一种无限冷硬复合轧辊及其铸造方法
阅读说明：本技术 一种无限冷硬复合轧辊及其铸造方法 (Unlimited chilled composite roller and casting method thereof ) 是由 王盼合 剧冬青 郑海明 赵利辉 赵海员 鞠庆红 张国芳 冯志春 王丽丽 赵东升 于 2020-11-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种无限冷硬复合轧辊及其铸造方法,复合轧辊的辊身外层采用高镍铸铁,辊芯内层采用球墨铸铁,中间层采用高强度灰铸铁。本发明通过三层成分的设计以及独特的孕育处理工艺对外层金属液进行孕育处理,然后采用离心铸造法分别浇铸外层金属液和中间层金属液,待外层金属液和中间层金属液凝固后,再用静态浇铸法向合箱中浇铸内层金属液。本发明中三层材料之间冶金结合良好,制备的无限冷硬轧辊的耐磨性好,有效避免了热处理过程以及轧制过程中外层材料的开裂和脱落,有效提高了轧辊的使用寿命。(The invention discloses an infinite chilled composite roll and a casting method thereof. The invention carries out inoculation treatment on the outer layer metal liquid through the design of three-layer components and a unique inoculation treatment process, then adopts a centrifugal casting method to respectively cast the outer layer metal liquid and the middle layer metal liquid, and uses a static casting method to cast the inner layer metal liquid in a box after the outer layer metal liquid and the middle layer metal liquid are solidified. The three layers of materials in the invention are well metallurgically bonded, and the prepared infinite chilled roll has good wear resistance, thereby effectively avoiding the cracking and falling of the outer layer materials in the heat treatment process and the rolling process, and effectively prolonging the service life of the roll.)
技术领域
本发明涉及轧辊制造技术领域，尤其涉及一种无限冷硬复合轧辊及其铸造方法。
背景技术
轧辊是轧钢生产过程中必不可少的工艺易损件，轧辊质量的好坏直接影响钢材的质量。目前应用广泛的轧辊材质主要有高铬铸铁轧辊、高速钢轧辊和无限冷硬铸铁轧辊，其中，高速钢轧辊中贵重金属含量多，生产成本高；高铬铸铁轧辊需要进行高温淬火处理，生产周期长，能耗高。无限冷硬铸铁轧辊具有硬度高，硬度落差小，抗热裂性能好，以及热处理工艺简单，不需要高温淬火处理，在轧辊制造中得到了广泛的应用。
为了进一步提高铸铁轧辊的耐磨性，无限冷硬铸铁轧辊中还经常加入Ni、Cr、Mo等合金元素形成高硬度的碳化物，但是，由于碳化物的比重较小，离心铸造时容易使碳化物向内层面偏析，因此，添加合金元素后虽然增加了硬度，但是，容易在轧辊的外层和内层之间发生缩孔和碳化物偏析等熔敷不良等问题的出现。有的还加入B元素改善材料的耐磨性和抗热裂性，但是加入B元素后增大了基体的脆性，加剧了轧辊失效。且由于轧辊外层组织和内层组织差异较大，还容易出现内层和外层之间的结合层脱落的问题。因此，提供一种新型的无限冷硬轧辊及铸造方法，以提高轧辊的使用寿命和轧钢工艺的安全，具有十分重要的意义。
发明内容
针对现有无限冷硬轧辊存在的上述的问题，本发明提供一种无限冷硬复合轧辊及其铸造方法。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供的技术方案是：
一种无限冷硬复合轧辊，所述轧辊的辊身包括外层、中间层和内层，所述中间层形成于所述外层内面，所述内层形成于所述中间层内面；
所述外层的成分重量百分比为：C 2.9～3.6％，Si 0.7～1.2％，Mn 0.5～0.8％，Cr 1.2～2.0％，Mo 0.3～0.5％，Ni 3.5～4.5％，Nb 0.1～1.5％，V 0.1～2.0％，Ti 0.1～1.0％，P≤0.1％，S≤0.03％，余量为Fe及不可避免的杂质；
所述中间层的成分重量百分比为：C 2.9～3.6％，Si 1.4～1.8％，Mn 0.5～0.8％，P≤0.1％，S≤0.03％，余量为Fe及不可避免的杂质；
所述内层的成分重量百分比为：C 2.9～3.6％，Si 2.0～2.5％，Mn 0.5～0.8％，Cr≤0.25％，Mg 0.04～0.08％，P≤0.1％，S≤0.03％，余量为Fe及不可避免的杂质。
采用三层材料的轧辊，如果材料选择不当，会使得材料间的膨胀性、导热性等性质存在较大差异，结合部位也更容易出现裂纹，进而导致层间结合部位脱落问题的出现，并且在后续热处理过程中也更容易产生较大的热应力，造成结合层脱落。
本发明提供的外层材料、中间层材料和内层材料的成分设计，综合考虑了三层材料之间的膨胀性、导热性以及结合力，外层材料通过添加Cr、Mo、Ni合金元素，增加材料中碳化物的含量，提高材料的硬度和耐磨性；加入Nb、V和Ti元素，不仅可以进一步提高材料中碳化物的含量，还可以使凝固组织细化，改善碳化物的形态和分布，配合各合金元素的含量设计，可有效避免碳化物偏析问题的出现；中间层可形成介于内层与外层之间的一种石墨组织形态，且不会形成石墨畸变区，可与内外层实现完全融合，提高外层的耐剥离性。
本发明中三层材料之间冶金结合良好，制备的无限冷硬轧辊的耐磨性强，有效避免了热处理过程以及轧制过程中外层材料的开裂和脱落，有效提高了轧辊的使用寿命，轧辊的平均总过钢量由原来的2～3万吨提高至5～6万吨，有效提高了轧制过程中的安全性，降低了企业的生产成本，市场前景广阔。
本发明中内层成分中Cr为有害元素，含量越低越好。
本发明还提供了上述无限冷硬复合轧辊的铸造方法，包括如下步骤：
分别进行外层金属液、中间层金属液和内层金属液熔炼；
外层金属液出炉时加入硅锆合金和稀土合金进行变质处理，出炉后加入硅钡孕育剂进行表面孕育处理；
对内层金属液进行球化处理；
用离心铸造法分别依次浇铸外层金属液和中间层金属液；
待外层金属液和中间层金属液凝固后，与造型好的上下辊颈模具合箱，再用静态浇铸法向型腔中浇铸内层金属液，冷却开箱，热处理，加工，得所述无限冷硬轧辊。
本发明提供的无限冷硬轧辊的制备方法，采用三次浇铸的方式，工艺简单，可操作性强，便于实现工业化生产。
优选的，上述无限冷硬复合轧辊的铸造方法具体包括如下步骤：
步骤a，按照轧辊各层材料要求的成分进行熔炼，得到所述设计配比的外层金属液、中间层金属液和内层金属液；
步骤b，外层金属液出炉时加入硅锆合金和稀土合金进行变质处理，出炉后加入硅钡孕育剂进行表面孕育处理，然后将外层金属液浇铸至冷型中，浇铸温度为1350～1400℃；
步骤c，外层金属液浇铸完毕后，加入玻璃渣，待冷型的内部型腔温度为1120～1200℃时，继续向冷型中浇铸中间层金属液，浇铸温度为1350～1400℃，单边浇铸厚度为15～30mm；
步骤d，中间层金属液浇铸完毕后，继续离心旋转5～15min，停止离心，将冷型与造型好的上下辊颈箱进行合箱，并设置好顶部浇口漏斗；
步骤e，将温度为1360～1400℃的经球化处理的内层金属液浇铸至冷型中，冒口加保温剂，36～48h后脱箱，热处理，加工，得所述无限冷硬复合轧辊。
本发明中步骤b中采用特殊的孕育处理过程配合独特的外层成分设计，可有效改善外层石墨组织形态及数量，组织中石墨量的增加及细小均匀分布，可以增强轧辊导热性，改善轧辊耐热疲劳性能，同时可以抑制热疲劳裂纹的扩展，防止或减少辊身在轧钢过程中发生热疲劳掉块现象。无限冷硬轧辊中，碳化物是裂纹的萌生源，同时亦是裂纹扩展的途径，通过有效的孕育剂及变质处理，缩小了碳化物的块度及形状因子，减少了碳化物尖角，使裂纹发生的概率大大降低。
步骤c中在冷型的内部型腔温度为1120～1200℃时进行中间层金属液的浇铸，可避免中间层和外层金属液之间发生混融，且内部型腔温度为1120～1200℃时，外层材料还处于共晶凝固状态，中间层金属液在此温度下浇铸很容易在分子间结合力的作用下与外层发生冶金结合，因此，有利于提高两层之间的冶金结合。
优选的，步骤b中，所述冷型的旋转速度为850～1000r/min。
优选的旋转速度，有利于降低轧辊外层材料中碳化物的偏析问题，还有利于减少缩孔、气孔、夹杂等缺陷，提高金属的充型能力。
优选的，步骤b中，所述硅锆合金的加入量为外层金属液质量的0.1～1.0％，所述稀土合金的加入量为外层金属液质量的0.1～0.5％。
进一步优选的，所述稀土合金为轻稀土硅铁合金。
优选的，步骤b中，所述硅钡孕育剂的加入量为外层金属液质量的0.05～0.5％。
优选的孕育剂的加入量，有利于提高结晶时组织中的石墨量，并且有利于细化共晶组织，得到细小、密集、不连续的碳化物组织，进而有利于轧辊耐磨性和机械冲击性能的提高。
优选的，步骤b中，浇铸时冷型的内壁温度控制为80～150℃。
在铸腔型温80～150℃时进行浇注，既能够保证有足够的激冷作用，有利于获得均匀细小的组织，同时又能够防止金属液冷却速度过快导致的裂纹倾向问题的出现。
优选的，步骤b中，所述硅锆合金和稀土合金采用包内冲入的方法加入铁水包中。
优选的，步骤c中，所述玻璃渣为质量比为0.8～1.2:1的O型渣与无水硼砂的混合物，所述玻璃渣的加入量为3～6Kg/m2。
优选的玻璃渣及玻璃渣的加入量，可有效防治外层金属液被氧化。
优选的，步骤c之前还包括，将冷型和造型好的上下辊颈箱进行预热，向预热好的冷型内壁喷涂2～4mm的石英粉涂料，烘干，内腔清理干净后备用。
优选的，所述冷型和上下辊颈箱的预热工艺为：以20～30℃/Hr升温至300～400℃，保温3～5h。
本发明中内层金属液可采用本领域常规的球化处理工艺，具体参数可进行常规调整。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
(1)通过外层成分设计和独特的孕育处理工艺，有效改善了轧辊的耐磨性，轧辊样块的磨损量为0.15g/30min；
(2)独特的中间层成分设计和浇铸工艺的控制，使得外、中、内三层实现了良好的冶金结合，避免了轧辊使用过程中结合层的脱落，从而有效提高了轧辊的机械冲击性能，轧辊的抗击性Ak值可达到12.6J/cm2；
(3)本发明制备的无限冷硬轧辊成本低廉，外层耐磨性好，抗事故能力强，平均总过钢量可达6～5万吨。
附图说明
图1为本发明实施例3制备的轧辊的外层的石墨金相组织图；
图2为本发明实施例3制备的轧辊的外层的基体及碳化物金相组织图；
图3为本发明实施例3制备的轧辊的中间层的石墨金相组织图；
图4为本发明实施例3制备的轧辊的内层的石墨金相组织图；
图5本发明对比例1制备的轧辊的外层的石墨金相组织图；
图6为发明对比例1制备的轧辊的外层的基体及碳化物金相组织图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
为了更好的说明本发明，下面通过实施例做进一步的举例说明。
实施例1
本发明实施例提供一种无限冷硬复合轧辊，所述轧辊的辊身包括外层、中间层和内层，所述外层的成分重量百分比为：C 2.9％，Si 0.9％，Mn 0.8％，Cr 1.2％，Mo 0.5％，Ni 4.5％，Nb 1.5％，V 2.0％，Ti 0.8％，P 0.1％，S 0.02％，余量为Fe及不可避免的杂质；
所述中间层的成分重量百分比为：C 3.6％，Si 1.5％，Mn 0.5％，P 0.08％，S0.02％，余量为Fe及不可避免的杂质；
所述内层的成分重量百分比为：C 3.3％，Si 2.5％，Mn 0.6％，Cr 0.25％，Mg0.05％，P 0.08％，S 0.03％，余量为Fe及不可避免的杂质。
上述无限冷硬复合轧辊的制备步骤如下：
步骤a，冷型和造型好的上下辊颈及浇冒口准备：将冷型、上下辊颈及浇冒口入窑预热，预热工艺为：以30℃/Hr的速率升温至400℃，保温3小时。然后将预热好的冷型使用喷涂设备在其内壁喷涂2-4mm的石英粉涂料，烘干后，将冷型的内腔清理干净，安装端盖，端盖间隙用涂料密封，同时将端盖用销子打紧，备用；
步骤b，按照轧辊各层材料要求的成分进行熔炼，得到所述设计配比的外层金属液、中间层金属液和内层金属液；
步骤c，将外层金属液出炉至铁水包中，出炉过程中采用包内冲入法加入外层金属液质量1.0％的硅锆合金和0.3％的轻稀土硅铁合金进行变质处理，出炉结束后加入外层金属液质量0.05％的硅钡孕育剂进行表面孕育，待外层金属液达到1380℃时进行浇铸，浇铸时冷型的转速为1000r/min，冷型的内壁温度控制为150℃；
步骤d，外层金属液浇铸完毕后，加入玻璃渣，待冷型的内部型腔温度为1120℃时，继续向冷型中浇铸中间层金属液，浇铸温度为1380℃，单边浇铸厚度为15mm；其中，玻璃渣为质量比为1:1的O型渣与无水硼砂的混合物，加入量为6Kg/m2；
步骤e，中间层金属液浇铸完毕后，继续离心旋转15min，停止离心，离心机停稳后，立即将冷型吊下离心机与造型好的上下辊颈箱进行合箱，并设置好顶部浇口漏斗；
步骤f，将温度达到1400℃的经球化处理的内层金属液浇铸至型腔中，冒口加保温剂，浇注40h后，冷却，脱箱，进行400℃保温20小时回火热处理和加工，得所述无限冷硬热轧辊。
实施例2
本发明实施例提供一种无限冷硬复合轧辊，所述轧辊的辊身包括外层、中间层和内层，所述外层的成分重量百分比为：C 3.2％，Si 1.2％，Mn 0.5％，Cr 1.5％，Mo 0.4％，Ni 4.0％，Nb 0.1％，V 1.5％，Ti 0.1％，P 0.08％，S 0.03％，余量为Fe及不可避免的杂质；
所述中间层的成分重量百分比为：C 3.4％，Si 1.8％，Mn 0.6％，P 0.1％，S0.03％，余量为Fe及不可避免的杂质；
所述内层的成分重量百分比为：C 3.6％，Si 2.0％，Mn 0.8％，Cr 0.2％，Mg0.04％，P 0.06％，S 0.02％，余量为Fe及不可避免的杂质。
上述限冷硬复合轧辊的制备步骤如下：
步骤a，冷型和造型好的上下辊颈及浇冒口准备：将冷型、上下辊颈及浇冒口入窑预热，预热工艺为：以20℃/Hr的速率升温至300℃，保温5小时。然后将预热好的冷型使用喷涂设备在其内壁喷涂2-4mm的石英粉涂料，烘干后，将冷型的内腔清理干净，安装端盖，端盖间隙用涂料密封，同时将端盖用销子打紧，备用；
步骤b，按照轧辊各层材料要求的成分进行熔炼，得到所述设计配比的外层金属液、中间层金属液和内层金属液；
步骤c，将外层金属液出炉至铁水包中，出炉过程中采用包内冲入法加入外层金属液质量0.1％的硅锆合金和0.5％的轻稀土硅铁合金进行变质处理，出炉结束后加入外层金属液质量0.5％的硅钡孕育剂进行表面孕育，待外层金属液达到1400℃时进行浇铸，浇铸时冷型的转速为950r/min，冷型的内壁温度控制为80℃；
步骤d，外层金属液浇铸完毕后，加入玻璃渣，待冷型的内部型腔温度为1160℃时，继续向冷型中浇铸中间层金属液，浇铸温度为1350℃，单边浇铸厚度为20mm；其中，玻璃渣为质量比为0.8:1的O型渣与无水硼砂的混合物，加入量为3Kg/m2；
步骤e，中间层金属液浇铸完毕后，继续离心旋转5min，停止离心，离心机停稳后，立即将冷型吊下离心机与造型好的上下辊颈箱进行合箱，并设置好顶部浇口漏斗；
步骤f，将温度达到1380℃的经球化处理的内层金属液浇铸至型腔中，冒口加保温剂，浇注48h后，冷却，脱箱，进行400℃保温20小时回火热处理和加工，得所述无限冷硬热轧辊。
实施例3
本发明实施例提供一种无限冷硬复合轧辊，所述轧辊的辊身包括外层、中间层和内层，所述外层的成分重量百分比为：C 3.6％，Si 0.7％，Mn 0.6％，Cr 2.0％，Mo 0.3％，Ni 3.5％，Nb 0.8％，V 0.1％，Ti 1.0％，P 0.06％，S 0.02％，余量为Fe及不可避免的杂质；
所述中间层的成分重量百分比为：C 2.9％，Si 1.4％，Mn 0.8％，P 0.07％，S0.02％，余量为Fe及不可避免的杂质；
所述内层的成分重量百分比为：C 2.9％，Si 2.3％，Mn 0.5％，Cr 0.18％，Mg0.08％，P 0.1％，S 0.01％，余量为Fe及不可避免的杂质。
上述限冷硬复合轧辊的制备步骤如下：
步骤a，冷型和造型好的上下辊颈及浇冒口准备：将冷型、上下辊颈及浇冒口入窑预热，预热工艺为：以25℃/Hr的速率升温至350℃，保温4小时。然后将预热好的冷型使用喷涂设备在其内壁喷涂2-4mm的石英粉涂料，烘干后，将冷型的内腔清理干净，安装端盖，端盖间隙用涂料密封，同时将端盖用销子打紧，备用；
步骤b，按照轧辊各层材料要求的成分进行熔炼，得到所述设计配比的外层金属液、中间层金属液和内层金属液；
步骤c，将外层金属液出炉至铁水包中，出炉过程中采用包内冲入法加入外层金属液质量0.6％的硅锆合金和0.1％的轻稀土硅铁合金进行变质处理，出炉结束后加入外层金属液质量0.12％的硅钡孕育剂进行表面孕育，待外层金属液达到1350℃时进行浇铸，浇铸时冷型的转速为850r/min，冷型的内壁温度控制为120℃；
步骤d，外层金属液浇铸完毕后，加入玻璃渣，待冷型的内部型腔温度为1200℃时，继续向冷型中浇铸中间层金属液，浇铸温度为1400℃，单边浇铸厚度为30mm；其中，玻璃渣为质量比为1.2:1的O型渣与无水硼砂的混合物，加入量为5Kg/m2；
步骤e，中间层金属液浇铸完毕后，继续离心旋转10min，停止离心，离心机停稳后，立即将冷型吊下离心机与造型好的上下辊颈箱进行合箱，并设置好顶部浇口漏斗；
步骤f，将温度达到1360℃的经球化处理的内层金属液浇铸至型腔中，冒口加保温剂，浇注36h后，冷却，脱箱，进行400℃保温20小时回火热处理和加工，得所述无限冷硬热轧辊。
本实施例制备的轧辊的外层的石墨金相组织图如图1所示(100×)，从图中可以看出，轧辊外层组织中石墨含量明显增多。轧辊外层的基体及碳化物金相组织图如图2所示(100×)，从图中可以看出，无尖角型碳化物组织，碳化物的形状因子系数明显减小，减少了裂纹萌生的可能；同时，外层金属液中添加了Nb、V、Ti等元素，明显改善了碳化物的形态和分布，有利于耐磨性的提高。
本实施例制备的轧辊的中间层的石墨金相组织图如3所示(100×)，内层的石墨金相组织图如图4所示(100×)。从图中可以看出，中间层的石墨组织与外层石墨组织近似，是介于外层和内层之间的一种组织，这样不容易在外层和内层之间形成石墨畸变区，有利于避免结合层剥落掉块问题的出现。
对比例1
本对比例提供一种无限冷硬复合轧辊，其成分与实施例3完全相同，不同的仅是制备工艺中步骤c中仅加入外层金属液质量0.6％的硅锆合金和0.1％的轻稀土硅铁合金进行包内变质处理，外层金属液出炉后不加入硅钡孕育剂进行表面孕育处理。
本对比例制备的轧辊的外层的石墨金相组织图如图5所示(100×)，从图中可以看出，与实施例3的石墨组织图1对比，轧辊外层组织中石墨数量明显少很多。
本对比例制备的轧辊的外层的基体金相组织图如图6所示(100×)，从图中可以看出，轧辊外层的基体组织中碳化物块度相比实施例3的图2碳化物明显偏大。
为了更好地证明本实施例制备的轧辊的性能，下面对轧辊的耐磨性、机械冲击性和过钢量进行测试。测试样本为实施例1-3制备的轧辊，取样方式为随机取样，样本数为65个，取平均值进行统计。
将轧辊外层截取Φ6×12mm高温磨损试块，采用MG-2000B高速高温摩擦磨损试验机进行高温磨损试验。设定磨损时炉温为550℃，转速258rpm，荷载为180N，磨损试验时间为30分钟，磨损后用无水乙醇清洗试样，测定其磨损失重。结果显示，本实施例制备的轧辊外层样块的磨损量为0.15g/30min。对比例1轧辊外层的磨损量为0.26g/30min。
将轧辊外层截取10×10×50mm试块，参照ISO8568-2007标准进行抗冲击试验。试验结果显示，本实施例制备的轧辊外层的Ak值为12.6J/cm2，对比例1制备的轧辊外层的Ak值为9.62J/cm2。
在津西钢厂二扎厂进行过钢量试验，结果显示，实施例1-3制备的轧辊的平均总过钢量为5-6万吨，对比例1制备的轧辊的平均总过钢量为2-3万吨。
由此可见，通过上述方法制得的无限冷硬轧辊三层金属冶金结合良好，强度高，耐磨性好，可有效避免工作层的脱落，确保轧辊使用中不出现断辊事故，抗事故性好，适合应用于热轧带钢轧机和棒材轧机上，且成本低廉，制备工艺简单，具有广阔的市场前景。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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