CN1718322A - 一种复合轧辊的电磁连续铸造方法及铸造设备 - Google Patents

Abstract

一种复合轧辊的电磁连续铸造方法及铸造设备，铸造设备的主要特征是采用双电磁水冷结晶器，包括位于结晶器上端的感应补热器和位于结晶器中下部的电磁搅拌器，充入保护性气体的感应预热炉，结晶器振动系统。铸造方法包括：预制辊芯，将定好位的辊芯在感应预热炉内预热到合适温度，然后将其拉至双电磁水冷结晶器的下端，安放好注流槽，启动感应补热器，将熔炼好的轧辊工作层金属液通过注流槽注入到双电磁水冷结晶器中，再依次启动二次冷却系统、结晶器振动系统、电磁搅拌器和拉坯机，将辊坯连续地拉出结晶器，待辊坯出结晶器后喷水冷却。本发明制备的双金属复合轧辊，工作层组织致密、晶粒细小、成分均匀、无偏析，并且具有良好的红硬性和耐磨性。

Description

一种复合轧辊的电磁连续铸造方法及铸造设备

技术领域

本发明涉及双金属界面高温复合技术及双金属构件的连续铸造技术领域，特别涉及复合金属轧辊的连续铸造方法及铸造设备。

背景技术

轧辊在轧钢生产中起着至关重要的作用，同时磨损、消耗量也很大。轧辊的常规制造方法主要有整体铸造、溢流铸造、离心铸造和锻造等方法。整体铸造法得到的是单一成分轧辊，它难以满足使轧辊既具有高韧性的芯部，又具有高耐磨性工作层的要求。为此，出现了用溢流铸造或离心铸造的复合轧辊，但是由于采用这些方法生产的复合轧辊辊芯为铸态组织，因而辊芯的强度和韧性都较差。随着先进轧机和高效轧制技术的问世，推动了轧钢工业发展的同时也促进了轧辊制造业迈向新的技术领域。随后出现了一些新的轧辊制造技术，主要有连续铸造复合法、电渣重熔堆焊法、热等静压法、喷射成型法和液态金属电渣复合法等方法。其中连续铸造复合法最有发展前途，其工作层金属为低合金钢、半高速钢或高速钢等，其中以高速钢最为常见，与传统的轧辊相比，复合轧辊具有优良的耐磨性、红硬性、更高的硬度和更长的使用寿命。它的应用可以大大提高产品质量和轧机作业率，在减少换辊次数和减轻工人劳动强度方面也具有独到的优势。然而，我国对此项技术的研究还处于起步阶段，关键因素是在复合轧辊辊芯和外部工作层之间有一个复合界面，复合界面质量的好坏对轧辊的质量和使用寿命起着极其关键的作用，理想的状态是复合界面达到完全冶金结合的同时，其厚度越小越好。由于生产中采用两种材质，通常其性质相差很大，并且在生产过程中，轧辊工作层金属是液态而芯部的辊芯材料处于固态，这就给复合轧辊的制备带来了很大的困难。但是，随着连续铸钢技术和电磁冶金技术的发展，特别是电磁感应加热和电磁搅拌技术在连续铸钢生产中的的应用、发展和不断完善，为复合轧辊的制造提供了一条新的思路，然而此项技术的发展和完善还需要广大科技工作者的积极努力。

在现有的技术中，复合轧辊的制备按是否预制辊芯，分为以下两种方法：

1.预制辊芯

首先采用锻造或轧制的方法制备强度高、韧性好的辊芯，然后在辊芯外部复合上一定厚度的材质高、硬度高、耐磨性能好、红硬性好、使用寿命长的工作层材料，其中以高碳高速钢最为常见。通常的方法是采用热等静压法或是电渣重熔法(CN1102469C，CN1152486A)，但是这些方法普遍存在着成本高、工艺复杂、生产效率低等缺点，不适合大规模的生产应用。在上世纪九十年代初，日本采用CPC(Continuous pouring process for cladding)法生产出了高速钢复合轧辊，在我国北京钢铁研究总院也对此种方法进行了探索性的研究，取得了一定的成果(CN1102469C、CN1078112C)。他们所采用的方法都是将熔融的高碳高速钢水浇注到垂直装置的钢芯和水冷结晶模之间，使熔融的外层钢水与钢芯融合，然后通过拉拔机构将轧辊向下拉，在通过结晶器时不断凝固，然后不断向下拉出，从而形成具有高碳高速钢外层、锻钢或轧钢芯部的复合轧辊。但是这些方法在浇注过程中都采用了呈漏斗状的中间包，以便在为浇注过程提供温度补偿和在凝固过程提供补缩金属液，该设备体积大、每次浇注消耗大量耐火材料、工艺也复杂。同时在辊芯的预热过程中，辊芯直接暴露在空气中，尽管涂有水玻璃层，但由于预热温度很高，不可避免的要氧化，很大程度上影响了复合层的结合质量，同时水玻璃还污染钢液；另外没有采用二次冷却系统，其拉坯速度很慢、生产率极低，先进的电磁搅拌铸钢技术也没有得到应用。

2.不预制辊芯

主要是采用离心浇注法，首先浇注轧辊外部的工作层，钢水浇完后在工作层的内表面加入保护性剂，工作层金属液凝固一段时间后，再采用静态或离心的方法浇铸辊芯，凝固后形成复合轧辊(CN1439472A、CN1070600A、CN1077401A)。这些方法工艺比较简单，具有一定的可操作性，但是在这些铸造方法中辊芯和外部工作层之间有一个过渡区，称之为复合界面，它的厚度直接影响结合质量，厚度过大或过小都会导致复合失败，而它的厚度在铸造生产中很难控制。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供一种铸造方法及铸造设备简单、拉坯速度快、生产效率高、所得轧辊的工作层和芯部性能都优良的复合轧辊的电磁连续铸造方法及铸造设备。

本发明的复合轧辊电磁连续铸造方法如下：

1、根据生产应用中对辊芯2材质及尺寸的要求，采用机械加工的方式去掉辊芯2外部的氧化层，加工定位孔，并进行酸洗等，预制好复合轧辊的辊芯2；

2、将预制的辊芯2置于双电磁水冷结晶器8的中心轴上，并通过定位引锭头11及辊芯定位架1进行定位；

3、打开双电磁水冷结晶器8的冷却水阀门，然后将定位引锭头11升至感应预热炉3的下部，接通感应预热炉3的电源对辊芯2进行预热，在预热过程中通过安装在感应预热炉3中的保护性气体充入圆环通入保护性气体，使预制好的辊芯2不被氧化，同时感应预热炉3的功率和长度与拉坯速度相匹配，使辊芯2在向下移动的过程中被连续预热，到达双电磁水冷结晶器8的上沿时刚好预热到合适温度，预热温度视辊芯2材质的不同为1100～1400℃；

4、在双电磁水冷结晶器8的上沿，安放好注流槽4，然后启动双电磁水冷结晶器8中的感应补热器6。感应补热器6采用中频补热，在连续浇注过程中，它不仅为金属液提供散热补偿，以利于双金属复合，而且可有效提供补缩金属液，提高轧辊工作层致密度，同时可改善轧辊表面质量；

5、将冶炼好的轧辊工作层金属液7，通过注流槽4浇注到双电磁水冷结晶器8中，浇注温度为1420～1500℃，随后依次启动二次冷却系统12、结晶器振动系统9、电磁搅拌器10和拉坯机13，其中结晶器振动装置9的振动方式采用正弦式振动，振动频率为1.6～2.5Hz，振幅2～6mm，电磁搅拌器10既可以外置于双电磁水冷结晶器8的外部也可以内置于双电磁水冷结晶器8的冷却水中，采用4～15Hz低频电源，在浇注过程中施加低频搅拌电磁场，磁感应强度为0.02～0.08T，促使金属液流动，均匀金属液温度场，有利于夹杂物上浮、细化晶粒，消除偏析和内部缩孔等缺陷，拉坯机13的拉坯速度为0.2～0.4m/min，以保证复合面的复合时间和复合质量；

6、采用连续浇注的方式，同步向下拉动辊芯2和定位引锭头11，到辊芯2上端部浸入金属液7液面时，停止浇注并继续向下拉坯，直至全部拉出为止，拉坯的同时在双电磁结晶器8的出口通过二次冷却系统12向辊坯喷水冷却。

本发明采用的复合轧辊电磁连续铸造设备及待加工工件包括：1辊芯定位架，2辊芯(金属1)，3感应预热炉，4注流槽，5操作平台，6感应补热器，7轧辊工作层金属液(金属2)，8双电磁水冷结晶器，9结晶器振动系统，10电磁搅拌器，11定位引锭头，12二次冷却系统，13拉坯机；其中辊芯(金属1)2及轧辊工作层金属液(金属2)7为待加工工件。辊芯定位架1设置于设备上部，其下方是感应预热炉3，感应预热炉3的功率和长度与拉坯速度相匹配，在感应预热炉3中安装了保护性气体充入圆环，可以通入惰性气体对辊芯进行保护，辊芯定位架1和感应预热炉3能够上下自由移动，方便定位，感应预热炉3的下方设置操作平台5，双电磁水冷结晶器8位于操作平台5的下方，它包括感应补热器6和电磁搅拌器10，感应补热器6设置在双电磁水冷结晶器8的工作层金属液7的液面附近，电磁搅拌器10位于双电磁水冷结晶器8的中下部，它既可以外置于双电磁水冷结晶器8的外部也可以内置于双电磁水冷结晶器8的冷却水中，双电磁水冷结晶器下方设置结晶器振动系统9，二次冷却系统12位于双电磁水冷结晶器的出口处，定位引锭头11开始位于双电磁水冷结晶器8的底部，并与位于地面的拉坯机13相联结，注流槽4安放于双电磁水冷结晶器8的上沿。

本发明具有如下有益效果：

1、感应预热炉中安装有保护性气体充入圆环，并且加热区长度和加热功率与拉坯速度相匹配，使辊芯在感应预热炉中运行的同时完成预热过程，同时由于通有惰性气体对辊芯进行保护，从而使其在预热过程中的氧化最少；

2、在浇注过程中不用中间包，而是通过注流槽直接将金属液注入到双电磁水冷结晶器中，注流槽设有挡渣板；

3、采用了双电磁结晶器，其上部安装感应补热器，使金属液及辊芯的温度在浇注时保持在最佳温度，不仅为金属液提供热补偿，以利于双金属复合，而且可有效提供补缩金属液，提高轧辊工作层致密度，同时改善轧辊表面质量；其下部安装电磁搅拌器，在浇注过程中加入低频搅拌电磁场，促使金属液流动，细化晶粒，促进夹杂物上浮等，同时使金属液温度场均匀化，进一步提供补缩金属液，消除偏析和内部缩孔，提高轧辊的致密度等；

4、采用频率为1.6～2.5Hz、振幅为2～6mm的正弦波对结晶器进行振动，有利于脱模和提高拉速；

5、二次冷却系统的采用，可以对离开结晶器的辊坯进行冷却，提高拉速和避免辊坯变形。

附图说明

附图为复合轧辊铸造设备示意图，图中包括：1辊芯定位架，2辊芯(金属1)，3感应预热炉，4注流槽，5操作平台，6感应补热器，7轧辊工作层金属液(金属2)，8双电磁水冷结晶器，9结晶器振动系统，10电磁搅拌器，11定位引锭头，12二次冷却系统，13拉坯机，其中辊芯2及轧辊工作层金属液7为待加工工件。

具体实施方式

实施例1

复合轧辊电磁连续铸造设备及待加工工件包括：辊芯定位架1，辊芯2(采用45#优质碳素结构钢棒材)，感应预热炉3，注流槽4，操作平台5，感应补热器6，轧辊工作层金属液7(其化学成分按质量百分比为：C1.1％，Cr5.0％，W7.0％，Mo4.3％，V3.8％，其余为Fe)，双电磁水冷结晶器8，结晶器振动系统9，电磁搅拌器10，定位引锭头11，二次冷却系统12，拉坯机13。辊芯定位架1和感应预热炉3能够上下自由移动、方便定位；在感应预热炉3中安装了保护性气体充入圆环，感应预热炉3的功率和长度与拉坯速度相匹配，使辊芯2在连续移动的同时就可以预热到适宜温度；注流槽4安放于双电磁水冷结晶器8的上沿，设有挡渣板；设备采用了双电磁水冷结晶器8，它包括感应补热器6和电磁搅拌器10，双电磁水冷结晶器8是在水冷结晶器外围、位于结晶器工作层金属液面附近设置感应补热器6，在结晶器水平中心线以下设置电磁搅拌器10；双电磁水冷结晶器下方设置结晶器振动系统9，二次冷却系统12位于双电磁水冷结晶器的出口处，定位引锭头11开始位于双电磁水冷结晶器8的底部，并与位于地面的拉坯机13相联结。

实施例2

1、根据生产应用中对辊芯2材质及尺寸的要求，采用机械加工的方式去掉辊芯2外部的氧化层，加工定位孔，并进行酸洗等，预制好复合轧辊的辊芯2；

2、将预制的辊芯2置于双电磁水冷结晶器8的中心轴上，并通过定位引锭头11及辊芯定位架1进行定位；

3、打开双电磁水冷结晶器8的冷却水阀门，然后将定位引锭头11升至感应预热炉3的下部，接通感应预热炉3的电源，在预热过程中通入惰性保护性气体，辊芯2在向下移动的过程中被连续预热，到达双电磁水冷结晶器8时刚好预热到预热温度，预热温度为1400℃；

4、在双电磁水冷结晶器8的上沿，安放好注流槽4，然后启动双电磁水冷结晶器8中的感应补热器6，感应补热器6采用中频电源；

5、将冶炼好的轧辊工作层金属液7，通过注流槽4浇注到双电磁水冷结晶器8中，浇注温度为1420℃，随后依次启动二次冷却系统12、结晶器振动系统9、电磁搅拌器10和拉坯机13，其中结晶器振动装置9的振动方式采用正弦式振动，振动频率为1.6Hz，振幅2mm，电磁搅拌器10采用4Hz低频电源，在浇注过程中施加低频搅拌电磁场，磁感应强度为0.02T，拉坯机13的拉坯速度为0.2m/min；

6、采用连续浇注的方式，同步向下拉动辊芯2和定位引锭头11，到辊芯2上端部浸入液面时，停止浇注并继续向下拉坯，直至全部拉出为止，拉坯的同时在双电磁结晶器8的出口通过二次冷却系统12向辊坯喷水冷却。

本实施例中工作层金属的化学成分按质量百分比为：C 1.0％，Cr 4.3％，W 5.1％，Mo 2.1％，V 2.1％，其余为Fe，芯部材质采用45#优质碳素结构钢棒材。

检验结果发现轧辊成分均匀、无偏析，组织致密、晶粒细小，无疏松和缩孔，双金属结合界面良好，完全达到了冶金结合。

实施例3

1、根据生产应用中对辊芯2材质及尺寸的要求，采用机械加工的方式去掉辊芯2外部的氧化层，加工定位孔，并进行酸洗等，预制好复合轧辊的辊芯2；

2、将预制的辊芯2置于双电磁水冷结晶器8的中心轴上，并通过定位引锭头11及辊芯定位架1进行定位；

3、打开双电磁水冷结晶器8的冷却水阀门，然后将定位引锭头11升至感应预热炉3的下部，接通感应预热炉3的电源，在预热过程中通入保护性气体，辊芯2在向下移动的过程中被连续预热，到达双电磁水冷结晶器8时刚好预热到合适温度，预热温度为1100℃；

4、在双电磁水冷结晶器8的上沿，安放好注流槽4，然后启动双电磁水冷结晶器8中的感应补热器6，感应补热器6采用中频补热；

5、将冶炼好的轧辊工作层金属液7，通过注流槽4浇注到双电磁水冷结晶器8中，浇注温度为1460℃，随后依次启动二次冷却系统12、结晶器振动系统9、电磁搅拌器10和拉坯机13，其中结晶器振动装置9的振动方式采用正弦式振动，振动频率为2.0Hz，振幅4mm，电磁搅拌器10采用9Hz低频电源，在浇注过程中施加低频搅拌电磁场，磁感应强度为0.06T，拉坯机13的拉坯速度为0.3m/min；

6、采用连续浇注的方式，同步向下拉动辊芯2和定位引锭头11，到辊芯2上端部浸入液面时，停止浇注并继续向下拉坯，直至全部拉出为止，拉坯的同时在双电磁结晶器8的出口通过二次冷却系统12向辊坯喷水冷却。

本实施例中工作层金属的化学成分按质量百分比为：C 1.5％，Cr 6.8％，W 10.2％，Mo6.2％，V 8.6％，其余为Fe，芯部材质采用45#优质碳素结构钢棒材。

检验结果发现轧辊成分均匀、无偏析，组织致密、晶粒细小，无疏松和缩孔，双金属结合界面良好，完全达到了冶金结合。

实施例4

1、根据生产应用中对辊芯2材质及尺寸的要求，采用机械加工的方式去掉辊芯2外部的氧化层，加工定位孔，并进行酸洗等，预制好复合轧辊的辊芯2；

2、将预制的辊芯2置于双电磁水冷结晶器8的中心轴上，并通过定位引锭头11及辊芯定位架1进行定位；

3、打开双电磁水冷结晶器8的冷却水阀门，然后将定位引锭头11升至感应预热炉3的下部，接通感应预热炉3的电源，在预热过程中通入保护性气体，辊芯2在向下移动的过程中被连续预热，到达双电磁水冷结晶器8时刚好预热到合适温度，预热温度为1200℃；

4、在双电磁水冷结晶器8的上沿，安放好注流槽4，然后启动双电磁水冷结晶器8中的感应补热器6，感应补热器6采用中频补热；

5、将冶炼好的轧辊工作层金属液7，通过注流槽4浇注到双电磁水冷结晶器8中，浇注温度为1500℃，随后依次启动二次冷却系统12、结晶器振动系统9、电磁搅拌器10和拉坯机13，其中结晶器振动装置9的振动方式采用正弦式振动，振动频率为2.5Hz，振幅6mm，电磁搅拌器10采用15Hz低频电源，在浇注过程中施加低频搅拌电磁场，磁感应强度为0.08T，拉坯机13的拉坯速度为0.4m/min；

6、采用连续浇注的方式，同步向下拉动辊芯2和定位引锭头11，到辊芯2上端部浸入液面时，停止浇注并继续向下拉坯，直至全部拉出为止，拉坯的同时在双电磁结晶器8的出口通过二次冷却系统12向辊坯喷水冷却。

本实施例中工作层金属的化学成分按质量百分比为：C 1.3％，Cr 5.5％，W 7.0％，Mo 4.0％，V 6.2％，其余为Fe，芯部材质采用45#优质碳素结构钢棒材。

检验结果发现轧辊成分均匀、无偏析，组织致密、晶粒细小，无疏松和缩孔，双金属结合界面良好，完全达到了冶金结合。

实施例5

1、根据生产应用中对辊芯2材质及尺寸的要求，采用机械加工的方式去掉辊芯2外部的氧化层，加工定位孔，并进行酸洗等，预制好复合轧辊的辊芯2；

2、将预制的辊芯2置于双电磁水冷结晶器8的中心轴上，并通过定位引锭头11及辊芯定位架1进行定位；

3、打开双电磁水冷结晶器8的冷却水阀门，然后将定位引锭头11升至感应预热炉3的下部，接通感应预热炉3的电源，在预热过程中通入保护性气体，辊芯2在向下移动的过程中被连续预热，到达双电磁水冷结晶器8时刚好预热到合适温度，预热温度为1300℃；

4、在双电磁水冷结晶器8的上沿，安放好注流槽4，然后启动双电磁水冷结晶器8中的感应补热器6，感应补热器6采用中频补热；

5、将冶炼好的轧辊工作层金属液7，通过注流槽4浇注到双电磁水冷结晶器8中，浇注温度为1450℃，随后依次启动二次冷却系统12、结晶器振动系统9、电磁搅拌器10和拉坯机13，其中结晶器振动装置9的振动方式采用正弦式振动，振动频率为2.5Hz，振幅5mm，电磁搅拌器10采用4Hz低频电源，在浇注过程中施加低频搅拌电磁场，磁感应强度为0.05T，拉坯机13的拉坯速度为0.4m/min；

6、采用连续浇注的方式，同步向下拉动辊芯2和定位引锭头11，到辊芯2上端部浸入液面时，停止浇注并继续向下拉坯，直至全部拉出为止，拉坯的同时在双电磁结晶器8的出口通过二次冷却系统12向辊坯喷水冷却。

本实施例中工作层金属的化学成分按质量百分比为：C 1.2％，Cr 6.5％，W 7.8％，Mo 5.5％，V 7.3％，其余为Fe，芯部材质采用45#优质碳素结构钢棒材。

检验结果发现轧辊成分均匀、无偏析，组织致密、晶粒细小，无疏松和缩孔，双金属结合界面良好，完全达到了冶金结合。

Claims (9)

1、一种复合轧辊的电磁连续铸造方法，其特征在于该方法采用以下工艺步骤：

①采用机械加工的方式去掉辊芯(2)外部的氧化层，加工定位孔，并进行酸洗，预制好复合轧辊的辊芯(2)；

②将预制的辊芯(2)置于双电磁水冷结晶器(8)的中心轴上，并通过定位引锭头(11)及辊芯定位架(1)进行定位；

③打开双电磁水冷结晶器(8)的冷却水阀门，然后将定位引锭头(11)升至感应预热炉(3)的下部，接通感应预热炉(3)的电源，在预热过程中通入惰性保护性气体，辊芯(2)在向下移动的过程中被连续预热，到达双电磁水冷结晶器(8)的上沿时刚好预热到预热温度，预热温度为1100～1400℃；

④在双电磁水冷结晶器(8)的上沿，安放好注流槽(4)，然后启动双电磁水冷结晶器(8)中的感应补热器(6)；

⑤将冶炼好的轧辊工作层金属液(7)，通过注流槽(4)浇注到双电磁水冷结晶器(8)中，浇注温度为1420～1500℃，随后依次启动二次冷却系统(12)、结晶器振动系统(9)、电磁搅拌器(10)和拉坯机(13)；

⑥采用连续浇注的方式，同步向下拉动辊芯(2)和定位引锭头(11)，到辊芯(2)上端部浸入金属液(7)液面时，停止浇注并继续向下拉坯，直至全部拉出为止，拉坯的同时在双电磁结晶器(8)的出口通过二次冷却系统(12)向辊坯喷水冷却。

2、按照权利要求1所述的复合轧辊的电磁连续铸造方法，其特征在于结晶器振动装置(9)的振动方式采用正弦式振动，振动频率为1.6～2.5Hz，振幅2～6mm。

3、按照权利要求1所述的复合轧辊的电磁连续铸造方法，其特征在于电磁搅拌器(10)既可以外置于双电磁水冷结晶器(8)的外部也可以内置于双电磁水冷结晶器(8)的冷却水中，采用4～15Hz低频电源，在浇注过程中施加低频搅拌电磁场，磁感应强度为0.02～0.08T。

4、按照权利要求1所述的复合轧辊的电磁连续铸造方法，其特征在于拉坯机(13)的拉坯速度为0.2～0.4m/min。

5、按照权利要求1所述的复合轧辊的电磁连续铸造方法，其特征在于感应补热器(6)采用2000～2500Hz电源。

6、权利要求1所述的复合轧辊电磁连续铸造方法采用的铸造设备，包括：辊芯定位架(1)，感应预热炉(3)，注流槽(4)，操作平台(5)，双电磁水冷结晶器(8)，结晶器振动系统(9)，定位引锭头(11)，二次冷却系统(12)，拉坯机(13)，其特征在于该铸造设备的水冷结晶器(8)为双电磁水冷结晶器，感应预热炉(3)中安装了保护性气体充入圆环，结晶器的下端设有结晶器振动系统(9)。

7、按照权利要求6所述的复合轧辊电磁连续铸造方法采用的铸造设备，其特征在于所述双电磁水冷结晶器(8)是在水冷结晶器外围、位于结晶器工作层金属液面附近设置感应补热器(6)，在结晶器中下部设置电磁搅拌器(10)。

8、按照权利要求7所述的复合轧辊电磁连续铸造方法采用的铸造设备，其特征在于所述双电磁水冷结晶器(8)的感应补热器(6)采用2000～2500Hz电源，电磁搅拌器(10)的磁感应强度为0.02～0.08T。

9、按照权利要求6所述的复合轧辊电磁连续铸造方法采用的铸造设备，其特征在于注流槽(4)设有挡渣板。

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