一种高合金型钢轧辊制造与使用方法与流程

1.本发明涉及轧辊技术领域，特别是涉及一种高合金型钢轧辊。


背景技术：

2.现阶段用于中、精轧型钢类轧辊生产材质，主要为传统退火热处理的静态整体与离心铸造nicrmo珠光体球铁（硬度58-63hsd）、nicrmo贝氏体球铁（63-68hsd）材质；部分超大型型钢类个别使用开孔型淬火的160-220crnimo合金半钢或石墨钢类轧辊（硬度55-60hsd）材质。
3.对于型钢（主要包括角钢、槽钢）轧制特点：1）孔型深（30-200mm），对轧辊的工作层厚度要求厚（60-300mm）；2）轧材在轧制规程边部、棱角冷却不一致，造成轧辊边部、棱角等局部磨损较快；轧辊整体寿命较低，频繁换辊修辊造成生产效率较低。3）由于传统球铁类轧辊较厚的工作层，靠轧辊制造过程自然冷却凝固工作层表面与工作层底部组织及硬度相差较大，造成整体球铁轧辊寿命较低、中后期表面质量较差。
4.随着轧辊材质的不断进步，高速钢、高铬钢、高铬铁等高合金材质轧辊，在轧材对工作层厚度要求（40-70mm）不高的棒、线材轧机上得到应用，并收到了较好的使用效果。
5.然而，对于工作层要求特厚（120-300mm）的型钢用高速钢、高铬钢、高铬铁等高合金材质轧辊，1）与传统球铁类轧辊相比合金含量较高（导热能力较差），轧辊在制造过程的淬火+回火过程不可逾越的马氏体相变过程，其相变应力足可以造成轧辊炸裂，致使型钢类高合金轧辊无法制造出来，是制约高合金轧辊推广的重要影响因素之一。2）在轧辊使用过程，由于轧材形状（特别是公辊孔型）因素，孔型被轧材三面包裹，受热面比传统棒线材大4-5倍，传统冷却方式条件下，孔型部位升温较快造成与非轧制区温差过大，导致孔型炸裂是该轧辊极易发生的问题，也是制约高合金轧辊推广的又一重要影响因素。
6.特别是不锈钢型材（槽、角钢）生产，轧材合金含量高、轧制抗力大、对轧材表面质量要求更高（对高抗磨轧辊极为迫切）。从不锈钢轧制环境上，其正常轧制温度1260℃（开轧）～1000℃（终轧），比传统碳素钢轧材轧制温度1050℃（开轧）～850℃（终轧）高出了近200℃，对孔型局部受热影响更加剧烈（加剧了高合金轧辊的使用风险）。
7.综上所述，本发明从力求从降低轧辊自身结构应力角度出发，通过改变轧辊结构方式，一方面降低轧辊自身结构应力；二通过结构降低轧辊局部（孔型）受热冲击时对整个轧辊应力的影响和破坏；三在受热环境无法改变的前提下，通过改变冷却环境，使已受热的轧辊表层热量迅速带走，降低孔型内部的透热深度，起到降低热冲击带来的危害。


技术实现要素：

8.根据上述需要解决的技术问题，提供一种高合金型钢轧辊。
9.为实现上述目的，一种高合金型钢轧辊，包括轧辊外层材料采用c1.2-2.7%、si0.4-0.8%、mn0.4-1.1%、cr4-18%、ni0.3-1.5%、mo1.0-5.5%、v0.2-5.5%、w0.2-4.0的高合金抗磨合金，根据孔型结构、工作层厚度，采用对应的铸造方法，以及特殊的结构形式，经相
应的特殊热处理、加工，完成外形结构尺寸，配合特殊的冷却水冷却使用方法，实现该轧辊的耐磨性指标到达现传统珠光体、贝氏体球墨铸铁类轧辊2-4倍，综合毫米过钢量指标为传统轧辊的3-5倍。
10.本发明在一较佳实施方式中可进一步配置为，采用离心带槽铸造外层和中间层，最后通过填入芯金属液完成整个轧辊铸造，对于孔型尺寸较小的，可以采用离心复合无孔型铸造，铸后采用机械加工方法加工出孔型。
11.本发明在一较佳实施方式中可进一步配置为，所述热处理方法，将带孔型轧辊或工作层有效轧制部位，经软化退火、加工成需要的粗加工形状后，经带孔型淬火和回火热处理，达到需要的轧辊硬度、组织、应力指标。
12.本发明在一较佳实施方式中可进一步配置为，所述加工方法，是将热处理加工工好的轧辊工作层有效轧制部位和辅助轧制部位、采用锻造方法制造的辊轴部位，用热装配和螺纹机械把合方法组装到一起。
13.本发明在一较佳实施方式中可进一步配置为，所述冷却水冷却使用方法，采用沿辊身外圆能覆盖约1/3弧面环形冷却水箱体上，焊制至少5组间距80-120mm均布的，与孔型外形轮廓相似的鸭嘴状冷却水嘴，在与孔型相对的鸭嘴侧面上，钻制多个锥角90-100
°
的双锥面孔嘴，中心透孔φ3-5mm，鸭嘴在对应母辊槽底圆弧角部位钻制的双锥面孔嘴采用双排；冷却水出口处压力5-8kg/cm2，使散状的高压水幕覆盖整个孔型断面。
14.本发明在一较佳实施方式中可进一步配置为，所述工作层化学成分是c1.2-1.5%、si0.4-0.8%、mn0.4-1.1%、cr8-13%、ni0.3-1.0%、mo1.0-2.5%、v0.2-0.7%、w0.2-0.5的高铬合金钢轧辊成分，用于中轧角、槽钢轧制，及角钢精轧、成品轧制；辊面硬度75-80hsd，代替传统珠光体、贝氏体，其单槽过钢量为传统轧辊的2-3倍。
15.本发明在一较佳实施方式中可进一步配置为，所述工作层化学成分是c2.3-2.7%、si0.4-0.8%、mn0.4-1.1%、cr13-18%、ni0.8-1.5%、mo0.8-1.5%、v0.2-0.7%、w0.0-1.0的高铬铸铁轧辊成分，用于中轧角、槽钢轧制，及角钢精轧、成品轧制；辊面硬度68-75hsd，代替传统珠光体、贝氏体，其单槽过钢量为传统轧辊的2-2.5倍。
16.本发明在一较佳实施方式中可进一步配置为，所述工作层化学成分是c1.6-2.3%、si0.4-0.8%、mn0.4-1.1%、cr4-8%、ni0.3-1.0%、mo3-5.5%、v3-5.5%、w0.5-4.0的高速钢轧辊成分，用于中轧角、槽钢轧制，及角钢精轧、成品轧制；辊面硬度75-85hsd，代替传统珠光体、贝氏体，其单槽过钢量为传统轧辊的3-4倍有益效果，本发明的一种高合金型钢轧辊，借鉴传统板带、棒线用高合金（高速钢、高铬钢、高铬铁）轧辊的经验及特性；有针对性的在化学组成科学的配方基础上，通过特殊的带孔型铸造或平辊毛坯开孔型，以及将轧辊辊身部位分解为有效轧制部位与辅助轧制部位；借助于特殊的带孔型或有效轧制部位与辅助轧制部位各自独立热处理；从而大大降低了轧辊铸造、热处理以及交付状态下的宏观结构应力级别；使型钢类超厚高合金轧辊，因制造应力、热处理应力开裂报废问题，得到有效控制；使该类超厚高合金轧辊的制造成为可能。同时借助于高合金轧辊的特殊冷却水嘴及冷却使用方法，使得该高合金类轧辊在型钢类轧机上使用成为可能；由于该高合金类轧辊良好的组织红硬性、综合耐磨性能，使该类轧辊代替传统珠光体、贝氏体球墨铸铁材质轧辊，轧材表面质量得到明显改善的同时，单槽单次过钢量以及综合毫米过钢量得到成倍提高，大大延长了轧辊在线时间，提高了轧机生产
效率，综合轧辊消耗成本降低。实现了高品质、高寿命、低消耗于一身。
附图说明
17.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
18.图1为本发明整体结构示意图。
19.图2为本发明冷却喷嘴示意图。
具体实施方式
20.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。
21.以轧制14#不锈钢槽钢的精轧k7机架上辊（母辊）用高速钢轧辊φ746
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850轧辊为例，孔型深度92.68mm，要求单边有效工作层使用厚度138mm，轧辊主轴颈尺寸φ280mm，成品硬度要求78-85hsd。轧辊结构示意图如图1所示。
22.该轧辊外层（高速钢）浇注厚度=单边有效使用厚度138mm+报废时安全厚度10mm+浇注过程外层溶蚀厚度10mm+过渡层厚度10～20mm≥158mm。
23.采用离心复合铸造最大可浇注厚度=（要求最大外圆φ746mm-辊颈φ280mm-最小辊颈铸造加工余量40mm）/2=213mm。即离心层厚度满足离心复合铸造浇注方法要求的≥158mm要求，可采用离心复合铸造方法生产。
24.外层厚度与辊身直径比=（138+10）/746=19.8%，远大于离心复合高速钢铸造要求的安全使用厚度/辊身直径比的12%要求，因此，制造（铸造、热处理）开裂风险较大，必须采取相应技术措施。
25.铸型准备：轧辊分为：辊身部位与辊颈部位（又分为传动端辊颈、操作端辊颈）。
26.辊身部位采用金属型+孔型部位环形冷铁+上下端盖箱三部分；其中冷型内腔为圆筒状空腔结构，与孔型环形冷铁接触部位，有φ28-30mm通孔，用螺栓将环形冷铁与冷型紧固为一体；其中环形冷铁采用经高温900-950℃石墨化退火的铁素体灰口铸铁制成，环形冷铁圆周360
°
等分为三个120
°
冷铁1/3环，两个相邻1/3冷铁环采用公母止口（榫卯）滑动接触连接；端盖箱采用金属外箱+传统粘土砂+涂料制造而成；冷型表面及冷铁与金属液接触表面，采用厚度3-4mm的铬矿砂为骨料的覆膜砂，在150-180℃挂制到冷型及环形冷铁内表面。
27.外层金属液，采用化学成分为c1.6-2.3%、si0.4-0.8%、mn0.4-1.1%、cr4-8%、ni0.3-1.0%、mo3-5.5%、v3-5.5%、w0.5-4.0的高速钢金属液，经冶炼+脱氧提纯控制有害元素p≤0.035%、s≤0.03%、[o]≤20ppm；1580℃出炉，静置10-15分钟，扒除表面浮渣，1450-1480℃将外层金属液经浇注漏斗、流槽注入组装好的、模温80-120℃的高速旋转的离心铸型中；待外层金属接近凝固点前（半固态）t腔=t凝固+50℃；浇入c1.2-1.8%、si2.4-2.8%、mn0.5-0.8%、p≤0.035、s≤0.03的高硅石墨钢中间层（厚度15-30mm）；待心部金属液完全凝固时，停止离心旋转，松掉连接在冷型与环形冷铁间的固定
螺栓（使环形冷铁能在后期降温收缩时，自由上下滑动）。
[0028]
合箱填芯部金属液：将带环形冷铁+外层+中间层的辊身铸型与传动侧底箱、操作侧冒口箱铸型，按顺序合好箱，填入高温（1380-1400℃）的心部高强韧性材料的金属液，心部材料化学成分c2.9-3.3%、si2.4-2.8%、mn0.5-0.8%、p≤0.035%、s≤0.02%、ni0.5-1.0%、cr≤0.2%、mo≤0.1%。将高硅石墨钢中间层溶蚀约10mm左右，使外层高合金高速钢与心部高强韧性球墨铸铁间，形成良好冶金结合的同时，使内外层合金及组织实现良性过渡，有效的防止高合金大量进入心部使心部组织脆化。冒口覆盖保温剂，待辊身铸型温度降至≤500℃时，部位包裹绝热棉缓冷至室温。
[0029]
开箱粗开孔型加工：脱去上下辊颈箱体（底箱、冒口箱）、金属型两端盖箱，连同铸件与环形冷铁从金属外型中脱出，去掉孔型部位的环形冷铁，清理铸件表面浮砂，送加工车间，按热前粗加工图纸（留淬火+热后加工余量）进行辊身（包括孔型）、上下辊颈粗加工。完成带孔型铸造过程，转热处理工序进行淬火回火处理。
[0030]
此方法，适合于孔型较深切较宽的超厚工作层轧辊，对于孔型较小、工作层偏薄的轧辊，优选平辊铸造（不带孔型铸造），铸造毛坯后热前粗开孔型热处理。
[0031]
该方法优点解决了高速钢超厚工作层轧辊铸造过程开裂风险、外层高合金消耗低、减少了毛坯高合金加工工作量，但缺点是工模具及生产制造过程稍繁琐复杂，对金属型（包括环形冷铁）挂覆膜砂操作要求较高需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体与另一个实体区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体存在任何这种实际的关系或者顺序。
[0032]
以上举例仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种高合金型钢轧辊，其特征在于，轧辊外层材料采用c1.2-2.7%、si0.4-0.8%、mn0.4-1.1%、cr4-18%、ni0.3-1.5%、mo1.0-5.5%、v0.2-5.5%、w0.2-4.0的高合金抗磨合金，根据孔型结构、工作层厚度，采用对应的铸造方法，以及特殊的结构形式，经相应的特殊热处理、加工，完成外形结构尺寸，配合特殊的冷却水冷却使用方法，实现该轧辊的耐磨性指标到达现传统珠光体、贝氏体球墨铸铁类轧辊2-4倍，综合毫米过钢量指标为传统轧辊的3-5倍。2.根据权利要求1所述的一种高合金型钢轧辊，其特征在于，采用离心带槽铸造外层和中间层，最后通过填入芯金属液完成整个轧辊铸造，对于孔型尺寸较小的，可以采用离心复合无孔型铸造，铸后采用机械加工方法加工出孔型。3.根据权利要求1所述的一种高合金型钢轧辊，其特征在于，所述热处理方法，将带孔型轧辊或工作层有效轧制部位，经软化退火、加工成需要的粗加工形状后，经带孔型淬火和回火热处理，达到需要的轧辊硬度、组织、应力指标。4.根据权利要求3所述的一种高合金型钢轧辊，其特征在于，所述加工方法，是将热处理加工工好的轧辊工作层有效轧制部位和辅助轧制部位、采用锻造方法制造的辊轴部位，用热装配和螺纹机械把合方法组装到一起。5.根据权利要求4所述的一种高合金型钢轧辊，其特征在于，所述冷却水冷却使用方法，采用沿辊身外圆能覆盖约1/3弧面环形冷却水箱体上，焊制至少5组间距80-120mm均布的，与孔型外形轮廓相似的鸭嘴状冷却水嘴，在与孔型相对的鸭嘴侧面上，钻制多个锥角90-100
°
的双锥面孔嘴，中心透孔φ3-5mm，鸭嘴在对应母辊槽底圆弧角部位钻制的双锥面孔嘴采用双排；冷却水出口处压力5-8kg/cm2，使散状的高压水幕覆盖整个孔型断面。6.根据权利要求5所述的一种高合金型钢轧辊，其特征在于，所述工作层化学成分是c1.2-1.5%、si0.4-0.8%、mn0.4-1.1%、cr8-13%、ni0.3-1.0%、mo1.0-2.5%、v0.2-0.7%、w0.2-0.5的高铬合金钢轧辊成分，用于中轧角、槽钢轧制，及角钢精轧、成品轧制；辊面硬度75-80hsd，代替传统珠光体、贝氏体，其单槽过钢量为传统轧辊的2-3倍。7.根据权利要求5所述的一种高合金型钢轧辊，其特征在于，所述工作层化学成分是c2.3-2.7%、si0.4-0.8%、mn0.4-1.1%、cr13-18%、ni0.8-1.5%、mo0.8-1.5%、v0.2-0.7%、w0.0-1.0的高铬铸铁轧辊成分，用于中轧角、槽钢轧制，及角钢精轧、成品轧制；辊面硬度68-75hsd，代替传统珠光体、贝氏体，其单槽过钢量为传统轧辊的2-2.5倍。8.根据权利要求5所述的一种高合金型钢轧辊，其特征在于，所述工作层化学成分是c1.6-2.3%、si0.4-0.8%、mn0.4-1.1%、cr4-8%、ni0.3-1.0%、mo3-5.5%、v3-5.5%、w0.5-4.0的高速钢轧辊成分，用于中轧角、槽钢轧制，及角钢精轧、成品轧制；辊面硬度75-85hsd，代替传统珠光体、贝氏体，其单槽过钢量为传统轧辊的3-4倍。

技术总结
本发明是一种高合金型钢轧辊制造与使用方法，该轧辊工作层采用高铬、钼、钒、钨合金材料，通过特殊的铸造、加工、热处理、组合装配等工艺方法，与支撑轧辊工作层的辊轴制造一体；配合轧辊使用特殊的轧辊冷却方法，使高合金轧辊在型钢轧制生产中应用成为可能。代替传统NiCrMo珠光体、贝氏体球墨铸铁类、半钢、石墨钢类轧辊，用于轧制槽钢、角钢以及H型钢，无论轧材表面质量得到有效改善，轧辊耐磨性能提高3-5倍，使轧机作业效率提升2-3倍以上。3倍以上。3倍以上。


技术研发人员：周守行
受保护的技术使用者：三鑫重工机械有限公司
技术研发日：2023.06.27
技术公布日：2023/9/23