用于钢管轧机的复合辊套及其制造方法

摘要

用于钢管轧机的复合辊套及其制造方法，属于轧钢技术领域。分别在中频感应电炉内熔炼复合辊套的外层材料和内层材料，外层材料的化学组成及其质量分数为2.19‑2.35％C,0.82‑0.97％B,0.31‑0.38％Al,8.87‑9.16％Cr,3.57‑3.76％Mn,0.52‑0.58％Te,0.15‑0.23％Ce,0.08‑0.13％Ti,0.05‑0.11％N,0.13‑0.17％Ca,0.54‑0.70％Si,<0.035％P,<0.032％S,余量Fe，外层和内层通过离心铸造方法复合成一体，本发明复合辊套用于钢管轧机上，使用安全、可靠，使用中无开裂、剥落现象出现，推广应用具有良好的经济和社会效益。

说明书

技术领域

本发明公开了一种复合辊套及其制备方法，特别涉及用于钢管轧机的复合辊套及其制造方法，属于轧钢技术领域。

背景技术

20世纪50年代以来，由于传动技术和电气控制技术的突破，连轧管生产技术得到了长足的发展。芯棒运行方式从浮动式芯棒轧机到限动式芯棒轧机以及半浮动式芯棒轧机，机架数从9～7架减少到6～5架，轧制工艺从2辊变为3辊，生产过程的操作方式由手动到区域自动化到整条线由CPU、PLC控制的全自动化运行方式，采用了液压小仓控制技术，配套了工艺控制软件技术，连轧管机的整体装备水平有了很大的提高。

与其他机型相比，连轧管机以优质、高产、高效率、低消耗等特点，成为世界无缝钢管主要生产企业的首选机型。近10年来全球新建的连轧管轧机有20多套，到目前为止，全球已有连轧管轧机80多套，机型的产能已经远远超过其他机型的产能，连轧管机已成为无缝钢管生产的主流机型。连轧管机进入中国是在20世纪80年代初期，宝钢建设时引进了德国浮动式芯棒连轧管轧机，90年代初天津钢管公司从意大利引进了更为先进的限动芯棒连轧管轧机，随后，衡阳钢管厂又引进德国半浮式芯棒连轧管轧机。进入21世纪，随着钢管需求的快速增长，包钢、鞍钢、天津钢管、衡阳钢管、成都无缝钢管等企业先后引进了数套连轧管轧机。大量钢管轧机的投产，迫切需要高性能的辊套，满足钢管轧机的需要。为了提高辊套性能，

中国发明专利CN1350890公开了一种镶套辊产品，它由辊套和辊芯组合而成，其特征在于：辊套是由不同材质的外层、过渡层和内层三部分构成，过渡层既将外层和内层分隔开使其不直接接触又分别与二者在冶金学意义上熔合到一起而成为三层复合辊套。辊套外层材质为具有优良耐磨性和抗表面粗糙性的高合金金属材料，其化学成分的重量百分比为：C1.0～3.4％、Si0.5～3.2％、Mn0.4～1.2％、Cr2～19％、Mo0.4～8％，还含有V8％以下、Nb4％以下、W4％以下、Ni5％以下、Co6％以下、N0.2％以下之中的一种或两种以上，其余为Fe和不可避免的杂质。辊套过渡层化学成分的重量百分比为：C0.6～2.8％、Si0.4～2.9％、Mn0.3～1.2％、Cr10％以下、Mo2％以下、V2％以下、Nb2％以下、Ni1.6％以下，其余为Fe和不可避免的杂质。中国发明专利CN 106825516还公开了一种轧辊复合辊套制造工艺及设备，采用感应加热器对安装在组合式水冷结晶器内的厚壁空心钢管芯棒整体加热到800～1000℃，浇入辊轴工作层熔液，继续加热10～50分钟，启动升降装置将加热器以一定速度向上提升，经5～15分钟升到保温圈停止，继续加热10～50分钟，对冒口进行补缩，停止加热后通水冷却30分钟～24小时。该发明制造复合辊套，可控工艺参数少，复合层界面易于控制，工艺简单，效率高，电耗小，复合层无成分偏析，使用寿命长。克服了离心法易产生组织偏析，传统镶铸法性能差，成本高的不足。中国实用新型专利200920247114.0还公告了一种厚壁双金属辊套组合轧辊，包括轴承支撑环、压环、辊套和芯轴。将轴承支撑环(1)、辊套(3)加热后与芯轴(4)过盈配合，轴承支撑环(1)与辊套(3)连接处外径加工到相同尺寸，同时与压环(2)保持过盈联接；辊套(3)的厚度为ΦD为轧辊辊身直径，Φd为轧辊辊颈直径。该实用新型结构稳定，解决了辊套轧辊使用中辊套容易破裂的问题，拓展了辊套轧辊的使用范围，与整体轧辊相比，轧辊使用寿命可成倍提高，使用完毕后可大改小多次使用，报废后贵重合金可全部回收，内层采用无缝钢管等高韧性材料确保使用过程中的安全性，该组合轧辊节能降耗，降本增效效果显著。中国发明专利CN1339342还公开了一种高速钢轧辊辊套的制造方法，其要点是先制造高速钢电极毛管，然后放在具有激冷结晶器的辊套电渣重熔设备中进行电渣重熔，制成毛坯，再进行热处理及机加工。该发明的优点是：轧辊辊套晶粒细小，组织均匀，夹杂物少，没有缩孔、疏松、元素偏析等缺陷，可使耐磨性、强韧性等综合性能大大提高，延长使用寿命，而且工艺合理，简单易行，投资少，制造方法，成本低。可克服目前离心铸造法和CPC法等制造轧辊或辊套的不足之处，进一步提高耐磨性和强韧性。可用于制造钢管轧机、高速线材预精轧机、窄带精轧机及小型轧机等辊套及轧辊。中国发明专利CN108677083还公开了一种热轧无缝钢管生产用合金辊环的生产方法。合金辊环，由外层和内层两层离心复合结构组成，所述辊环外层为高锰钼铸铁材质，内层为石墨钢材质。合金辊环的生产方法，采用离心复合铸造工艺，工艺方案还包括：离心冷型涂料的喷涂、金属液熔炼及变质处理、离心浇注、地坑保温、热处理。该发明工作层采用高锰钼铸铁材质，充分利用锰的高硬度、强度的强碳化物元素的特性及钼的高韧性、耐磨性，使其具有其高强度、高耐磨性、抗冷热疲劳性能，较普通珠光体和贝氏体辊环，其生产成本减少10～15％，而其使用寿命可提高2～3倍，可以替代传统珠光体和贝氏体辊环。中国发明专利CN108660361还公开了热轧无缝钢管用高速钢辊环及其制备方法，中频感应电炉内熔炼高速钢钢水，并调整高速钢钢水的化学组成：3.22-3.45％C,1.07-1.22％W,2.39-2.61％Mo,1.55-1.86％V,12.44-12.67％Cr,0.37-0.54％Mn,0.63-0.87％Si,0.29-0.41％Al,≤0.035％S,≤0.035％P,余量Fe，当钢水温度达到1586-1609℃时，将钢水出炉到钢包，钢包内预先加入多元合金颗粒，并在钢水浇注时随流加入含硅钙钡锌颗粒，铸件经热处理和机械加工后，可获得性能优异的高速钢辊环，推广应用具有良好的经济和社会效益。

但是，目前已开发成功的各种辊套普遍或存在辊面硬度低、耐磨性差，或存在辊套脆性大、使用中易开裂的不足。

发明内容

本发明的目的，在离心铸造机上，先浇注复合辊套耐磨外层，然后，浇注强韧性好且铸造性能优异的辊套内层，外层和内层在离心力作用下浇注成形，内、外层实现良好的冶金结合，且复合辊套组织致密。本发明复合辊套可以通过以下工艺步骤来实现：

①分别在中频感应电炉内熔炼复合辊套的外层材料和内层材料，外层材料的化学组成及其质量分数为2.19-2.35％C,0.82-0.97％B,0.31-0.38％Al,8.87-9.16％Cr,3.57-3.76％Mn,0.52-0.58％Te,0.15-0.23％Ce,0.08-0.13％Ti,0.05-0.11％N,0.13-0.17％Ca,0.54-0.70％Si,<0.035％P,<0.032％S,余量Fe；当外层铁水的温度达到1462-1479℃时，先将外层铁水浇入卧式离心机上的高速旋转的金属铸型内，金属铸型的转速为1020-1060rpm，金属铸型温度为213-239℃，金属铸型内表面涂敷有厚度1.5-2.2mm的锆英粉涂料；外层铁水浇注完毕2-3分钟后，用非接触式测温仪测量复合辊套外层的内表面温度，当温度为1315-1345℃时，继续在离心机上的金属铸型内浇注内层金属熔液，内层金属熔液的化学组成及其质量分数为1.41-1.57％C,1.27-1.43％Si,0.25-0.38％Mo,0.77-0.94％Cr,1.69-1.85％Mn,0.008-0.013％B,0.07-0.11％Y,0.035-0.052Nb％,0.035-0.052％Ti,0.075％≤Ti+Nb≤0.095％,<0.032％P,<0.030％S,余量Fe；内层金属熔液的浇注温度为1502-1519℃；内层金属熔液浇入金属铸型过程中，随流加入占进入金属铸型的内层金属熔液质量2.0-2.5％的随流孕育剂；随流孕育剂的化学组成及质量分数为46.13-48.69％Si,1.08-1.44％Ti,2.50-2.76％La,3.51-3.75％Ca,4.18-4.43％Ba,余量Fe；当内层金属熔液完全凝固后，将离心机停机，并从离心机中取出辊套毛坯；

②辊套毛坯经清砂、打磨后进行粗加工；粗加工后的辊套随炉加热至1020-1035℃，保温150-180分钟后，出炉对辊面进行风冷，当辊面温度降至350-400℃时，将辊套入炉重新加热至530-545℃，保温480-550分钟后，炉冷至温度低于120℃，出炉空冷至室温，最后精加工至规定尺寸和精度，即可获得用于钢管轧机的复合辊套。

本发明用于钢管轧机的复合辊套，采用离心铸造方法生产，获得的辊套组织致密。本发明复合辊套的外层材料和内层材料，分别采用中频感应电炉内熔炼，工艺简便，金属熔液的成分和温度容易控制。外层材料的化学组成及其质分数为2.19-2.35％C,0.82-0.97％B,0.31-0.38％Al,8.87-9.16％Cr,3.57-3.76％Mn,0.52-0.58％Te,0.15-0.23％Ce,0.08-0.13％Ti,0.05-0.11％N,0.13-0.17％Ca,0.54-0.70％Si,<0.035％P,<0.032％S,余量Fe。其中，加入0.82-0.97％B，主要是为了获得高硬度的M₂B，有利于提高复合辊套外层材料中耐磨硬质相的数量，从而有利于提高耐磨性。此外，加入0.31-0.38％Al，有利于促进M₂B的孤立分布，从而确保辊套外层具有良好的强韧性。铝是非碳化物、硼化物形成元素，主要固溶于金属基体，从而可以明显提高基体高温硬度，促进复合辊套外层高温耐磨性的明显提高。

加入8.87-9.16％Cr,3.57-3.76％Mn,0.52-0.58％Te，可以进一步改善辊套外层的淬透性，提高辊套耐磨性。加入0.15-0.23％Ce,0.08-0.13％Ti,0.05-0.11％N,0.13-0.17％Ca，还可以进一步细化凝固组织，改善硬质相和夹杂物的形态，并使其分布均匀，从而有利于复合辊套外层强韧性的明显提高。本发明当外层铁水的温度达到1462-1479℃时，先将外层铁水浇入卧式离心机上的高速旋转的金属铸型内，金属铸型的转速为1020-1060rpm，金属铸型温度为213-239℃，金属铸型内表面涂敷有厚度1.5-2.2mm的锆英粉涂料，确保外层凝固组织细小、致密，且外层表面光洁。外层铁水浇注完毕2-3分钟后，用非接触式测温仪测量复合辊套外层的内表面温度，当温度为1315-1345℃时，继续在离心机上的金属铸型内浇注内层金属熔液，这样可以确保内层和外层实现良好的冶金结合。内层金属熔液的化学组成及其质分数为1.41-1.57％C,1.27-1.43％Si,0.25-0.38％Mo,0.77-0.94％Cr,1.69-1.85％Mn,0.008-0.013％B,0.07-0.11％Y,0.035-0.052Nb％,0.035-0.052％Ti,0.075％≤Ti+Nb≤0.095％,<0.032％P,<0.030％S,余量Fe。内层金属熔液中，含有1.41-1.57％C,1.27-1.43％Si,0.25-0.38％Mo,0.77-0.94％Cr和1.69-1.85％Mn，可以确保内层材料具有高强度，且内层材料铸造性能好，与外层材料可以实现牢固的冶金结合。

内层金属熔液中，还含有0.008-0.013％B,0.07-0.11％Y,0.035-0.052Nb％,0.035-0.052％Ti,0.075％≤Ti+Nb≤0.095％，可以细化内层材料凝固组织，提高内层材料强韧性。另外，内层金属熔液的浇注温度为1502-1519℃，内层金属熔液浇入金属铸型过程中，随流加入占进入金属铸型的内层金属熔液质量2.0-2.5％的随流孕育剂，随流孕育剂的化学组成及质量分数为46.13-48.69％Si,1.08-1.44％Ti,2.50-2.76％La,3.51-3.75％Ca,4.18-4.43％Ba,余量Fe，可以确保内层材料凝固后，不会生成脆性的碳化物，而是生成细小的点状石墨，确保内层材料具有优异的综合机械性能。

当内层金属熔液完全凝固后，将离心机停机，并从离心机中取出辊套毛坯，辊套毛坯经清砂、打磨后进行粗加工。粗加工后的辊套随炉加热至1020-1035℃，并保温150-180分钟，使辊套组织中的珠光体完全奥氏体化，辊套出炉后对辊面进行风冷，防止出现低硬度的珠光体组织。当辊面温度降至350-400℃时，将辊套入炉重新加热至530-545℃，可以防止辊套出现裂纹。保温480-550分钟后，炉冷至温度低于120℃，出炉空冷至室温，可以消除辊套内应力，稳定组织。辊套最后精加工至规定尺寸和精度，即可获得用于钢管轧机的复合辊套，具有优异的综合性能。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1、本发明复合辊套中，不含价格昂贵的钒、钨、镍、钴等合金元素，辊套生产成本较低；

2、本发明复合辊套冶炼和铸造及热处理工艺简便，易于实现规模化生产；

3、本发明复合辊套内外层实现了良好的冶金结合，复合辊套外层硬度高，大于86HSD，硬度均匀性好，辊面硬度差小于1.8HSD，辊套外层抗拉强度大于600MPa，辊套内层冲击韧性大于25J/cm²；

4、本发明复合辊套，用于钢管轧机上，使用安全、可靠，使用中无开裂、剥落现象出现，使用寿命比高铬铸铁辊套提高3倍以上，推广应用具有良好的经济和社会效益。

附图说明

图1复合辊套结构示意图

1-外层；2-内层。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明做进一步详述，但本发明并不限于以下实施例。

实施例1

用于钢管轧机的复合辊套，由外层1和内层2组成，外层1和内层2通过离心铸造方法复合成一体，复合辊套可以通过以下工艺步骤来实现：

①分别在500公斤中频感应电炉内熔炼复合辊套的外层1材料和内层2材料，外层1材料的化学组成及其质量分数为2.19％C,0.97％B,0.31％Al,9.16％Cr,3.57％Mn,0.58％Te,0.15％Ce,0.13％Ti,0.11％N,0.17％Ca,0.54％Si,0.033％P,0.027％S,余量Fe；当外层1铁水的温度达到1479℃时，先将外层1铁水浇入卧式离心机上的高速旋转的金属铸型内，金属铸型的转速为1020rpm，金属铸型温度为213℃，金属铸型内表面涂敷有厚度1.9-2.2mm的锆英粉涂料；外层1铁水浇注完毕3分钟后，用非接触式测温仪测量复合辊套外层1的内表面温度，当温度为1333-1345℃时，继续在离心机上的金属铸型内浇注内层2金属熔液，内层2金属熔液的化学组成及其质分数为1.57％C,1.27％Si,0.38％Mo,0.77％Cr,1.85％Mn,0.008％B,0.11％Y,0.035Nb％,0.052％Ti,0.075％≤Ti+Nb≤0.095％,0.031％P,0.022％S,余量Fe；内层2金属熔液的浇注温度为1519℃；内层2金属熔液浇入金属铸型过程中，随流加入占进入金属铸型的内层金属熔液质量2.5％的随流孕育剂；随流孕育剂的化学组成及质量分数为48.69％Si,1.08％Ti,2.76％La,3.51％Ca,4.43％Ba,余量Fe；当内层2金属熔液完全凝固后，将离心机停机，并从离心机中取出辊套毛坯；

②辊套毛坯经清砂、打磨后进行粗加工；粗加工后的辊套随炉加热至1020℃，保温180分钟后，出炉对辊面进行风冷，当辊面温度降至350-370℃时，将辊套入炉重新加热至545℃，保温480分钟后，炉冷至温度低于120℃，出炉空冷至室温，最后精加工至规定尺寸和精度，即可获得用于钢管轧机的复合辊套，力学性能见表1。

实施例2

用于钢管轧机的复合辊套，由外层1和内层2组成，外层1和内层2通过离心铸造方法复合成一体，复合辊套可以通过以下工艺步骤来实现：

①分别在750公斤中频感应电炉内熔炼复合辊套的外层1材料和内层2材料，外层1材料的化学组成及其质分数为2.35％C,0.82％B,0.38％Al,8.87％Cr,3.76％Mn,0.52％Te,0.23％Ce,0.08％Ti,0.05％N,0.13％Ca,0.70％Si,0.030％P,0.031％S,余量Fe；当外层1铁水的温度达到1462℃时，先将外层1铁水浇入卧式离心机上的高速旋转的金属铸型内，金属铸型的转速为1020rpm，金属铸型温度为239℃，金属铸型内表面涂敷有厚度1.5-1.7mm的锆英粉涂料；外层1铁水浇注完毕2分钟后，用非接触式测温仪测量复合辊套外层1的内表面温度，当温度为1315-1324℃时，继续在离心机上的金属铸型内浇注内层2金属熔液，内层2金属熔液的化学组成及其质分数为1.41％C,1.43％Si,0.25％Mo,0.94％Cr,1.69％Mn,0.013％B,0.07％Y,0.052Nb％,0.035％Ti,0.075％≤Ti+Nb≤0.095％,0.028％P,0.027％S,余量Fe；内层2金属熔液的浇注温度为1502℃；内层2金属熔液浇入金属铸型过程中，随流加入占进入金属铸型的内层金属熔液质量2.0％的随流孕育剂；随流孕育剂的化学组成及质量分数为46.13％Si,1.44％Ti,2.50％La,3.75％Ca,4.18％Ba,余量Fe；当内层2金属熔液完全凝固后，将离心机停机，并从离心机中取出辊套毛坯；

②辊套毛坯经清砂、打磨后进行粗加工；粗加工后的辊套随炉加热至1035℃，保温150分钟后，出炉对辊面进行风冷，当辊面温度降至385-400℃时，将辊套入炉重新加热至530℃，保温480分钟后，炉冷至温度低于120℃，出炉空冷至室温，最后精加工至规定尺寸和精度，即可获得用于钢管轧机的复合辊套，力学性能见表1。

实施例3

用于钢管轧机的复合辊套，由外层1和内层2组成，外层1和内层2通过离心铸造方法复合成一体，复合辊套可以通过以下工艺步骤来实现：

①分别在1000公斤中频感应电炉内熔炼复合辊套的外层1材料和内层2材料，外层1材料的化学组成及其质分数为2.27％C,0.88％B,0.36％Al,9.05％Cr,3.63％Mn,0.55％Te,0.19％Ce,0.11％Ti,0.08％N,0.14％Ca,0.63％Si,0.029％P,0.021％S,余量Fe；当外层1铁水的温度达到1470℃时，先将外层1铁水浇入卧式离心机上的高速旋转的金属铸型内，金属铸型的转速为1050rpm，金属铸型温度为224℃，金属铸型内表面涂敷有厚度1.7-1.9mm的锆英粉涂料；外层1铁水浇注完毕2.5分钟后，用非接触式测温仪测量复合辊套外层1的内表面温度，当温度为1322-1331℃时，继续在离心机上的金属铸型内浇注内层2金属熔液，内层2金属熔液的化学组成及其质分数为1.46％C,1.30％Si,0.29％Mo,0.85％Cr,1.77％Mn,0.009％B,0.08％Y,0.046Nb％,0.040％Ti,0.075％≤Ti+Nb≤0.095％,0.026％P,0.019％S,余量Fe；内层2金属熔液的浇注温度为1508℃；内层2金属熔液浇入金属铸型过程中，随流加入占进入金属铸型的内层金属熔液质量2.2％的随流孕育剂；随流孕育剂的化学组成及质量分数为47.54％Si,1.27％Ti,2.59％La,3.65％Ca,4.27％Ba,余量Fe；当内层2金属熔液完全凝固后，将离心机停机，并从离心机中取出辊套毛坯；

②辊套毛坯经清砂、打磨后进行粗加工；粗加工后的辊套随炉加热至1030℃，保温160分钟后，出炉对辊面进行风冷，当辊面温度降至370-390℃时，将辊套入炉重新加热至540℃，保温520分钟后，炉冷至温度低于120℃，出炉空冷至室温，最后精加工至规定尺寸和精度，即可获得用于钢管轧机的复合辊套，力学性能见表1。

表1复合辊套力学性能

本发明复合辊套中，不含价格昂贵的钒、钨、镍、钴等合金元素，辊套生产成本较低。本发明复合辊套内外层实现了良好的冶金结合，复合辊套外层硬度高，大于86HSD，硬度均匀性好，辊面硬度差小于1.8HSD，辊套外层抗拉强度大于600MPa，辊套内层冲击韧性大于25J/cm²。本发明复合辊套，用于钢管轧机上，使用安全、可靠，使用中无开裂、剥落现象出现，使用寿命比高铬铸铁辊套提高3倍以上，使用本发明复合辊套，可以提高钢管轧机作业率，减轻工人劳动强度，降低钢管生产成本，推广应用具有良好的经济和社会效益。