和芯部球墨铸铁铁水依次浇注轧辊的辊身外层、中间层和芯部，得高速钢轧辊铸坯；S003：待所述高速钢轧辊铸坯浇注完毕 24h～48h后，取出并冷却至常温，进行淬火和二次回火处理；即得高速钢轧辊。中国发明专利CN109652626A还公开了高速钢轧辊铸造余热热处理方法，包括以下步骤：S1：开箱，高速钢轧辊在离心铸造完毕后，在铸型内结晶凝固冷却后根据公式计算出的开箱时间开箱；所述公式为：时间＝开箱系数×轧辊铸件直径，单位：时间-h，直径-dm；S2：淬火，高速钢轧辊电阻炉内均温一段时间后速度快速升温后保温，出炉风冷；S3：回火。该发明通过经大量试验所得的公式计算出开箱时间，较传统冷开箱的轧辊在热处理环节可节能50％以上，并缩短了热处理周期和轧辊的制造成本，处理获得的轧辊硬度高，且晶粒细小，碳化物无聚集长大现象，性能优良，大大降低了热处理环节的能源和时间消耗。中国发明专利CN108130486A针对高速钢轧辊生产成本高的问题，设计一种离心铸造高硼高速钢。铸态高硼高速钢辊环组织由马氏体、少量残余奥氏体及硼碳化物组成，硼碳化物由M2(B,C)，(W,Mo)2(B,C)，M3(B,C)以及M23(B,C)6组成，呈鱼骨状、筛网状和块状沿晶界分布；快速冷却下，辊环径向上合金元素无偏析。经1050℃水淬后，共晶硼碳化物形貌和分布没有变化，部分二次硼碳化物溶解，局部有断网现象，基体中出现细小、弥散的二次析出物，经525℃回火后数量明显增加。处理后，硬度达到60.8HRC，冲击韧性可达到8.4J/cm2。中国发明专利 CN105033227A还公开了一种适用于窄带钢轧机用的高钒高速钢复合轧辊的制造方法。所述制造方法包括采用离心浇注方法浇注辊身外层，浇注完辊身外层高钒高速钢水后，往辊身外层型腔内持续通入惰性气体，当高钒高速钢外层温度达到1220～1280℃时停止离心机转动，同时停止惰性气体吹入，然后合箱浇注辊身芯部铁水。该发明明显提高了外层高钒高速钢与芯部铁水的结合率，结合率由 40％提高至100％，结合强度由350Mpa提升至450Mpa，使得高钒高速钢轧辊辊身结合层抗剥落性大大提高；同时能够有效去除芯部铁水溶蚀外层的碳化物形成元素量，从而改善了辊颈组织，提高了辊颈强度，杜绝了使用中的断辊现象。
但是，上述高速钢轧辊组织中，普遍存在辊身碳化物组织粗大，碳化物呈网状分布的不足，导致高速钢轧辊强韧性下降，高速钢轧辊使用过程中易发生开裂、剥落事故，严重时发生断辊事故，严重影响高速钢轧辊的正常使用。为了解决上述难题，国内外普遍在高速钢轧辊中，加入较多的钒元素，实现了碳化物从网状 M6C型变成了孤立分布MC型碳化物，但是，钒元素价格昂贵，钒的大量加入增加了高速钢轧辊生产成本，此外，钒的大量加入，导致MC型碳化物尺寸粗大，从而使高速钢韧性下降，导致高速钢轧辊使用中易出现剥落，降低轧辊使用寿命。
发明内容
本发明的目的，通过对高速钢进行多元素复合变质处理，实现碳化物形态的孤立分布和尺度的明显减小，从而大幅度提高高速钢轧辊力学性能和耐磨性，确保高速钢轧辊的安全使用。本发明可以通过以下具体工艺来实现。
复合变质处理高速钢轧辊制备方法，具体工艺步骤如下：
①先在中频感应电炉内熔炼高速钢轧辊材料，并将炉内钢水的化学组成及其质量分数控制在2.32-2.49％C,4.17-4.33％W,4.80-4.98％Mo,9.63-9.85％Cr, 0.48-0.66％Mn,0.57-0.81％Si,<0.035％S,<0.040％P,余量Fe；然后将钢水升温至 1615-1626℃，保温4-5分钟后，加入占炉内钢水质量分数0.45-0.50％的金属铝进行脱氧和合金化，继续保温5-6分钟后，加入占炉内钢水质量分数3.2-3.5％的硼铁进行合金化，当硼铁完全熔化后，继续将钢水升温至1627-1639℃，然后将钢水出炉到钢包；
②钢水全部进入钢包后，用喂丝机将含有变质剂的合金线喂入钢水内，合金线插入到钢包内钢水下部，合金线头部距离钢包底部距离120-150mm；合金线由低碳钢带和包裹在钢带内的变质剂粉组成；合金线制造方法是：将低碳钢钢带表皮经轧制机组压制成U型，在线同步向表皮中添加变质剂粉，添加变质剂粉后的表皮在成形辊轧制下合口呈O型断面的合金线毛坯，采用高频焊接在合口处进行焊接，使有缝管成为无缝管，再经逐道拉拔、减径后制备出无缝合金线；低碳钢带的化学组成及其质量分数为：0.13-0.22％C,0.20-0.35％Si％, 1.25-1.38％Mn,4.66-4.80％Ni,6.28-6.47％Al,<0.03％S,<0.03％P,余量Fe；合金线直径Φ3-4mm；合金线加入量占进入钢包内钢水质量分数的3.5-4.0％；
③合金线全部加入钢水5-6分钟后，对钢水扒渣处理，当钢水温度降至 1442-1457℃时，将钢水浇入高速旋转的离心铸造机上的铸型内，铸型转速 880-900rpm；钢水全部进入铸型后，立即喷水冷却铸型外表面，喷水冷却80-100 秒后，停止喷水冷却，并将铸型转速调高至1100-1120rpm，旋转3-4分钟后，将铸型转速降至920-940rpm，当高速钢内表面温度为1293-1326℃时，停机在静态下浇注温度为1324-1347℃的辊芯球墨铸铁铁水，浇注完毕并静置20-24小时后，取出轧辊，经清砂打磨后进行粗加工；
④将粗加工后的轧辊重新加热至1030-1045℃，保温2-3小时后，出炉风冷至辊面温度为450-490℃时，重新入炉加热至550-580℃，保温10-12小时后，炉冷至温度为330-350℃，继续入炉加热至520-540℃，保温16-18小时后，炉冷至温度低于120℃，出炉空冷至室温，再精加工至规定尺寸和精度，即可获得复合变质处理高速钢轧辊。
如上所述硼铁的化学组成及质量分数为：19.89-20.42％B,≤0.5％C,≤2％Si,≤0.5％Al,≤0.01％S,≤0.1％P,余量Fe。
如上所述变质剂粉占所述合金线总质量分数的36～38％；变质剂粉由硅钙合金粉、KMnO4粉、镁包覆纳米ZrN粉、锌粉和稀土硅铁粉组成；硅钙合金粉、 KMnO4粉、镁包覆纳米ZrN粉、锌粉、稀土硅铁粉分别占变质剂粉质量分数的 20-22％,20-22％,18-20％,12-15％,24-26％，硅钙合金粉、稀土硅铁粉、锌粉的尺寸为15-20μm，KMnO4粉的尺寸为80-100目，ZrN的尺寸为40-70nm；镁占镁包覆纳米ZrN粉质量分数的35-38％。
如上所述稀土硅铁粉的化学组成及质量分数为：28.40-29.57％RE, 39.57-40.26％Si,<3.0％Mn,<5.0％Ca,<3.0％Ti，余量为Fe。
如上所述硅钙合金粉的化学组成及质量分数为：42.83-43.39％Si, 15.07-15.41％Ca,≤0.8％C,≤0.04％P,≤0.06％S，余量为Fe。
本发明采用中频感应电炉熔炼高速钢轧辊材料，工艺简便，钢水成分容易调整。本发明高速钢轧辊，工作层是耐磨高速钢材料。高速钢钢水中含有 4.17-4.33％W,4.80-4.98％Mo，钨、钼是强碳化物形成元素，加入高速钢中，易生成W6C和Mo2C等高硬度碳化物，有利于提高高速钢轧辊的耐磨性，部分钨和钼，固溶于基体，能够提高基体红硬性，从而可以提高高速钢轧辊高温耐磨性。但是W6C和Mo2C以网状形式存在于高速钢中，会降低高速钢的强度和韧性。加入9.63-9.85％Cr，可以生成M7C3和M23C6型碳化物，且M23C6型碳化物在高温热处理过程中，易固溶于基体，有利于提高高速钢淬透性，还可以提高高速钢轧辊的抗氧化性。钢水熔清后，将钢水升温至1615-1626℃，保温4-5分钟后，加入占炉内钢水质量分数0.45-0.50％的金属铝进行脱氧和合金化。铝除了脱氧，改善钢水质量外，铝是非碳化物形成元素，固溶于基体，可以提高基体抗氧化性和高温红硬性，从而有利于高速钢轧辊高温耐磨性的提高。加入金属铝以后，继续保温5-6分钟，加入占炉内钢水质量分数3.2-3.5％的硼铁进行合金化。高速钢中加入硼后，在凝固过程中，易生成硬度高的M2B型硼化物，从而提高高速钢轧辊耐磨性。部分硼固溶于基体，提高基体淬透性和淬硬性，促进高速钢轧辊耐磨性的进一步提高。但是，M2B型硼化物呈网状分布于基体，会割裂基体连续性，降低高速钢轧辊强度和韧性，导致高速钢轧辊使用中易发生开裂和剥落。
为了提高高速钢轧辊强度和韧性，本发明当钢水全部进入钢包后，用喂丝机将含有变质剂的合金线喂入钢水内，合金线插入到钢包内钢水下部，合金线头部距离钢包底部距离120-150mm。为了确保合金线快速熔化到钢水中，当钢水升温至1627-1639℃，然后将钢水出炉到钢包。为了提高变质剂的变质效果，确保变质剂稳定发挥作用，本发明合金线由低碳钢带和包裹在钢带内的变质剂粉组成。先将低碳钢钢带表皮经轧制机组压制成U型，在线同步向表皮中添加变质剂粉，添加变质剂粉后的表皮在成形辊轧制下合口呈O型断面的合金线毛坯，采用高频焊接在合口处进行焊接，使有缝管成为无缝管，可以确保变质剂不会漏出来。再经逐道拉拔、减径后制备出无缝合金线。低碳钢带的化学组成及其质量分数为：0.13-0.22％C,0.20-0.35％Si％,1.25-1.38％Mn,4.66-4.80％Ni,6.28-6.47％Al, <0.03％S,<0.03％P,余量Fe。其中，加入4.66-4.80％Ni和1.25-1.38％Mn，主要是为了提高低碳钢带的强度和塑性，确保合金线制备过程中不会断裂，且能很好的包裹变质剂粉。加入6.28-6.47％Al，确保合金线能快速熔入到高速钢钢水中。合金线直径Φ3-4mm；合金线加入量占进入钢包内钢水质量分数的3.5-4.0％。
本发明合金线中，为了确保变质效果，变质剂粉占所述合金线总质量分数的 36～38％。变质剂粉由硅钙合金粉、KMnO4粉、镁包覆纳米ZrN粉、锌粉和稀土硅铁粉组成；硅钙合金粉、KMnO4粉、镁包覆纳米ZrN粉、锌粉、稀土硅铁粉分别占变质剂粉质量分数的20-22％,20-22％,18-20％,12-15％,24-26％，硅钙合金粉、稀土硅铁粉、锌粉的尺寸为15-20μm，KMnO4粉的尺寸为80-100目，ZrN 的尺寸为40-70nm；镁占镁包覆纳米ZrN粉质量分数的35-38％。其中，加入纳米ZrN粉的目的，主要是利用纳米ZrN粉可以作为W6C和M2B的结晶核心，促进W6C和M2B的断网和孤立分布。但是纳米ZrN粉直接加入钢水中易团聚，不利于作为形核核心促进W6C和M2B的断网和孤立分布。因此，本发明在纳米 ZrN粉外层包覆金属镁，镁沸点低，只有1107℃，加入到钢水中，会携带纳米 ZrN粉均匀分布于钢水中，发挥纳米ZrN粉的促进形核作用。镁是活性元素，本身具有脱氧脱硫作用，降低凝固温度，促进凝固组织细化。加入硅钙合金粉、锌粉和稀土硅铁粉，可以进一步促进凝固组织的细化，特别是硅钙合金中的Ca与 Mg及纳米ZrN复合作用，可以促进W6C和M2B的断网和孤立分布，并使其显著细化。此外，变质剂粉中的KMnO4，在高温钢水作用下可分解成Mn2O3、K2O 和氧气，而K2O在高温钢水作用下，又会发生以下反应：
Figure BDA0002581867400000081
K(钾)存在于高速钢钢水中，可以促进M7C3和W6C及Mo2C的细化，有利于高速钢强韧性的提高。钾还具有良好的脱氧、脱硫能力，提高金属熔体过冷度，细化凝固组织，防止轧辊铸造生产中出现裂纹。
合金线全部加入钢水5-6分钟后，对钢水扒渣处理，当钢水温度降至1442-1457℃时，将钢水浇入高速旋转的离心铸造机上的铸型内，铸型转速 880-900rpm。本发明高速钢轧辊浇注过程中，铸型先低转速转动，这是因为高速钢中含有较多密度高的钨元素，如果转速太高，钨元素因离心力作用会发生偏析，因此转速控制在880-900rpm。钢水全部进入铸型后，立即喷水冷却铸型外表面，可以加快高速钢轧辊凝固，并细化轧辊组织。为了得到致密高速钢轧辊，喷水冷却80-100秒后，停止喷水冷却，并将铸型转速调高至1100-1120rpm，旋转3-4分钟后，将铸型转速降至920-940rpm，当高速钢内表面温度为1293-1326℃时，停机在静态下浇注温度为1324-1347℃的辊芯球墨铸铁铁水，浇注完毕并静置20-24小时后，取出轧辊，经清砂打磨后进行粗加工。本发明将粗加工后的轧辊重新加热至1030-1045℃，保温2-3小时，部分碳化物固溶于基体，提高基体中合金元素含量，有利于随后淬火提高轧辊硬度和耐磨性。当出炉风冷至辊面温度为450-490℃时，轧辊内应力大，需要重新入炉加热至550-580℃，保温10-12 小时后，炉冷至温度330-350℃。一方面可以消除轧辊淬火内应力，另一方面，加速部分残余奥氏体转变为马氏体，促进轧辊硬度进一步提高。继续入炉加热至520-540℃，保温16-18小时后，炉冷至温度低于120℃，出炉空冷至室温，再精加工至规定尺寸和精度，即可获得复合变质处理高速钢轧辊。
本发明与现有技术相比，具有以下特点：
1、本发明轧辊不含价格昂贵的钴、铌、钒等合金元素，轧辊制造成本低，市场竞争力强；
2、本发明轧辊经复合变质处理后，碳化物和硼化物由连续网状分布变成孤立均匀分布，且显微组织明显细化，促进高速钢轧辊强韧性大幅度提高，在辊面硬度大于85HSD情况下，抗拉强度大于850MPa，冲击韧性大于25J/cm2；
3、本发明轧辊具有优异的抗氧化性，良好的抗疲劳性能和抗高温磨损性能，在热轧棒材轧机精轧机组上，轧制Φ16mm普碳螺纹钢，单槽过钢量超过1800 吨，使用寿命比常用高镍铬无限冷硬铸铁轧辊提高5倍以上。
附图说明
图1变质处理高速钢轧辊示意图：
1—轧辊工作层(高速钢)；2—轧辊辊芯(球墨铸铁)。
具体实施方式
以下结合实施例，对本发明做进一步详述，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1：
一种复合变质处理高速钢轧辊制备方法，采用1000公斤中频感应电炉熔炼高速钢，采用离心机浇注轧辊工作层1高速钢，具体工艺步骤如下：
①先在1000公斤中频感应电炉内熔炼高速钢轧辊材料，并将炉内钢水的化学组成及其质量分数控制在2.32％C,4.33％W,4.80％Mo,9.85％Cr,0.48％Mn, 0.81％Si,0.031％S,0.038％P,余量Fe；然后将钢水升温至1615℃，保温5分钟后，加入占炉内钢水质量分数0.45％的金属铝进行脱氧和合金化，继续保温6分钟后，加入占炉内钢水质量分数3.2％的硼铁(所述硼铁的化学组成及质量分数为： 19.89％B,0.21％C,1.25％Si,0.19％Al,0.008％S,0.064％P,余量Fe)进行合金化，当硼铁完全熔化后，继续将钢水升温至1627℃，然后将钢水出炉到钢包；
②钢水全部进入钢包后，用喂丝机将含有变质剂的合金线喂入钢水内，合金线插入到钢包内钢水下部，合金线头部距离钢包底部距离150mm；合金线由低碳钢带和包裹在钢带内的变质剂粉组成；变质剂粉由硅钙合金粉(所述硅钙合金粉的化学组成及质量分数为：43.39％Si,15.07％Ca,0.55％C,0.028％P,0.036％S，余量为Fe)、KMnO4粉、镁包覆纳米ZrN粉、锌粉和稀土硅铁粉(所述稀土硅铁粉的化学组成及质量分数为：29.57％RE,39.57％Si,1.05％Mn,1.84％Ca, 1.62％Ti，余量为Fe)组成；硅钙合金粉、KMnO4粉、镁包覆纳米ZrN粉、锌粉、稀土硅铁粉分别占变质剂粉质量分数的22％,20％,20％,12％,26％，硅钙合金粉、稀土硅铁粉、锌粉的尺寸为15-20μm，KMnO4粉的尺寸为80-100目，ZrN 的尺寸为40-70nm；镁占镁包覆纳米ZrN粉质量分数的38％；变质剂粉占所述合金线总质量分数的38％；合金线制造方法是：将低碳钢钢带表皮经轧制机组压制成U型，在线同步向表皮中添加变质剂粉，添加变质剂粉后的表皮在成形辊轧制下合口呈O型断面的合金线毛坯，采用高频焊接在合口处进行焊接，使有缝管成为无缝管，再经逐道拉拔、减径后制备出无缝合金线；低碳钢带的化学组成及其质量分数为：0.22％C,0.20％Si％,1.38％Mn,4.66％Ni,6.47％Al,0.018％S,0.025％P,余量Fe；合金线直径Φ4mm；合金线加入量占进入钢包内钢水质量分数的4.0％；
③合金线全部加入钢水5分钟后，对钢水扒渣处理，当钢水温度降至1442℃时，将钢水浇入高速旋转的离心铸造机上的铸型内，铸型转速880rpm；钢水全部进入铸型后，立即喷水冷却铸型外表面，喷水冷却80秒后，停止喷水冷却，并将铸型转速调高至1100rpm，旋转3分钟后，将铸型转速降至920rpm，当高速钢1内表面温度为1293-1302℃时，停机在静态下浇注温度为1324℃的辊芯球墨铸铁2铁水，浇注完毕并静置20小时后，取出轧辊，经清砂打磨后进行粗加工；
④将粗加工后的轧辊重新加热至1030℃，保温3小时后，出炉风冷至辊面温度为450-462℃时，重新入炉加热至550℃，保温12小时后，炉冷至温度为 330℃，继续入炉加热至540℃，保温16小时后，炉冷至温度低于120℃，出炉空冷至室温，再精加工至规定尺寸和精度，即可获得复合变质处理高速钢轧辊。轧辊力学性能见表1。
实施例2：
一种复合变质处理高速钢轧辊制备方法，采用1000公斤中频感应电炉熔炼高速钢，采用离心机浇注轧辊工作层1高速钢，具体工艺步骤如下：
①先在1000公斤中频感应电炉内熔炼高速钢轧辊材料，并将炉内钢水的化学组成及其质量分数控制在2.49％C,4.17％W,4.98％Mo,9.63％Cr,0.66％Mn, 0.57％Si,0.030％S,0.031％P,余量Fe；然后将钢水升温至1626℃，保温4分钟后，加入占炉内钢水质量分数0.50％的金属铝进行脱氧和合金化，继续保温6分钟后，加入占炉内钢水质量分数3.5％的硼铁(所述硼铁的化学组成及质量分数为： 20.42％B,0.14％C,0.82％Si,0.26％Al,0.005％S,0.083％P,余量Fe)进行合金化，当硼铁完全熔化后，继续将钢水升温至1639℃，然后将钢水出炉到钢包；
②钢水全部进入钢包后，用喂丝机将含有变质剂的合金线喂入钢水内，合金线插入到钢包内钢水下部，合金线头部距离钢包底部距离120mm；合金线由低碳钢带和包裹在钢带内的变质剂粉组成；变质剂粉由硅钙合金粉(所述硅钙合金粉的化学组成及质量分数为：42.83％Si,15.41％Ca,0.33％C,0.028％P,0.034％S，余量为Fe)、KMnO4粉、镁包覆纳米ZrN粉、锌粉和稀土硅铁粉(所述稀土硅铁粉的化学组成及质量分数为：28.40％RE,40.26％Si,1.27％Mn,3.05％Ca, 0.94％Ti，余量为Fe)组成；硅钙合金粉、KMnO4粉、镁包覆纳米ZrN粉、锌粉、稀土硅铁粉分别占变质剂粉质量分数的20％,22％,18％,15％,25％，硅钙合金粉、稀土硅铁粉、锌粉的尺寸为15-20μm，KMnO4粉的尺寸为80-100目，ZrN 的尺寸为40-70nm；镁占镁包覆纳米ZrN粉质量分数的35％；变质剂粉占所述合金线总质量分数的36％；合金线制造方法是：将低碳钢钢带表皮经轧制机组压制成U型，在线同步向表皮中添加变质剂粉，添加变质剂粉后的表皮在成形辊轧制下合口呈O型断面的合金线毛坯，采用高频焊接在合口处进行焊接，使有缝管成为无缝管，再经逐道拉拔、减径后制备出无缝合金线；低碳钢带的化学组成及其质量分数为：0.13％C,0.35％Si％,1.25％Mn,4.80％Ni,6.28％Al,0.020％S,0.027％P,余量Fe；合金线直径Φ3mm；合金线加入量占进入钢包内钢水质量分数的3.5％；
③合金线全部加入钢水6分钟后，对钢水扒渣处理，当钢水温度降至1457℃时，将钢水浇入高速旋转的离心铸造机上的铸型内，铸型转速900rpm；钢水全部进入铸型后，立即喷水冷却铸型外表面，喷水冷却100秒后，停止喷水冷却，并将铸型转速调高至1120rpm，旋转4分钟后，将铸型转速降至940rpm，当高速钢1内表面温度为1318-1326℃时，停机在静态下浇注温度为1347℃的辊芯球墨铸铁2铁水，浇注完毕并静置24小时后，取出轧辊，经清砂打磨后进行粗加工；
④将粗加工后的轧辊重新加热至1045℃，保温2小时后，出炉风冷至辊面温度为484-490℃时，重新入炉加热至580℃，保温10小时后，炉冷至温度为 350℃，继续入炉加热至520℃，保温18小时后，炉冷至温度低于120℃，出炉空冷至室温，再精加工至规定尺寸和精度，即可获得复合变质处理高速钢轧辊。轧辊力学性能见表1。
实施例3：
一种复合变质处理高速钢轧辊制备方法，采用1500公斤中频感应电炉熔炼高速钢，采用离心机浇注轧辊工作层1高速钢，具体工艺步骤如下：
①先在1500公斤中频感应电炉内熔炼高速钢轧辊材料，并将炉内钢水的化学组成及其质量分数控制在2.38％C,4.25％W,4.90％Mo,9.77％Cr,0.52％Mn, 0.76％Si,0.034％S,0.037％P,余量Fe；然后将钢水升温至1622℃，保温5分钟后，加入占炉内钢水质量分数0.48％的金属铝进行脱氧和合金化，继续保温6分钟后，加入占炉内钢水质量分数3.3％的硼铁(所述硼铁的化学组成及质量分数为： 20.17％B,0.34％C,1.26％Si,0.29％Al,0.007％S,0.054％P,余量Fe)进行合金化，当硼铁完全熔化后，继续将钢水升温至1630℃，然后将钢水出炉到钢包；
②钢水全部进入钢包后，用喂丝机将含有变质剂的合金线喂入钢水内，合金线插入到钢包内钢水下部，合金线头部距离钢包底部距离140mm；合金线由低碳钢带和包裹在钢带内的变质剂粉组成；变质剂粉由硅钙合金粉(所述硅钙合金粉的化学组成及质量分数为：42.95％Si,15.26％Ca,0.39％C,0.027％P,0.046％S，余量为Fe)、KMnO4粉、镁包覆纳米ZrN粉、锌粉和稀土硅铁粉(所述稀土硅铁粉的化学组成及质量分数为：28.83％RE,39.91％Si,1.06％Mn,2.24％Ca, 1.53％Ti，余量为Fe)组成；硅钙合金粉、KMnO4粉、镁包覆纳米ZrN粉、锌粉、稀土硅铁粉分别占变质剂粉质量分数的21％,21％,19％,15％,24％，硅钙合金粉、稀土硅铁粉、锌粉的尺寸为15-20μm，KMnO4粉的尺寸为80-100目，ZrN 的尺寸为40-70nm；镁占镁包覆纳米ZrN粉质量分数的36％；变质剂粉占所述合金线总质量分数的37％；合金线制造方法是：将低碳钢钢带表皮经轧制机组压制成U型，在线同步向表皮中添加变质剂粉，添加变质剂粉后的表皮在成形辊轧制下合口呈O型断面的合金线毛坯，采用高频焊接在合口处进行焊接，使有缝管成为无缝管，再经逐道拉拔、减径后制备出无缝合金线；低碳钢带的化学组成及其质量分数为：0.18％C,0.26％Si％,1.29％Mn,4.73％Ni,6.35％Al,0.014％S,0.026％P,余量Fe；合金线直径Φ4mm；合金线加入量占进入钢包内钢水质量分数的3.8％；
③合金线全部加入钢水6分钟后，对钢水扒渣处理，当钢水温度降至1448℃时，将钢水浇入高速旋转的离心铸造机上的铸型内，铸型转速890rpm；钢水全部进入铸型后，立即喷水冷却铸型外表面，喷水冷却90秒后，停止喷水冷却，并将铸型转速调高至1110rpm，旋转4分钟后，将铸型转速降至930rpm，当高速钢1内表面温度为1299-1308℃时，停机在静态下浇注温度为1338℃的辊芯球墨铸铁2铁水，浇注完毕并静置22小时后，取出轧辊，经清砂打磨后进行粗加工；
④将粗加工后的轧辊重新加热至1040℃，保温3小时后，出炉风冷至辊面温度为470-484℃时，重新入炉加热至560℃，保温11小时后，炉冷至温度为 340℃，继续入炉加热至530℃，保温17小时后，炉冷至温度低于120℃，出炉空冷至室温，再精加工至规定尺寸和精度，即可获得复合变质处理高速钢轧辊。轧辊力学性能见表1。
表1复合变质处理高速钢轧辊力学性能
Figure BDA0002581867400000131
本发明复合变质处理高速钢轧辊不含价格昂贵的钴、铌、钒等合金元素，轧辊制造成本低，市场竞争力强。本发明轧辊经复合变质处理后，碳化物和硼化物由连续网状分布变成孤立均匀分布，且显微组织明显细化，促进高速钢轧辊强韧性大幅度提高，在辊面硬度大于85HSD情况下，辊身抗拉强度大于850MPa，辊身冲击韧性大于25J/cm2，确保轧辊使用中不会发生剥落和断裂事故。本发明轧辊具有优异的抗氧化性，良好的抗冷热疲劳性能和抗高温磨损性能，在热轧棒材轧机精轧机组上，轧制Φ16mm普碳螺纹钢，单槽过钢量超过1800吨，使用寿命比常用高镍铬无限冷硬铸铁轧辊提高5倍以上。使用本发明轧辊，可以改善轧材表面质量，提高轧材尺寸精度，提高轧机作业率，减轻工人劳动强度，推广应用具有良好的经济和社会效益。

Claims (6)

1.一种复合变质处理高速钢轧辊制备方法，其特征在于，具体工艺步骤如下：
①先在中频感应电炉内熔炼高速钢轧辊材料，并将炉内钢水的化学组成及其质量分数控制在2.32-2.49％C， 4.17-4.33％W， 4.80-4.98％Mo， 9.63-9.85％Cr， 0.48-0.66％Mn， 0.57-0.81％Si， <0.035％S， <0.040％P， 余量Fe；然后将钢水升温至1615-1626℃，保温4-5分钟后，加入占炉内钢水质量分数0.45-0.50％的金属铝进行脱氧和合金化，继续保温5-6分钟后，加入占炉内钢水质量分数3.2-3.5％的硼铁进行合金化，当硼铁完全熔化后，继续将钢水升温至1627-1639℃，然后将钢水出炉到钢包；
②钢水全部进入钢包后，用喂丝机将含有变质剂的合金线喂入钢水内，合金线插入到钢包内钢水下部，合金线头部距离钢包底部距离120-150mm；合金线由低碳钢带和包裹在钢带内的变质剂粉组成；低碳钢带的化学组成及其质量分数为：0.13-0.22％C， 0.20-0.35％Si％， 1.25-1.38％Mn， 4.66-4.80％Ni， 6.28-6.47％Al， <0.03％S， <0.03％P， 余量Fe；合金线直径Φ3-4mm；合金线加入量占进入钢包内钢水质量分数的3.5-4.0％；
③合金线全部加入钢水5-6分钟后，对钢水扒渣处理，当钢水温度降至1442-1457℃时，将钢水浇入高速旋转的离心铸造机上的铸型内，铸型转速880-900rpm；钢水全部进入铸型后，立即喷水冷却铸型外表面，喷水冷却80-100秒后，停止喷水冷却，并将铸型转速调高至1100-1120rpm，旋转3-4分钟后，将铸型转速降至920-940rpm，当高速钢内表面温度为1293-1326℃时，停机在静态下浇注温度为1324-1347℃的辊芯球墨铸铁铁水，浇注完毕并静置20-24小时后，取出轧辊，经清砂打磨后进行粗加工；
④将粗加工后的轧辊重新加热至1030-1045℃，保温2-3小时后，出炉风冷至辊面温度为450-490℃时，重新入炉加热至550-580℃，保温10-12小时后，炉冷至温度为330-350℃，继续入炉加热至520-540℃，保温16-18小时后，炉冷至温度低于120℃，出炉空冷至室温，再精加工至规定尺寸和精度，即可获得复合变质处理高速钢轧辊；
变质剂粉占所述合金线总质量分数的36～38％；变质剂粉由硅钙合金粉、KMnO4粉、镁包覆纳米ZrN粉、锌粉和稀土硅铁粉组成；硅钙合金粉、KMnO4粉、镁包覆纳米ZrN粉、锌粉、稀土硅铁粉分别占变质剂粉质量分数的20-22％， 20-22％， 18-20％， 12-15％， 24-26％，硅钙合金粉、稀土硅铁粉、锌粉的尺寸为15-20μm，KMnO4粉的尺寸为80-100目，ZrN的尺寸为40-70nm；镁占镁包覆纳米ZrN粉质量分数的35-38％。
2.按照权利要求1所述的一种复合变质处理高速钢轧辊制备方法，其特征在于，如上所述硼铁的化学组成及质量分数为：19.89-20.42％B， ≤0.5％C， ≤2％Si， ≤0.5％Al， ≤0.01％S， ≤0.1％P， 余量Fe。
3.按照权利要求1所述的一种复合变质处理高速钢轧辊制备方法，其特征在于，如上所述稀土硅铁粉的化学组成及质量分数为：28.40-29.57％RE， 39.57-40.26％Si， <3.0％Mn， <5.0％Ca， <3.0％Ti，余量为Fe。
4.按照权利要求1所述的一种复合变质处理高速钢轧辊制备方法，其特征在于，如上所述硅钙合金粉的化学组成及质量分数为：42.83-43.39％Si， 15.07-15.41％Ca， ≤0.8％C， ≤0.04％P， ≤0.06％S，余量为Fe。
5.按照权利要求1所述的一种复合变质处理高速钢轧辊制备方法，其特征在于，合金线制造方法是：将低碳钢钢带表皮经轧制机组压制成U型，在线同步向表皮中添加变质剂粉，添加变质剂粉后的表皮在成形辊轧制下合口呈O型断面的合金线毛坯，采用高频焊接在合口处进行焊接，使有缝管成为无缝管，再经逐道拉拔、减径后制备出无缝合金线。
6.按照权利要求1-5任一项所述的方法制备得到的一种复合变质处理高速钢轧辊。
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Pledgor: ANHUI HUANBOWAN HIGH SPEED STEEL MILL ROLL Co.,Ltd.

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