CN113118419A - 电渣重熔复合（再）制造梯度复合层金属轧辊的工艺 - Google Patents

电渣重熔复合（再）制造梯度复合层金属轧辊的工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电渣重熔复合(再)制造梯度复合层金属轧辊的工艺，包括以下步骤：(1)准备轧辊母材，去除辊身的疲劳层及缺陷；(2)选择合金分别制作中、高合金管套和低合金或不锈钢管套；(3)将低合金或不锈钢管套镶套轧辊母材表面，制成辊芯；(4)将辊芯置于水冷结晶器中，将熔融状态的电渣重熔的渣料倒入结晶器中，并将消耗电极套在辊芯外侧并插入结晶器与辊芯之间的电渣层中，通电起弧；(5)通过抽锭装置不断从结晶器中抽出复合完成的复合轧辊；(6)去除复合层表面的平整薄渣层，装入电阻炉进行回火热处理，然后进行机加工、探伤检测及包装。本发明工艺简单，能够获得杂质含量低、组织致密、无成分偏析、无裂纹的梯度复合层。

Description

电渣重熔复合(再)制造梯度复合层金属轧辊的工艺
技术领域
本发明涉及一种利用电渣重熔焊接技术复合制造及复合再制造梯度复合层金属轧辊的工艺，属于金属轧辊的复合制造及复合再制造领域。
背景技术
轧辊是钢铁生产中重要的部件之一，在上机应用中由于受工况环境的影响，经常出现如剥落、磨损、掉块、粘钢、焊道痕迹等现象，致使轧辊失效。而对轧辊表面进行复合(再)制造处理，可以明显延长轧辊寿命，降低轧钢消耗。
目前轧辊复合(再)制造的方法很多。主要方式一为堆焊复合(再)制造，但是由于这种方式堆焊速度慢，一层焊道低(一般1.5mm～2.5mm)，而且堆焊过程时间长，同时堆焊工艺处理不好易导致裂纹、未熔合等缺陷；上机使用后由于易出现焊道痕迹导致过早失效。主要方式二为复合，采用诸如离心复合、全冲洗复合、电渣浇注、旋转电渣浇注复合等技术来制作复合轧辊，但是此种工艺需要复杂的热处理或锻打工艺，不但繁琐而且要经历复杂的热处理，特别是高温热处理，成本增加，浪费严重。
电渣重熔是利用电流通过熔渣时产生的电阻热作为热源进行熔炼的方法。电渣重熔复合制造轧辊，轧辊可垂直放置，自身重量可直接传递到底座上，装配和夹持难度较小，工艺简单。选择合适的复合层材料及简单的回火热处理，能得到性能优良的复合层。但电渣重熔在操作过程中，由于电流不均匀的通过渣池，渣温波动显著：一方面导致轧辊表面熔化不均匀，导致复合层性能不均；另一方面芯棒熔化过多，不仅致使电极棒合金大量被母材稀释，而且会使芯棒母材(如92CrMo)中的碳大量进入熔池，增加焊缝裂纹倾向；再次，芯棒熔化过多，导致芯棒过热降低芯棒的力学性能，多方面导致复合轧辊出现质量问题。
因此，如何采用电渣重熔方式制造出母材熔化量低，熔化均匀，且合金成分及组织均匀对称分布在轧辊两侧，通过退火/回火热处理工艺得到具有良好硬度、强度及韧性等力学性能良好的具有工作层+过渡层或工作层+缓冲层+过渡层的梯度复合层，不仅可大大降低冷、热轧辊的生产成本，而且对于电渣重熔技术的发展具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有轧辊复合(再)制造技术的不足，提供一种利用电渣重熔焊接技术复合制造及复合再制造梯度复合层金属轧辊的工艺，使得不同梯度的复合层界面易于控制，从而实现复合层与母材均匀的结合，获得杂质含量低、组织致密、无成分偏析、无裂纹的梯度复合层。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种电渣重熔复合(再)制造梯度复合层金属轧辊的工艺，包括以下步骤：
(1)准备轧辊母材即芯棒，去除辊身的疲劳层及缺陷；
(2)选择合金进行熔炼，采用离心铸造分别制作合金元素总含量＞5％的中、高合金管套和合金元素总含量≤5％的低合金或不锈钢管套，其中，中、高合金管套作为电渣重熔的消耗电极；
(3)将低合金或不锈钢管套镶套在步骤(1)处理后的轧辊母材表面，制成辊芯；
(4)将辊芯置于水冷结晶器中，将熔融状态的电渣重熔的渣料倒入结晶器中，并将消耗电极套在辊芯外侧并插入结晶器与辊芯之间的电渣层中，通电起弧；
(5)通过抽锭装置不断从结晶器中抽出复合完成的轧辊的复合制造；
(6)去除复合层表面的平整薄渣层，装入电阻炉进行回火热处理，然后进行机加工、探伤检测及包装。
所述步骤(1)中，对于旧辊，首先车削辊身的疲劳层及缺陷，同时选择适当的引入板和引出板，将引入板和引出板分别焊接到芯棒或者管套的上、下部，并对焊缝进行打磨处理。引入板和引出板将开始和结束段引出到芯棒外部，保证芯棒焊接修复层没有缺陷，焊接结束后引入板和引出板可以机械加工去除。引入板一方面可以承载焊料，另一方面焊接开始阶段焊剂熔化形成渣池，温度较低，容易形成夹渣等缺陷，引入板可以为焊料熔化并形成稳定渣池提供空间。引出板可以将渣池引出辊身部分，利于后续除渣。优选地，所述引入板和引出板的厚度分别为35mm以上。
对于新辊，制作的新辊辊面长度比成品尺寸辊面长度长60mm以上。电渣重熔复合焊接完成后可以机械加工去除焊接起弧、收弧时缺陷集中处----轧辊上下端面。
所述步骤(2)中，合金按传统常规方法熔炼，其合金成分按照设计的合金含量要求称量配合料，在一定温度下进行熔炼。熔炼好的钢液进行离心铸造形成环形钢锭，分别制成中、高合金管套(自耗电极)和低合金或不锈钢管套。为了更好达到脱硫、脱氧、去气、去夹杂物的效果，合金熔炼方法可以采用偏心底出钢(EBT)电弧炉初炼、钢包精炼炉(LF)精炼、VD真空除气三者联合。
所述步骤(2)中，中、高合金管套和低合金或不锈钢管套铸造完成后直接装入提前预热到800～1000℃的高温退火炉中，消除应力。
所述步骤(3)中，轧辊母材与低合金或不锈钢管套之间为过盈配合或间隙配合，低合金或不锈钢管套与轧辊母材之间不产生相对移动。
所述步骤(4)中，为保证焊接质量，辊芯绕其中心轴匀速旋转；为保证母材良好的结合及小的热影响，轧辊母材熔化区域单边控制在8mm以下。结晶器的大小需根据复合层的厚度及消耗电极的尺寸制定；结晶器出口处的水温优选为50℃以下。
所述步骤(6)中，回火热处理过程为：缓慢加热到500～600℃，随炉降温至100～200℃，再出炉空冷至室温。
所述梯度复合层的单边厚度为10mm～100mm。
本发明的优点在于：
1、低合金或不锈钢管套镶套到母材上的效果
(1)低合金或不锈钢管套熔化后处于母材熔化区及中、高合金消耗电极中间，起到堆焊焊接打底层的作用，有利于热影响区及裂纹的缺陷的控制，利于表面合金层与低合金或不锈钢合金层与母材均匀的结合；
(2)低合金或不锈钢管套首先被不均匀电流通过渣池形成的电阻热及熔融的金属液的热量熔化，减少了不均匀热量对母材熔化的影响，有利于母材表面的均匀熔化且熔化单边厚度能控制在3～5mm，为轧辊母材获得良好的冶金结合提供了条件；
(3)减少了渣池热量对轧辊母材性能的热损害，特别是强度；同时减少轧辊母材表面的氧化；
(4)合金元素在轧辊对称两边的分布几乎相等，具有良好的表面质量和熔合冶金界面质量；
(5)采用该工艺制造梯度复合轧辊具有制造工艺简单，复合层质量好，生产成本低，结合处显微组织致密、无偏析和裂纹，结合层硬度及强度呈有梯度分布等优点。
2、制作环形电极合金工艺简单，成本较低，且能保证其与芯棒的同心度，可以确保熔化电极与辊芯的中心始终处于中心线位置，保证成型质量，降低控制难度。
3、工艺简单，性价比高
此工艺生产的复合层轧辊具有杂质含量低，组织致密，无成分偏析，无裂纹等特点，不仅克服了堆焊，特别是埋弧堆焊效率低，易产生气孔，裂纹，合金成分不均匀，杂质含量高等缺点；而且工艺过程仅包含冶炼+电渣重熔+回火工艺比传统复合制造工艺节省了复杂高温热处理及锻造工序。
4、消耗电极可根据性能要求灵活调整合金成分，特别是Ti、V等易引起堆焊黏渣的合金。
5、通过选择合适的合金材料及电渣重熔工艺如冷却水，抽锭速度等获得合适的梯度复合层，且力学性能优良。
附图说明
图1为本发明电渣重熔焊接复合(再)制造梯度复合层金属轧辊的工艺流程图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细说明，但所列举的实施例并不用于限制本发明。
如图1所示，为本发明电渣重熔焊接复合(再)制造梯度复合层金属轧辊的工艺流程图。本发明的电渣重熔焊接复合(再)制造梯度复合层金属轧辊的工艺主要包括准备轧辊母材、合金熔炼、离心铸造及装配、电渣重熔、回火热处理、机加工、探伤检测及包装等步骤。
实施例1
对直径为Φ650mm×530mm的92CrMo下线冷轧支撑辊进行电渣重熔堆焊复合再制造，下线后的冷轧支撑辊的直径尺寸为Φ600mm。
1.1首先车削辊身的疲劳层及缺陷。车削到Φ580mm后，经磁粉及超声无损探伤，未发现表面及内部缺陷，得到轧辊母材即芯棒。
1.2选择合适的合金材料，其合金成分按照表1设计的合金含量要求称量配合料，后采用电弧炉EBT初炼、LF精炼、VD真空除气三者联合熔炼。
1.3选择直径为Φ640mm的管模，将熔炼好的钢液浇铸成外直径为Φ640mm，厚度为12mm的环状钢锭(消耗电极)。待芯部铁水完全凝固后开箱，并将钢锭直接装入提前预热到800℃的高温退火炉中保温4小时，消除应力。
1.4选择直径为Φ600mm的管模，将熔炼好的钢液浇铸成外直径为Φ600mm，厚度为10mm的环状钢锭(低合金管套)。待芯部铁水完全凝固后开箱，并将钢锭直接装入提前预热到800℃的高温退火炉中保温4小时，消除应力。
表1电渣重熔后管模的合金成分(wt.％)
C Mn Si Cr V Mo W Ni S+P Fe
低合金管套 0.12 1.22 0.23 2.01 0.11 -- -- 0.5 ≤0.030 余量
高合金管套 0.88 1.54 0.32 6.59 1.04 1.51 1.92 ≤0.030 余量
1.5浇注后的钢锭首先切头和切尾，再进行内外表面车削氧化皮，露出金属光泽。并将Φ600mm的低合金管套镶套在轧辊母材上形成辊芯。
1.6选择两块厚度为40mm，宽100mm，外径为Φ600mm的圆环作为引入板和引出板，采用药芯焊丝J507与92CrMo母材焊接或者与低合金钢管套焊接，焊接时先用火排烘烤母材或管套和圆环的连接处。
1.7根据轧辊Φ650mm制备相应的结晶器，结晶器内径选择为Φ670mm。将轧辊吊装竖直放在底座上，加紧固定；放到环状水冷结晶器内。
1.8随后制备电渣重熔的渣料，并加热至熔融状态，倒入结晶器中，并向结晶器的壳体壁内通入低温冷却水，然后将制备的消耗电极缓慢下降到熔融的电渣重熔的渣料中，并通电起弧。
1.9液体金属以熔滴形式经渣池的渣层下落至下面的水冷结晶器中。在渣池电阻热的预热及熔融的金属液的作用下熔化低合金管套及均匀熔化轧辊表面母材，从而实现良好的冶金结合，在结晶器冷却水助力下重新凝固在轧辊表面，形成梯度复合焊接层。
1.10通过抽锭装置不断从导电结晶器中抽出复合完成的复合轧辊。
1.11为保证焊接质量结晶器出口处的水温不高于40℃；为保证焊接质量的均匀性轧辊可旋转，旋转速度为80mm/min。
1.12热处理
轧辊复合后，放入温度为300℃的炉中随炉冷却；去除轧辊表面的平整薄渣层，装入电阻炉，缓慢加热到550℃，在电阻炉内随炉降温至120℃，再出炉空冷至室温。
1.13检测
复合后轧辊表面硬度为54±1HRC，硬度均匀性能好；磁粉及无损探伤均无缺陷，可按图纸要求进行机加工、探伤检测及包装。
1.14上线(对比实验)
本实施例修复的冷轧支撑辊修复单边厚度为35mm，轧制不锈钢上机应用后表面无剥落，掉块等现象，上机应用已一年半；而采用同等合金体系埋弧堆焊的冷轧支撑辊，其复合后轧辊表面硬度为56±2HRC，在使用至3个月后表面出现剥落，掉块而导致下线；因此，采用本工艺复合再制造的冷轧支撑辊具有良好的性价比。
实施例2
制作直径为Φ450mm×460mm的60CrMoV冷轧支撑辊，要求单边硬面层厚度为80mm。
2.1制作的新辊辊面长度为Φ320mm×540mm的新辊坯，同时车削表面，制成辊面长度为Φ290mm×540mm。
2.2选择合适的合金材料，其合金成分按照表2中设计的合金含量要求称量配合料，后采用电弧炉EBT初炼、LF精炼、VD真空除气三者联合熔炼。
2.3选择直径为Φ420mm的管模，将熔炼好的钢液浇铸成外直径为Φ420mm，厚度为35mm环状钢锭(消耗电极)。待芯部铁水完全凝固后开箱，并将钢锭直接装入提前预热到850℃的高温退火炉中保温6小时，消除应力。
2.4选择直径为Φ330mm的管模，将熔炼好的钢液浇铸成外直径为Φ330mm，厚度为20mm的环状钢锭(不锈钢管套)。待芯部铁水完全凝固后开箱，并将钢锭直接装入提前预热到800℃的高温退火炉中保温4小时，消除应力。
2.5浇注后的钢锭首先切头和切尾，再进行内外表面车削氧化皮，露出金属光泽。并将Φ330mm的不锈钢管套镶套在轧辊母材上形成辊芯。
表2电渣重熔后管模的合金成分(wt.％)
C Mn Si Cr V Mo W Ni Nb S+P Fe
低合金管套 0.08 1.52 0.10 18.01 -- -- -- 8.01 -- ≤0.030 余量
高合金管套 1.08 2.55 0.32 12.69 2.52 1.91 0.42 -- 0.51 ≤0.030 余量
2.6根据轧辊Φ450mm制备相应的结晶器，结晶器内径为Φ480mm。将轧辊吊装竖直放在底座上，加紧固定；放到环状水冷结晶器内。
2.7选择合适的起弧剂放入结晶器中，在化渣前，先冲入保护气体如氩气并排尽空气，并在之后的化渣起弧，正常电渣重熔，充填过程中持续补充保护气体，控制保护气体量为18L/min。
2.8液体金属以熔滴形式经渣池的渣层下落至下面的水冷结晶器中。在渣池电阻热的预热及熔融的金属液的作用下熔化不锈钢管套及均匀熔化轧辊表面母材，从而实现良好的冶金结合，在结晶器冷却水助力下重新凝固在轧辊表面，形成梯度复合焊接层。
2.9通过抽锭装置不断从导电结晶器中抽出复合完成的复合轧辊。
2.10为保证焊接质量结晶器出口处的水温不高于40℃。
2.11热处理
轧辊复合后，放入温度为300℃的炉中随炉冷却；去除轧辊表面的平整薄渣层，装入电阻炉，缓慢加热到550℃，在电阻炉内随炉降温至120℃，再出炉空冷至室温。
2.12检测
复合后轧辊表面硬度为53±1HRC，硬度均匀性能好；磁粉及无损探伤均无缺陷，可按图纸要求进行机加工、探伤检测及包装。
2.13上线(对比实验)
本实施例新制作复合的冷轧支撑辊复合层单边厚度为80mm，轧制不锈钢上机应用后表面无剥落，掉块等现象，上机应用已两年；而采用同等合金体系埋弧堆焊的冷轧支撑辊，其复合后轧辊表面硬度为55±2HRC，在使用4个月后表面出现剥落，磨损严重而导致下线；因此，采用本工艺复合再制造的冷轧支撑辊具有良好的性价比。

Claims (10)

1.一种电渣重熔复合(再)制造梯度复合层金属轧辊的工艺，其特征在于，包括以下步骤：
(1)准备轧辊母材即芯棒，去除辊身的疲劳层及缺陷；
(2)选择合金进行熔炼，采用离心铸造分别制作合金元素总含量＞5％的中、高合金管套和合金元素总含量≤5％的低合金或不锈钢管套，其中，中、高合金管套作为电渣重熔的消耗电极；
(3)将低合金或不锈钢管套镶套在步骤(1)处理后的轧辊母材表面，制成辊芯；
(4)将辊芯置于水冷结晶器中，将熔融状态的电渣重熔的渣料倒入结晶器中，并将消耗电极套在辊芯外侧并插入结晶器与辊芯之间的电渣层中，通电起弧；
(5)通过抽锭装置不断从结晶器中抽出复合完成的轧辊的复合制造；
(6)去除复合层表面的平整薄渣层，装入电阻炉进行回火热处理，然后进行机加工、探伤检测及包装。
2.根据权利要求1所述的电渣重熔复合(再)制造梯度复合层金属轧辊的工艺，其特征在于，在所述步骤(1)中，对于旧辊，首先车削辊身的疲劳层及缺陷，同时选择适当的引入板和引出板，将引入板和引出板分别焊接到芯棒或管套的上、下部，并对焊缝进行打磨处理。
3.根据权利要求2所述的电渣重熔复合(再)制造梯度复合层金属轧辊的工艺，其特征在于，所述引入板和引出板的厚度分别为35mm以上。
4.根据权利要求1所述的电渣重熔复合(再)制造梯度复合层金属轧辊的工艺，其特征在于，在所述步骤(1)中，对于新辊，制作的新辊辊面长度比成品尺寸辊面长度长60mm以上。
5.根据权利要求1所述的电渣重熔复合(再)制造梯度复合层金属轧辊的工艺，其特征在于，所述步骤(2)中，合金熔炼方法采用偏心底出钢(EBT)电弧炉初炼、钢包精炼炉(LF)精炼、VD真空除气三者联合。
6.根据权利要求1所述的电渣重熔复合(再)制造梯度复合层金属轧辊的工艺，其特征在于，所述步骤(2)中，中、高合金管套和低合金或不锈钢管套铸造完成后直接装入提前预热到800～1000℃的高温退火炉中，消除应力。
7.根据权利要求1所述的电渣重熔复合(再)制造梯度复合层金属轧辊的工艺，其特征在于，所述步骤(3)中，轧辊母材与低合金或不锈钢管套之间为过盈配合或间隙配合，低合金或不锈钢管套与轧辊母材之间不产生相对移动。
8.根据权利要求1所述的电渣重熔复合(再)制造梯度复合层金属轧辊的工艺，其特征在于，所述步骤(4)中，轧辊母材熔化区域单边控制在8mm以下。
9.根据权利要求1所述的电渣重熔复合(再)制造梯度复合层金属轧辊的工艺，其特征在于，所述步骤(6)中，回火热处理过程为：缓慢加热到500～600℃，随炉降温至100～200℃，再出炉空冷至室温。
10.根据权利要求1所述的电渣重熔复合(再)制造梯度复合层金属轧辊的工艺，其特征在于，所述梯度复合层的单边厚度为10mm～100mm。
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