CN101695714B

CN101695714B - 一种铸钢支承轧辊及其制备方法

Info

Publication number: CN101695714B
Application number: CN2009102361535A
Authority: CN
Inventors: 宫开令; 孙宝平; 王素平; 杨学智; 张自力
Original assignee: TANGSHAN LIANQIANG METALLURGICAL ROLLS CO Ltd; Advanced Technology and Materials Co Ltd
Current assignee: TANGSHAN LIANQIANG METALLURGICAL ROLLS CO Ltd; Advanced Technology and Materials Co Ltd
Priority date: 2009-10-28
Filing date: 2009-10-28
Publication date: 2011-06-22
Anticipated expiration: 2029-10-28
Also published as: CN101695714A

Abstract

一种铸钢支承轧辊及其制备方法，属于钢材轧制轧辊技术领域。该轧辊工作层材料采用高合金钢，轧辊芯部材料采用石墨钢，轧辊工作层高合金钢材料与轧辊芯部石墨钢材料为完全冶金结合。高合金钢材料的化学成分重量百分数为：C 0.4-0.6％，Si 0.4-0.6％，Mn 0.5-0.7％，Cr4.5-5.5％，Ni 1.0-1.2％，Mo 0.6-0.8％，Re 0.03-0.08％，P≤0.035％，S≤0.030％，余为Fe；石墨钢材料的化学成分重量百分数为：C 1.4-1.6％，Si 1.7-1.9％，Mn 0.4-0.6％，Ni 0.5-0.7％，Cr＜0.2％，Mo＜0.2％，P＜0.035％，S＜0.030％，余为Fe。优点在于，大大提高轧辊在线使用寿命和轧机作业率；同时，避免了球墨铸铁铁水由于高温出铁、高温浇注造成轧辊球化不良和结合不良而报废的严重后果，降低了轧辊制造成本。

Description

一种铸钢支承轧辊及其制备方法

技术领域

本发明属于钢材轧制轧辊技术领域，特别是提供了一种铸钢支承轧辊及其制备方法，主要适用于带钢轧制中应用的铸钢支承轧辊的制造。

背景技术

随着钢铁工业的迅速发展，我国目前包括窄带钢在内热轧板带材轧机的产能已经到达2.8亿吨，轧辊是轧钢生产中大量消耗的重要部件，也就是说无辊不成材。因此，轧辊质量的好坏不仅影响着轧材的表面质量，而且还影响着轧机的作业率，直接制约着企业的经济效益。在现有的生产技术中，这些轧机使用的支承轧辊通常采用整体铸造的合金半钢轧辊，以及部分合金铸钢轧辊、锻钢轧辊和复合半钢轧辊。支承轧辊在使用过程中存在的普遍问题是辊面裂纹、剥落和掉肩等破坏性损坏，据统计，每年造成这种非正常性损坏的消耗占整个支承轧辊消耗量的40％以上，给企业的经济效益造成很大的影响。出现这些问题的主要原因是现有支承轧辊材料由于合金含量低，基体组织粗大，抗接触疲劳强度低、韧性差，在使用过程中受轧机强大轧制压力和工作辊反弯力的反复交变作用下，使辊面受到的疲劳应力和剪切应力超出了材料的强度极限而造成裂纹、剥落和掉肩等破坏性损坏。尽管专利申请：2009 1 0001054.9中阐述的“一种高合金离心复合铸钢支承辊及其制造方法”在轧辊工作层材料的选用上是可行的，但是，该发明技术的不足之处一方面是轧辊芯部抗拉强度低，在使用过程中容易出现断辊；另一方面是该发明技术在实施过程中成件率低，从而加大了轧辊的制造成本，降低了产品的市场竞争力。

发明内容

本发明目的在于提供一种铸钢支承轧辊及其制备方法，使成分设计合理、制造工艺成熟，轧辊强度高、韧性好、抗事故能力强、使用寿命长的一种新型铸钢支承轧辊。

本发明支承轧辊工作层材料采用高合金钢，轧辊芯部材料采用石墨钢；轧辊工作层高合金钢与轧辊芯部石墨钢为完全冶金结合。

所述的高合金钢的化学成分重量百分数为：C 0.4-0.6％，Si 0.4-0.6％，Mn 0.5-0.7％，Cr 4.5-5.5％，Ni 1.0-1.2％，Mo 0.6-0.8％，Re 0.03-0.08％，P≤0.035％，S≤0.030％，余量为Fe。

所述的石墨钢的化学成分重量百分数为：C 1.4-1.6％，Si 1.7-1.9％，Mn 0.4-0.6％，Ni 0.5-0.7％，Cr＜0.2％，Mo＜0.2％，P＜0.035％，S＜0.030％，余量为Fe。

本发明所采用的技术方案为：

1、本发明的铸钢支承轧辊制造方法是采用现有普遍使用的卧式离心铸造工艺方法将两种不同的金属材料熔合成一体，首先按轧辊工作层、芯部的具体成分要求进行分别冶炼，当用做轧辊工作层的高合金钢水化学成分及温度达到设定要求时出钢，并采用稀土进行变质处理，将变质处理后的钢水浇入到高速旋转的离心机铸型内，钢水的浇铸温度为1500-1550℃，浇铸时铸型的温度为100-200℃，铸型内涂料厚度为2-5mm，离心机转速的线速度为10-15米/秒。轧辊工作层高合金钢水是在离心力作用下结晶凝固，致密度高、耐磨性好。当轧辊工作层的钢水刚刚凝固时迅速停机，将已凝固的工作层连同铸型一起从离心机上吊起与上下砂箱配合后，再浇入用做轧辊芯部的石墨钢钢水，芯部石墨钢钢水的浇铸温度为1470-1520℃，从而使得两种固相温度高的金属液通过卧式离心铸造达到完全冶金熔合。

2、如果支承轧辊芯部材料是采用高强度合金球墨铸铁，由于C含量为0.4-0.6％支承轧辊工作层高合金钢水的固相线温度比C含量为3.0-3.6％支承轧辊芯部高强度合金球墨铸铁铁水的固相线温度要高300℃左右，为了确保这两种材料的冶金结合，在浇注支承轧辊芯部高强度合金球墨铸铁铁水时，必须足够地提高芯部铁水的出铁温度和浇注温度，专利申请：2009 1 0001054.9中要求，芯部铁水的出铁温度为1615±5℃，芯部铁水的浇注温度为1495±5℃。对于球墨铸铁来说，如此高的出铁温度和浇注温度，一方面将严重影响球墨铸铁铁水的球化效果，致使轧辊芯部强度降低，常常由于轧辊芯部抗拉强度不能够达到500N/mm²而报废；另一方面这两种固相线温度相差很大的金属，由于停机、吊运、合箱这一系列长时间人工操作过程，很难达到完全的冶金结合，往往出现两种材料结合不良而报废，进一步降低了轧辊在制造过程中的成件率、提高了轧辊的制造成本。这就是专利申请2009 1 0001054.9的不足之处。

3、对于冷却成型后的毛坯支承轧辊首先进行粗加工，完后进行淬火和回火热处理。淬火温度是以10-20℃/小时的升温速度升至630-660℃保温3-6小时后，再将升温速度提升为20-30℃/小时，将轧辊加热到900-950℃保温8-16小时后出炉。淬火是采用快速降温冷却方式，降温速度为10-20℃/分钟，当冷却到200-400℃后再进行回火处理，回火温度为500-550℃，回火保温时间为5-10小时后随炉冷却。

本发明的铸钢支承轧辊工作层材料的化学成分设计依据如下：

C是钢中重要的组成元素，它以固溶和形成碳化物的方式提高钢的强度，当C含量过高时，初生奥氏体量少，碳化物量增多，轧辊韧性降低；当C含量过低时，初生奥氏体生长区间变宽，晶粒粗大，轧辊耐磨性降低。因此将C含量控制在0.4-0.6％较合适。

Si通常固溶于基体之中，较高的Si有利于推迟低温回火脆性的产生，并起到固溶强化作用，当Si含量过高时，会使奥氏体区域缩小，共晶和共析转变温度提高，易于形成铁素体，降低了轧辊的使用性能，通常将Si含量控制在0.4-0.6％较合适。

Mn和Ni一样都是细化钢的基体组织、提高钢的强度和韧性的有效元素，Ni有利于改善钢的力学性能，增加钢的淬透性，Mn又是阻碍石墨化促进碳化物形成的元素，当含量过高时，又会导致组织中残余奥氏体量的增加，残余奥氏体在轧辊的热处理和使用过程中是不利的。因此在成分设计中Mn含量控制在0.6-0.7％，Ni含量控制在1.0-1.2％较合适。

Cr是强烈的碳化物形成元素，是提高轧辊耐磨性最有效的元素之一，随着Cr含量的增加轧辊组织中将形成一定数量的Cr₇C₃型碳化物，Cr₇C₃型碳化物的显微硬度可达到1600-1800HV，耐磨性好，而且Cr₇C₃型碳化物热稳定性高于Fe₃C型碳化物。Cr又能提高钢的淬透性，提高支承轧辊的抗接触疲劳性能，同时它还能够提高钢的抗氧化性，因此将Cr含量控制在4.5-5.5％较合适。

Mo能够阻止碳化物沿晶界析出，有利于细化晶粒，提高钢的韧性，同时还可以提高回火稳定性，抑制回火脆性。但是Mo又会降低钢的导热性，当Mo含量过高时，钢的导热性差，导致轧辊热应力增大，抗热疲劳性能下降，因此将Mo含量控制在0.6-0.8％较合适。

Re元素在钢中通常作为还原或消除杂质的元素，在本发明的复合轧辊工作层合金钢成分中，Re还有净化晶界和消除裂纹的作用，但一定要限制Re元素的加入量，所以轧辊工作层合金钢成分中，控制Re的加入量为Re 0.03-0.08％。

同时，为了获得良好强韧性的综合性能，必须严格控制杂质元素含量，其P含量不超过0.035％，S含量不超过0.030％。

本发明的铸钢支承轧辊芯部材料的化学成分设计依据如下：

本发明的铸钢支承轧辊芯部材料采用的是石墨钢，主要性能指标要求就是抗拉强度高，在使用过程中不断辊，C和Si是典型的石墨化元素，在石墨化作用上是相互依赖、相互共存的，要求具有足够高的含量，因此，C控制在1.4-1.6％，Si控制在1.7-1.9％；Cr和Mo都是碳化物形成元素，因此Cr要严格控制在0.2％以下，Mo也要严格控制在0.2％以下；Ni是细化钢的基体组织、提高钢的强度和韧性的有效元素，所以在轧辊芯部石墨钢中保留了0.5-0.7％Ni的加入；P、S作为有害的杂质元素，越低越好，通常P含量不超过0.035％，S含量不超过0.030％。

本发明技术的创新点是采用卧式离心铸造技术将C含量小于0.6％的轧辊工作层合金钢材料与轧辊芯部石墨钢材料熔合在一起，突破了以往没有做到的两种高固相温度金属液通过卧式离心铸造技术达到完全的冶金复合，这在以往的轧辊制造技术中从未见过报导(欧洲的技术是采用立式离心复合工艺，我国邢机的技术是采用静态浇注复合工艺)。

本发明的铸钢支承轧辊与现有技术相比较还具备以下优点：

1、采用本发明技术制造的铸钢支承轧辊，由于轧辊工作层材料采用高合金钢，轧辊工作层耐磨性和韧性好、抗事故能力强、使用寿命长；

2、由于轧辊芯部材料采用石墨钢，轧辊芯部的抗拉强度由高强度合金球墨铸铁400-550N/mm²提高到石墨钢600-750N/mm²，轧辊芯部强度高、抗断裂性能好，大大提高轧辊在线使用时间和轧机作业率；

3、因为轧辊芯部材料采用石墨钢，避免了球墨铸铁铁水由于高温出铁、高温浇注常常造成轧辊球化不良和结合不良而报废的严重后果，从而降低了轧辊制造成本，增加了产品的利润空间和市场竞争力。

附图说明

图1为铸钢支承轧辊结构示意图。

具体实施方式

按本发明所述的一种新型铸钢支承轧辊，轧辊的工作层材料采用高合金钢，轧辊的芯部材料采用石墨钢。我们先后共生产了4批本发明实施例的铸钢支承轧辊，4批共计8支轧辊全部为合格产品并发往用户使用。这4批铸钢支承轧辊工作层与芯部钢水的化学成分均列入表1中。在这之前我们先是按现有专利申请技术：2009 1 0001054.9的要求生产了2支轧辊，这2支轧辊均由于芯部抗拉强度低而报废，为了方便对比，将这2支复合轧辊的工作层钢水与芯部铁水的化学成分也列入表1中。同时表1中还列入了目前采用整体铸造的合金半钢支承轧辊的化学成分作为对比例。

本发明实施例轧辊与现有技术轧辊的力学性能和使用情况对比结果列入表2。由上述支承轧辊的生产与使用结果可以看出，采用本发明技术所生产的铸钢支承轧辊力学性能明显高于现有技术产品，轧辊使用寿命可提高2.5-4倍。

在本发明实施例对比表1和表2中，I、II、III、IV为本发明实施例材料，A、B、C为对比例材料。

表1 本发明实施例与现有技术的支承轧辊各成分重量％的对比

表2 本发明实施例与现有技术的力学性能和使用结果的对比

Claims

1.一种铸钢支承轧辊，其特征在于，支承轧辊工作层材料采用高合金钢，轧辊芯部材料采用石墨钢；轧辊工作层高合金钢与轧辊芯部石墨钢为完全冶金结合；

所述的高合金钢的化学成分重量百分数为：C 0.4-0.6％，Si 0.4-0.6％，Mn0.5-0.7％，Cr 4.5-5.5％，Ni 1.0-1.2％，Mo 0.6-0.8％，Re 0.03-0.08％，P≤0.035％，S≤0.030％，余量为Fe；

2.一种制备权利要求1所述的铸钢支承轧辊的方法，其特征在于，采用卧式离心铸造工艺将两种不同的金属材料熔合成一体，首先按轧辊工作层、芯部的具体成分要求进行分别冶炼，当用做支承轧辊工作层的高合金钢水化学成分及温度达到设定要求时出钢，并采用稀土进行变质处理，将变质处理后的钢水浇入到高速旋转的离心机铸型内，钢水的浇铸温度为1500-1550℃，浇铸时铸型的温度为100-200℃，铸型内涂料厚度为2-5mm，离心机转速的线速度为10-15米/秒；当支承轧辊工作层的钢水尚未凝固前对工作层内表面进行防护处理，在工作层的钢水刚刚凝固时停机，将已凝固的工作层连同铸型一起从离心机上吊起与上下砂箱配合后，再浇入用做支承轧辊芯部的石墨钢钢水，支承轧辊芯部石墨钢钢水的浇铸温度为1470-1520℃，从而使得两种固相温度高的金属液通过卧式离心铸造达到完全冶金熔合。

3.根据权利要求2所述的方法，对于冷却成型后的毛坯支承轧辊首先进行粗加工，完后进行淬火和回火热处理；淬火温度是以10-20℃/小时的升温速度升至630-660℃保温3-6小时后，再将升温速度提升为20-30℃/小时，将支承轧辊加热到900-950℃保温8-16小时后出炉；淬火是采用快速降温冷却方式，降温速度为10-20℃/分钟，当冷却到200-400℃后再进行回火处理，回火温度为500-550℃，回火保温时间为5-10小时后随炉冷却。