一种改进型锻钢辊颈高镍铬钼合金铸铁复合轧辊制造工艺及设备制造技术

本发明专利技术公开了一种改进型锻钢辊颈高镍铬钼合金铸铁复合轧辊工艺及设备，材料质量百分比：C:3.0～3.6%，Si:0.60～1.20%，Mn:0.30～1.20%，Ni:3.0～5.0%，Cr:1.0～2.0%，Mo: 0.40～1.2%，W:0.1～2%，Cu：0.5～1.0%，P：≤ 0.05%，S：≤0.O3%，Mg：0.04～0.06%，Nb：0.1～0.3%，Ti：0.1～0.30%，V：0.2～0.6%，B：0.05～0.2%，Ba：1.5～2.5%，Ca：1～2%，Sb：1～3%，N：0.02～0.18%，Y/RE：1.0～2.0%，余量为Fe 以及不可避免的微量元素；采用钇基稀土球化和Ba、Ca、硅铁复合孕育，加入Nb，Ti ，V，B和Sb变质处理，提高了轧辊力学性能，采用锻钢辊颈提高了轧辊强度，感应加热器对芯棒进行型内整体加热熔铸，水冷结晶器成型，可动态控制复合层界面，工艺简单，效率高，电耗小，成本低，无成分偏析，轧辊使用寿命长。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于金属压力加工
，特别涉及一种一种改进型锻钢辊颈高镍铬钼合金铸铁复合乳辊工艺及设备，适用于乳钢行业中复合乳辊的制造。
技术介绍
乳辊被誉为“钢材之母”，是钢、铝、铜等金属压延生产中使金属材料产生塑性变形的工具，是决定乳机生产效率和乳材质量及经济性的重要的大型部件，是乳机乳制不可或缺的关键性部件和最主要的大宗消耗部件，其消耗成本约为乳钢生产成本的5%?15%。如果考虑因乳辊消耗而带来的生产停机、降产和设备维护增加等因素，则其所占生产成本的比重会更高。乳机是金属压力加工生产中的重要设备，是衡量一个国家钢铁发展技术水平的显著标志。而乳辊又是乳机的主要组成部分，是乳钢生产中大量消耗的关键部件，是决定一个国家乳制技术发展水平的基本保证，是一个国家金属材料设计、材料成型技术、加工制造和热处理等基础工业综合技术水平的直观体现。在乳钢工业生产中，每一种乳材无一不是依靠乳辊的乳制而成形，这就是说“无辊不成材”，所以，乳辊的质量和作用至关重要。乳辊质量不仅关系到乳钢生产成本和乳机生产作业率，还在很大程度上影响乳材质量。随着乳钢技术的发展，乳机速度和自动化程度不断提高，对乳辊质量特别是乳辊的耐磨性、强度及韧性等提出了更高的要求。进一步提高乳辊性能以适应乳机的需要，实现钢铁型材的节能降耗生产，是乳辊研制者面临的新目标。我国乳辊制造业经过几十年的发展和壮大，目前已成为世界乳辊产量大国，乳辊制造技术和材质品种方面有很大的发展。在乳辊材质方面，从球墨铸铁、合金无限冷硬铸铁发展到现在的针状组织球墨铸铁、高合金无限冷硬铸铁、高铬铸铁、硬质合金、半高速钢和高速钢等。在铸造工艺方面也从常规浇铸单一材质和溢流法浇铸复合材质，发展到离心复合浇铸工艺。目前国内乳辊供应能力已达到100万吨以上，设计制造能力可以达到120?150万吨。随着我国乳钢装备的改造和不断从国外引进先进的乳机，乳机向自动化、连续化、重型化方向发展，对乳辊的组织和性能提出了更高的要求。然而，我国自行研制的冶金乳辊乳制钢材平均消耗与发达国家相比尚有较大的差距。来自中国钢铁协会的最新统计，2014年我国钢材产量已经达到112557万吨，占全球钢产量40%以上，按照吨钢消耗乳辊1.0?1.2 kg/t钢计算，年消耗乳辊110?130多万吨，年消耗乳辊资金200亿元以上。为了满足乳钢生产的实际需要，我国每年都需要花费大量外汇进口乳辊，仅2010年进口优质乳辊约3.0万多吨，消耗外汇约2亿多美元。我国乳辊的大量消耗，造成了资源和能源的巨大浪费。另外，国外乳辊年消耗量也超过百万吨，市场需求量大。如此大的报废量无论从乳钢厂的乳制成本，还是从我国的能源和资源消耗方面来看都是一项巨大的浪费，对环境和资源造成巨大压力。因此，提高乳辊质量，延长乳辊寿命，不仅能节省大量外汇，而且还可以节省大量的乳辊材料，开发优质长寿命乳辊材料及其成形技术，不仅可满足国内需求，而且还可实现出口创汇。为满足现代乳钢工业对高性能乳辊的要求，近年来，国内外研发了多种新型高性能乳辊制造工艺，其中在铸造法制造复合工艺方面开发的工艺主要有:离心铸造复合乳辊、连续铸造(CPC)复合车浅、电渣重熔(ESR)复合乳辊、组合式复合乳辊等。离心铸造复合乳辊工艺(CF)，是采用离心铸造的方法生产双金属复合乳辊。主要是使用旋转来产生离心力，将金属液浇入到正在旋转的铸型中，利用离心力把所浇注的金属液从旋转中心甩向铸型的外缘，使金属液的凝固由外向内顺序进行，凝固成外层为组织致密的高耐磨材料、内层为普通材料的复合乳辊。金属液的流动有助于树枝状晶的破碎和细化，同时克服了晶粒间“隧道”的阻力进行补缩，使铸件的致密度得到提高。在外层金属液凝固后，将铸型吊起与底部和上部及冒口砂型组装，将芯部及上下型腔以重力浇注充填，实现两种材料的复合。离心乳辊铸造法制造复合乳辊有着其他铸造工艺不具备的优点，具体如下:(1) 一些部件不需要浇冒口，有效的提升了金属液的使用效率；(2)不需要使用砂芯就可以铸造出环形和空筒形的铸件，同时也可以生产出长度和直径不同的铸管，具有良好的生产效率，生产成本也不高；(3)在离心力的作用下，金属液凝固后，质地细腻；(4)用这种方法生产的乳辊外层具有较高的耐磨性，内层的韧性材料又能保证乳辊具有较高的韧性，具有比整体材料乳辊更广阔的应用前景和较高的性价比。该工艺虽然具有设备简单，设备投资小，生产效率高，成本低，适于大批量生产之特点。但该工艺存在以下几种不足: 1)当用于制造高合金材料的乳辊时，由于材料中往往含有大量密度高的合金，如钨、钼、钒等，离心铸造时，由于离心力的作用，这些密度高的合金会偏析于乳辊表面，使乳辊内层合金元素含量降低，使组织和成份不均匀从而恶化乳辊表面层韧性，降低乳辊外层的耐磨性，影响乳辊的质量。2)当芯部材料的熔点高于外层材料的熔点，浇注时于已凝固的外层材料的内表面产生熔合层。因此当芯部材料选用铸钢时，不能得到良好的复合界面。3)无法生产具有高强度、高韧性的锻钢芯部的复合乳辊。连续浇注外层成形法(CPC法)，该工艺是日本的新日铁公司与20世纪80年代末研究开发投入生产。CPC法是集材料、工艺、设备、自动控制于一体的高新技术_，目前世界上只有新日铁和日立公司成功用于工业化生产。其工作原理是以锻钢、铸钢或废旧乳辊作辊芯，在其表面涂上一层硅系玻璃保护膜，防止辊芯表面氧化。将需要复合的外层金属液浇入到垂直安装的辊芯和水冷结晶器之间，为使浇铸的外层高速钢与辊芯完全熔合，采用二套电磁感应加热装置分别对钢液和辊芯进行补热和预热。熔融的外层金属液在与辊芯熔合的同时顺序向上凝固，使二种材料的界面达到冶金结合。通过抽锭设备，将复合好的乳辊不断地从水冷结晶器中抽出，直到复合乳辊浇注完成。在结合过程中，辊芯表面出现微熔，使辊芯和外层高速钢金属实现坚固的冶金结合，提高结合强度。这种方法生产的高速钢辊坯的组织及晶粒度要比离心铸造方法细得多，且碳化物均匀弥散分布，寿命可比离心铸造乳辊高30%。结合层的形成影响着乳辊的下降速度，也就决定了 CPC法的生产效率。该方法具有如下特点:①乳辊的外层材质可以选择多种高合金材料，芯部材质可用强韧性和刚性高的钢系材料，避免了离心铸造高速钢乳辊所出现的初晶碳化物偏析和组织、成份偏析缺点；②钢液在水冷结品器中凝固，冷却速度快，可获得细小、致密的凝固组织，抗热裂性好，乳辊性能好等特点；③由下向上的顺序凝固，避勉了缩孔和疏松等铸造缺陷的产生；④既可制造新乳辊，也可对旧乳辊进行再制造修复。CPC的缺点主要是:①由于采用二套感应加热系统，设备较复杂，技术难度大由于采用抽锭方式，生产效率较低，且所生产的钢质纯晶度差；③生产过程中需要对钢水进行长时间的保温，耗能大，对中间包耐火材料要求高，生产成本高；④对厂房和操作工人要求高。基于以上原因，目前推广使用范围很小，我国至今尚未投入产业化生产。电渣液态浇注法(ESSLM)，ESSLM是在上世纪90年代初E.0.巴顿电焊研究所专利技术的。其生产工艺是在一个铜质水冷结晶器中间放入被复合的锻造、铸造或者用过的废旧辊芯，再将预先熔化好的熔渣倒入辊芯与结晶器之间的间隙中，在结晶器与辊芯之间通电，通过液态熔渣形成电回路，熔渣中产生的热量将辊芯的表面熔化，将熔炼好的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种改进型锻钢辊颈高镍铬钼合金铸铁复合轧辊工艺及设备，其特征在于：轧辊制造采用以下工艺步骤：（1）芯轴制备和预热首先将制造好的所需尺寸的轧辊芯棒表面进行除油、除锈处理后，在其表面均匀涂覆一层防氧化涂料，放入加热炉内进行预热到500℃～700℃后，通过支承底座、底水箱和浇注底板的中心圆孔固定在结晶器的中心，启动区域定向凝固升降装置，将电磁感应加热器下降到结晶器的底部，打开水冷结晶器和底水箱的进出水管，启动电磁感应加热电源，通过安装在水冷结晶器外部的感应加热器对芯棒进行表面加热，待加热到840℃～1100℃；（2）成分设计高镍铬钼合金铸铁复合轧辊工作层材料成分的质量百分比为：C: 3.1～3.5%，Si:0.70～1.20%，Mn:0.40～1.20%，Ni:3.0～4.8%，Cr:1.0～2.0%，Mo: 0.40～1.1%，W:0.1～2%，Cu：0.5～1.0%，P：≤ 0.05%，S ：≤0.O3%，Mg：0.04～0.06%，Nb ：0.1～0.3%，Ti：0.1～0.30%，V：0.2～0.6%，B：0.05～0.2%，Ba：1.5～2.5%，Ca：1～2%，Sb：1～3%，Zr：0.1～0.3，N：0.02～0.18%，Y/ RE：0.1～0.3%，余量为Fe 以及不可避免的微量元素；（3）金属液熔炼按高镍铬钼合金铸铁复合轧辊预定材料成分称取原料生铁、回炉料、铬铁合金、废钢、钨铁、钒铁合金、钼铁合金、镍锭、铌铁合金、钛铁合金、紫铜，放置到中频炉中熔炼，熔炼过程中进行多次造渣扒渣，保证铁水纯净度;当铁水温度为1450～1500℃时，取样进行化验，并调整各元素含量直至符合成分要求；（4）孕育、变质处理将铁水包烘烤后，将预热好的所需重量的钇基重稀土镁与1/3需要加入的Ba、Ca和硅铁孕育剂和Nb、Ti、V、B、Sb、Zr、Si3N4合金变质剂一起埋入烘烤过的铁水包中的凹坑里，其上覆盖0.5～1%的轧辊铁屑并压实，先冲入总量2/3的熔化好的合格成分的铁水，待球化反应结束后，补加剩余的1/3铁水，并在出铁槽中随流倒入预热的硅铁粒(孕育总量中剩余的2/3的75SiFe)，充分搅拌后扒渣、加覆盖剂准备浇注；（5）浇注将球化、孕育、变质处理好的轧辊外层金属液倒入浇注包内，将浇注包内的金属液按照所预定的浇注程序通过浇注漏斗、中注管、浇铸流道浇入结晶器内与芯棒之间的空隙中，在浇注过程中，浇注温度应控制在1300～1350℃范围，开始浇注需大流，40～60s后，开始减流慢浇，全部浇注过程不得大于5min，电磁感应加热器不停止加热，金属液浇注完毕后，感应加热器继续进行加热10～50分钟，使所浇注的金属液在一定的时间内保持液态，以增加液固时间，使界面形成冶金结合，启动区域定向凝固升降装置将电磁感应加热器以一定的速度向上提升，逐步脱离电磁感应加热的辊轴复合层由下向上逐层顺序凝固，并根据质量要求在不同的区域内控制不同的上升速度，形成区域定向凝固，经5～15分钟升到保温圈处停止，继续对保温圈进行加热10～50分钟，以延迟保温冒口凝固时间，对冒口进行补缩，使复合层金属液中的气体和夹杂物充分上浮，消除复合层金属铸造缺陷，达到预定时间后停止加热，继续通水冷却30分钟～24小时，将铸造好的复合辊轴从结晶器内取出；（6）热处理工艺    缓缓升温10～12 h，在520℃下按轧辊直径每30mm保温1h进行保温，然后，随炉缓慢冷却，到150℃出炉；所述的轧辊芯棒材料为锻造或者铸造低合金钢、中碳钢或球墨铸铁；所述的75SiFe孕育剂加入量为0.2～0.4%；所述的Y/ RE为钇基重稀土镁，其组份为(按重量百分比)：Y/ RE 1～8％、Mg 6～10％、Ca 1～4％、Ba 1～4％、Si 40～48％、Bi 0‑1.0％、Sb 0‑3％，其余为铁及少量杂质元素；所述的N源材料为Si3N4。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：丁家伟，丁刚，耿德英，鹿微微，鹿策，施孟达，孔军，
申请(专利权)人：丹阳恒庆复合材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32