（机械工程专业论文）改进型高镍铬无限冷硬离心复合铸铁轧辊的研制.pdf

大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 2 0 0 8 年我国钢铁产量超过5 亿吨，占世界粗钢总产量的3 8 ，位居世界第一。这 意味着每年要消耗大量轧辊，轧辊是轧钢生产中的主要消耗备件之一，轧辊消耗成本约 为轧钢生产成本的5 1 5 。轧辊不仅关系到轧钢生产成本和轧机生产作业率，还在 很大程度上影响轧材质量。随着轧钢技术的发展，轧机速度和自动化程度不断提高，对 轧辊质量特别是轧辊的耐磨性、强度及韧性等提出了更高的要求。 改进型高镍铬无限冷硬离心复合铸铁轧辊是在普通高镍铬铁水中加入n b 、v 、w 等 合金元素，改变碳化物类型，得到细小颗粒状高硬度碳化物，均匀分布在轧辊基体组织 中，使改进型轧辊比普通型轧辊有更好的耐磨性。 改进型i c d p 轧辊采用离心铸造方法生产，经过合理的成分设计与铸造工艺及对外 层和芯部材质的变质处理，辊身表面的硬度值、硬度均匀性、硬度落差、辊颈抗拉强度 和残余应力，及组织中残余奥氏体量等性能指标，均满足轧辊的使用要求。经过应用验 证实验表明，与普通型i c d p 轧辊相比，改进型i c d p 轧辊使用寿命提高约2 0 ，与同 机组国内外改进型轧辊相比，平均使用寿命提高约9 。 关键词：改进型轧辊；耐磨粒子；混合碳化物；变质处理 改进型高镍铬无限冷硬离心复合铸铁轧辊的研制 t h er e s e a r c ho fe n h a n c e dh i g hn i c ri n d e f i n i t ec h i l l e dc e n t r i f u g a l c o m p o u n dc a s ti r o nr o l l s a b s t r a c t t h es t e e lp r o d u c t i o ni nc h i n aw a sm o r et h a n5 0 0m i l l i o nt o n si n2 0 0 8 i t sc r u d es t e e l p r o d u c t i o nm n k i n gt h ef i r s ti nt h ew o r l d n l er o l l s ，t a k i n ga b o u t5 - 15 o ft h ep r o d u c t i o n c o s t ，a r eo n eo fm o s tc o n s u m ei ns t e e l - r o l l i n gp r o d u c t i o n r o l l e rd o e s n ti n f l u e n c eo n l yt h e p r o d u c t i o nc o s ta n do p e r a t i o ne f f i c i e n c y ，b u ta l s ot h ep r o d u c tq u a l i t y w i t hd e v e l o p i n go f t h e s t e e lr o l l i n gt e c h n o l o g y ，t h ew e a r a b i l i t y ，s t r e n g t ha n dt o u g h n e s so ft h er o l l e ra r ea l s or e q u e s t e d ， a n dt h er o l l i n gs p e e da n dt h ea u t o m a t i o no ft h er o l le q u i p m e n ta r ea l s oe n h a n c e d e n h a n c e dh i g hn i c ri n d e f i n i t ec h i l l e d c e n t r i f u g a lc o m p o u n dc a s t i r o nr o l l s ，c a l l e d e n h a n c e di c d pi r o nr o l l e rf o rs h o r t ，i st h a tt h es t r o n gc a r b i d e f o r m i n ge l e m e n t sn b ，va n dw a r ea d d e di n t ot h ec o m m o nh i g hn i c ra l l o yi r o nt oc h a n g et h et y p eo fc a r b i d e sa n df o r mh i 曲 h a r d n e s sc a r b i d ep a r t i c l e s t h ep a r t i c l e sw e r eu n i f o r md i s t r i b u t i o nt h em a t r i xo fe n h a n c e dr o l l s w h i c hh a v em o r ew e a rr e s i s t a n tt h a nt h ec o m m o ni c d p ( i n d e f i n i t ec 蛐l e dd o u b l ep o u r ) i r o n r o l l e r s 1 1 1 ef a b r i c a t i o nt e c h n o l o g yo ft h ee n h a n c e di c d pi r o nr o l l e rc o m e sf r o mt h er e a s o n a b l e c o m p o s i t i o nd e s i g n ，c e n t r i f u g a lc a s t i n ga n di n o c u l a t i o nm e t h o d t h er o l l sp r o p e r t i e s ，s u c ha s s u r f a c eh a r d n e s s ，h a r d n e s su n i f o r m i t y ，h a r d n e s sf a l l i n g ，t e n s i l es t r e n g t ho fr o l l e rn e c k ，r e s i d u a l s t r e s sa n dr e s i d u a la u s t e n i t i ce t c ，m e e tt h er e q u i r e m e n to fo p e r a t i n gr e q u i r e m e n t so fr o l l e r s t h ea p p l i c a t i o nv e r i f i c a t i o ne x p e r i m e n ts h o w st h a tt h es e r v i c el i f eo ft h ee n h a n c e di c d pi r o n r o l l e ri n c r e a s e db y2 0 t h a nt h a to ft h ec o m m o ni c d pi r o nr o l l e r , a n db y9 t h a nt h a to f a b r o a dp r o d u c t k e yw o r d s ：e n h a n c e di c d pi r o nr o l l s ；w e a rr e s i s t a n tp a r t i c l e s ；m i x e dc a r b i d e s ； i n o c u l a t i o n i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：堕进型直鳇签玉腿猃堡塞! 坠复金笾迭奎l 塑的硒益4 作者签名： 叠丕丛磕 日期：竺咀年! 月一日 大连理工大学专业学位硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目：超型盏鳖垂 作者签名： 导师签名： 稻瓠侈 日期： 年上三月一e t 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1绪论 1 1 国内外钢铁状况 纵观世界钢铁工业发展史，英美一德日一中国各领风骚几十年。投资、消费与出口 这三驾马车的强劲拉动，使中国钢铁工业保持了十多年的高速发展。目前看，我国无疑 是世界最大的钢铁生产大国、消费大国、出口大国。0 7 年世界粗钢产量为1 3 4 4 亿吨， 而0 7 年中国粗钢产量则达到4 8 9 亿吨，比世界粗钢产量的三分之一还多，并连续1 1 年稳居世界粗钢产量第一名。除中国外，世界粗钢产量比较大的国家有日本、美国、俄 罗斯、印度、韩国、德国、乌克兰等。这些国家粗钢产量合计约等于中国粗钢产量晤1 。 由此可见，钢铁行业需求量较大的轧辊市场就在中国。 从0 7 年中国粗钢产量看，前1 0 钢铁企业是宝钢集团( 含八一钢铁) 、鞍本集团、 沙钢集团、唐钢、武钢、马钢、首钢、济钢、莱芜、华菱。前1 0 大钢企重组、兼并调 整的步伐正在加快，如济钢莱芜成立山钢集团。这1 0 个钢铁企业是中国轧辊市场消耗 较大的企业。 0 8 年我国板带总产量为2 5 亿吨左右( 其中热轧宽带约1 4 亿吨) ，在轧辊需求市 场上，板带轧辊的需求无疑是重中之重，而在板带轧辊的需求上，热轧宽带轧辊的需求 是比较大的一部分。 热轧带钢产能的集中度主要分布情况： 北美薄板产能前五家占北美7 3 ，其中米塔尔2 7 ，美国钢公司2 4 ，美国纽柯集团 1 0 ，美四a k 钢公司7 ，加拿大多法斯科钢公司5 。 欧洲薄板产能前五家占欧洲产能的7 3 ，其中阿塞洛集团占3 5 ，克鲁斯1 2 ，蒂森 克虏伯1 2 ，意大利r i v a 集团8 ，美国钢公司6 。 亚洲薄板产能前五家占亚洲产能的5 7 。其中新日铁1 6 ，j f e 集团1 4 ，浦项钢铁 集团1 4 ，宝钢集团8 ，住友金属5 ，可见亚洲薄板产能集中度还是比较低。 1 1 1 热轧带钢生产线情况 从1 9 2 6 年美国芝加哥阿姆科公司建第一套1 2 1 9 m m 热轧带钢轧机以来，目前世界具 有2 0 0 多套热轧宽带钢轧机 1 。我国热连轧带钢生产技术在建国以后很长时期内相对 落后。1 9 5 8 年鞍钢建成第l 套1 7 0 0 m m 带钢半连轧机组。1 9 7 8 年武钢建成第2 套1 7 0 0 m m 带钢连轧机组。而随后1 9 8 9 年宝钢2 0 5 0 n v n 带钢热连轧机的建立，标志着我国带钢热连 轧生产进入快速发展的时期。目前国内已建成热轧带钢生产线约7 0 套 2 ，产能在1 5 改进型高镍铬无限冷硬离心复合铸铁轧辊的研制 亿吨左右，在建约1 5 套，筹建约1 0 套，若全部建成投产，产能约在2 亿吨以上。预计 国内每年消耗热连轧工作辊在1 0 万吨左右。国内主要热连轧企业见下表1 1 。 表1 1国内主要热连轧企业 t a b 1 1m a i nh o tt a n d e mr o l l i n gm i l li nc h i n a 大连理工大学专业学位硕士学位论文 表1 1 续 t a b 1 1 c o n t 一3 一 改进型高镍铬无限冷硬离心复合铸铁轧辊的研制 表1 1 续 t a b 1 1c o n t 1 1 2 先进的热轧带钢轧机工艺流程及特点 近几年，我国宽带钢热连轧技术和装备能力取得了巨大的发展。有三方面特点：一 是投资规模前所未有；二是技术及规模上水平，不仅引进了多套当代国际最先进的机组， 而且建设了多条自行设计制造的轧制线；三是热轧带钢产品涵盖了建材、汽车、家电、 机械、化工和管道输送等用途3 。热轧带钢连轧机是生产热轧板卷的主体设备。热轧带 钢连轧机轧制生产过程可分为除鳞、粗轧和精轧等几个阶段聃1 。目前先进的热轧带钢轧 机工艺流程及特点如下： ( 1 ) 板坯辊道与炼钢铸机直接连接可实现 7 0 的板坯直装。 ( 2 ) 3 座或4 座步进式加热炉自动烧钢控制。 ( 3 ) 可变距离的多点高压水除磷系统效果更好，保证带钢表面质量。 ( 4 ) 板坯送入3 0 0 3 5 0 r a m 定宽压力机以达到变化小的板坯满足生产变化大的宽度需 求。 ( 5 ) 再进入第一架四辊( 或二辊) 粗轧机进行3 道次轧制( 可逆式) 。 ( 6 ) 再进入第二架四辊轧机进行3 道次轧制( 可逆式) 。 ( 7 ) 粗轧机前有立辊轧机对中间坯的宽度进行控制。 ( 8 ) 中间坯经保温辊道和边部感应加热对边部温度进行补偿后进行切头，飞剪切除 头尾。 ( 9 ) 再次高压水除磷。 ( 10 ) 进入七机架( 或六机架) 精轧机进行轧制。 ( 11 ) 进入先进的层流冷却系统。 ( 1 2 ) 进入下一道精整工序。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 1 3 热轧带钢轧机的轧辊 生产高品质的热轧带钢除了需要具有国际先进的热轧带钢轧机、先进的工艺、先进 的检测手段和科学管理外，还应具有性能优异与轧机相匹配的不同材质轧辊，热轧带钢 粗轧架轧辊一般选用6 0 c r n i m o 、c r 5 等复合铸钢轧辊。精轧架轧机布置为连续式轧机， 一般有5 7 机架组成，前3 或4 架为精轧前架，其余为精轧后架。精轧前架轧辊经历了 合金半钢到高铬铸铁的过程，现在一些先进的热轧厂采用复合半高速钢、复合高速钢。 精轧后架轧辊材质要求高的耐磨性、高的抗印痕性、高的抗热裂性、高的抗剥落性。主 要材质为高镍铬无限冷硬铸铁轧辊n9 i ，目前仍在使用，一些企业开始使用经过改进的 高镍铬轧辊，其耐磨性、抗热裂性更好。 1 2 国内轧辊制造企业 1 2 1 鞍钢轧辊厂 鞍钢重型机械有限责任公司轧辊厂( 原鞍钢轧辊厂) ，始建于1 9 3 5 年，是中国轧 辊工业的摇篮。7 0 多年的轧辊生产历史，几经技术改造，是我国目前较大的专业轧辊生 产厂。生产设备有3 吨、2 0 吨工频电炉，1 0 1 5 吨中频熔炼( 保温) 炉等熔炼设备；1 5 吨，2 4 吨，4 5 吨卧式离心铸造机等铸造设备；高低温电阻式热处理炉等熟处理设备； 种类齐全的专业加工机床、进口大型数控磨床、数控车床、数控铣床等加工设备以及精 密光学显微镜、超声波探伤仪、直读光谱仪等分析检测设备。悠久的生产历史，专业齐 全的工程技术队伍，雄厚的技术力量和完善的质量保证体系，首批获得“铸铁轧辊生产 许可证 及“出口轧辊生产许可证 。获得i s 0 9 0 0 1 ：2 0 0 0 质量体系认证证书和省市“重 合同守信用单位，并荣获辽宁省质量管理奖，产品分获省、国家级优秀产品奖，并获 得国家专利三项。 先进的轧辊生产线，可制造各种材质及规格的铸铁、铸钢、半钢以及高铬钢轧辊。 产品在国内外享有很高的信誉，销售至国内三十余家大型钢铁公司并出口至阿塞洛一米 塔尔钢铁集团等国外钢铁企业。 1 2 2 其它轧辊厂 目前国内大大小小的轧辊企业有2 0 0 多家。0 8 年共生产冶金轧辊3 8 万吨。其中铸 铁轧辊2 8 万吨，铸钢轧辊8 万吨，锻钢轧辊2 万吨。从铸铁轧辊产量看，0 8 年国内产 量前5 名为邢台轧辊7 万吨，鞍钢轧辊2 7 万吨，共昌轧辊2 3 万吨，唐山连强1 6 万 吨，武钢轧辊1 5 万吨。目前国内轧钢用辊需求量不足2 5 万吨，轧辊产能严重过剩， 特别是近年来在我国钢材产量快速增长的拉动下，冶金轧辊制造业获得了迅猛发展，在 改进型高镍铬无限冷硬离心复合铸铁轧辊的研制 此大背景下，各大轧辊厂为扩大市场占有率，提高产能优势，纷纷投入大量资金进行扩 建及购进大型的轧辊生产设备。如邢台投资2 3 亿资金，共昌投入8 亿资金，武钢投资2 亿资金，与此同时，投资兴建的新型轧辊企业也有十几家。如国丰投资8 个亿，德隆投 资1 5 亿，宝日投资5 亿建轧辊厂，这几家企业现己投产。大量的资金投入，先进的生 产设备使这些虽是刚步入轧辊行业的新企业，却拥有了不容忽视的强势市场竞争力，预 计0 9 年国内轧辊产能将达到4 5 万吨，供需严重失衡。以热连轧工作辊为例，市场需求 量在1 0 万吨左右，而市场供应量在1 5 万吨左右，这将使市场竞争极为激烈，提高改进 质量，压低价格将是企业生存之道。 企业的竞争能力取决于企业的技术研究开发能力、企业的核心制造能力及市场推广 能力。我国轧辊生产厂家也必须从这三个方面入手，找出差距，弥补不足，才能提高国 产轧辊的整体市场竞争力h 1 。 1 3 轧辊生产制造基本知识 轧辊是轧钢生产中的主要消耗备件之一，轧辊消耗成本约为轧钢生产成本的5 1 5 。如果考虑因轧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。轧辊质量不仅关系到轧钢生产成本和轧机生产作业率，还在很 大程度上影响轧材质量。随着轧钢技术的发展，轧机速度和自动化程度不断提高，对轧 辊质量特别是轧辊的耐磨性、强度及韧性等提出了更高的要求。近年来，由于对轧制钢 材的特殊需求，对轧材的尺寸、表面精度、轧材的性能均提出了更高的要求。另外，随 着轧制技术的发展，轧辊的工作环境也越来越苛刻。以热连轧为例，轧辊长期处于高温、 高负荷、高速度的恶劣工作条件下，这样对轧辊的性能要求更高。如何提高轧辊性能以 适应轧机的需要，是轧辊研制者面临的新课题。 改变轧辊材质是提高轧辊性能的重要措施。轧辊材质发展的明显趋势是广泛使用合 金元素且逐渐提高合金化程度。如热轧带钢精轧前段由2 0 世纪3 0 年代的高镍铬无限冷 硬铸铁轧辊发展到6 0 年代的半钢轧辊，7 0 年代开始使用高铬铸铁轧辊和高铬铸钢轧辊， 8 0 年代末开始使用高速钢轧辊。 1 3 1轧辊分类 轧辊种类很多，目前常用的轧辊品种有铸钢轧辊、铸铁轧辊和锻造轧辊三大类，在 型材轧机上还有少量硬质合金轧辊。 锻造轧辊按材质分类如下： ( 1 ) 锻造合金钢轧辊； ( 2 ) 锻造半钢轧辊； 大连理工大学专业学位硕士学位论文 ( 3 ) 锻造半高速钢轧辊； ( 4 ) 锻造白口铸铁轧辊。 而铸钢系轧辊可分为两类：钢轧辊( 碳含量0 4 1 4 ) 和半钢轧辊( 碳含量1 4 2 4 ) 。钢轧辊碳含量低，故硬度较低，为了提高硬度，可加入c r 、n i 、m o 等合金元 素。由于钢轧辊具有高的抗拉强度和韧性，适用于轧制温度高、轧制载荷大的开坯轧机 或初轧机，也可用做支撑辊。半钢轧辊碳含量在铸钢辊和铸铁辊之间，其组织主要由珠 光体构成，并含有一定数量的碳化物，其强度比铸铁轧辊稍高，比铸钢轧辊低，其硬度 比一般铸钢轧辊高。半钢轧辊的最主要特点是内部硬度降落很小，特别适用于制造深孔 型轧辊，同时广泛用做型钢轧机粗轧和精轧机架、热轧带钢连轧机粗轧和精轧前段工作 辊。半钢轧辊材质中若增加硅含量，通过石墨化处理而获得的石墨钢轧辊，具有高的抗 热裂性和强韧性，作为初轧机开坯轧辊、大型型钢粗轧辊、开坯连轧机轧辊和热轧带钢 连轧机立辊，可获得良好的轧制效果。 铸铁系轧辊的碳含量在2 5 , - - , 3 5 左右，按主要材质可分为普通铸铁轧辊、高镍铬 无限冷硬铸铁轧辊、高铬铸铁轧辊、合金球墨铸铁轧辊和多元合金白口铸铁轧辊五大类。 其中高镍铬无限冷硬铸铁轧辊采用全冲洗或离心复合浇注工艺生产，其工作层基体组织 中存在较大数量的碳化物，因此有较高的耐磨性：同时基体组织中石墨的存在，使其具 有良好的抗热裂性，被广泛用于中厚板轧机和带钢轧机精轧用辊。多元合金白口铸铁轧 辊就是高速钢轧辊，高速钢轧辊是问世时间最短、发展最快且应用前景最广的热轧轧辊 材料。于1 9 8 8 年n 5 1 由日本新日铁公司研制成功的性能优异的新型轧辊。高速钢轧辊工 作层材质在热轧时具有高的硬度，可达到h s d 8 0 - 、, 9 0 ，且辊身表面硬度均匀，工作层内 无硬度落差，几乎不降，具有高的耐磨性和耐表面粗糙性，具有较高的红硬性和高温硬 度，用作热轧工作辊具有较好的热稳定性啪1 。 1 3 2 无限冷硬铸铁轧辊的发展 无限冷硬铸铁轧辊是一种应用已久的轧辊。早在2 0 世纪初，普通无限冷硬铸铁轧 辊就在热轧带钢轧机上广泛应用。无限冷硬铸铁轧辊的材质介于冷硬铸铁和灰口铸铁之 间。与冷硬铸铁相比，其铁水中硅含量较高( 含0 7 - 1 6 s i ) ，因此无限冷硬铸铁轧辊 辊身工作层基体组织内，除含有与白口铸铁中相近似数量的碳化物和莱氏体外，还存在 均匀分布的石墨。无限冷硬铸铁轧辊中还常常加入不同含量的c r 、n i 、m o 等合金元素， 随着c r 、n i 、m o 含量的增加，其硬化层深度大大增加。无限冷硬铸铁轧辊辊身基体组 织中含有较多的碳化物，具有较好的耐磨性。在基体组织中均匀分布的少量细小石墨， 起到了松弛机械应力的作用，有利于减轻辊身表层的剥落缺陷。同时，石墨本身具有良 一7 一 改进型高镍铬无限冷硬离心复合铸铁轧辊的研制 好的导热性能，在轧钢过程中，轧辊表面受热冲击时，石墨起缓冲热应力的作用，有利 于防止裂纹的产生。此外，辊身表面由于石墨脱落形成细小孔穴，改善轧辊的咬入性能。 无限冷硬铸铁由于硬度高、硬度差很小及良好的抗热裂性，且其热处理工艺简单， 在轧辊制造中得到了广泛的应用。世界各国热连轧机精轧后段成品机架上普遍使用无限 冷硬铸铁轧辊，甚至精轧前段仍然一直使用无限冷硬铸铁轧辊。影响无限冷硬铸铁轧辊 性能的主要因素是硬度、化学成分和组织。用于带钢连轧机的无限冷硬铸铁轧辊表面硬 度一般为7 5 8 5 h s ，用于中厚板轧机的无限冷硬铸铁轧辊的硬度稍低一些，一般为7 0 - - - 8 0 h s ；基体组织一般是马氏体和贝氏体，此外，石墨和碳化物对轧辊使用也有很大影响， 表l - 2 反映了石墨和碳化物数量与轧辊性能的关系。 表1 2 石墨和碳化物数量与轧辊性能的关系 t a b 1 2 r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ec o n t e n to fg r a p h i t ea n dc a r b i d ea n dr o l lp e r f o r m a n c e 近年来，为了提高无限冷硬铸铁轧辊的性能，开发了改进型无限冷硬铸铁轧辊，其 主要特征是利用n b 、v 、t i 等强碳化物形成元素，获得细小颗粒状、高硬度碳化物和二 次硬化，在保持良好抗事故性的同时提高耐磨性。该材质在金属型离心铸造凝固冷却条 件下，获得贝氏体+ 马氏体基体、分散的合金碳化物及约3 的细小石墨组织。加入的n b 、 v 、t i 等合金元素，还具有改善枝晶组织形状和尺寸的作用，导致其耐磨性比普通高镍 铬无限冷硬铸铁轧辊提高2 0 以上，抗热疲劳性能也明显改善。 1 3 3 轧辊变质处理技术的发展 变质处理是改善材料组织和性能的重要手段。用稀土镁或纯镁对灰铸铁进行变质处 理，可以使铸铁中的片状石墨变成球状石墨，铸铁强度大幅度提高。白口铸铁共晶产物 奥氏体+ 碳化物为非小平面一小平面共晶，可以通过变质处理改变共晶碳化物的形态和 分布。在高铬铸铁中加入0 2 一0 8 b 和0 7 一1 5 s i 进行变质处理，得到的碳化物呈 大连理工大学专业学位硕士学位论文 粒状分布，冲击韧性达9 4 - - 1 2 6 j c m 2 。用含钾和钠的碱金属盐对c r l 5 m 0 3 进行变质 处理，使共晶碳化物变细、孤立化和团块化，其中钾盐热处理后硬度达6 5 h r c 时，冲击 韧性大于8 j c m 2 。用含镁的变质剂处理c r 2 6 白口铸铁，使冲击韧性稳定在8 - - - 9 6j c m 2 。 用含钒、稀土和铝的复合变质剂处理低铬白口铸铁，可使碳化物由连续网状转变成为孤 立的、细小的不规则块状，经热处理后形态进一步改善，冲击韧性比变质处理前提高 1 0 5 。用稀土一硼复合变质处理3 0 c r m n 2 s i 铸钢，组织明显细化，在硬度不降低的情况 下，断裂韧性提高3 4 ，冲击韧性提高6 7 。用r e s i c a 一复合变质处理复相耐磨铸 钢，可以改善钢中夹杂物的形态和分布，由非均匀分布的线条状变为均匀分布的细小复 合型类球状，夹杂物长度由8 0 - 1 0 0i jm 缩小到6 一- 1 6pm ，冲击韧性由1 0 7 j c m 2 提高 到5 4 2 j c m 2 。用钛对m 2 高速钢进行变质处理，可以使凝固组织中莱氏体量减少，块状 碳化物量增加，当钛含量达到1 0 9 6 以上时，基本消除高速钢中的网状共晶莱氏体，碳化 物呈块状弥散分布。在高速钢中加入稀土元素进行变质处理，能改善高速钢铸态组织， 从而改善高速钢的热塑性。在w 1 8 c r v 高速钢中加入0 0 1 5 - - 一0 0 3 的钇、铈、镨、钕等， 可以提高钢的强度和切削性能：加入铈提高钢的红硬性。此外，变质处理技术应用于有 色金属，也具有较好的效果。用r e a 卜t i b p 多元复合变质z l l l 7 合金，使合金中的 初晶硅平均尺寸由变质前的2 5 0un l 变为3 0um ，室温抗拉强度由1 6 8 m p a 变为2 4 5 m p a ， 冲击韧性由5 2 j c m 2 提高到1 3 2 j c m 2 。近年来，在轧辊生产中采用变质处理技术，可 以明显细化和净化轧辊组织，大幅度提高轧辊力学性能和使用性能。 1 4 改进型高镍铬轧辊的应用前景及意义 我国钢铁工业飞速发展，1 9 9 6 年我国钢产量突破1 亿吨大关，成为世界第一产钢大 国，2 0 0 3 年突破2 亿吨、2 0 0 5 年突破3 亿吨、0 6 年突破4 亿吨，连续1 1 年保持世界第 一。我国粗钢产量已占据世界3 0 ，远远超过排名第2 6 位的日本、美国、俄罗斯、韩 国、德国5 个国家粗钢产量的总和n 副。按照1 吨钢消耗1 公斤轧辊计算，生产5 亿吨钢 材需要消耗5 0 万吨轧辊。轧辊作为轧钢的重要大型工具，将随着轧制技术的改进及轧 钢设备的更新换代，我国的轧辊制造业只有不断关注和了解轧钢行业的发展，并不断持 续改进轧辊质量才能获得生存发展机会。 近几年，我国新建的热轧带钢轧机及中厚板轧机项目较多，预计到明年，中国的热 轧宽带钢轧机生产线将接近8 0 套，如此大量的热轧生产线，其轧辊需求量也是巨大的， 但是轧钢制造企业对轧辊的品质要求却越来越高，如高耐磨性、高耐事故性。目前，板 带材吨钢辊耗大约在o 6 公斤。随着钢铁产能的扩大，轧辊行业的利润促进全国各地纷 纷投资建厂，原有厂家纷纷投资扩建，这样轧辊产能又严重供大于求。在日益激烈的市 一9 一 改进型高镍铬无限冷硬离心复合铸铁轧辊的研制 场形势下，要想在轧辊行业生存与发展，必须研发具有高附加值的、满足用户不断提高 要求的改进型轧辊。 目前，我国轧辊吨钢消耗超过2 o k g t ，年消耗轧辊数十万吨，年消耗轧辊资金7 0 亿元以上，而发达国家同期吨钢辊耗仅为1 o 1 4k g t 。为了满足轧钢生产的实际需 要，我国每年都需要花费大量外汇进口轧辊。如果我国的轧辊消耗能降低3 0 4 0 ，不 仅能节省大量外汇，而且还可以节省大量轧辊材料。与此同时，轧辊制造企业为适应精 确轧制技术的快速发展，轧辊材质和制造工艺正向高纯净化、高合金化、复合化、高硬 度方向发展的同时，供需双方联合在轧辊使用技术方面的研究迅速开展起来口。因此， 开发新型轧辊材料及其制造方法，对于改善轧辊质量、延长轧辊寿命、提高轧机作业率 和降低轧钢成本具有非常重要的意义。 因此，开发研制改进型高镍铬无限冷硬复合铸铁轧辊具有重大的现实意义和广阔市 场需求。 1 5 本论文研究的主要内容 ( 1 ) 依据轧辊服役工况，选择材料化学成份及强化合金元素。 ( 2 ) 具体复合工艺方式选定。重点研究复合时间、温度的优化。 ( 3 ) 变质处理工艺研究。改变石墨、渗碳体形态和分布状态，提高轧辊使用性能。 ( 4 ) 热处理工艺的制定。 ( 5 ) 生产应用验证。选择在宝钢上机的轧辊进行生产制造，通过上机验证轧制效果。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 2 高镍铬无限冷硬铸铁轧辊的技术方案 2 1轧辊的制造工艺方法概述 轧辊最开始都是选择静态整体浇注，其材质可以是铸钢、铸铁，这种轧辊整体材质 均一，目前仍在采用。 随着轧辊制造技术的发展，出现了冲洗法制造芯部和外层不同材质的复合轧辊，即 将复合轧辊工作层的高合金铁水浇入模型中，停留一段时间，让辊身工作层铁水凝固到 所需的厚度后，把低合金的芯部铁水从同一浇道注入模型中，将多余的高合金铁水冲出。 上世纪6 0 年代这种方法还用于生产热连轧精轧机架所使用的无限冷硬复合铸铁轧辊。 这种方法的缺点是浪费铁水，冲洗出来的高合金铁水无法解决其用途。 为解决冲洗出来的高合金铁水的处理利用、降低成本，运用滑动水口浇注复合轧辊 的底漏法出现了。底漏法是把多余的轧辊高合金铁水运用滑动水口从底部漏出，而不是 芯部铁水从顶部冲出。这种方法漏出的铁水因没被污染，可再利用，大大节约成本。还 与冲洗法不同的是芯层是从冒口顶注，并在高合金铁水从底部漏出的同时用惰性气体充 满空腔，以免外层高温内表面与空气接触而被氧化，影响与芯层铁水的结合质量。这种 方法用于热轧工作辊制造，在国外7 0 年代、国内8 0 年代还在使用。但是随着离心机技 术的广泛使用，热轧工作辊逐渐采用离心法制造。 在1 9 6 8 年第3 5 届世界铸造会议上，日本久保田厂第一次宣布研制成功卧式离心铸 造热轧带钢轧机6 5 0 1 4 0 0 m m 精轧后架无限冷硬铸铁轧辊。进入7 0 年代，世界各国先 后掌握了轧辊离心铸造工艺。现在用这种工艺可以生产小到线材轧机的辊套，大到带钢 轧机支撑辊套，乃至重达6 0 - - 7 0 吨宽厚板轧机的工作辊口1 们。在国内，北京钢铁研究总 院和太钢轧辊厂于1 9 7 4 开始研究离心复合冶金轧辊，1 9 8 0 年通过冶金工业部的鉴定n 。 目前离心铸造复合轧辊方法有三种，分别是立式离心浇注法、卧式离心浇注法、倾 斜式离心机浇注法。立式法操作简单、安全可靠，但模具多、需要动力大、设备复杂、 基础投资大。卧式消耗动力少、设备简单、投资少，但安全性差、操作复杂。倾斜式优 缺点介于立式和卧式之间。欧洲多采用立式，美国多采用卧式，日本主要采用倾斜式的， 国内采用卧式的比较常见n 2 1 。 与常规轧辊制造方法比较，离心铸造方法有以下特点： ( 1 ) 节省大量合金材料； ( 2 ) 轧辊表面质量显著改善； ( 3 ) 轧辊使用效果较好； 改进型高镍铬无限冷硬离心复合铸铁轧辊的研制 ( 4 ) 生产效率高，操作简便。 冶金轧辊的质量和使用寿命，直接关系n s t , 钢行业的生产效率和产品质量，如何提 高轧辊的质量和使用寿命，一直是轧辊制造业所面临的重大问题，对传统的轧辊材料进 行不断地改进，有效使用合金元素，大量添加c r 、m o 、w 、v 、c o 、n b 等元素。高合金 化的新材质轧辊不断出现口1 。 2 2 微观组织与合金成份选择 精轧工作辊作为轧材成品用辊，轧辊质量特性的好坏对成品带材的表面质量、轧制 尺寸精度及轧机有效作业率的充分发挥至关重要。精轧工作辊辊面应具有较高的硬度及 耐印痕能力；良好的抗裂性及高的抗剥落性，同时要确保辊轴具有较高的抗拉强度、弯 曲强度。为达到上述性能，高镍铬轧辊的微观组织确定如下。 ( 1 ) 工作层基体组织为：贝氏体+ 碳化物+ 部分残余奥氏体+ 石墨( 少量) 。 ( 2 ) 辊芯基体组织为t 细片状珠光体+ 球状石墨+ 铁素体( 少量) 。 微观组织的性能特点如下： 贝氏体：是过饱和铁素体和渗碳体的机械混和物，显微硬度3 2 4 - 6 4 5 h b 。贝氏体基 体组织特点是韧性高、抗疲劳性能强，但是随着贝氏体数量增加，基体组织硬度相对较 低，为获得较高的基体韧性、抗疲劳性、耐磨性，按轧辊硬度要求，贝氏体数量一般按 6 0 6 5 控制。 碳化物：显微硬度8 0 0 11 0 0 h b ，轧辊工作层碳化物数量愈多，白口愈纯净，越耐磨 损，但碳化物导热性差。碳化物聚集的尖角部位极易发生裂纹，易使轧辊工作层剥落， 一般控制工作层碳化物数量为2 5 - 3 0 。 石墨：作为强度、硬度及塑性极低相，导热性却很好，且导热性随石墨数量增加而 增加。轧辊在轧制服役过程中，轧辊与轧件接触，一部分热量传导至轧辊本身，一部分 随着轧制冷却水而散失。随着连续长时间轧制，轧辊表面热量逐步使辊温升高，若辊面 散热，热传导能力差，将使辊面与轴芯之间温度差增大，轧制热应力及机械应力易导致 轧辊工作层脱落。为减少轧辊工作层热应力，轧辊工作层基体组织中应保留一定量的石 墨。但由于石墨本身硬度低，在轧制负荷的作用下，本身易脱落，形成小凹坑，轧钢氧 化铁皮嵌入，又易造成凹坑周围撕成裂纹，导致辊面粗糙和剥落产生。石墨在铸铁基体 组织中，常以片状、蠕虫状及球状三种类型存在。从其散热能力看，片状石墨 蠕虫状 石墨 球状石墨。从石墨割裂基体的能力看，片状石墨 蠕虫状石墨 球状石墨。为充 分发挥石墨良好的导热性，控制石墨割裂基体的倾向性，一般以获取蠕虫状石墨为佳， 石墨数量一般控制在2 4 。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 奥氏体：虽然硬度低，但塑性好，轧制过程中随着辊温的升高，促使部分残余奥氏 体转变成马氏体，有利于提高轧辊的耐磨性。但相转变的同时，周围组织必须产生新相 变应力，为发挥残余奥氏体在基体中的作用，避免相变应力过大，残余奥氏体量控制在 3 0 0 0 的各种成份组 合的m c 型特殊碳化物，并均匀分布在基体中，这种轧辊的耐磨性将大大提高。 铌：是一种强碳化物、氮化物形成元素。铌与碳、氮的亲和力远远高于铁和碳的亲 和力。铁水中加入微量的铌，在铁水凝固之前与铁水中的碳化物生成n b c 颗粒，因而凝 固后呈弥散分布。铌在奥氏体中溶解度很小，不会影响其基体的性能，也不影响碳化物 及石墨在铸铁中的分布。因而铌非常适宜添加到铸铁中，对铸铁的影响就好像“懒性” 元素一样口6 | 。另外，n b c 与铁水的密度非常接近，硬度也非常高，并可使石墨组织变得 更细小、更均匀。 钒：钒是铁元素体强化元素之一，它和钢中的碳、氮都有极强的亲和力，与之形成 相应极为稳定的碳化物，这些化合物微粒均匀分布于组织中，并在结晶过程中作为新相 的外来异质核心，明显抑制晶粒长大和铬碳化物晶界的移动，从而细化铸件组织，改善 碳化物分布，提高了轧辊的强度和硬度。铸铁中加入少量的钒，既能强化基体，又能与 碳、氮形成相应的极为稳定的化合物，在铁中钒元素分配在基体组织( 珠光体) 、渗碳体 合金碳化物以及氮化物中，分配在珠光体和渗碳体中的钒元素以固溶状态存在，分配在 合金碳化物、氮化物中的钒元素则是以化合态形式存在。但钒主要分配在合金碳化物和 固溶在基体组织中，其次才是氮化物和渗碳体。c v 间有很强的亲和力，能形成几种稳 定的碳化物( v c 、v 2 c 、v 4 c 3 ) 。碳化钒的部分特性数据为：熔点2 6 4 8 2 7 5 0 。c ，显微硬度 2 6 0 0 h v 。由此可见碳化钒是高熔点、高硬度和具有一定强度的化合物，有利于提高轧辊 的硬度。 钨：钨是提高高温硬度和耐磨性的主要元素，它既能形成碳化物，又能部分熔于固 熔体中，钨是稳定碳化物的元素n7 | ，它能形成m c 和m 。c 型碳化物，与c r 一样部分溶于 渗碳体形成( f e w ) 。c 复合碳化物。 综上分析，碳化铌、碳化钒和碳化钨都有优良的性能，但在实际使用中，又存在制 约条件。如n b c 颗粒的密度尽管与铁水接近，但如果不掌握加入和熔炼工艺将导致宏观 改进型高镍铬无限冷硬离心复合铸铁轧辊的研制 偏析或沉淀析出，而碳化钒和碳化钨的密度与铁水存在一定的差异。在离心力的作用下， 会产出偏析，因此通过对钒钨和铌的合金化，改变碳化物类型，促使其形成各元素的混 合碳化物，使其密度接近铁水的密度，合理控制浇注参数，防止产生偏析。 改进型高镍铬轧辊芯部是球墨铸铁，其化学成分与普通型接近。 3 6 制造工艺优化 改进型高镍铬轧辊生产工艺流程见下图： 图3 2 改进型高镍铬轧辊生产工艺流程 f i g 3 2 p r o d u c t i o nt e c h n o l o g yo fe n h a n c e di c d pr o l l 改进型高镍铬轧辊除了选择好化学成分之外，关键是控制好工艺方法，主要有以下 几方面： ( 1 ) 铁水的熔炼和处理 改进型高镍铬轧辊外层铁水在中频炉熔炼，选用低磷、低硫生铁和碳素废钢进行熔 化。在熔化后期加入合金材料，以免合金加入过早元素烧损过大。为便于准确控制化学 成分，成分调整分两次进行，第一次加入需调整成分总量的9 0 ，其余据化验结果进行 调整。铌铁的熔点是1 5 0 0 1 6 0 0 ，金属钒的熔点是1 9 0 2 ，钨铁的熔点是1 7 0 0 - 2 0 0 0 u 副。为保证钒、铌、钨的充分熔化和合金化，在熔化过程中铁水进行脱氧和净化铁水 处理。为进一步改善铁水质量，细化基体及碳化物，铁水出炉时进行变质处理，对石墨 数量、石墨形态及碳化物分布进行有效控制。芯部球墨铸铁铁水在2 0 吨工频炉中熔炼， 决定轧辊芯部球铁质量的关键因素是球化处理及孕育处理。轧辊要求不能有缩孔、缩松 等铸造缺陷，即轧辊的超声波探伤应具有良好的穿透性能。采用抗球化衰退能力强的特 殊球化剂、采用抗孕育衰退能力强的特殊孕育剂和能使厚大断面石墨球化圆整、数量增 多及细小的特殊金属元素，并通过适当的处理温度来获得理想的轧辊芯部材质及质量。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 ( 2 ) 外层铁水浇注温度及浇注时冷型温度的控制 外层铁水浇注温度和浇注时冷型温度应保证铁水进入冷型模具时温度在液相线温 度以上。同时应使铁水在冷型激冷和离心力作用下迅速顺序凝固，保证晶粒的细化和防 止偏析。若温度高，铁水凝固速度慢，致使晶粒粗大，温度过低则易形成铸造缺陷，生 产中采用液相线分析仪测量外层铁水液相线温度，当外层铁水温度高于液相线温度 1 0 0 - 1 5 0 时，开始浇注，生产中外层铁水浇注温度基本控制在1 3 5 0 1 3 9 0 ，浇注时冷 型温度一般在1 5 0 3 0 0 。 ( 3 ) 离心机停转时间的控制 浇注完外层铁水后，离心机停转时间的控制也很重要，若过早停转，则造成铁水的 淋落或浇注芯部铁水时外层被重熔过多而使工作层不足。若过晚停转，则造成外层芯部 结合不良。 ( 4 ) 芯部铁水浇注温度的控制 为使外层与芯部结合良好，芯部铁水的浇注温度要高于外层金属的液相线温度。但 是，由于芯部铁水的数量多，热容量大，所以芯部铁水温度不可过高，否则，外层被重 熔过多，导致工作层变小。而且温度过高，球铁的球化效果也不好，并容易产生缩松等 铸造缺陷，影响轧辊探伤的穿透性能，生产中，芯部铁水的浇注温度基本在1 3 5 0 1 4 0 0 ( 5 ) 轧辊热处理工艺 轧辊热处理由加热，保温和冷却三个工序完成。由于加热温度、保温时间和冷却方 式不同，铸铁轧辊的组织也发生不同类型的转变。在铸铁轧辊的生产中，除了调整化学 成分和改变冷却条件以及改善孕育方法可以控制轧辊的铸态组织外，热处理是进一步控 制轧辊的基体组织以及提高机械性能的重要途径口u 。 随着轧钢生产的发展，轧辊的工作条件愈益繁重，一般铸态组织的铸铁轧辊在许多 轧机上已经愈来愈不相适应。实践证明，普通球墨铸铁轧辊和合金球墨铸铁轧辊，经过 热处理后，基体组织可发生显著改善，性能可获得较大的提高。因此，为充分满足轧钢 生产的要求，热处理将成为制造铸铁轧辊的必经工序。 铸铁轧辊是用特种铸造方法制造出来的铸铁件，与一般铸铁件有着许多不同点：断 面大；化学成分变化范围大；轧辊辊身和辊颈的组织和性能差别大；辊身直径方向组织 和性能变化大等等。因此，铸铁轧辊热处理中金相组织的变化有本身的特殊规律。 热处理工艺实际上是由加热速度、加热温度、冷却速度、冷却温度和时间等几要素 组成，不同的产品制定的原则不同。 应力是由加热和冷却的不同步造成的，正火、淬火、回火都会产生应力，要采取有 效手段控制有害残余应力，保留有益残余应力。 改进型高镍铬无限冷硬离心复合铸铁轧辊的研制 应力及裂纹源易导致轧辊产生开裂，裂纹源主要有夹杂、孔洞、加工尖角、粗刀痕、 偏析、气体聚集等。 为保证改进型高镍铬轧辊具有合适的硬度和组织，具有良好的使用性能，应对轧辊 进行退火热处理。由于改进型高镍铬轧辊辊身表面铸态含有一定量的贝氏体、马氏体和 残余奥氏体。为了消除马氏体和残余奥氏体，经反复试验，下面热处理曲线实现了改进 型轧辊的硬度及组织要求。 温度 0 时间( h ) 图3 3 改进型i c d p 轧辊热处理工艺曲线 f i g 3 3 h e a tt r e a t m e n tt e c h n o l o g yo fe n h a n c e di c d pr o l l s 3 7 性能测试分析 我们通过试验，成功制造了改进型高镍铬轧辊，其性能完全达到改进型轧辊的性能 要求。下表3 4 是我厂为宝钢1 7 8 0 线生产的1 支轧辊的实际检测结果。 表3 4 宝钢1 7 8 0 线生产轧辊的实际检测结果 t a b 3 4t h ea c t u a lt e s tr e s u l to f1 7 8 0h o ts t r i pm i l lr o l l so f b a o s t e e l 我们对改进型高镍铬轧辊检测了硬