提高铸铁轧辊心部强度的工艺研究.pdf

J an2 01 1 V O I 6 0 N0 1 提高铸铁轧辊心部强度的工艺研究 乐庸志 一，钱国钢 一，曾 明：(1 北京科技大 学，北京 1 0 0 0 8 3；2 湖北新冶钢 有限公 司，湖北黄石 4 3 5 0 0 1)摘要：镍铬钼铸铁无限冷硬轧辊辊身硬度高、耐磨性好，广泛应用于棒材轧机上，但随着棒材合金化的提高和规格的 增 大，轧辊强度满足不 了实际需求、研究了采用镶铸4 5 铜芯轴来增强轧辊心部强度的工艺，结果 表明镶铸制作 工艺是 可行的，产品能够满足实际轧制需要。关键词：轧辊；芯轴；强度 中图分类号：T G2 5 文献标识码：A文章编号：1 0 0 1 4 9 7 7(2 0 1 1)0 l 一 0 0 8 0 0 3 T e c h n o l o g y o f I ml g Ce n t r a I S e c t i o n S t r e n g t h o fI e c h n o l o g y o f p r o v mq C S e c t i o n S t r e n q t h o f I Ca s t I r o n Ro l l e r YUE Yo n g z h i 2 Q J AN Gu o g a n g，2 ZENG Mi n g 2 (1 U n iv e r s i t y o f S c i e n c e&T e c h n o l o g y B e ij i n g，B e i j i n g 1 0 0 0 8 3，Ch i n a；2 Hu b e i X i n y e g a n g C o ，L t d ，Hu a n g s h i 4 3 5 0 0 1，Hu b e i，C h i n a)Ab s t r a c t：T h e i n f i n i t e c h i l l r o l l e r ma d e o f t h e Ni C卜MO c a s t i r o n i S wi d e l y u s e d i n t h e b a r r o l l i n g mi l 1 b e c a u s e o f t h e a d v a n t a g e s s u c h a s h i g h h a r d n e s s a n d g o o d a b r a s i o n r e s is t a n c eHo we v e r，t h e r o l l e r c a n n o t s a t i s f y t h e n e e d s o f r o l l i n g mi l f f o r t h e h i g h a l l o y i n g a n d l a r g e s c a l e b a r s Th e i n s e d c a s t i n g p r o c e s s t h a t c a n i mp r o v e t h e c o r e s t r e n g t h o f t h e r o l le r b y i n s e r t i n g 4 5 s t e e l i n t h e i n f i n i t e c h i l I r o l l e r wa s d e v e l o p e dT h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e i n s e rt c a s t i n g f s f e a s i b l e a n d t h e r o l l e r c a n s a t i s f y t h e p r a c t ic a l r o l l i n g n e e d s Ke y WO r d s：r o l l e r；a x i s；s t r e n g t h 轧钢生产过程都是靠成型机组的成套轧辊来实现 的，轧辊孔型设计尺寸、材质硬度等都将影响型材的 质量、产量和轧辊的使用寿命。中镍铬钼铸铁无限冷 硬轧辊因其硬度高、耐磨性好、抗热裂性强等 良好的 综合性能，广泛应用于钢铁热轧生产线上。随着设备 的大型化，钢材性能的提升，大规格棒材越来越受市 场的青睐，轧辊孑 L 型随之不断扩大，这对轧辊心部的 强度要求就越来越高。1 原 因分析 某轧钢厂8 5 o L 机棒材生产线上的07 8 5 mm中镍铬 钼铸铁大辊径轧辊成分如表 1，轧辊单件质量约3 9 t。这种轧辊多年来应用于8 5 o$L 机棒材生产线上，使用效 果良好。但随着钢材合金化的不断提高，以及钢材规格 的不断加大，轧辊孔型随之加大，但轧制 3 0 0 3 2 0 mm 表1 轧辊成分 Ta b l e 1 Ch e mi c a l c o mp o s i t i o n o f t h e r o l l e r B，C S i Mn Ni Cr M o P S 3 2 35 1 5 1 8 O 5 0 8 2 2 2 5 04-06 05-0 7 0 1 O 0 0 3 大规 格棒 材 已超 出了原轧 辊 的设计 能 力，因此 轧辊 在 轧制大规格棒材时容易从孑 L 型横截面出现断辊现象，严重影响了生产安全和生产效率。中镍铬钼铸铁是 目前较为成熟和广泛使用的轧辊 材质，轧辊制作的关键是铸造工艺技术。目前，中镍 铬钼铸铁无 限冷硬轧辊 的铸造工 艺已比较成熟。从 07 8 5 m m f L 辊断辊事件分析来看，断辊 的主要原因是 因为轧辊孔型过大，轧辊芯部强度不够导致轧辊断裂。中镍铬钼铸铁无限冷硬轧辊的制作工艺原理主要 是通过铁液的合金化，以及浇注时铁液与铁模之间的 温差来使轧辊表面激冷而产生一定厚度的白口层，组 织是片层状珠光体+少量石墨+碳化物和莱 氏体 2 ，使 其表面获得高的硬度和 良好的耐磨性。由于浇注a,-t L 辊 内外冷速不同，使得轧辊 内外的组织不一样，辊身 工作层基体组织从表面向中心逐渐发生变化，其中碳 化物和莱氏体的数量逐渐减少，因此，从辊身表面往 里，轧辊硬度随之降低，轧辊芯部性能相当于H T 2 5 0 “，轧辊直径越大，轧辊 内部硬度变化就越明显，硬度变 化如 图l 2 1 收稿 日期：2 0 1 0 0 8 一l 1 收到初稿，2 0 1 0 0 9 2 6 收到修订稿 作者简介：乐庸志(1 9 7 7 一)男，工程硕士生，主要 从事热加工工艺技术。电话：0 7 1 4 6 2 9 8 8 8 8 6 0 7 8，E ma i l：l e l e 0 4 5 0 s i n a t o m 铸造 乐 庸志等：提高 铸铁轧辊心 部强度的工艺 研究 距 表 向距 离 mm 图1 轧辊 硬度变化 曲线 Fi g 1 Ha r d n e s s c h a n g i n g c u l we o f t h e r o l l e r 为 了满 足轧 制大规 格 棒材 的需要，增 强该 轧 辊 芯 部强度势在必行。增大轧辊外径是方法之一，但受轧 机设备的限制，增大轧辊外径 已无法实现；增D N L 辊 合金量无疑会大大增加轧辊制作成本，这对大规格轧 辊芯部 的影响也不大；比较简单可行 的办法就是在轧 辊心部增加钢质芯轴。2 工艺改进 2 1 工 艺方 案 复合轧辊生产方法主要有：离心铸造法(C F)、电 渣重熔法(E S R)、连续浇注外层成型法(C P C)、喷射 沉积成形法(OS P R E Y)和热等静压法(HI P)4 。该芯 轴轧辊是一种简易复合型轧辊，复合轧辊一般采用离心 浇注工艺制作，离心制作工艺对设备要求高，工艺复 杂，投入大。由于离心复合轧辊辊身硬度层较薄，广泛 用于板材轧制，运用于轧制大棒材轧辊效果不理想。因 此，针对8 5 o L 机轧制超大规格棒材合金铁轧辊，在连 续浇注外层成型法工艺基础上，去掉电磁加热系统，采 用简易镶铸工艺。芯轴轧辊结构示意图见图2。图2 芯轴轧辊结构 Fi g 2 S t r u c t u r e of t h e a x i s r o l l e r 前面提到由于铸造冷速的原 因，轧辊心部的性能 与H T 2 5 0 性能相当，轧辊心部强度大大降低。芯轴材 质采用普通4 5 钢，强度性能可以大大提高。H T 2 5 0 与 4 5#N力学性能 对 比如表2 3 ，同样规格，4 5 钢的强度 比 H T 2 5 0 大得多。表2 力学性能对 比 Tabl e 2 The c o mpar i s o n o f me c han i c a l pr o pe r t i e s 2 2工艺分析 这种制作工艺有4 大优点：这种工艺不需要增加 铸造设备，轧辊铸造工艺变动不大，只是通过镶铸工 艺在轧辊 中间增加 了特制钢质芯轴，铸造原理图见 图 3。操作过程可控性好。钢质芯轴与轧辊直径 比相 对较小，增大液 固体积 比(铁液体积：镶入 固体金属 体积)，有利于提高界面结合质量；在铸造时保持芯 轴垂直和预留冒口端热胀伸缩空间。镶铸工艺可以 改善轧辊 内部冷却效果，增强内部组织致密性，增强 芯部强度性能。界面由扩散层和激冷凝固层组成，界 面宽度约5 0 9 5 m 5】。减小过冷度，界 面宽度较窄，对强度影 响小。轧 制大规格棒材要求 轧辊芯部强度 O-b 5 0 0 MP a，而4 5 钢 b 5 9 0 MP a，可以满足强度要 求。这种工艺可以减少合金铁液的使用量，降低轧 辊制作成本，具有 比较好 的性价 比。芯轴与合金铁轧 辊 的差价 约 1万元 t，每 根轧辊 可节 约制作 成本 约 2 0 0 0 元。图3 复合铸造装置原理图 Fi g 3 Th e s c he ma t i c d i a g r a m o f t he c omp o s i t e c a s t i n g d e v i c e 2 3 工艺操作 在镶铸工艺中，液 固体积 比、浇注温度、芯轴预 热温度 和芯轴表面除锈是影 响界 面结合质量 的四要 素，其中固液体积比影响最大。试验表明，液固体积 比为8，预热2 0 0时，界面能很好地结合_ 6 l。其次，大规格轧辊在铸造时辊身一般会产生中心缩松区，缩 松 区域 大约 D I O 0 1 5 0 mm左右，缩松 区域会使轧辊 强度大大降低。芯轴越大，芯轴与铁液的面接触区域 就越大，产生的内应力也就越大，这不利于轧辊的制 作和使用，也不利于界面结合。在芯轴加热条件不好 的情 况 下 尽 可 能 选 择 直 径 较 小 的 芯 轴，既 能解 决 轧 辊 中心缩松问题，又能适 当提高芯部强度。芯轴直径 设计为(0 1 5-0 2 5)，D 为轧辊外形直径；液 固体积 比8。综合 以上 因素，芯轴 大小选择为2 0 0 mmx 5 0 mmx 3 3 0 0 mm的阶梯芯轴，质量约2 4 0 k g，液固 体积 比约1 6。如图3 所示，造型时用芯轴底座工装将芯轴竖直固 定在轧辊铁模型腔中心，预 留芯轴 冒口端伸缩空间，用垫铁抬高预留空间高约6 0 mm。浇注前对芯轴进行 预热和剥皮 除锈，预热2 0 0左右，减少过冷度，提 高界面结合质量。快速连续浇注，浇注温度控 制在 1 3 20-1 3 5 0 如 如 加 m 0 0 迎 F oUNDRY Jan 2O11 V0 I 6 0 N0 1 3 芯轴轧辊性能分析和使用效果 3 1 轧辊性能分析 复合轧辊试样检验o-b 5 5 5 MP a，辊身硬度HS D 6 5。球化等级2 级；芯轴试样检验o-b 6 3 0 MP a。由于芯轴较 小，芯轴轧辊在外形上看跟普通的轧辊没有特别之处，但这种工艺制作的芯轴轧辊，芯轴本身增强了轧辊芯 部强度，而且芯轴在浇注过程中相 当于冷铁作用，增 大了轧辊浇注时内部的冷却速度，改善 了轧辊内部组 织致密性，轧辊芯部强度得到了提高。界面结合质量的好坏直接影响着轧辊 的质量，此 镶铸工艺液 固比达 l 6，芯轴对铁液温度的影响很少，如此大的液固比能实现界面 良好冶金结合。而且芯轴 在铸造前进行 了除锈和预热，满足界面结合条件。从 成 品轧 辊端 面宏 观形貌 观测 来看也 与理 论相 符合，界 面结合良好，无白口，无铸造缺陷。3。2 芯轴轧辊使用效果 芯轴轧辊制作好后用于8 5 o 机生产线轧制超大规 格棒材，使用效果良好，解决了8 5 o$L 机轧制超大规格 棒材时不正常断辊现象，降低了轧辊消耗量，提高了 生产效率。普通合金铁轧辊芯部强度c r b 约2 5 0 I P a，芯 轴轧辊芯部强度g b J _ 6 3 0 MP a，解决了原轧辊芯部强度 不够的问题；原轧辊轧制q b 3 0 0 3 2 0 m m大规格棒材产 量约1 0 0 0 t 付，改进后芯轴轧辊轧制 同规格大棒材产 量约2 万t 付，轧辊使用寿命提高了近2 0 倍。轧辊价格 为1 4 万元 付，每付复合轧辊直接节省辊耗费用约2 6 6 万元；其次是减少了换辊次数，提高了生产效率，经 济效益可观。4 结论(1)芯轴轧辊用于轧制大规格棒材无断辊现象 出 现，解决了轧辊芯部强度不够的问题，能够满足实际 生产需求。(2)芯轴轧辊的制作成功说明这种镶铸工艺在铸 造工艺上是可行的，该镶铸工艺方案经济实用，可以 推广使用。参考文献：I 袁泽 冷硬铸铁 轧辊生 产的工艺原 理与条 件浅析【J】甘肃 冶金，2 0 0 0，6(2)：31 3 6 2 文铁铮，郭玉珍 冶金轧辊技术特性概论【M】河北：河北科学技 术出版社，1 9 9 5 3 王笑天 金属材料学 M】北京：机械工业出版社，1 9 8 6 4 关绍康，于新泉，王 利国 复合轧辊用 高速钢 的研究进展【J】郑 州工业 大学学报，2 0 0 1(4)：2 5 2 7 5 许春伟，李炎，魏世忠，等 电磁复合铸造轧辊界面组织和性能 研究 J 铸造，2 0 0 7，5 6(3)：2 7 9 2 8 3 6 赵爱 民 加筋 复合 白 E l 铸铁界面 的结合 强度【J】北京科技大学学 报，1 9 9 7，1 9(5)：4 3 4 4 3 7 (编辑：潘继勇，p j y f o u n d r y w o r l d C O m)(上接第 7 9页)4 结论(1)本试验表明，在凝固过程中施加机械振动对 纯Al 的凝固组织有着显著的影响。(2)对于一定的金属存在最佳的振动条件，而不是 振幅和频率越大越好。本试验条件下，当频率为8 0 Hz、振幅为8 mm时等轴晶率及平均晶粒面积达到了最优值，与未施加机械振动试样相比等轴晶率从0 增加到6 0 以 上，平均晶粒面积减小到1 5 以下。参 考文献：【1 L u L，Da h l e A K，S tj o h n D H Gr a i n r e fi n e me n t e ffic i e n c y a n d me c h a n i s m o f a l u mi n i u m c a r b i d e i n Mg AI a l l o y s J l S c r i p t a Ma t e r i a l i a 2 0 0 5，5 3(5)：5 1 7-5 2 2 2】陈颖，安萍，赵君 文，等 振动技术 在金属凝 固中的应用 与发展 J 新技术新工艺，2 0 0 7(8)：5 8 6 1 【3】黄 良余 铝及 其合金 的晶粒 细化处理简述 J】特 种铸造及有 色合 金，1 9 9 7(3)：4 1 4 3 4 Gu a n R G，Ca o F R，C h e n L Q，e t a 1 D y n a mi c a l s o l i d i fi c a t i o n b e h a v i o r s a n d m i c r o s t r uc t u r a l e v o l u t i o n d u r i n g v i b r a t i n g wa v e l i k e s l o p i n g p l a t e p r o c e s s J】J o u rna l o f Ma t e r i a l s P r o c e s s i n g T e c h n o l o g y，2 0 0 9，2 0 9(5)：2 5 9 2 2 6 0 1 5 陈锋 振动作用下铝合金 的凝 固组织及性能特点【D 南京：东南 大学，1 9 9 0：2 3 2 5 6 Ka d ir Ko c a t e p e E ff e c t o f l o w f r e q u e n c y v i b r a t i o n o n p o r o s i t y o f L M2 5 a n d L M6 a l l o y s J Ma t e r i a l s a n d De s i g n，2 0 0 7，2 8(6)：1 7 6 7 一 l 7 7 5 7 G a o De mi n g，L i Z h ij u n，Ha n Qi n g y o u，e t a 1 E ff e c t o f u l t r a s o n i c p o we r o n mi c r o s t r u e t u r e a n d me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f A Z9 1 a l l o y J】M a t e ria l s S c i e n c e an d En g i n e e rin g A，2 0 0 9，5 0 2：2-5 8 X u Z h i w u，Y a n J i u c h u n，C h e n We i，e t a 1 E ff e c t o f u l t r a s o n i c v i b r a t i o n o n t h e g r a i n r e fi n e me n t an d S i C pa r t i c l e d i s t r i b u t i o n in Z n b a s e d c o mp o s i t e fi l l e r me t a l J Ma t e ri a l s L e t t e r s，2 0 0 8，6 2：2 61 5-26 1 8 9 C h e mo v D K Ou t s t a n d i n g me t all u r g i s t s【J】Me t a l l u r g i s t，1 9 5 7，1 (1 0)：6 5 5 6 5 7 (编辑：刘闯，l i u c f o u n d r y w o r l d c o m)，