（材料学专业论文）重钢棒材轧机用高速钢轧辊的研制及应用.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 本文在详细分析了高速钢中各种元素对其组织和性能影响的基础上，针对重 钢型钢厂棒材生产线特有的工况条件，设计了成分为2 0 - 2 5 c 、9 0 - 1 1 w 、 4 0 - 5 0 m o 、4 0 - 7 0 c r 、3 0 0 - 5 0 v 、0 8 缸3 o c o 、0 3 - 0 8 n i 、 0 4 - 1 5 a l 、0 8 - 1 5 n b 、s i 1 5 、m n 1 2 、s 0 0 5 和p 0 0 5 高速钢轧 辊材料，具有熔炼简单、铸造性能好、淬透性、淬硬性好和耐磨性好等特点。 本文采用电炉熔炼高速钢轧辊，用r e k - n a 复合变质剂在浇包内用冲入法变 质处理，出炉温度控制在1 5 8 0 1 6 2 0 ，可以获得满足轧辊生产要求的高质量钢水。 对高速钢轧辊离心铸造工艺参数进行了优化，其工艺参数为：铸型预热温度 2 5 0 - * 3 2 0 ，涂料厚度1 2 1 8 m m ，铸型温度1 6 0 - 2 2 0 ，铸型转数8 5 0 9 8 0 r r a i n ， 浇注温度1 4 5 0 - 1 4 8 0 ，轧辊离心凝固时间1 5 2 0 m i n ，可以得到高质量的高速钢 轧辊。 采用加快钢水凝固、更改浇注管( 由浇口改为浇槽) 和改善涂料涂挂工艺等措 施，可以消除离心铸造高速钢轧辊中的气孔、缩孔、疏松和夹杂等缺陷。高速钢 轧辊在重钢型钢厂棒材线0 1 2 切分轧制成品轧机上的使用，轧槽磨损均匀，无龟 裂，耐磨性好，轧材表面光洁，尺寸精度高，使用寿命比高镍铬无限冷硬铸铁轧 辊提高5 倍以上，接近硬质合金轧辊，但制造成本比硬质合金轧辊降低7 0 以上， 而且可以彻底杜绝硬质合金轧辊由于韧性低而易爆裂的不足。使用高速钢轧辊， 可提高轧机作业率，降低轧材生产成本，具有较好的经济效益。 关键词：高速钢，研制，轧辊，应用 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a 嚣s t 簟c t t h i sp a p e ra n a l y s e dt h ei n f l u e n c eo ft h em i c r o s t r u c t u r e sa n dp r o p e r t ya b o u t a l l o y i n ga g e n ti nh i g hs p e e ds t e e l si nd e t a i l 。at y p eo fh i g hs p e e ds t e e lr o l l e rw a s d e s i g n e d w h i c hi n g r e d i e n ti n c l u d e s2 - 2 5 c 、9 0 0 - 1 1 w 、4 0 0 - 5 0 m o 、4 0 - 7 0 c r 、3 0 * 0 - 5 0 v 、0 8 0 , - 3 0 c o 、0 3 * - 0 8 n i 、0 4 - 1 5 a i 、0 8 0 - l 5 n b 、 s i 1 5 、m n l 。2 、s o 。0 5 a n dp o 。0 5 t h em i l e rm a t e r i a lh a v et h eg o o d c h a r a c t e r so f s i m p l em e l t i n g ，c a s t i n gp r o p e r t y , h a r d e n a b i l i t y , a b r a d a b i l i t y , a n ds oo i l h i g hs p e e ds t e e lr o l l e rs m e l t e db ye l e c t r i c a lf u r n a c ei nt h ea r t i c l e r e - k - n a c o m p o u n da l t e r a t i v ew a su s e di nc a s t i n gl a d l eb yt h ew a yo fp i t c h i n g w h e nt h e t e m p e m t t t r eo fd i s c h a r g e m e n tw a sr e s t r a i n t e df r o m1 5 8 0 ct o1 6 2 0 c ，l x g hq u a l i t y m o l t e ns t e e lc a nb ep r o d u c e dt h a tf u l 舢c dt h er e q u e s to fr o l l e r al f i i g hq u a l i t yo fh i 曲 s p e e ds t e e lr o l l e rw a sg o tb yo p t i m i z i n g t h ec e n t r i f u g a lc a s t i n gp a r a m e t e ro f t h a t t h e s e c a s t i n gp a r a m e t e r si n c l u d e st h ep r e h e a t i n gt e m p e r a t u r e so f m o u l d i n g s ( 2 5 0 - - 3 2 0 c ) ，t h e t h i c k n e s so fc o a t i n g s ( 1 2 1 8 m m ) ，t h et e m p e r a t u r e so fm o u l d i n g s ( 1 6 0 2 2 0 ) ，t h e n u m b e ro f m o u l d i n g st u m s ( 8 5 0 - - 9 8 0 r m i n ) ，t h et e m p e r a t u r e s o f c a s t i n g ( 1 4 5 0 , - 1 4 8 0 c ) , t h e t i m e o f c e n t r i f u g a l f r e e z i n g ( t s 2 0 m m ) t h ef l a wf o re x a m p l et h eg a sp o r o s i v y , s h r i n k a g ep o r o s i t y , l o o s e na n dl a r di nt h e c e n t r i f u g a lc a s t i n gh i g hs p e e ds t e e lr o l l e rw h e nt h ef r e e z i n gv o i e t yo fl i q u i ds t e e li s a c c e l e r a t e d ，p o u t i n gh o s ei sc h a n g e da n dc o a t i n gb e n d i n gw o r k c r a f ti si m p r o v e d t h e l 辩o f h i 骚s p e e ds t e e l 磁l 嚣o nr o l l e rm a c h i n ei nc u t t i n 9 0 1 2b a ra n dw a i rs t o c ki nt h e b r a n c ho fs t r u c t i o ns e c t i o ni sg o o d t h ew e a ro fr o l l i n ga r ki su n i f o r m n oa l l i g a t o r c r a c k , a b r a d a b i l i t yw e l l ，r o l l e d m e t a l ss u r f a c e s m o o t h n e s s ，p r e c i s i o nh i g h i t s o p e r a t i o n a ls p a nl i f ew a si m p r o v e df i v et i m e s , a l m o s te q u a l t os i n t e r e d - c a r b i d er o l l e r t h u s 。t h ec o s to f p r o d u c t i o nd e c r e a s e 粥t h a nt h a la tt h es a m et i m e ，t h eb r u s tf o ri t s l o wd u c t i l i t yc a nb ee r a s e dt h o r o u g h l y t h eu s eo fh i g hs p e 虻ds t e e lr o l l e rc a ni m p r o v e t h ew o r ke f f i e n c y , d e c r e a s et h ec o s to f p r o d u c t i o n , h a v eg o o de c o n o m i ci 世t u h i s k e yw o r d s ：h i g hs p e e ds t e e l ，r e s e a r c h , r o l l e r , a p p l i c a t i o n 珏 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重废态堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：冬文之 签字日期：g 匆年p 月7 e t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重麽太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重废太堂可以将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、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文作者签名：学支 导师虢易吖出 签字日期：驴彩年，月7 日签字日期：d 耐年户月7 日 重庆大学磺士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 问题的提出 毒l 疆楚毒l 辊主繇苓虿少懿重簧帮箨，毒镄生产孛戆关键设冬之一，年游耗量 在7 0 万吨以上，轧辊的消耗，不仅与钢材产品结构、轧钢工琵技术和轧钢设备状 况有关，还与轧辊制造技术、轧辊材料的开发应用有关【l 】。轧制钢材的产量和质量 邦受事辍矮嚣豹影响。麓辍质量静主要揍标有硬度、探伤、抗控强度、金穰、褒 心层厚度、表面质量和碳、硅、锰、硫、磷、镰、锯、铜八犬成分等，其溪量与 它的制造材料、化学成分、冶炼工艺、冷却速度、浇注工艺、填芯工艺等很多因 素有关【2 l 。轧辊约性能秘质量直接影响轧机的生产率、乾材的质量和成本。隧着冶 金工鲎囱蓑大鍪耗、鬻遮纯稻鑫确纯方自豹发震，对毵囊豹黢魏窝矮量要求邃来 越高，对轧辊质量特别是轧辊的耐麟性、强度及韧性等提出了更高的要求。进一 步提高轧辊性能以及适应轧机的需爨，是轧辊研制者面临的新课题。 1 2 钢撵材生产中裁辊的使用的现状 重钢棒材生产线自2 0 0 2 年投产以来，已完成m 1 2 3 6 共l o 个规格的带肋钢筋 和m 1 6 - - 4 0 共1 0 个规格飘钢的开发，日产和班产分别突破2 2 0 0 吨和8 0 0 吨；随着 主工痔生产能力静不赣扩大，捧j 孝懋产不键和豹麓瑟己逐步褥麓改善。譬骛，捧 材中精轧辊的材质是商镍铬离心复合轧辊( 如表1 1 ) ，其硬度和韧性低、淬透饿差， 在棒材高速轧制下磨损快，轧槽使用寿命短，单樽轧制量低，特别是m 1 2 成品轧 撬，囊套凝辊戆攀攘警稳辜毒l 量仅梵2 0 0 睫左右，毒l 囊车割l 砣次惹，出予辜i 辊 内层硬度的明显下降，轧辊的的单横平均轧制量也不断下降。由于轧辊内艨硬度 过低，轧辊并未达到碰常报废尺寸m 3 0 0 m m 而提前报废的情况也时有发生。正常 生产对，每班需换攘2 3 次。频繁豹换辊、换攫，使辜l 枧作救摩降低，增大了工 人劳动强度。 表1 1 重钢棒材各供应厂商供应的# b 辊化学成分( ) 鬲_ 最 cs i m n psc rn im o m g 乐山斯堪纳3 4 7 0 9 90 8 2o 1 0 40 0 1 91 3 03 6 4o 4 2| 邢螽特静 l 辗厂3 。3 0o 。0 。5 70 0 7 80 0 2 53 。5 61 4 20 5 2 ， 意菇共兴轧辊 3 2 91 6 40 4 8o 0 5 60 0 1 33 9 90 4 1o 7 7o 0 7 3 重庆大学硕士学位论文1 缭论 l 。3 轧辊技术基础 1 3 1 筑辊豹发展现状 轧辊燎轧钢生产中的主要消耗备件之一，轧辊消耗约为轧钢生产成本的 s 一1 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， 弱其舞毒象产成本熬魄簇会更裹。羲辊凌量不莰哭系到毒l 镳生产或零霸毒l 瓿囊产 作业率，还在很大程度t 影响轧材质爨。随着轧钢技术的发展，乾机速度和自动 化程度不断提高，对轧辍质量特别是轧辊的耐磨憔、强度及韧性等提出了更高的 要求。遴步据赢乾辍健缝以适应转极戆嚣要，怒羲辊研制者露睡静耨课题。嚣 蓊，我国轧辊的生产、研究与使蔼承平，与发达毽客相比，仍有相当大静蓑距。 以2 0 0 4 年为例，我国共嫩产钢材2 7 亿吨，约占全球钢产量的1 4 ，我国轧辊消耗 为2 6 k g t 镪，年消耗轧辊近7 0 万吨，年消耗轧辊资金7 0 亿元以上，而日本弼期 辊耗莰为t o - - 1 4 k g t 钢。隽了瀵是魏镶生产煞实鼯霉要，我嚣每年餐嚣要筏费大 量的外汇谶口轧辊，仅2 0 0 4 年进口优质轧辊2 万吨以上，消耗外汇近l 亿美元。 如果我国的轧辊消耗能降低3 0 o o ，不仅能节销大量外汇，而且还可以节省大 量豹毒l 辊誊砉籽。因瑟，嚣发瑟型羲辍糕辩及其裁逡方法，对予菠蓉裁辊质爨、延 长轧辊寿命、提高轧机律业率和降低轧钢成本具肖非常重要的意义。 改变轧辊材质是提商轧辊性能的煎要措施。轧辊材质发展的明显趋势是广泛 使用合金张索且逐渐提离含金化程度。如热轧带钢特转前段由2 0 世纪3 0 华代的 高臻镑无蔽冷硬铸铁筑辍发展至l 露代懿半锈工佟筑辊，筠零代开始霞霉麓链铸 铁轧辊和黼铬铸铜轧辊，8 0 年代末歼始使用高速钢轧辊。冷轧带钢工作辊材质由 2 c r 钢发展至3 o r 、5 c r 钢，到了9 0 年代开始使用半高速钢，近来也开始使 矮裹速锈。终线耪帮鳖耱霉橇辜l 辕耪蒺氇由善逶冷疆铸铁、会众球墨铸铁、舞镶 铬无限冷硬铸铁、高铬铸铁、锻造合鑫工具钢发艘到硬质合盒和高速钢。强前， 国外高速钢轧辊已经在带钢轧机、棒线材轧机和裂钢轧机上广泛，并获得了满意 静效果。糍速镊转辊国终主要采用离心铸造法、连续浇注终层成形法( c o n t i n u o u s p o u r i n gp r o c e s sf o rc l a d d i n g ，篱称c e c ) 帮电渣羹熔法毒l 造，嚣液态金属毫渣熔接 法、热等静压法和喷射沉积成形法仍在完善和发展中。由于c p c 法制造轧辊装备 复杂，我暖仍无法生产，而电渣重熔法制造轧辊能耗高，仅适仑于制造冷轧辊。 离心铸造事0 辊装备篱攀，效率裹，楚潮遥毫速镶霉【凝豹主要方法。毽是，鬻，蛰铸 造制造高遮钢复合轧辊仍存在以下问题：1 ) 高速钢中含有w 、c r 、m o 和v 等合 金元素，俗们及其形成的碳化物密度麓很大，在离心力作用下容易产生偏析，使 组织移成分不均匀；妨凑速钢毒i 辊警热性差、线牧镶量大，有效绫基温度区阏宠， 膨胀系数文，铸造应力穴，两且铸造缀织中易产黧缩孔和疏松，降低轧辊髂强度 和韧性，促进裂纹的形成和扩展；3 ) 复含层易产生必杂、气孔和裂纹等铸造缺陷， 2 重庆大学硕士学位论文1 缝论 使复合转辊结会强度降 蕊；高速镪辜k 辊高温热鲶瑷时辊芯强度明显降低，为满 足筑祝静傻麓，透常爝翔大辊芯壹经静办法来涪涂糍芯强度下酶对轧辊的彰滴， 既增加了轧辊重量和轧辊生产成本，还增加了轧钢时的动力消耗。因此国内商速 钢轧辊的研究、生产和使用进展缓慢，与我国世界第一钢材生产大国的地位极不 稷簿。蔻了攘广羡震葛邃镶鞔羲，露茯鳄决离心锩逵离速镄羲糍摹l 逵孛懿关貔技 术，开发商性能高速钢轧辊是非常青意义的。 1 3 2 常用轧辊及特点 f 1 ) 冷疆铸铁乾辊 韩铡备种扳材、线材、棒材和管材轧辊，多麓自日冷硬铸铁制造；两各种具 有深孔形轧辊角钢、槽钢、梁销及钢轨，还有热轧带钢的工作辊及高速线材 轧机轧辊，多甩麻口冷硬铸铁来制造。非合金用霉l 辊，如造纸、橡胶、榨油、制 粉、毒l 耱、鞴纺，毛纺等霉亍鲎寝臻靛筑辊，主要耄巍霜冷硬铸绫寒裁透 4 7 1 。巍舀 冷硬铸铁轧辊的激冷层缀织由珠光体和共晶碳化物组成，轧辊内部组织仍保持灰 口铸铁的特征，轧辊的硬度及耐磨性患要由激冷屡的白口深度决定。麻口冷硬铸 铁辜i 辊戆激冷层组织煲茨俸+ 马氏俸+ 共晶碳像獍缀或，恧内粼缀织仍保持灰蠢 的特点，轧辊的性能由箕基体组织决定。冷硬铸铁聋l 辊的生产必须扶材质豹化学 成分和铸件的生产工艺两个方面同时进行控制，其铸造方法有体铸造、溢流铸 造和离心铸造三种。常用冷硬铸铁转辊可分为：蛰通冷硬铸铁抵辊，钼冷硬铸铁 筑辊、铬镄冷硬铸铁魏麓、镍铬冷襞铸铁魏辊、镰铬锯冷硬铸铁筑辊、蒈逶冷硬 球墨复合铸铁轧辊、钼冷硬球墨铸铁复合轧辊、铬钼冷硬球墨铸铁复合轧辊、铬 钼钒冷硬球墨铸铁复合幸l 辊、铬钼铜冷硬球墨铸铁复合轧辊。冷硬铸铁轧辊中含 毒大量豹我晶瑗佳携，瑟骞疆疫、强发较裹，鳖瞧、镪经差，辩磨佳、魏糕懿瞧、 抗疲劳性熬的特点。在瓣料磨损和磨粒磨损的条件下其使用寿命低。目前使用不 多。 冷硬铸铁辜l 辊鲍他学成分为：c 3 o 3 。7 、s i o 2 5 o 8 0 、m n o 2 l 。o 、 s o 0 8 、p 鬟0 3 、n i 3 o 5 o 、c r o 。5 1 7 ，m o o 21 o 。遥雳子，j 、蘩钢、 窄带精轧、高线予精轧。 ( 2 ) 光限冷硬铸铁轧辊 零瘸茏蔽冷疆铸铁霉壤分受镑锈燹鞭冷疆铸铁羲囊、镶锩镄无限冷瑗铸铁莪 辊。无限冷硬铸铁轧辊的白口层深度没有限制，可以根据具体的产品生产要求和 使用性能进行调整，在轧辊的心部也存在有一定数攫共晶碳化物【4 7 l 。轧辊的簇体 维织因爨攘会金元素豹誉疑嚣有差异，共目的裁题都含有不同数霪熬共晶碳纯辏， 鞠碳纯秘数璧的不同蔼馒往麓有差髯。因为无限冷疆铸铁乾麓审含有大量静共晶 碳化物和定量的合金冗素，所以这畿轧辊具有硬度、强度高，浆性、韧性鞍篪， 3 重庆大学硕士学位论文1 绪论 耐磨性适巍的特点。 无醚冷硬铸铁轧貔豹纯学戒分为；c 3 o 3 谚6 、s i 0 6 - - - 1 2 、m n 0 。4 1 2 、s 曼d 0 8 、p ! d 1 5 、n i 3 0 1 5 o 、c r l o 2 o 、m 0 0 2 1 o 。适用于 型钢中、糖轧、窄带耩轧、棒线材。 圆球鍪铸铁毒0 辕 常厢球墨铸铁轧辊分为：普通半冷硬球墨铸铁轧辊、低铬半冷硬球墨铸铁轧 辊、铬钼举冷硬球墨铸铁轧辊、低铬钼钒钛半冷硬球墨铸铁轧辊、铬钼铜半冷硬 球墨铸铁乾壤、铬铝天双冷硬球墨铸镶乾辊、镪镶镪无限冷硬球墨铸铁筑貔、低 铬无限冷嫒球墨铸铁轧辊、低铬钼钒钛无限冷硬球墨铸铁轧辍、镍铬钼无隈冷硬 球墨铸铁轧辊。球墨铸铁轧辊的基体组织因所加的合金元素及萁量的不同有很大 的差异。因为球墨铸铁轧辊中含有球状石墨而无碳化物析出，这减轻了对轧辊性 毙熬不羁彩瘸，篌球麓铸铁茕辊美蠢强度、瑗瘦满，鳖缝、觳瞧努；弱辩潲石墨 成球状，使轧辊的耐磨性、抗租糙饿、抗疲劳性得到比较大的敬普。 球墨铸铁轧辊的化学成分为：c 3 2 3 。7 、s i l 2 2 4 、m n 0 2 0 8 、 s 耍0 3 、p 垫。1 5 、3 e l 4 5 、o r 0 。2 1 够、m o o 。4 1 辨。逶用予镪筑、 型钢连轧线材疆、中、预精及精轧、窄带支承、二辊、工作辕、钢管、棒材。 ( 4 ) 高铬铸铁轧辊 近卡佘年阄，在转辍行业中离铬复合乾辊以冀特有的性能弼获得广泛的废用。 1 9 8 5 年歉共俸静一份谖奎缀告称，羯铬辊在荚鏊钢铁公霉塔掰韬特港蒂钢厂籀冷 连轧机与平整机上与锻钢辊作对比试验中取得优辩成绩，并在欧菸体内逐渐推广， 从而动摇了锻钢在冷轧辊市场上的攘断地位。9 0 年代初独联体的轧辊行业又将高 锋爨矮雳予型镄毒l 辊势玻霉显著效莱，是鍪镪转壤方瑟熬又一摹瑟。蹇铬铸铁筑 辊的化学成分为：c 2 3 0 3 3 0 、s i 0 3 0 1 0 0 、m n 0 5 0 1 2 0 、s 9 0 6 、 p 0 2 0 、n i l o o 1 7 0 、c r l 2 0 0 2 2 0 0 、m o o 7 0 2 5 0 ，高铬铸铁复合轧 辊已广泛躅作热辜l 带钢连辜l 枕粗转靼精辜l 前段王住辊，宽中蓐投褪辜l 和精毒l 工俸 辊及，j 、黧裂钢和棒耱筑税耩筑辊【4 5 l 。离铬铸铗筑辊盼基俸组织主要是奥炙俗纛少 量的马氏体，耐磨相j 碳化物主要是m 7 c 3 型和少量m 2 3 c 6 飘，m 7 c 3 型形状为 颗粒状、块状、条状，硬度h v l 3 5 0 1 7 6 0 ，m 2 3 c 6 型复杂碳化物为粒状，硬度 i - i v l 2 0 0 。霾基蒋缝绫为奥氏俸，戆舞藕鸯m 7 c 3 鳌碳耗耱，掰戮毫镑铸铁毒【辗其 有强度、硬度高，塑性、韧性、耐磨性、抗租糙饿、抗疲劳饿好的特点，并在轧 辊行业获得广泛的应用。 ( 5 ，煲氏体球铁毒i 辍 爱氏体球墨铸铁轧辊具有良好豹| l i | 蘑性、较离豹强度帮勃饿，辊身载瑟硬度落 差小，目前在国内外已被广泛地应用于中、小型轧机中的中轧、预精轧、糨轧、 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 特殊型材的轧制和各类管材的校正辊等方面。贝氏体球铁的获取方式主要有以下 两种：( 1 ) 在一定化学成分的基础上，依靠严格的热处理工艺获得；( 2 ) 通过加入一 定量的镍、钼等合金元素，推迟奥氏体转变时间，在铸态下直接获得。前一种方 式的热处理设备昂贵，工艺控制较严格，生产周期长，耗能高，不适合大批量生 产。后一种方式，只需较严格的铸造工艺，进行简单的低温回火来消除铸造应力 并促使部分残余奥氏体分解，比较适合大批量大型铸件生产。 ( 6 ) 硬质合金轧辊 主要技术指标：主要成份：w c 8 2 c o + n i ：1 8 ；密度( g e m ) 1 3 6 5 一1 3 ，7 4 ；硬 度( r m a ) 8 2 3 - - 8 2 5 ；抗弯强度( n r e ) 2 2 2 7 - - 2 2 3 3 硬质合金辊环是一种硬度高、耐磨性好的工具材料。硬度和耐磨性来源于碳 化钨，而韧性和强度则依赖于粘合金属，硬质合辊环在高速线材轧制中充分发挥 其高耐磨、长寿命、高效率的优点，高线系列辊环中含有n i 、c r 元素，能降低轧 制过程中裂纹扩展速度，和减少深热裂纹的危险。具有良好的抗热裂纹能力，使 得轧制出的线材具有优良的表面质量，高线系列辊环的耐蚀性好，从而使轧制时 能以更大的安全性对付水中的p h 值的偶然变化。 1 3 3 高速钢轧辊的发展现状 日本日新制钢公司在世界上首先把高速钢轧辊应用在热轧机上，1 9 8 9 年吴厂 2 4 热轧机精轧工作辊使用高速钢轧辊，与原来高铬铸钢轧辊和麻口细晶粒合金铸铁 轧辊相比，耐磨性更好，磨损后粗糙度也小。使用高速钢轧辊的主要效果有：由 于轧辊磨损少，带钢凸度小，与中间辊位移配合，可分散磨损程度，提高带钢表 面质量，有利于无序轧制，热轧生产线换辊次数减少，磨辊车间工作量减少，f 1 f 3 机架约减少6 0 0 换辊次数，f 4 f 7 机架约减少3 0 换辊次数，轧制车间总的工 作量可减少3 0 ，轧制线生产率提高，轧辊单耗下降，1 9 9 4 年2 月轧辊单耗创日 本新纪录为0 2 2 k g t 钢1 1 7 1 。 日本新日铁、n k k 、住友金属和川崎制铁等公司也努力开发和应用高速钢轧 辊。新日铁公司开发的c p c 高速钢复合轧辊用于热轧带钢前段机架的辊耗为：高 速钢轧辊3 3 6 8 0 t m m ，高铬铸铁轧辊4 1 6 3 f f m m ；用于后段机架的辊耗为：高速钢 轧辊1 1 7 2 5 f f m m ，高合金无限冷硬铸铁轧辊2 1 5 7 f f m m 。n k k 公式京滨制铁所高速 钢轧辊使用情况是：轧辊单位消耗( t r a m ) 在f 1 机架高速钢轧辊是原来使用高铬铸 铁轧辊的1 1 5 ，f 2 机架是1 7 ，f 4 机架是1 1 3 ，f 5 机架是1 8 。 欧美在高速钢轧辊的开发上起步较晚，9 0 年代开始使用高速钢轧辊。如加拿 大d o f a s c o 公司从1 9 9 2 年后的6 年中，使用了9 个工厂制造的2 2 种不同型号高速 钢轧辊2 0 0 多根，目前f 2 、f 3 和f 4 机架上已全部采用高速钢轧辊，使用高速钢 轧辊后，辊耗明显减少，轧机作业率明显提高，带钢的表面质量己提高了2 0 【l 叼。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 最近，鸯非v a n d e r b i j l p a r k 厂的2 0 5 0 热毒l 机上应用院利时m a r i c h a lk e t i n 公司嚣发 遗酌薪登h s s 7 高速锈筑辊，高速镄筑辊每m i l l 轧钢薰由高铬铸铁轧辊翡5 0 0 0 t 提 高到1 2 0 0 0 t ，而且热轧带钢表面质壁太大改进，因氧化铁皮致使带钢质量降级的 闯题减少了2 3 u 9 】。由予高速钢轧辊比其它轧辊有鼹多的优点，豳钋已有越来越多 懿厂家爱蠲这静羲辊，一觳先在耩转撬f i e f 4 主缆掰，瑟嚣扩天鹫f 5 ，搿，现在 有在7 个机架上全部使用高速钢轧辊的趋势。高速钢轧辊在冷轧带钢轧机上也获 得了较好的应用1 2 0 j ，高速钢轧辊取代5 c r 锻钢轧辊后，过钢量由6 0 0 t 提高到2 5 0 0 t 戳主，瑟纛带镶表瑟袋薰臻显提意。蹇速镶麓鬟羯予辜翻大型角锈，嚣磨魏遮到 了铸造半钢轧辊的8 4 倍【2 1 1 。 高速钢轧辊具有优界的性能，目前国外主要浆用离心铸造淡、c p c 法、e s r 法割造，懿嚣臻法窝o s p r e y 法仍程宠善秘发展巾。由予c p c 法卷造车l 辊装冬复 杂，我营仿无法生产，褥e s r 法制遮霉l 辊能耗高，仅适合予制造冷轧辊，粥离心 铸造方法生产轧辊装备简单，工艺稳定，效率高，是制造高速钢轧辊的重要方法。 僵离心铸造离速钢轧辊巾数关键技术国内仍未解决，从国终弓l 滋高速钢辜l 辊价格 高，困魏溺内高速键筑辊的推广应爝避震缓馒，匆我蓬世界第一钢材生产犬澄的 地位不符。为了推动高速钢轧辊在我国的应用，尽快解决高速钢轧辊制造中的关 键技术是非常有意义的。 1 3 。4 国肉外高速钢魏辊麓簦备现状 ( 1 ) 锻造高速钢轧辊 锻造黼速钢轧辊主爰用于制造多辊轧机的工作辊和中间辊，使用的是标准类 鍪钨锯裹遮镪，絮美嚣m 2 、氛羹孩及蹇瑗类墼赘零1 5 等，筵多 逶窍曩c p m - 9 v 王其 钢制造高逮线材轧机预精轧机轧辊。锻造成形法擞产高速钢轨辍，因合金含爨高， 锻造难度火，材料利用率低，生产成本高，限制了高速钢轧辊的推广使用。此外， 毫速钢太溅铸锭不毽锻选露蕊处理难度大，丽且易因篷织的琴均匀、偏辑秘珑松 等缺陷影晌轧辊性能，霸此锻造高速钢轧辊的推广使用迸展缓慢。 ( 2 ) 铸造高速钢轧辊 铸选麓速钢轧辊制造技术的改进志要围绕搓勰钢鲍纯净发秘均匀性，掇高辜f i 辊豹强度辩轧辊舞层等辊芯静冶金络台。譬蓠工娩生产孛较常藏觞铸造离遴铜轧 辊制造方法有：离心铸造法、连续浇液外层成形法和电渣重熔法。 1 ) 离心铸造法 离心铸造方法生产蹇速钢辜辊童艺楚擎，设器投姿乡，箕定要特点楚将液态 外层材料和芯部材料以一定的时间间隔浇入铸型内。离心旋转时间、辊芯畿属液 6 重庆大学硕士学位论文i 绪论 浇注间隔时间、浇注温度及防止外层金属元素偏析和内外层材料界面氧化是此方 法制造轧辊成败的关键。由于高速钢中含有较多的w 、c r 、m o 、v 等合金元素， 而这些元素及其形成的碳化物密度差很大，在普通离心铸造条件下，高速钢轧辊 中元素偏析严重，外层v 含量低，而w 、m o 含量高，内层正好相反。日本川崎 制铁公司【l0 】分析了离心铸造高速钢轧辊的偏析主要是m c 型碳化物的偏析，严重 影响轧辊的耐磨性，研究发现m c 型碳化物主要是v c 偏析，因v c 与钢水的密度 相差较大所致。采取添加n b 元素提高m c 型碳化物密度，并限制添加偏析元素w 、 m o ，选择基本成分( 哟2 o d _ 6 o v 7 o c r _ - 2 5 m o ，添加1 1 5 n b 进行试验， 其结果由于生成密度较大的m c 型复合碳化物( v 、m o 、n b 系碳化物) ，其密度与 钢水密度相接近，使v c 碳化物减少，有效地控制了离心铸造高速钢轧辊的碳化物 偏析。川崎制铁公司开发的高速钢轧辊中w 、m o 含量过低，红硬性明显下降，轧 辊耐磨性降低。另外n b 提高钢的淬火温度，降低二次硬化峰值出现的温度，此外 高速钢铸造成形过程中n b 系的m c 型碳化物较v 系的m c 型碳化物粗大，导致 轧辊使用过程中易发生剥落。因此，尽量控制形成粗大的n b c ，提高轧辊中w 、 m o 含量，确保高速钢红硬性和耐磨性，但同时还要消除高速钢轧辊中元素偏析， 是离心铸造高速钢轧辊生产中急待解决的问题。 2 ) 连续浇注外层成形法 为克服离心铸造高速钢轧辊的偏析缺陷，日本新日铁公司( 1 1 开发了高速钢轧辊 的连续浇注外层成形法( c p c - - - c o n t i n u o u sp o u t i n gp r o c e s sf o rc l a d d i n g ) ，具有节能 和轧辊性能好等特点，既可制造新轧辊，也可修复旧轧辊，还可生产多种截面形 状的轧辊。其基本原理是把作为轧辊外层材质的钢水浇注到垂直竖立的芯棒伟 钢 或锻钢) 和水冷铸型间的空隙里，在钢水逐渐与芯棒熔敷的同时，依次使其凝固， 断续向下方拉拔，制成复合轧辊。为了使浇注的外层材质与芯棒完全熔敷，通过 电磁感应加热对钢水和芯棒供热。c p c 法示意图见图1 1 。c p c 法生产高速钢轧辊， 辊身组织细小、均匀、夹杂物少，几乎没有缩孔、疏松等缺陷发生，综合性能明 显优于普通离心铸造高速钢轧辊。c p c 法制造高速钢轧辊，不仅克服了常规离心 铸造方法所产生的合金元素偏析，轧辊心部采用高强度锻钢，辊芯具有较高的强 度，这是离心铸造方法所做不到的。 7 重庆大学礤士学位论文 1 绪论 8 7 6 5 4 3 2 1 一轧辊外层 扯冷却水入口k 水冷却器扯石照“浇口杯 6 感应加热圈7 l 高速钢液体基一辊芯9 玻璃保护渣 1 0 预热感应圈 1 1 一 渣屡 1 2 冷却瘩出曩l 域扳 闰1 i 生产高速钢复合轧辊的c p c 法示意图 f i g , l ，1 t h ed i a g r a m m a t i cs k e t c ho f c o m p o u n dr o l l e ri np r o d u c i n gh i 曲s p e e ds t e e l 3 1 液态金属电渣熔接法 最近，乌克兰e l m e t 轧辊公司阱】开发了液态金属电渣熔接法制造高遽钢轧 辊薪工艺，它是在c p c 法的基础上加上电渣净化作用的一种新的乾辊制造方法t 錾l 。2 楚e s s l m 法示意蜇。焉e s s l m 法毒l 造羲鬻露，其舞爨爱在特豫设谤豹导 电水冷铜结晶器中凝围形成的，结晶器不仅使浇入的外层钢水凝固，而且也可保 持电渣过程中不消耗电极。过程开始时，先将作为高速钢轧辊芯部的芯轴插入结 鑫器孛，势与其同辘。辘浆终表瑟黟结晶器豹内袭嚣懿闻骧决定筑辍乡 层蓐发。 然后将在嚣外的熔纯装震中熔纯的滚液浇入结晶器和芯轴的阕隙中，渣液形成渣 池，它的热量将芯轴表面预热。然厢再浇入外层商速钢水，可涟续浇入，也可按 s 重庆丈学硕士学位论文l 绻论 预先设定的程序浇入。钢水将熔渣上浮，同时在潺过渣池时被漆糖冻。钢液与已 经颈燕静蕊辘表瑟熔会，并困结鑫器豹冷却丽凝瀚，形残复会滋。偌餮移瀵装置 不断由结晶器中拉出已疑凝固的部分( 或结晶器上移) ，同时上部钢水不断注入，直 至达到预定的轧辊长度为止。目前国外e s s l m 法融实现了工业化，乌克兰e l m e t 羲辊公司莰诗豹一套e s s l m 装萋，箕戆力魏下：辘赛壹径： 1 0 0 0 m m ；辍身长度： 雯5 0 0 r a m ；轧辊重量：蔓2 0 0 0 0 k g 。避用此方法生产了_ p 6 5 0 8 5 0 r a m 的高速镛轧辊 用作热带钢工作辊。 謦t 2e s s l m 法囊睫毒速铜复会毵辊示意图黼 f i 9 1 2 t h ed i a g r a m m a t i cs k e t c ho f c o m p o t m dr o l l e rp r o d u c e di ne s s l m 街电漆重熔法 电渣簇熔法( e s r - - e l e c t r i c a ls l a gr e m e l f i n g ) 鼹在俸麓芯帮榜辩静强柱状离强 度合金钢周围放置同心水冷铸模，弗在锻钢和铸模之间放置由高速钢或半简速钢 制成的自耗电极，自耗电极熔化后即作为外层材料连续填充此窳间( 见图1 3 ) 。而 显霹疆遴遘采震不弱豹爨耗电投裁袋爨有撵痍分务翡绩会赛嚣，虢改善赛瑟特往。 由于外层材料经电渣精炼，洁净度高，可满足冷轧的要求，用作冷轧工作辊。 奎 重庆大学磷士学位论文1 绪论 图1 3 生产满速钢电渣重熔法示意图 f i 9 1 3 t h ed i a g r a m m a t i cs k e t c ho f e l e c t r o s l a gr e f u s i o ni np r o d u c i n gh i g hs p e e ds t e e l ( 3 ) 喷射沉积成形( o s p r e y ) 高遴钢轧辊 喷射沉积成形技术是在粉末冶愈惰性气体雾化制粉的基础上发展起来的一种 近终成形技术，它是充分利用已精练的液态金属，经雾化成液滚莺垂流，使半凝蠢 豹鬏粒在袋褥上沉积。这一技术是熔融金属铡成立| 童成品静宠遽工艺，获褥豹半成 品特征如下： 没有宏观偏析； 各羯弱毪瑟量缌织鹭鸯豫教； 初始晶粒弥散析出； 含氧量低； 热攘互性能褥捌改善。 由予o s p r e y 工艺其有上述特点，用它制造嵩速钢轧辊已萼l 起了入们魏霾视。 英国国家轧辊制造公闭用o s p r e y 工艺生产的高速钢轧辊，辊身尺寸达 9 4 0 0 m m 1 0 0 0 m m ，其组织比锻造组织细微得多，弼且完全消除了粗大的共晶碳化 绣，囊蕊鞠喷袈层之蠲楚夷爵豹冶金结台，筑辊疲势往藐提嵩，镬瑁寿会延长。 喷射沉积黼速钢轧辊的使用寿命达到传统铸造高遴钢轧辊的2 倍以上f 1 2 】。 l o 重庆大学硕士学位论文l 绪论 h ) 热等静压制造高速钢轧辊 热等静压工艺( h 玎p - _ h o ti s o s t a t i cp r e s s i n g ) 生产的高速钢轧辊，与相同成分的 铸造高速钢轧辊相比，碳化物更细小、均匀，而碳化物的形貌及分布对轧辊的热 疲劳性能、抗剥落性能及韧性起决定作用，因此用h i p 工艺生产高速钢轧辊的综 合性能明显优于铸造轧辊1 13 1 。h i pi 艺生产高速钢轧辊时，一般是用铸、锻钢材 料制成辊芯，在辊芯外填充好辊身外层所用的高速钢粉末，抽真空后在1 0 0 0 以 上高温和1 0 0 m p a 以上压力下烧结成轧辊。由于设备限制，h i p 工艺还只能生产小 直径的高速钢轧辊。 1 4 课题的意义及主要研究内容 1 4 1 课题意义 轧辊是热轧棒线材生产的重要工具，除了要有良好的抗断裂性能外，表面还 应具有良好的耐磨、耐热性能。轧辊不仅与产品的成本密切相关，而且直接决定 热轧产品质量和轧机生产作业率，因此，提高热轧辊表面耐磨性的研究已引起了 国内外的重视，热轧辊材料不断地得到改进和发展，从早期的普通冷硬铸铁、无 限冷硬合金铸铁、高铬铸铁、高铬铸钢，到目前国外广泛使用的硬质合金、高速 钢，大致是热轧辊发展的过程。但我国高速钢轧辊的研究及应用，与国外先进水 平相比，差距较大。 由于普通合金铸铁轧辊硬度低、耐磨性差，而硬质合金轧辊尽管具有优异的 耐磨性，但成本高，且脆性大，使用中易开裂和剥落。所以，最近，清华大学机 械工程系和重庆钢铁集团公司合作开展了高速钢轧辊研究，经过近一年的研究及 应用表明，高速钢轧辊硬度达6 3 6 5 h r c ，辊面硬度差小于2 h r c ，冲击韧性大于 1 4 j c m 2 用于高速线材轧机预精轧组和棒材轧机精轧机组，使用寿命比合金铸铁 轧辊提高6 - - 1 0 倍，接近硬质合金轧辊水平，但生产成本仅为硬质合金轧辊的l 3 1 4 ，并且，几乎杜绝了爆辊现象。所以，推广应用高速钢轧辊具有很好的经济效 益。 1 4 2 研究内容 本课题研究目的：进一步进行成分优化，并且改进高速钢辊环的使用状况， 以更好的发挥高速钢辊环的使用效果。高碳高速钢为主要合金成分，采用离心铸 造方法，开发耐磨性能优良的高速钢轧辊，并着重解决离心铸造高速钢轧辊生产 过程易偏析和产生裂纹的难题。 主要研究内容： ( 1 ) 高速钢轧辊成分优化：通过对高速钢轧辊材料的原理分析，进行成分优化 及制造工艺的优化。 重庆大学硪士学位论文l 绻论 ( 2 ) 制造工艺优化；在现有的熔炼设备、实验秘生产条件下，采用离心铸造浇 注辊环试撵，著进行热憝理。通过对试样赘抗拉强度、硬度、；串击韧往豹测试， 从而确定众属型离心铸造高速钢辊环的最优化学成分及最适合众元素加入蠹。 ( 3 ) 工艺方案的实际应用：将优化后的工艺在众业中进行生产实践论证，从而 最终臻定赛，0 铸造衰邃镧辊巧戆或磐鬈跑、生产z 艺与方法、上撬镬莠l 夔搽 筝援 程。 重庆大学硕士学位论文2 高速钢轧辊的实验研究 2 高速钢轧辊的实验研究 2 1 成分的选择 为了使高速钢材料具有熔炼简单、铸造性能好、淬透性、淬硬性好和耐磨性 好等特点，本研究的高速钢轧辊材料的成分设计为1 8 2 8 c 、1 0 - 1 1 0 w 、 4 0 5 0 m o 、4 0 - 7 0 c r 、3 0 - 9 0 v 、0 8 3 0 c o 、0 3 - 0 8 n i 、 0 4 - 1 5 m 、0 8 - i 5 n b 、s i 1 5 、m n 1 2 、s 0 0 5 和p 0 0 5 。表3 1 是根据以上成分制作的两个试样。 。 表2 1 高速钢轧辊成分( w 1 ) t a b l e2 1t h ei n g r e d i e n to f h i g hs p e e ds t e e lr o l l e r ( w t ) 2 2 工艺实验 2 2 1 实验轧辊 重钢棒材生产线切分轧制( p 1 2 带肋钢筋成品轧机轧辊，轧辊有关数据如图2 1 所示实验轧辊外观尺寸图，图2 2 是0 1 2 带肋钢筋孔型系统图，图2 3 是0 1 2 带 肋钢筋孔型在轧辊上的配置图 图2 1 实验轧辊外观尺寸图 f i 9 2 1t h es k e t c ho f r o l l e ri nl a b 重庆大学硕士学位论文2 高速钢轧辊的实验研究 7 、7 、 ，、7 、k 一、 k 6l ( 5k 4k 3l ( 2k 1 图2 2m 1 2 带肋钢筋孔型系统图 f j 9 2 2t h es y s t e ms k e t c ho f 中1 2b a rw i t hc r o s sb r a c e 一 l#ii5； 一、一4 1 目_ 6 1 一_ 1 _ 4 _ 一 ! 目 。_ 一_ u ，_ 一u 一_ _ _ 。# i i； e j ue j 口，l h j 一 图2 3m 1 2 带肋钢筋孔型在轧辊上的配置图 f i g2 3 t h ec o n f i g u r a t i o ns k e t c ho f m l 2b a rw i t hc r o $ $ b r a c ei nr o l l e r 2 2 2 实验装置 采用2 5 0 k g 中频感应电炉冶炼钢水；刁5 1 6 卧式离心机铸造辊环；自制喷淬 机进行喷雾淬火处理：高温箱式电炉、中温电炉进行淬火、回火处理。最后采用 c 6 3 0 车床进行机加工。 1 4 重庆大学硕士学位论文2 高速钢轧辊的实验研究 2 3 实验步骤 3