RU2197552C1

RU2197552C1 - Alloy for electroslag welding-on of cast iron rolling rolls

Info

Publication number: RU2197552C1
Application number: RU2001117932A
Authority: RU
Inventors: П.П. Чернов; И.С. Сарычев; Ю.И. Ларин; С.Ю. Бубнов; В.Н. Евсюков; В.Н. Поляков; Ю.А. Ильин; А.Ф. Пименов; В.И. Захаренкова
Original assignee: Открытое акционерное общество "Новолипецкий металлургический комбинат"; Общество с ограниченной ответственностью "Ресурс-СП"
Priority date: 2001-06-28
Filing date: 2001-06-28
Publication date: 2003-01-27

Abstract

FIELD: ferrous metallurgy, namely chemical content of cast iron used as additive material for electroslag welding-on of cast iron rolling rolls of mills for hot rolling of wide strips. SUBSTANCE: alloy contains (mass.%): carbon, 2.4 - 2.6; silicon, 0.4 - 0.8; manganese,0.6 - 0.8; phosphorus, less than 0.08; sulfur, less than 0.05; chrome, 16 - 19; molybdenum, 0.8 - 1.5; nickel, 0.5 - 1.5; titanium, 0.03 - 0.06; copper, 0.8 - 1.0; ferrum - the balance. EFFECT: enhanced operational reliability of rolling roll, lowered energy consumption due to reduced time period of subsequent heat treatment.

Description

Изобретение относится к области черной металлургии, в частности к химическому составу чугуна, используемого в качестве присадочного материала при электрошлаковой наплавке чугунных прокатных валков, применяемых в широкополосных станах горячей прокатки. The invention relates to the field of ferrous metallurgy, in particular to the chemical composition of cast iron used as filler material in electroslag surfacing of cast iron rolls used in broadband hot rolling mills.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному результату (прототипом), по мнению авторов, является сплав по статье Ф.Мартини и др. "Разработка перспективных двухслойных прокатных валков фирмой "Гонтерманн-Пайперс", журнал "Сталь", 11, 1998 г., стр.40, содержащий компоненты в следующем соотношении, мас.%: углерод 2,5÷3,2, кремний 0,4÷0,8, марганец 0,6÷1,2, фосфор - менее 0,08, сера - менее 0,05, хром 16÷20, молибден 0,5÷1,5, никель 0,5÷1,5, ванадий 0,2÷0,5, железо - остальное. The closest in technical essence and the achieved positive result (prototype), according to the authors, is an alloy according to the article by F. Martini et al. "Development of promising two-layer rolling rolls by Gontermann-Pipers," Steel magazine, 11, 1998 , p. 40, containing components in the following ratio, wt.%: carbon 2.5 ÷ 3.2, silicon 0.4 ÷ 0.8, manganese 0.6 ÷ 1.2, phosphorus - less than 0.08, sulfur - less than 0.05, chromium 16 ÷ 20, molybdenum 0.5 ÷ 1.5, nickel 0.5 ÷ 1.5, vanadium 0.2 ÷ 0.5, iron - the rest.

Недостатком известного технического решения является тот факт, что использование сплава с известным химическим составом в качестве присадочного материала для электрошлаковой наплавки чугунных прокатных валков, как показал эксперимент, приводит к образованию несплошностей макроструктуры. При этом в структуре возникают повышенные напряжения, снятие которых требует значительных энергозатрат и времени на проведение последующей термообработки. Это связано с тем, что при получении из сплава с известным химическим составом гранул присадочного материала у последних формируются низкая плотность и неравноосная (вытянутая) форма. Это объясняется большой вязкостью сплава известного химического состава в расплавленном состоянии. Вытянутая, волокнистая форма гранул присадочного материала увеличивает их сцепление между собой при подаче в процессе наплавки, что приводит к неравномерному дозированию. В процессе электрошлаковой наплавки проникновение частиц присадочного материала в толщу расплава из-за их низкой плотности происходит неравномерно. В ряде случаев погружение гранул в расплав происходит только после накопления на поверхности шлаковой ванны достаточного их количества. При этом увеличивается длительность расплавления частиц присадочного материала, а поскольку при наплавке общее время цикла расплавление - кристаллизация ограничено, частицы не успевают расплавиться до конца. При погружении конгломерата частиц присадочного материала захватываются шлаковые включения и частично вносятся в наплавляемый слой, где впоследствии кристаллизуются, образуя несплошности макроструктуры, снижающие эксплуатационную надежность чугунного прокатного валка. Кроме того, неравномерное расположение присадочного материала на поверхности шлака приводит к изменению электрических параметров и, как следствие, к нестабильности процесса электрошлаковой наплавки. A disadvantage of the known technical solution is the fact that the use of an alloy with a known chemical composition as a filler material for electroslag surfacing of cast iron rolls, as shown by the experiment, leads to the formation of discontinuities in the macrostructure. At the same time, increased stresses arise in the structure, the removal of which requires significant energy consumption and time for subsequent heat treatment. This is due to the fact that when an additive material is obtained from an alloy with a known chemical composition, the latter form a low density and an unequal (elongated) shape. This is due to the high viscosity of the alloy of known chemical composition in the molten state. The elongated, fibrous form of filler granules increases their adhesion to each other during feeding during surfacing, which leads to uneven dosing. During electroslag surfacing, the penetration of filler particles into the melt is uneven due to their low density. In some cases, the immersion of granules in the melt occurs only after the accumulation of a sufficient amount on the surface of the slag bath. At the same time, the duration of the melting of the particles of the filler material increases, and since the total melting-crystallization cycle time during surfacing is limited, the particles do not have time to melt to the end. When a conglomerate of filler particles is immersed, slag inclusions are captured and partially introduced into the deposited layer, where they subsequently crystallize, forming macrostructure discontinuities that reduce the operational reliability of the cast iron roll. In addition, the uneven location of the filler material on the surface of the slag leads to a change in electrical parameters and, as a result, to the instability of the electroslag surfacing process.

Задача, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, - повышение эксплуатационной надежности чугунного прокатного валка, рабочий слой которого получен методом электрошлаковой наплавки, и снижение энергозатрат за счет сокращения продолжительности последующей термообработки. При этом достигается получение такого технического результата, как обеспечение стабильности процесса электрошлаковой наплавки чугунных прокатных валков и снижение их себестоимости путем использования в качестве присадочного материала сплава, свойства которого (плотность, форма) обеспечивают надежное проникновение гранул сплава в шлаковую ванну. The task to which the proposed technical solution is directed is to increase the operational reliability of a cast iron roll, the working layer of which is obtained by the method of electroslag surfacing, and reduce energy consumption by reducing the duration of the subsequent heat treatment. At the same time, it is possible to obtain such a technical result as ensuring the stability of the electroslag surfacing process of cast iron rolls and reducing their cost by using an alloy as an additive material, whose properties (density, shape) ensure reliable penetration of the alloy granules into the slag bath.

Указанные недостатки исключаются тем, что сплав для электрошлаковой наплавки чугунных прокатных валков, содержащий углерод, кремний, марганец, фосфор, серу, хром, молибден, никель и железо, дополнительно содержит титан и медь при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 2,4÷2,6, кремний 0,4÷0,8, марганец 0,6÷0,8, фосфор - менее 0,08, сера - менее 0,05, хром 16÷19, молибден 0,8÷1,5, никель 0,5÷1,5, ванадий 0,2÷0,5, титан 0,03÷0,06, медь 0,8÷1,0, железо - остальное. These disadvantages are eliminated by the fact that the alloy for electroslag surfacing of cast iron rolls containing carbon, silicon, manganese, phosphorus, sulfur, chromium, molybdenum, nickel and iron, additionally contains titanium and copper in the following ratio, wt.%: Carbon 2, 4 ÷ 2.6, silicon 0.4 ÷ 0.8, manganese 0.6 ÷ 0.8, phosphorus - less than 0.08, sulfur - less than 0.05, chromium 16 ÷ 19, molybdenum 0.8 ÷ 1, 5, nickel 0.5 ÷ 1.5, vanadium 0.2 ÷ 0.5, titanium 0.03 ÷ 0.06, copper 0.8 ÷ 1.0, iron - the rest.

Сопоставительный анализ предлагаемого технического решения с прототипом показывает, что заявляемый сплав отличается от известного тем, что он дополнительно содержит титан и медь при следующем соотношении компонентов, мас. %: углерод 2,4÷2,6, кремний 0,4÷0,8, марганец 0,6÷0,8, фосфор - менее 0,08, сера - менее 0,05, хром 16÷19, молибден 0,8÷1,5, никель 0,5÷1,5, ванадий 0,2÷0,5, титан 0,03÷0,06, медь 0,8÷1,0, железо - остальное. Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию изобретения "Новизна". A comparative analysis of the proposed technical solution with the prototype shows that the inventive alloy differs from the known one in that it additionally contains titanium and copper in the following ratio of components, wt. %: carbon 2.4 ÷ 2.6, silicon 0.4 ÷ 0.8, manganese 0.6 ÷ 0.8, phosphorus - less than 0.08, sulfur - less than 0.05, chromium 16 ÷ 19, molybdenum 0 , 8 ÷ 1.5, nickel 0.5 ÷ 1.5, vanadium 0.2 ÷ 0.5, titanium 0.03 ÷ 0.06, copper 0.8 ÷ 1.0, iron - the rest. Thus, the claimed technical solution meets the criteria of the invention of "Novelty."

Сравнительный анализ предлагаемого сплава для электрошлаковой наплавки чугунных прокатных валков не только с прототипом, но и с другими техническими решениями не позволил выявить существенные признаки, присущие заявляемому решению. Таким образом, заявляемая совокупность существенных отличий обеспечивает получение вышеуказанного технического результата, что, по мнению авторов, соответствует критерию изобретения "Изобретательский уровень". A comparative analysis of the proposed alloy for electroslag surfacing of cast iron rolls, not only with the prototype, but also with other technical solutions did not allow to reveal the essential features inherent in the claimed solution. Thus, the claimed combination of significant differences provides the above technical result, which, according to the authors, meets the criteria of the invention "Inventive step".

Дополнительное введение в чугунный сплав титана способствует, во-первых, повышению его технологической плотности или гидроплотности, что положительно сказывается на коррозионной стойкости как самих гранул сплава, так и полученного при наплавке рабочего слоя прокатного чугунного валка, во-вторых, связыванию свободного углерода в карбиды, что приводит к уменьшению содержания графита, уплотнению строения чугуна, повышению сопротивления истиранию и абразивной износостойкости наплавляемого слоя и, как следствие, к повышению эксплуатационной надежности. Кроме того, благодаря большому сродству к кислороду, азоту и сере титан уменьшает содержание этих вредных примесей и предупреждает образование в наплавляемом слое газовых и усадочных раковин. Диапазон содержания титана 0,03÷0,06% определяется его достаточностью для компенсации суммарного содержания в твердом растворе атомов внедрения О, N, S. An additional introduction of titanium into the cast iron alloy contributes, firstly, to an increase in its technological density or hydro-density, which has a positive effect on the corrosion resistance of both the alloy granules themselves and the cast iron working layer obtained by surfacing, and, secondly, the bonding of free carbon to carbides , which leads to a decrease in graphite content, compaction of the structure of cast iron, an increase in the abrasion resistance and abrasion resistance of the deposited layer and, as a consequence, to an increase in the operation hydrochloric reliability. In addition, due to its high affinity for oxygen, nitrogen, and sulfur, titanium reduces the content of these harmful impurities and prevents the formation of gas and shrink shells in the deposited layer. The range of titanium content of 0.03 ÷ 0.06% is determined by its sufficiency to compensate for the total content of O, N, S interstitial atoms in the solid solution.

Электрошлаковая наплавка осуществляется на массивный, предварительно подогретый валок, который нельзя быстро охладить от температуры аустенитизации без растрескивания или возникновения нежелательных остаточных напряжений. Дополнительная добавка меди в данном случае позволяет стабилизировать аустенит, подавить его превращение в перлит, что особенно эффективно проявляется в присутствии молибдена. Это позволяет использовать меньшую допустимую скорость охлаждения, для того чтобы гарантировать получение в мартенситно-перлитной структуре наплавленного слоя как можно большей доли мартенситной составляющей. Образующаяся при распаде аустенита перлитная составляющая в присутствии меди имеет более высокую прочность, что связано с измельчением перлита и твердорастворным упрочнением медью его ферритной составляющей. При этом исключается необходимость проведения последующей длительной термообработки наплавленного валка, требующей значительных топливно-энергетических затрат и времени. Вместе с тем медь, являясь элементом-графитизатором, несколько компенсирует отбеливающее действие элементов-карбидообразователей - хрома, ванадия, молибдена и частично гасит возникающие при наплавке структурные напряжения. В результате достигается наилучшее сочетание абразивной стойкости и вязкости наплавленного слоя для использования в условиях сильных повторяющихся ударных нагрузок, которые испытывает поверхность чугунного рабочего валка при горячей прокатке, что способствует повышению его эксплуатационной надежности. Electroslag surfacing is carried out on a massive, pre-heated roll, which cannot be quickly cooled from the temperature of austenitization without cracking or undesirable residual stresses. An additional copper addition in this case allows stabilizing austenite and suppressing its conversion to perlite, which is especially effective in the presence of molybdenum. This makes it possible to use a lower permissible cooling rate in order to guarantee that the martensitic-pearlite structure of the deposited layer receives the largest possible fraction of the martensitic component. The perlite component formed during the decomposition of austenite in the presence of copper has a higher strength, which is associated with the grinding of perlite and solid-solution hardening by copper of its ferrite component. This eliminates the need for subsequent long-term heat treatment of the deposited roll, which requires significant fuel and energy costs and time. At the same time, copper, being a graphitizing element, somewhat compensates for the bleaching effect of carbide-forming elements - chromium, vanadium, molybdenum and partially dampens the structural stresses arising during surfacing. As a result, the best combination of abrasion resistance and viscosity of the deposited layer is achieved for use in conditions of strong repetitive shock loads, which are experienced by the surface of the cast iron work roll during hot rolling, which helps to increase its operational reliability.

Ограничение верхнего предела содержания марганца величиной не более 0,8% обеспечивает повышение плотности гранул сплава и снижение степени окисленности шлака при наплавке, что способствует повышению стабильности ведения процесса электрошлаковой наплавки и снижению неметаллических включений в наплавленном слое. The limitation of the upper limit of the manganese content to a value of not more than 0.8% provides an increase in the density of the alloy granules and a decrease in the degree of oxidation of the slag during surfacing, which improves the stability of the electroslag surfacing process and reduces non-metallic inclusions in the deposited layer.

Содержание углерода в диапазоне 2,4÷2,6% выбрано с учетом проплавления при электрошлаковой наплавке чугунной основы с большим содержанием углерода и усреднения его общего содержания в наплавленном слое до эвтектического. The carbon content in the range 2.4 ÷ 2.6% was selected taking into account the penetration during electroslag surfacing of the cast iron base with a high carbon content and averaging its total content in the deposited layer to the eutectic.

В результате реализации изобретения получен сплав состава, мас.%: углерод 2,4÷2,6, кремний 0,4÷0,8, марганец 0,6÷0,8, фосфор - менее 0,08, сера - менее 0,05, хром 16÷19, молибден 0,8÷1,5, никель 0,5÷1,5, ванадий 0,2÷0,5, титан 0,03÷0,06, медь 0,8÷1,0, железо - остальное. Изготовленный из данного сплава присадочный материал в виде гранул по сравнению с полученным из сплава с известным составом имеет более высокую насыпную плотность (в 2,5 раза), более равноосную форму частиц (коэффициент вытянутости снизился в 5 раз). As a result of the invention, an alloy of the composition was obtained, wt.%: Carbon 2.4 ÷ 2.6, silicon 0.4 ÷ 0.8, manganese 0.6 ÷ 0.8, phosphorus - less than 0.08, sulfur - less than 0 05, chrome 16 ÷ 19, molybdenum 0.8 ÷ 1.5, nickel 0.5 ÷ 1.5, vanadium 0.2 ÷ 0.5, titanium 0.03 ÷ 0.06, copper 0.8 ÷ 1 , 0, iron - the rest. A filler material made of this alloy in the form of granules has a higher bulk density (2.5 times) and a more equiaxed particle shape compared to that obtained from an alloy with a known composition (elongation coefficient decreased by 5 times).

В процессе электрошлаковой наплавки рабочего чугунного валка гранулы присадочного материала равномерно подавались в шлаковую ванну и беспрепятственно проникали вглубь нее. Этим обеспечивалось постоянство основных электрических (наплавочный ток, сопротивление шлаковой ванны, выделяемая мощность) и механических (скорость передвижения кристаллизатора) параметров наплавки, характеризующих стабильность проведения упомянутого процесса. Нахождение же наплавленного валка в печи с целью проведения последующего отпуска по сравнению с известным техническим решением снизилось на 6 ч. Проведенный затем металлографический анализ валка показал, что наплавленный слой имеет однородную макроструктуру без пор, включений шлака и нерасплавившихся гранул присадочного материала, имеющих место в макроструктуре при использовании известного сплава. При этом твердость поверхности наплавленного слоя увеличилась на 10%, а ее изменение по длине бочки валка уменьшилось до ±2% по сравнению с ±5%. In the process of electroslag surfacing of a working cast-iron roll, the granules of filler material were uniformly fed into the slag bath and freely penetrated deep into it. This ensured the constancy of the main electrical (surfacing current, resistance of the slag bath, allocated power) and mechanical (speed of the mold) deposition parameters characterizing the stability of the process. Finding the deposited roll in the furnace for subsequent tempering decreased by 6 hours compared to the known technical solution. The metallographic analysis of the roll then showed that the deposited layer has a homogeneous macrostructure without pores, inclusions of slag and unmelted granules of filler material occurring in the macrostructure when using a known alloy. In this case, the hardness of the surface of the deposited layer increased by 10%, and its change along the length of the roll barrel decreased to ± 2% compared to ± 5%.

Таким образом, задача, на решение которой направлено техническое решение, выполняется. При этом также достигается получение и упомянутого выше технического результата. Thus, the task to which the technical solution is directed is fulfilled. In this case, the achievement of the above technical result is also achieved.

Claims

An alloy for electroslag surfacing of cast iron rolls containing carbon, silicon, manganese, phosphorus, sulfur, chromium, molybdenum, nickel, vanadium and iron, characterized in that it additionally contains titanium and copper in the following ratio of components, wt. %:
Carbon - 2.4-2.6
Silicon - 0.4-0.8
Manganese - 0.6-0.8
Phosphorus - ≤0.08
Sulfur - ≤0.05
Chrome - 16-19
Molybdenum - 0.8-1.5
Nickel - 0.5-1.5
Vanadium - 0.2-0.5
Titanium - 0.03-0.06
Copper - 0.8-1.0
Iron - Else