耐磨铸造高速钢轧辊的研究

1、 耐磨铸造高速钢轧辊的研究符寒光(北京冶金设备研究院铸造研究所北京100029摘要介绍了铸造高速钢轧辊的主要制造方法和使用效果,其中着重介绍了CPC工艺制造高速钢轧辊的性能、特点、存在的问题及改进方向。关键词离心铸造CPCESRESSLM高速钢轧辊中图分类号:TF341文献标识码:A文章编号:1006-2602(200006-0030-05THE STU DY OF WEAR2RESISTANT CASTING HIGH SPEE D STEE L R OLLFu Hanguang(Beijing Research Institute of Metallurgical Equipment,Be

2、ijing,100029AbstractThe main manufacture methods and service effects of casting high speed steel rolls were introduced. The properties,characteristics,existing problems and improving direction of high speed steel rolls manufactured by means of CPC process were introduced emphatically.K ey w ordsCent

3、rifugal casting,CPC,ESR,ESSLM,High speed steel rolls1前言提高轧材的质量、精度和降低成本是当今轧钢技术发展的方向。以带钢轧制为例,交叉轧制(PC轧机、弯辊技术、多辊轧机、低温及大压下量轧制、连铸连轧短流程等技术对轧辊耐磨性、强度及韧性等提出了更高的要求。为适应这一要求,国外于80年代末开发了铸造高速钢轧辊,并在带钢热连轧机的精轧段、粗轧段、钢管轧机和高速线材轧机的预精轧段获得了广泛应用。国内铸造高速钢的研究和应用还处在起步阶段,与国外先进水平相比差距较大。为加快我国铸造高速钢轧辊的推广使用,对铸造高速钢轧辊的制造方法、性能和特点进行认真总结是

4、十分必要的。2铸造高速钢轧辊制造方法浅析目前工业生产中较常见的铸造高速钢轧辊制造方法有:离心铸造法(简称CF法、连续浇注外层成型法(简称CPC法、电渣重熔法(简称ESR法、液态金属电渣熔接法(简称ESSLM法。2.1离心铸造法离心铸造法的主要特点是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、辊芯金属液浇注间隔时间、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、Cr、Mo、V等合金元素,而这些元素及其形成的碳化物密度差别很大(见表1,在普通离心铸造条件下,高速钢轧辊合金元素偏析严重,外层V含量低,而W、Mo含量高,内

5、层正好相反。笔者曾分析了离心铸造高速钢轧辊偏析主要是MC型碳化物的偏析,严重影响轧辊耐磨性。研究发现MC型碳化物主要是一次结晶VC的偏析,因VC与钢水的密度相差较大所致。为防止VC偏析,采取添加Nb元素提高MC型碳化物密度,其结果由于生成密度较大的MC型复合碳化物(W、V、Mo、Nb系碳化物,其密度与钢水密度相接近,使VC减少,有效地控制了离心铸造高速钢的碳化物偏析,提高了高速钢轧辊的耐磨性。但Nb提高钢的淬火温度,降低二次硬化峰值出现的温度,此外高速钢铸造成型过程中Nb系的MC型碳化物较V系的MC型碳化物粗大1,导致轧辊使用过程中易发生剥落。因此如何确定在给定的工艺条件下V和Nb复合添加的最

6、佳比例,及怎样尽量控制形成粗大的NbC,是离心铸造高速钢轧辊生产中亟待解决的问题,我们前期研究表明,复合变质处理是一种有效措施。2.2连续浇注外层成型法连续浇注外层成型法(CPC-Continuous Pour2ing Process for Cladding具有工艺简单、节能和轧辊第24卷第6期2000年12月中国钼业CHINA MOL Y BDENUM INDUSTR YVol.24No.6December2000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轧辊。表1高速钢中常见元素的碳化物的密度2碳化物W 2CWCMo 2CNbC VC Fe 3C 密度/kg m

7、-317200158009100790057007200元素WMoNbFe Cr V 密度/kg m -319300102008600790072006 100图1CPC 法生产高速钢复合轧辊示意图1-轧辊外层2-冷却水入口3-水冷却器4-石墨5-浇口杯6-感应加热圈7-高速钢液体8-辊芯9-玻璃保护渣10-预热感应圈11-渣层12冷却水出口13-托板CPC 法是将轧辊辊芯轴垂直放于水冷铸型中,然后将熔融的外层高速钢钢水浇入到碳钢芯轴和水冷结晶模之间,使外层金属和辊芯熔合,并按自下而上的顺序凝固,将凝固部分连续向下拉拔,实现连续铸造外层。该方法首先由日本新日铁公司3开发,CPC 法示意图见图1

8、。采用CPC 法制造的高速钢复合轧辊,辊身组织细小、均匀、夹杂物少,几乎没有缩孔、疏松和元素偏析等缺陷发生,综合性能明显优于普通离心铸造高速钢轧辊。采用该工艺,轧辊内外层材质选择范围宽,结合层强度高,生产成本低,成本比电渣重熔法低1/2,比埋弧堆焊法低2/3。设计CPC 设备的关键参数是:加热器和加热器热量,浇注温度,拉拔速度和冷却器高度,国内吴春京等人4通过计算机数值模拟温度场,可以定量了解连续铸造过程中轧辊复合层与辊芯良好结合的工艺参数,从而优化设计出CPC 设备。2.3电渣重熔法电渣重熔法(ESR 是在作为芯部材料的圆柱状高强度合金钢周围放置同心水冷铸模,并在锻钢和铸模之间放置由高速钢或

9、半高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空间(见图2。而且可以通过采用不同的自耗电极制成具有梯度分布的结合界面,以改善界面特性。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,日本日立公司5用ESR 法生产了尺寸为 425mm ×1880mm 的复合冷轧半高速钢轧辊,其成分见表2。ESR 法的最大特点是成本较高,且难以制造较大的轧辊。生产的辊坯经轻锻后,在1060淬火和500回火后加工成复合轧辊,表面硬度为HS97,有良好的耐磨性和抗事故能力。表2复合半高速钢冷轧辊化学成分%元素CSiMnCrMoV WSP外层 1.05 3.100.70 4

10、.45 3.25 1.300.370.0010.015内层0.880.550.41 2.950.250.04-0.0040. 017图2电渣重熔法示意图1-电极2-结晶器3-渣池4-金属熔池5-底板6-外层7-辊芯13第24卷第6期符寒光:耐磨铸造高速钢轧辊的研究2.4液态金属电渣熔接法最近,乌克兰ELM ET 轧辊公司6开发了液态金属电渣熔接法制造高速钢复合轧辊新工艺,它是在CPC 法的基础上加上电渣净化作用的一种新的轧辊制造方法,图3是ESSLM 法示意图。用ESSLM 法制造轧辊时,其外层是在特殊设计的导电水冷铜结晶中凝固形成的,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

11、耗电极。过程开始时,先将作为高速钢复合辊芯部的芯轴插入结晶器中,并与其同轴。轴的外表面和结晶器的内表面的间隙决定复合辊外层厚度。 然后将在另外的熔化装置中熔化的渣液浇入结晶器和芯轴的间隙中,渣液形成渣池,它的热量将芯轴表面预热。然后再浇入外层高速钢水,可连续浇入,也可按预先设定的程序浇入。钢水将熔渣上浮,同时在通过渣池时被渣精炼。钢液与已经预热的芯轴表面熔合,并因结晶器的冷却而凝固,形成复合层。借助移动装置不断由结晶器中拉出已经凝固的部分(或结晶器上移,同时上部钢水不断注入,直至达到预定的复合辊长度为止。已用此方法生产了 344mm ×650mm 的高速钢复合轧辊用作热带钢工作辊,其

12、外层化学成分为(%:1.8C 、0.3Si 、0.7Mn 、4.5Cr 、1.5Ni 、3.5Mo 、6.1V 、4.4W 。图3ESSLM 法制造高速钢复合轧辊示意图1-外层2-渣池3-芯轴4-浇包6-金属液6-水冷结晶器国内杨国民7发明的复合轧辊制造方法和装置与乌克兰ELM ET 轧辊公司开发的液态金属电渣熔接法类似,其装置包括结晶器、辊芯把持器、固定架、引锭头、中间包、电源及其电回路。该复合轧辊的制造方法是预先将辊芯制备好,然后将它置于结晶器的中心,并以辊芯为导体,作为电回路的一部分,组成电加热回路,将辊芯直接加热,当辊芯预热到一定温度后,向结晶器中浇入热渣和钢水,钢水开始凝固后,向下抽

13、动辊芯和引锭头,使钢水逐步凝固在辊芯周围,形成复合轧辊。3铸造高速钢轧辊的性能80年代末以前,锻造高速钢轧辊已用于制造多辊轧机的工作辊和中间辊,使用的是标准类型钨钼高速钢,如美国M2、M4以及高碳类型T15。但高速钢大型铸锭不但锻造和热处理难度大,而且易因组织的不均匀、偏析和疏松等缺陷影响轧辊性能,因此锻造高速钢轧辊的推广使用进展缓慢。铸造高速钢轧辊是利用具有高硬度,尤其是具有很好的硬性、耐磨性和淬透性的高速钢作为轧辊的工作层,用韧性满足要求的锻钢、铸钢或球墨铸铁作为轧辊的辊芯材料,把工作层和辊芯以熔铸的方式复合起来的高性能轧辊。高速钢轧辊与普通轧辊的冶金性能、力学性能和物理性能示于表3、表4

14、和表5。可见,普通轧辊工作层,其基体上分布的多为M 3C 型或M 7C 3型共晶碳化物,组织粗大,硬度较低,而铸造高速钢轧辊的工作层一般采用高碳高钒类型高速钢,工作层的基体上分布着粒状的高硬度MC 型碳化物,而且随着含钒量的增加,高速钢组织的骨骼状M 6C 型碳化物的MC 型转化,因此高速钢轧辊具有优良的耐磨性能。表3轧辊材质的主要化学成分和冶金特性8轧辊材质化学成分/%金属组织上:石墨中:碳化物下:基体硬度,HS高速钢C :1.52.4,W :210,V :210,Cr :210,Mo :210,Co :10无MC +M 6C 回火马氏体8090高铬铸铁C :1.03.0,V 3,Ni :1

15、2,Cr :1025,Mo :13无M 7C 3回火马氏体7090高合金无限冷硬铸铁C :3.03.4,Ni :45,Cr 2,Mo 15%M 3C贝氏体70854铸造高速钢轧辊的应用4.1国外铸造高速钢轧辊的应用铸造高速钢轧辊正式采用是从1988年开始的,当时用在日本一家带钢热连轧机上。随后美国和欧23中国钼业2000年12月洲也开始引入铸造高速钢轧辊制造技术。铸造高速钢轧辊最初用于带钢热连轧机精轧机前段代替高铬铸铁轧辊,后来精轧后段和粗轧段、钢管轧机和线材、棒材及冷轧带钢轧机上也开始使用铸造高速钢轧辊,并获得了满意的效果。日本新日铁公司用CPC法生产的铸造高速钢复合轧辊具有极高的耐磨性(见

16、表6。使用铸造高速钢轧辊后,辊耗明显下降,换辊次数显著减少,轧辊研磨量减少。轧机能力提高,燃料和动力消耗降低,有助于降低轧制成本和提高带钢质量。表4轧辊的主要力学性能8部位项目轧辊材质(外层高合金无限冷硬铸铁高铬铸铁高速钢外层硬度/HS708570908090抗拉强度/MPa4006007009007001000抗压强度/MPa190025001700220025003200破坏韧性值/MPa.m0.5182521342528结合层抗拉强度/MPa300500300400500700芯部抗拉强度/MPa3005004005007001000表5轧辊的主要物理性能9制造方法材质外层内层热导率k/

17、Wm-1k-1比热容C/Jkg-1k-1密度/kgm-3线膨胀系数,×10-5/k杨氏模量,E×104/MPa泊松比/vCPC高速钢合金锻钢25.542.00.500.507700785013.014.023.520.60.270.29CF高铬铸铁球墨铸铁20.027.00.590.597600720013.012.022.020.50.300.30无限冷硬铸铁球墨铸铁23.527.00.540.59750072008.012.017.520.50.270.30表6新日铁公司各种轧辊的辊耗比较10轧辊类型前部轧机/tmm-1后部轧机/tmm-1硬度,HSCPC(1%Co高速

18、钢33680117258090 CPC(5%Co高速钢-172358090 CF高速钢21827-7585 CF高铬铸铁4163-7080 CF无限冷硬铸铁-21577585加拿大Dofasco公司自1993年试用铸造高速钢轧辊以来,比例不断提高,目前F2、F3和F4机架上已全部采用铸造高速钢轧辊,使用铸造高速钢轧辊后,轧辊消耗明显减少,轧机作业率明显提高,F4机架的平均过钢量从1992年6月的360t/h提高到1994年11月的490t/h,带钢表面质量已提高了20%。为提高钢管轧机生产效率和降低轧辊辊耗,在钢管轧机上采用高速钢轧辊也是相当成功的。高速钢轧辊和传统材质(石墨钢、球墨铸铁轧辊相

19、比,含有硬质MC型碳化物和在高温下基体硬度高,具有极好的耐磨性和抗表面桔皮状缺陷,使用寿命比传统材质轧辊高610倍,而且无粘钢等现象发生11。4.2国内铸造高速钢轧辊的应用北京钢铁研究总院12选用高速钢作工作层材料,用合金球墨铸铁作辊芯材料,借助离心铸造方法将这两种性能差异较大的材料复合在一起,于1997年研制成功了高速钢复合轧辊。具有工作层硬度高(7982.5HS、辊颈强度高(580MPa、辊身硬度均匀(均匀度1.52.5HS、辊身硬度落差小等特点。用于热轧窄带钢轧机时的综合寿命比原来的高合金铸铁轧辊提高10.5倍,用于高速线材轧机时的综合寿命比原来提高3倍。鄂城钢厂原来使用高合金轧辊每年需

20、用347t,改用高速钢轧辊后每年仅需33t,由此每年节约轧辊费用318万元,并可多创效益51万元。北京冶金设备研究院铸造研究所与浙江新安江特种合金铸造厂合作,开发了高性能的铸造高速钢辊环,其基本成分是:1.5%2.5%C,8%20% W,2%3.5%Mo,4.2%4.6%Cr,4%7.5% V,3%5%Co,0.2%0.6%Mn,0.4%0.6% Ti。主要性能指标如下:金相组织为回火马氏体+共晶碳化物+二次碳化物+残留奥氏体(10%;硬度6065HRC,冲击韧性510J/cm2,抗拉强度400600MPa,抗弯强度1000MPa,抗压强度2800MPa。铸造高速钢辊环在三明钢厂高速线材轧机预

21、精轧机架使用,结果见表7。从表中的统计数据可以看出:虽然高速钢辊环的耐磨性不如硬质合金辊环的耐磨性,但高速钢辊环的单槽轧钢量高于硬质合金辊环,原因在于硬质合金辊环当轧钢量超过3500t时,其槽孔的小裂纹变大,龟裂严重。使用高速钢辊环,可以减少换槽次数,节省换槽时间,提高轧机作业率。5铸造高速钢轧辊在我国的应用展望为了成功地推动铸造高速钢轧辊在我国的应用,应该注意着重解决以下4个问题。33第24卷第6期符寒光:耐磨铸造高速钢轧辊的研究表7辊环使用效果对比指标磨损量h/mm修磨情况一次修磨量/mm总量/mm次数单槽轧钢量/t裂纹情况脆辊高速钢0.50.6 1.51.8301650006500少少硬

22、质合金0.30.35 1.2302535004000多且较大多5.1解决铸造高速钢轧辊热处理中辊芯强度下降问题从提高高速钢复合轧辊外层材料耐磨性出发,希望提高淬火温度。但复合高速钢轧辊的辊芯材料通常选用灰铸铁、球铁、铸钢或锻钢,若高速钢轧辊的淬火温度选择在1250以上,则辊芯组织显著粗大,甚至出现局部熔化现象,使辊芯强度显著降低,轧辊使用中易出现断辊现象,影响轧机设备的正常运行。国外已开发成功了高速钢轧辊的亚温热处理工艺,但未对工艺作详细报道。我们应立足于国内,尽快开发高速钢轧辊的热处理工艺,新工艺应该在取消高温淬火,保证辊芯具有高强度的前提下,简便易行,能耗低,污染少。表面感应淬火工艺具有操

23、作方便,对辊芯强度影响小等特点,在铸造高速钢复合轧辊中应用将是可行的。为保证淬硬层深度,建议采用双感应器应淬火工艺。5.2解决铸造高速钢轧辊外层与辊芯结合层强度低的问题传统离心铸造复合高速钢轧辊,辊芯材料通常是有石墨析出的灰铸铁或球铁,由于外层材料高速钢中含有大量促进铸铁白口化的元素,因而使外层与辊芯结合部位石墨化恶化,加上碳化物的析出,使结合部变脆,促使复合辊外层剥落。当辊芯材料采用高速度和高延伸率的铸钢时,由于其熔点比高速钢高,浇注时将与已经凝固的外层高速钢的内表面熔融混合。这一熔融层的熔点比心部钢液低,成为最后凝固的部位,极易产生铸造缺陷,降低结合部位的强度。采用在高速钢和芯部材料之间加

24、一低合金中间层的方法,有望改善界面结合状态和提高复合层结合强度,但关键是中间层的选用和简化工艺。5.3解决铸造高速钢轧辊易出现偏析问题用CPC、ESR和ESSLM等方法制造高速钢轧辊,性能较好,但设备投资大。而我国普通离心机多,用普通离心铸造方法生产高速钢轧辊极易产生偏析,影响轧辊使用效果。笔者认为采用降低浇注温度、浇注过程中增加电磁搅拌和采用水冷金属铸型等工艺措施,可减轻甚至消除合金元素偏析,改善轧辊使用效果。5.4解决铸造高速钢轧辊易出现铸造裂纹问题由于铸造高速钢轧辊中含有较多的合金元素,而合金元素的加入会降低钢的导热性,加大了轧辊冷却时的不均匀性,因此增加了轧辊的残余应力;同时,在凝固过

25、程中由于合金元素的偏析,将会加大钢中相变的不同时性,从而增加了相变应力。而相变应力和残余应力的叠加,使得离心铸造高速钢轧辊时表现出较大的裂纹倾向。通过对钢液进行变质处理以提高抗热裂性能和选择合适的离心铸造工艺参数,如使用双层涂料(底层为隔热层,面层为耐火层,浇注过程中变换离心机转数等,有望减轻甚至消除高速钢轧辊的铸造裂纹。参考文献1Ichino K.,K ataoka Y K oseki T.Development of Centrifugal cast Roll with High Wear Resistance for Finishing Stands of Hot Strip Mill.K awasaki Steel Technical Re port,No.37, Octor.,1997,1318.2K arag¨o z S.,Fischmeister H.F.Niobium-Alloyed High Speed Steel by Powder MetallurgyJ,Met.Trans.,19A