CN117381234A - 一种用于热轧立辊堆焊的药芯焊丝及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于热轧立辊堆焊的药芯焊丝及其应用，涉及焊接材料和堆焊技术领域，该药芯焊丝包括焊丝外皮和药芯；药芯包括以下组分：石墨0.8‑2.0％、锰粉1.8‑4.5％、铬粉6.0‑15％、钼粉1.0‑2.5％、钒铁0.2‑0.5％、Nb‑1Zr铌锆合金4.5‑11.5％、金属硅0.9‑2.0％、镍粉2.5‑6.3％、钪土0.02‑0.05％和活性剂1.0‑2.5％，余量为铁。堆焊修复热轧立辊时形成Nb‑Cr系多元合金，具有耐磨性、红硬性和热强性高的优点，再制造立辊单次上机轧制量较原半钢立辊和高铬铸铁立辊有成倍数的增长，而且在正常下机后能多次堆焊修复，降低辊耗和生产成本。
Description
技术领域
本发明属于焊接材料和堆焊技术领域，具体涉及一种用于热轧立辊堆焊的药芯焊丝及其应用。
背景技术
热轧生产线E1、E2轧机所用的立辊主要用于控制带钢的宽度精度，保证板材侧边的平整，辊面使用部位为一个梯形开口的孔型，重达10-20吨。传统的立辊为半钢、合金铸钢或合金锻钢，硬度在40-50HSD左右，在使用过程中存在着耐磨性、抗热裂性、抗压痕能力不足、换辊周期短和磨损量大等问题。随着技术的进步，后研究了材质为高铬铸铁和高铬铸钢的立辊，有较好的耐磨性，但抗热裂性能还是不足。
立辊使用时位于热轧生产线粗轧区域，板坯厚，温度高达1200-1250℃，加之板坯的轧制速度较慢，立辊与板坯接触部位的瞬间温度在1100℃左右，该温度基本达到金属材料的极限使用温度，这是导致立辊在使用时存在热裂性差的问题。目前传统立辊存在使用周期短，需频繁更换等问题，而立辊的换辊和拆装工作量大，严重影响轧机的作业率和轧制产量。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种用于热轧立辊堆焊的药芯焊丝及其应用，堆焊修复热轧立辊时形成Nb-Cr系多元合金，具有耐磨性、红硬性和热强性高的优点，再制造立辊单次上机轧制量较原半钢立辊和高铬铸铁立辊有成倍数的增长，而且在正常下机后能多次堆焊修复，降低了辊耗和生产成本。
为实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种用于热轧立辊堆焊的药芯焊丝，其特征在于，包括质量百分数为50-80％的焊丝外皮和20-50％的药芯；以药芯焊丝总质量百分比计，药芯包括以下组分：石墨0.8-2.0％、锰粉1.8-4.5％、铬粉6.0-15％、钼粉1.0-2.5％、钒铁0.2-0.5％、Nb-1Zr铌锆合金4.5-11.5％、金属硅0.9-2.0％、镍粉2.5-6.3％、钪土0.02-0.05％和活性剂1.0-2.5％，余量为铁。
进一步，以药芯焊丝总质量百分比计，药芯包括以下组分：石墨1.4％、锰粉3.15％、铬粉10.5％、钼粉1.75％、钒铁0.35％、Nb-1Zr铌锆合金7.88％、金属硅1.58％、镍粉4.38％、钪土0.04％和活性剂1.75％，余量为铁。
进一步，焊丝外皮为低碳钢带。
焊丝外皮的原料为SPCC和H08A等冷轧优质钢带，选择时严格控制钢带的S、P含量。
进一步，焊丝直径为2.5-4.0mm。
药芯焊丝的断面为O型或E型，焊丝直径通常为2.5mm、3.2mm或4.0mm。基于立辊辊径较大，为提高堆焊效率，以及为确保立壁的堆焊成型控制，焊丝直径选择为3.2mm。
进一步，药芯各组分的粒度为80-150目。
进一步，其制备方法为：将焊丝外皮轧制为U型，然后填入混合均匀的药芯，再将焊丝外皮轧制闭合即可。
活性剂为可以通过市售购买获得的常规产品，加入活性剂的目的主要有两个：一是作为稀释剂，使焊缝中的气体易于逸出；二是脱硫，硫与氢结合挥发，减少白点倾向。若选用萤石为活性剂也不能加太多，因为萤石中的氟属于高电离元素，会影响电弧稳定。该药芯焊丝焊接后，熔敷金属化学成分中含有极少量的不可避免的杂质，如Mn、Si、S和P等，但都在允许范围内。
采取本发明方案的有益效果是：
(1)Nb-1Zr铌锆合金具有良好的加工和焊接性能，其中含有W、Mo、Ti、V、Nb等中强和高强碳化物形成元素，在堆焊过程及焊后热处理的过程中能形成多种碳化物硬质相，保证工作层金属硬度和强度，并且铌合金在1093-1427℃范围内比强度最高，与板坯温度相匹配，满足立辊在高温环境下所需的耐氧化、耐腐蚀、抗热疲劳和耐金属间磨损性能；
(2)选用铬粉和石墨为焊接提供足够的铬和碳元素，Cr主要起提高钢的淬透性，从而影响轧辊辊身淬硬层的深度；石墨提供的C与Cr和铌锆合金中的、Mo、V、Nb、Ti、W等元素形成中强和高强碳化物硬质相。本发明专利不采用以碳化铬的方式加入，这是因为以碳化铬的方式加入时，在堆焊后的堆焊金属回火组织上，随回火温度的提高，堆焊金属的组织粗大且碳化物析出量增加，并且位错密度降低，导致在接触温度达1100℃的使用条件下堆焊金属的高温抗拉强度和硬度下降，反而耐磨性能变差。同时，加入石墨能使堆焊金属形成石墨化组织，提高润滑效果，降低轧制时接触面的摩擦，减少磨损量；
(3)金属钼主要是渗合金，它形成碳化物的能力较Cr和W强，且较W有更高的耐磨性，同时增加钢的红硬性，消除钢的脆性，显著提高冲击韧性。适量加少量的钒是对铌锆合金中钒的量不足做的补充，另外，Nb的夺碳能力强于V，让更多的V溶于基体，起到沉淀强化的作用，V和Ti的碳化物均有利于减少偏析，并生成难熔的碳化物，细化晶粒，提高强韧性。镍粉可以提高堆焊金属的韧性、强度和耐腐蚀性，加入适量Ni还可以大为改善其热敏感性；
(4)锰和硅都是钢材的基本元素，Mn和Si合理加入，一是保证堆焊金属中各自的合金含量，发挥各自的性能，二是焊接过程中用于脱氧和脱硫。材料自带的Al以及加入的钪土均有利于除去堆焊过程中的杂质作用，使焊缝金属洁净，更好地发挥堆焊金属的性能；
(5)钪作为一种过渡族元素以及稀土元素加到合金中，不仅能够通过显著细化铸态合金晶粒，提高再结晶温度从而提高钪合金的强度和韧性，而且能显著改善合金的可焊性、耐热性和抗蚀性。
本发明还提供了上述用于热轧立辊堆焊的药芯焊丝在热轧立辊堆焊修复中的应用。
进一步，堆焊方法依次包括以下步骤：
(1)将立辊升温至420-440℃预热16-20h，然后进行埋弧自动堆焊，每堆焊23-27mm厚进行一次中间热处理；
(2)将堆焊完成后的立辊升温至420-440℃保温3h，然后升温至490-510℃保温3-5h，再升温至530-540℃保温12-16h，最后降至室温进行车削加工，得再制造立辊。
再进一步，步骤(1)中，立辊为锻钢45辊芯的新辊或其他基体材质的旧辊，旧辊基体材质多为60CrNiMo铸钢或中高碳合金锻钢。旧辊需通过着色探伤或磁粉探伤对立辊表面探伤，通过超声波探伤对辊体内部探伤，内部有影响使用的缺陷不做堆焊修复。
再进一步，步骤(1)中，所述中间热处理为将立辊以层间温度入炉，以≤30℃/h的速度升温至500-510℃后保温12-16h。
再进一步，步骤(2)中，所述埋弧自动堆焊的参数包括：电源极性为直流反接；焊丝直径为3.2mm；焊接电流为350-420A；焊接电压为30-33V；焊接速度为300-500mm/min；干伸长为25-35mm；偏心距为30-40mm；相邻焊道搭接量为60-70％；层间温度为380-420℃。
再进一步，步骤(2)中，以≤30℃/h的升温速度升温至420-440℃保温3h，然后以≤30℃/h的升温速度升温至490-510℃保温3-5h，再以≤20℃/h的升温速度升至530-540℃保温12-16h，最后以≤20℃/h的降温速度降至室温。
采取本发明方案的有益效果是：
(1)采用本发明生产的埋弧焊药芯焊丝配相应焊剂应用于热轧立辊堆焊后，堆焊金属具有高红硬性和耐磨性，在使用过程中辊身表面不粘钢，也改变了国内外一些制造单位用铸铁和半钢材质来生产制造立辊的方法；
(2)该应用方法为传统的埋弧自动堆焊，易于掌握和操作，省去了保温堆焊过渡层，能直接堆焊工作层，新制造的立辊质量佳，解决了传统立辊存在的表面龟裂、结巴、掉块和磨损严重的问题；
(3)堆焊所用新辊辊芯为优质碳素钢，旧辊基体为中高碳合金钢，在预热后均有较好的可焊性，在保证基体无影响堆焊或使用的缺陷时，车削掉疲劳层后可进行多次堆焊，以此再制造该立辊，从而克服铸铁立辊和半钢不能进行堆焊修复的问题，更好地降低了辊耗和生产成本。
综上所述，本发明具有以下优点：
1、本发明用于热轧立辊堆焊的药芯焊丝为确保堆焊金属的耐磨性、红硬性、热强性，在选择原料时，一方面要控制原料的有害元素S、P的含量，避免其对堆焊金属的不利影响；另一方面，要重点考虑在堆焊金属中含有较高的难熔金属，利用其高温强度好、密度大、导热性好、线膨胀系数小、弹性模量高及抗腐蚀性能优异的特点。
2、本发明用于热轧立辊堆焊的药芯焊丝基于材料性能出发，采取多元合金化的方法，利用W、Ti、V、Zr和Ni等微量元素实现了微合金强韧化。该焊丝经匹配相应焊剂，堆焊后的金属合金体系为Nb-Cr系，具体为Nb-Cr-Ti-W-Ni-V多元合金，具有耐磨性、红硬性和热强性高的优点，
3、再制造立辊单次上机轧制量较原半钢立辊和高铬铸铁立辊有成倍数的增长，而且在正常下机后在基体质量保证的前提下能多次堆焊修复，进一步降低了辊耗和生产成本。
附图说明
图1为传统立辊下机辊面图；
图2为再制造立辊下机辊面图。
具体实施方式
实施例1
一种用于热轧立辊堆焊的药芯焊丝，包括质量分数为80％的焊丝外皮和20％的药芯；以药芯焊丝总质量百分比计，药芯包括以下组分：石墨0.8％、锰粉1.8％、铬粉6.0％、钼粉1.0％、钒铁0.2％、Nb-1Zr铌锆合金4.5％、金属硅0.9％、镍粉2.5％、钪土0.02％和活性剂1.0％，余量为铁；焊丝外皮为H08A钢带。
实施例2
一种用于热轧立辊堆焊的药芯焊丝，包括质量分数为65％的焊丝外皮和35％的药芯；以药芯焊丝总质量百分比计，药芯包括以下组分：石墨1.4％、锰粉3.15％、铬粉10.5％、钼粉1.75％、钒铁0.35％、Nb-1Zr铌锆合金7.88％、金属硅1.58％、镍粉4.38％、钪土0.04％和活性剂1.75％，余量为铁；焊丝外皮为SPCC钢带。
实施例3
一种用于热轧立辊堆焊的药芯焊丝，包括质量分数为50％的焊丝外皮和50％的药芯；以药芯焊丝总质量百分比计，药芯包括以下组分：石墨2.0％、锰粉4.5％、铬粉15％、钼粉2.5％、钒铁0.5％、Nb-1Zr铌锆合金11.5％、金属硅2.0％、镍粉6.3％、钪土0.05％和活性剂2.5％，余量为铁；焊丝外皮为SPCC钢带。
实施例4
使用实施例2获得的用于热轧立辊堆焊的药芯焊丝堆焊热轧立辊，步骤如下：
(1)将锻钢45辊芯的新辊升温至430℃预热18h，然后进行埋弧自动堆焊，埋弧自动堆焊的主要参数包括：电源极性为直流反接；焊丝直径为3.2mm；焊接电流为380A；焊接电压为32V；焊接速度为400mm/min；干伸长为30mm；偏心距为35mm；相邻焊道搭接量为65％；层间温度为400℃；埋弧自动堆焊期间，每堆焊25mm厚以30℃/h的速度升温至500℃后保温12h进行中间热处理。
(2)将堆焊完成后的立辊以30℃/h的升温速度升温至430℃保温3h，然后以30℃/h的升温速度升温至500℃保温4h，再以20℃/h的升温速度升至535℃保温15h，最后以20℃/h的降温速度降至室温进行车削加工，得再制造立辊。
实施例4制得的再制造立辊辊面硬度为HS72-78(或56HRC±2)。
传统立辊和实施例4制得的再制造立辊下机辊面图分别如图1和图2所示。传统立辊40-45万吨/次，再制造立辊135-160万吨/次，为传统立辊水平的3-4倍；同时，传统立辊每次下机的磨损量和修磨时达6-7mm，再制造立辊仅为1.5-2mm；再制造立辊成倍提高了从最大辊径至最小辊径的上机使用次数，并成倍减少了换辊次数及换辊所需的人工和物料消耗，提高了轧机的作业率，提高了产量。
综上所述，本发明用于热轧立辊堆焊的药芯焊丝，堆焊后的金属性能优良，生成的硬质相保证了工作层金属有很好的高温强度、高温硬度和稳定的组织性能，在使用中热疲劳性能好，辊面光滑，而且孔型保持良好，单次上机轧制量高，产品质量稳定。
虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可作出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。
Claims (10)
1.一种用于热轧立辊堆焊的药芯焊丝，其特征在于，包括质量百分数为50-80％的焊丝外皮和20-50％的药芯；以药芯焊丝总质量百分比计，所述药芯包括以下组分：石墨0.8-2.0％、锰粉1.8-4.5％、铬粉6.0-15％、钼粉1.0-2.5％、钒铁0.2-0.5％、Nb-1Zr铌锆合金4.5-11.5％、金属硅0.9-2.0％、镍粉2.5-6.3％、钪土0.02-0.05％和活性剂1.0-2.5％，余量为铁。
2.如权利要求1所述的用于热轧立辊堆焊的药芯焊丝，其特征在于，以药芯焊丝总质量百分比计，所述药芯包括以下组分：石墨1.4％、锰粉3.15％、铬粉10.5％、钼粉1.75％、钒铁0.35％、Nb-1Zr铌锆合金7.88％、金属硅1.58％、镍粉4.38％、钪土0.04％和活性剂1.75％，余量为铁。
3.如权利要求1或2所述的用于热轧立辊堆焊的药芯焊丝，其特征在于，所述焊丝外皮为低碳钢带。
4.如权利要求1或2所述的用于热轧立辊堆焊的药芯焊丝，其特征在于，焊丝直径为2.5-4.0mm。
5.如权利要求1所述的用于热轧立辊堆焊的药芯焊丝，其特征在于，所述药芯各组分的粒度为80-150目。
6.如权利要求1所述的用于热轧立辊堆焊的药芯焊丝，其特征在于，其制备方法为：将焊丝外皮轧制为U型，然后填入混合均匀的药芯，再将焊丝外皮轧制闭合即可。
7.权利要求1-6任一项所述的用于热轧立辊堆焊的药芯焊丝在热轧立辊堆焊修复中的应用。
8.如权利要求7所述的应用，其特征在于，堆焊方法依次包括以下步骤：
(1)将立辊升温至420-440℃预热16-20h，然后进行埋弧自动堆焊，每堆焊23-27mm厚进行一次中间热处理；
(2)将堆焊完成后的立辊升温至420-440℃保温3h，然后升温至490-510℃保温3-5h，再升温至530-540℃保温12-16h，最后降至室温进行车削加工，得再制造立辊。
9.如权利要求8所述的应用，其特征在于，步骤(1)中，所述中间热处理为将立辊以层间温度入炉，以≤30℃/h的速度升温至500-510℃后保温12-16h。
10.如权利要求8所述的应用，其特征在于，步骤(2)中，所述埋弧自动堆焊的参数包括：电源极性为直流反接；焊丝直径为3.2mm；焊接电流为350-420A；焊接电压为30-33V；焊接速度为300-500mm/min；干伸长为25-35mm；偏心距为30-40mm；相邻焊道搭接量为60-70％；层间温度为380-420℃。
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