CN116005065A - 一种cadi材质无缝钢管用定减径辊环及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种CADI材质无缝钢管用定减径辊环及其制造方法，其中所述的定减径辊环辊环由外层、内层组成，其中内层成分及其重量百分含量为C3.3‑3.8%，Si1.8～3.0%，Mn0.3～0.8%，Cr0.4～1.2%，Cu0.3～0.8%，Ni1.6～3.0%，Mo0.4～1.2%，其中内层成分及其重量百分含量为C3.0～3.6%，Si2.0～2.6%，Mn0.6～1.0，Cr0.1～0.3%，内外层其余成分为Fe和不可避免的杂质。本发明通过铸造热处理形成含碳化物的奥贝球墨铸铁，同时提高了材质的强度和硬度，耐磨性强，抗事故能力高，并提高了材质的抗拉强度和冲击韧度。
Description
技术领域
本发明涉及无缝钢管制造领域，具体涉及一种CADI材质无缝钢管用定减径辊环及其制造方法。
背景技术
定(减)是热轧无缝钢管生产中的最后一道荒管热变形工序，其主要作用是消除前道工序轧制过程中造成的外径不一，以提高热轧成品管的外径精度和圆度。钢管定径、减径和张力减径过程是空心体不带芯棒的连轧过程。目前国内先进的定(减)径机均采用三辊120°等分的轧辊，采用该型式的定(减)径机后管材表面质量好，成品管材的规格较多。
定(减)径机轧辊采用镍铬钼无限冷硬球墨铸铁，硬度为HSD55-60之间。随着轧制支数增加，轧辊逐渐产生磨损，轧辊表面形成凹凸，严重时出现热裂纹，进而直接影响钢管表面质量。一般镍铬钼无限冷硬球墨铸铁材质轧制到4000支时，轧辊表面粗糙，不得到下机车削，影响生产效率。
随着无缝钢管行业的市场竞争日益激烈，最大程度地提高定减径辊环的耐磨性、抗事故能力、抗拉强度和冲击韧度，并提高定减径辊环上机使用后的单次轧制量，成为迫切需要本领域技术人员解决的技术问题。
含碳化物的等温淬火球墨铸铁(CADI)不仅继承了等温淬火球墨铸铁(ADI)的高韧性，还极大地提升了材料的硬度和耐磨性。但是，作为CADI最重要的制造工序，球墨铸铁的等温淬火工艺存在工艺难度大、生产线投资成本高等缺陷。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述问题，在成本不增加的情况下，提供了一种高硬度、高耐磨性的CADI材质无缝钢管用定减径辊环及其制造方法，即将所述定减径辊环采用双层复合金属离心铸造生产，利用特殊的钢水冶炼和热处理步骤等，使所述定减径辊环达到外硬内韧的技术效果。
具体地，本发明提供了一种CADI材质无缝钢管用定减径辊环，其由外层、内层组成，其中内层化学成分及其重量百分含量为C3.3-3.8％，Si1.8～3.0％，Mn0.3～0.8％，Cr0.4～1.2％，Cu0.3～0.8％，Ni1.6～3.0％，Mo0.4～1.2％，其中内层化学成分及其重量百分含量为C3.0～3.6％，Si2.0～2.6％，Mn0.6～1.0％，Cr0.1～0.3％，内、外层的其余化学成分为Fe和不可避免的杂质。
另外，本发明提供了上述辊环的制造方法，其包括如下步骤：
A.钢水冶炼
A1.按无缝钢管用定减径辊环的内、外层化学成分及其重量百分含量进行配料，分别置于中频炉中冶炼，得到内、外层初练钢水；
A2.内、外层初练钢水出炉时，使用堤坝包，包内加入球化剂0.6-1.2％和长效孕育剂0.2-0.4％，并用铁屑覆盖；其中，球化剂优选稀土镁球化剂(QRMg8RE3)，长效孕育剂优选钡硅铁(BaSiFe)。
A3.外层铁水出炉温度控制在1420-1480℃，内层铁水出炉温度控制在1380-1440℃，出炉后，加入复合孕育剂0.2-0.4％，搅拌，其中复合孕育剂优选硅钙(Ca-Si)；
B.离心浇注
B1.离心机转速控制在400-600r/min，浇注外层时，随流加入瞬时孕育剂0.05-0.1％，随流加入玻璃渣0.5-1.0kg/t，其中瞬时孕育剂优选硅铁(Fe-Si)；
B2.外层浇注完毕5-10min后，浇入内层铁水；
C.热处理
C1.热开箱：在离心浇注过程中，进行型腔测温，当温度在950-1050℃时，立即热开箱；
C2.喷淬：开箱后把辊环置于卧式旋转平台上，进行强制冷却，使其绕过珠光体转变区；
C3.贝氏体转变：冷却进入贝氏体区，装热处理炉保温，温度控制在300-400℃；
C4.去应力：保温10-20小时后，温度提升至350-450℃，继续保温10-20h。
C5.出炉空冷：保温结束后，出炉，空冷至室温，精车至成品。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤A中内、外层钢水分别置于不同中频炉进行冶炼，外层钢水冶炼时，由于合金含量较高，熔炼时间较长，同时，外层钢水优先浇注，因此外层钢水冶炼时，优先送电0.5-1.0h。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤A1的配料包括先后将生铁、废钢、料头加入中频炉。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤B1浇注前15min开启离心机，控制外层浇注温度1320-1380℃。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤B3中内层浇注温度控制在1280-1340℃。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤C1快速开箱，当内腔温度达到950-1050℃后，开箱时间≤5min，优选2-5min。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤C2根据贝氏体转变原理图(见图1)控制冷却速度，喷淬要求快速操作，开箱完成，迅速把辊环放置在卧式喷淬机上，并打开喷嘴，总时间控制≤5min，优选3-4min，所述冷却速度要求≥1℃/s，优选1.3-1.5℃/s。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤C3贝氏体转变，当辊环外圆温度达到200-220℃后，停止喷淬，并立即放入热处理炉中，热处理炉应提前预热至300℃。
由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：
(1)现有技术中，球墨铸铁的等温淬火工艺主要分为两个阶段：(1)奥氏体化阶段，将ADI球墨铸铁材料加热至奥氏体化温度，保温至完全转变为成分均匀的富碳奥氏体组织；(2)等温淬火阶段，将完全奥氏体化的球墨铸铁材料在盐浴液中迅速淬火至奥氏体贝氏体相变温度区间(220-400℃)，保温，空冷至室温。因此，现有技术的球墨铸铁的等温淬火工艺存在工艺难度大、盐浴液生产线投资成本高等缺陷。而本发明采用铸造铁水组织转变，配合强制冷却工艺，实现了铸态直接转变为含碳化物的奥贝组织，工艺流程更短，生产成本极低，非常适合工业化生产。
(2)本发明的无缝钢管用定减径辊环，通过铸造热处理形成含碳化物的奥贝球墨铸铁，与传统的铸造镍铬钼无限冷硬球墨铸铁材质相比具有显著优势：传统的镍铬钼无限冷硬球墨铸铁为珠光体组织，硬度为55-60HSD，而本发明无缝钢管用定减径辊环的硬度高达70-75HSD，耐磨性成倍增长。另外，传统的镍铬钼无限冷硬球墨铸铁的抗拉强度为400-500Mpa，冲击韧度≤5J/cm2，而本发明无缝钢管用定减径辊环的抗拉强度高达600-800Mpa，冲击韧度高达30-50J/cm2，轧制事故率降至零。
(3)本发明的无缝钢管用定减径辊环制造方法，通过优化冶炼工艺参数，降低了轧辊的P、S等有害元素；并通过优化热处理工艺参数，提高了轧辊的硬度、耐磨性、抗事故性等综合性能。
(4)与镍铬钼无限冷硬球墨铸铁材质的定减径辊环相比，本发明的无缝钢管用定减径辊环，上机表现更好，单次轧制量可以提高至8000-10000支，在线寿命提升2-4倍。
附图说明
图1为贝氏体转变原理图；
图2为本发明实施例1制造的无缝钢管用定减径辊环的金相图(含贝氏体+碳化物+残奥)；
图3为本发明实施例2制造的无缝钢管用定减径辊环的金相图(含贝氏体+碳化物+残奥)；
图4为本发明实施例3制造的无缝钢管用定减径辊环的金相图(含贝氏体+碳化物+残奥)；
图5为对照例1制造的无缝钢管用定减径辊环的金相图(球化不良)；
图6为对照例2制造的无缝钢管用定减径辊环的金相图(珠光体+碳化物)。
具体实施方式
实施例1本发明CADI材质无缝钢管用定减径辊环
本发明的无缝钢管用定减径辊环内、外层成分及其重量百分含量如下表：
内、外层其余为Fe和不可避免的杂质。
所述无缝钢管用定减径辊环的制造方法，包括如下步骤：
A.钢水冶炼
A1.分别按无缝钢管用定减径辊环内、外层各部分化学成分的要求，将生铁、废钢、料头等按照先后顺序分别加入两台中频炉，外层铁水优先送电40min，得到内、外层初练钢水；
A2.外层、内层出炉时，分别使用堤坝包，在堤坝包一侧加入球化剂1.0％稀土镁球化剂(QRMg8RE3)，其实覆盖0.4％长效孕育剂钡硅铁(BaSiFe)，最后用铁屑覆盖；
A3.外层铁水出炉温度控制在1450℃，内层铁水出炉温度控制在1430℃快速出炉，出炉后，加入0.4％复合孕育剂硅钙(CaSi)，并进行搅拌；
B.离心浇注
B1.提前15min打开离心机，离心机转速控制在400-600r/min，测温外层温度1345℃外层开始浇注，随流加入0.1％瞬时孕育剂硅铁(Fe-Si)，随流加入1.0kg/t玻璃渣；
B2.外层浇注结束5min后，测温内层铁水温度1306℃，开始浇入内层铁水。
C.热处理
C1.热开箱：在离心浇注过程中，进行型腔测温，当温度达到1040℃时，立即热开箱，开箱时间3min；
C2.喷淬：开箱后立即把辊环放置在卧式旋转平台上(开箱至喷淬时间1min)，立即打开旋转电机及喷嘴及测温装置，进行强制冷却，平均冷速控制1.3℃/s；
C3.贝氏体转变：当辊环外圆测温200℃时，停止喷淬，冷却进入贝氏体区，置入提前预热至300℃的热处理炉保温，温度控制在300-400℃；
C4.去应力：保温10-20小时后，温度提升至350-450℃，继续保温10-20h。
C5.出炉空冷：保温结束后，出炉空冷至室温，进行精车至成品。
经检测，本发明实施例1制造的无缝钢管用定减径辊环孔型硬度为70～75HSD(较常规镍铬钼无限冷硬球墨铸铁高10-20HSD)，其金相组织请见附图2。另外，所述辊环的上机表现良好，耐磨性较常规材质提升2.0倍，在线寿命提升3.0倍。
实施例2本发明CADI材质无缝钢管用定减径辊环
本发明的无缝钢管用定减径辊环内、外层成分及其重量百分含量如下表：
内外层其余为Fe和不可避免的杂质。
所述无缝钢管用定减径辊环的制造方法，包括如下步骤：
A.钢水冶炼
A1.分别按无缝钢管用定减径辊环内、外层各部分化学成分的要求，将生铁、废钢、料头等按照先后顺序分别加入两台中频炉，外层铁水优先送电50min，得到内、外层初练钢水；
A2.外层、内层出炉时，分别使用堤坝包，在堤坝包一侧加入球化剂0.6％(QRMg8RE3)和长效孕育剂0.2％钡硅铁(BaSiFe)，最后用铁屑覆盖；
A3.外层铁水出炉温度控制在1480℃，内层铁水出炉温度控制在1380℃快速出炉，出炉后，加入0.2％复合孕育剂硅钙(CaSi)，并进行搅拌；
B.离心浇注
B1.提前15min打开离心机，离心机转速控制在400-600r/min，测温外层温度1380℃外层开始浇注，随流加入0.05％瞬时孕育剂硅铁(Fe-Si)，随流加入0.5kg/t玻璃渣；
B2.外层浇注结束10min后，测温内层铁水温度1340℃，开始浇入内层铁水。
C.热处理
C1.热开箱：在离心浇注过程中，进行型腔测温，当温度达到1050℃时，立即热开箱，开箱时间2min30s；
C2.喷淬：开箱后立即把辊环放置在卧式旋转平台上(开箱至喷淬时间1min30s)，立即打开旋转电机及喷嘴及测温装置，进行强制冷却，平均冷速控制1.4℃/s；
C3.贝氏体转变：当产品外圆测温220℃时，冷却进入贝氏体区，置入提前预热至300℃的热处理炉保温，温度控制在300-400℃；
C4.去应力：保温10-20小时后，温度提升至350-450℃，继续保温10-20h。
C5.出炉空冷：保温结束后，出炉空冷至室温，进行精车至成品。
经检测，本发明实施例2制造的无缝钢管用定减径辊环孔型硬度为70～75HSD(较常规镍铬钼无限冷硬球墨铸铁高10-20HSD)，其金相组织请见附图3。另外，所述辊环的上机表现良好，耐磨性较常规材质提升2.0倍，在线寿命提升3.2倍。
实施例3本发明CADI材质无缝钢管用定减径辊环
本发明的无缝钢管用定减径辊环内、外层成分及其重量百分含量如下表：
内外层其余为Fe和不可避免的杂质。
所述无缝钢管用定减径辊环的制造方法，包括如下步骤：
A.钢水冶炼
A1.分别按无缝钢管用定减径辊环内、外层各部分化学成分的要求，将生铁、废钢、料头等按照先后顺序分别加入两台中频炉，外层铁水优先送电60min，得到内、外层初练钢水；
A2.外层、内层出炉时，分别使用堤坝包，在堤坝包一侧加入球化剂1.2％(QRMg8RE3)和长效孕育剂0.3％钡硅铁(BaSiFe)，最后用铁屑覆盖；
A3.外层铁水出炉温度控制在1420℃，内层铁水出炉温度控制在1440℃快速出炉，出炉后，加入0.3％复合孕育剂硅钙(CaSi)，并进行搅拌；
B.离心浇注
B1.提前15min打开离心机，离心机转速控制在400-600r/min，测温外层温度1320℃外层开始浇注，随流加入0.08％瞬时孕育剂硅铁(Fe-Si)，随流加入0.7kg/t玻璃渣；
B2.外层浇注结束8min后，测温内层铁水温度1280℃，开始浇入内层铁水。
C.热处理
C1.热开箱：在离心浇注过程中，进行型腔测温，当温度达到950℃时，立即热开箱，开箱时间2min10s；
C2.喷淬：开箱后立即把辊环放置在卧式旋转平台上(开箱至喷淬时间1min40s)，立即打开旋转电机及喷嘴及测温装置，进行强制冷却，平均冷速控制1.5℃/s；
C3.贝氏体转变：当产品外圆测温210℃时，冷却进入贝氏体区，置入提前预热至300℃的热处理炉保温，温度控制在300-400℃；
C4.去应力：保温10-20小时后，温度提升至350-450℃，继续保温10-20h。
C5.出炉空冷：保温结束后，出炉空冷至室温，进行精车至成品。
经检测，本发明实施例3制造的无缝钢管用定减径辊环孔型硬度为70～75HSD(较常规镍铬钼无限冷硬球墨铸铁高10-20HSD)，其金相组织请见附图4。另外，所述辊环的上机表现良好，耐磨性较常规材质提升2.0倍，在线寿命提升3.1倍。
对照例1
与实施例1相比，对照例1的无缝钢管用定减径辊环内、外层成分及其重量百分含量相同，制造方法有且仅有如下区别：对照例1不包括步骤A2和A3。
经检测，对照例1制造的无缝钢管用定减径辊环孔型硬度为55～65HSD，其金相组织请见附图5。另外，所述辊环的上机表现较差，耐磨性较常规材质无提升2.0倍，在线寿命与常规材质相当。
对照例2
与实施例1相比，对照例2的无缝钢管用定减径辊环内、外层成分及其重量百分含量相同，制造方法有且仅有如下区别：对照例2将C步骤替换为“(1)C1开箱时间延长至20min；(2)C2不进行喷淬。
经检测，对照例2制造的无缝钢管用定减径辊环孔型硬度为50-55HSD，其金相组织请见附图6。另外，所述辊环的上机表现较差，耐磨性较常规材质降低，在线寿命是常规材质的0.8倍。
实验例
经检测，本发明实施例1-3与常规镍铬钼无限冷硬球墨铸铁性能指标对比
Claims (9)
1.一种CADI材质无缝钢管用定减径辊环，其特征在于，其由外层、内层组成，其中内层化学成分及其重量百分含量为C3.3-3.8%，Si1.8～3.0%，Mn0.3～0.8%，Cr0.4～1.2%，Cu0.3～0.8%，Ni1.6～3.0%，Mo0.4～1.2%，其中内层化学成分及其重量百分含量为C3.0～3.6%，Si2.0～2.6%，Mn0.6～1.0%，Cr0.1～0.3%，内、外层的其余化学成分为Fe和不可避免的杂质。
2.一种权利要求1所述定减径辊环的制造方法，包括如下步骤：
A.钢水冶炼
A1.按无缝钢管用定减径辊环的内、外层化学成分及其重量百分含量进行配料，分别置于中频炉冶炼，得到内、外层初练钢水；
A2.内、外层初练钢水出炉时，使用堤坝包，包内加入球化剂0.6-1.2%和长效孕育剂0.2-0.4%，并用铁屑覆盖，外层钢水出炉温度控制在1420-1480℃，内层钢水出炉温度控制在1380-1440℃；
A3. 内、外层钢水出炉后，加入复合孕育剂0.2-0.4%，搅拌；
B.离心浇注
B1. 浇注外层时，离心机转速控制在400-600r/min，随流加入瞬时孕育剂0.05-0.1%，随流加入玻璃渣0.5-1.0kg/t；
B2.外层浇注完毕5-10min后，浇入内层钢水；
C.热处理
C1.热开箱：在离心浇注过程中，进行型腔测温，当温度在950-1050℃时，立即热开箱；
C2.喷淬：将辊环置于卧式旋转平台上，强制冷却，使其绕过珠光体转变区；
C3.贝氏体转变：冷却进入贝氏体区，装热处理炉保温10-20小时，温度控制在300-400℃；
C4.去应力：提升温度至350-450℃，继续保温10-20h；
C5.出炉空冷：出炉，空冷至室温，精车至成品。
3.根据权利要求2所述的制造方法，其中步骤A1所述置于中频炉冶炼，包括先后将生铁、废钢、料头加入中频炉。
4.根据权利要求2所述的制造方法，其中步骤A1所述冶炼，外层钢水比内层钢水提前送电0.5-1.0h。
5.根据权利要求2所述的制造方法，所述步骤B1中，浇注前15min开启离心机，控制外层浇注温度1320-1380℃。
6.根据权利要求2所述的制造方法，所述步骤B2中，内层浇注温度控制在1280-1340℃。
7.根据权利要求2所述的制造方法，所述步骤C1的开箱时间≤5min。
8.根据权利要求2所述的制造方法，所述步骤C2根据附图1控制冷却速度，喷淬总时间≤5min，冷却速度≥1℃/s。
9.根据权利要求2所述的制造方法，所述步骤C3的贝氏体转变中，辊环外圆温度达200-220℃时停止喷淬，立即放入提前预热至300℃的热处理炉中。
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