专利名称：一种用于各类轧钢机的高钒高速钢轧辊材料的熔体处理方法
技术领域：
本发明属于金属材料熔炼与铸造领域，涉及钢铁材料的熔体处理方法， 特别涉及一种用于各类轧钢机的高钒高速钢轧辊桐料的熔体处理方法。
背景技术：
轧辊是轧钢生产中的主要消耗备件，轧辊质量直接影响轧材质量和轧钢 设备的生产作业率，提高轧辊质量，延长轧辊使用寿命，是轧辊研制、生产 和使用部门不断关注的课题。长期以来，无限冷硬铸铁和高铬白口铸铁一直 是热轧辊的主要选择材质，因其熔炼和铸造工艺简单，在轧辊生产中获得了 广泛的应用。但这两类轧辊材质也存在高温硬度较低和高温耐磨性较差等不 足，目前在国外有不断被高速钢轧辊所取代的趋势。
高速钢轧辊是在普通高速工具钢基础上发展起来的新一代热轧辊材料， 与普通铸铁轧辊材料相比，具有更高的高温硬度和更好的高温耐磨性，其使 用寿命比无限冷硬铸铁轧辊和高铬白口铸铁轧辊成倍提高。目前，国内外对 高速钢轧辊材质及其制备方法己进行了深入研究，并有许多专利文献报道。
曰本专利公报JP6330235公开了一种离心铸造高速钢轧辊材料，其化学 组成如下..C: 1.4-2.6%， Si: 0.2-1.5%， Mn<1.5%， Cr: 3-8%， (2Mo+W): 6-14%， V: 4-8%， Ti: 0.3-2.5%，余量Fe。这种轧辊材料具有优异的耐磨 性，但离心铸造时元素偏析严重。美国专利US6095957也公开了一种高速 钢轧辊材料，其化学成分(重量％)是:C: 2.4 2.9， Cr: 12.0 18.0， Mo: 3.0 9.0， V: 3.0 7.0， Nb: 0.5 4.0， Si<1.0， Mn<1.0， W<1.0。这种轧 辊材料含钨较少，红硬性差，高温耐磨性较低。
中国发明专利CN1264749公开了一种高耐磨性铸造高速钢，适用于大
型耐磨件、复合轧辊工作层。它的具体化学成分(重量％)如下1.8 4.2C，
2 12W， 3 12Mo， 4 15Cr， 0 10Co， 2.5 10.0V， 0.3 2.5Nb， 0.5 1.5Si， 0.3 0.8Mn， 0.2 0.6A1， 0.02 0.10N， S^0.03， PS0.03，其余为Fe，
该发明特点是一种高碳、高钒、高铬型铸造高速钢，铸造性能良好，耐磨及 红硬性好。但该材料在离心铸造中易产生偏析，损害轧辊力学性能，并降低 轧辊耐磨性。中国发明专利CN100999804公开了一种新型高碳高鸨高速钢 轧辊及其制备方法，该发明的高碳高鸨高速钢轧辊含有碳2.0Q/^ 3.0Q^， 鸨6.0% 18.0%，钒2.0% 4.0%，钼1.0% 3.0%，铬3.0% 9.0%，硅 小于1.2%，锰小于1.2。％;制成的该高碳高钩高速钢轧辊含有钒、鸭系的 MC型复合碳化物。该高碳高钩高速钢轧辊的制备方法是，将高碳高钩高速 钢加热到158(TC 162(TC后脱氧；在40(TC 150(TC浇铸，同时对离心铸 型施加0.05T 0.25T的稳恒磁场，并以600-1800转/分钟转速旋转至成型。 由于轧辊中含有较多的钨，易出现大块状的含钨碳化物，导致轧辊热疲劳抗 力降低，轧辊使用中易出现疲劳裂纹，加剧轧辊失效，降低轧辊使用寿命。 中国发明专利CN169352'7还公开了一种用于生产轧辊及辊环和导辊的高速 工具钢，该钢种的化学成分(重量％)为C: L8 2.2; Si: 0.5 1; Mn:
0.5 1; S: <0.05; P: <0.05; Cr: 4 6; V: 4 6; Mo: 4 6; W: <2; Ni: 0.8 1.2; Nb: 0.2; Ti: 0.05 0.1; Mg: 0.005 0.01; RE: 0.05 0.1。
该发明钨的含量降低到2.0。/^以下，轧辊红硬性差，高温耐磨性较差。
目前，常用的轧辊制造方法主要有冲洗复合铸造法、离心复合铸造法、
连续铸造复合法、电渣重熔法、热等静压法、喷射沉积成形法和表面堆焊法 等。其中冲洗复合铸造法工艺简单，但存在金属液收得率低、合金材料浪费 严重以及轧辊表面质量差等不足，很难应用于高速钢复合轧辊的生产。应用 表面堆焊法制造复合轧辊不仅效率低，而且堆焊层易出现夹渣、气孔和裂纹 等缺陷，影响轧辊的正常使用。离心复合铸造轧辊生产方法与连续铸造复合
法(中国发明专利CN280042)、电渣重熔法(美国专利US5081760、中国 发明专利CN1157192和CN1339342)、喷射沉积成形法和热等静压法(日本 专利公报特开昭61-238407)等相比较，具有设备投资少、生产效率高、生 产成本低、操作简便和产品质量稳定等优点。但是，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的密度差很 大，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，内层正好相反，严重影响轧辊的使用。另外，在离 心铸造高速钢复合轧辊过程中，离心力的作用易引起轧辊产生裂纹。因此， 高速钢采用普通方法熔炼后，在离心铸造机上直接浇注成轧辊，由于偏析现 象的存在以及裂纹的出现，轧辊生产合格率较低且使用效果较差。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于各类轧钢机的高钒高速钢轧辊材料的熔 体处理方法，通过对高钒高速钢熔体的处理，使离心铸造高速钢轧辊的凝固 速度加快，有利于减轻轧辊元素偏析，另外，随着凝固速度的加快，有利于 获得细小的凝固组织，可提高高速钢轧辊的抗裂纹萌生与扩展能力，有利于 降低高速钢轧辊铸造废品率，并改善高速钢轧辊力学性能和延长高速钢轧辊 使用寿命。本发明是在高钒高速钢出炉时，采用钒铁颗粒随流孕育，并在浇 包内加入钇基稀土镁合金、氮化铬铁、钾盐和金属铝，对钢水进行复合变质 处理，在高钒高速钢浇注过程中，用钒铁和钛铁颗粒进行二次随流孕育，这 些措施可促进凝固组织的细化以及碳化物形态和分布的改善，并加快高速钢 轧辊的凝固，可减轻偏析，消除铸造裂纹，提高轧辊综合性能。
本发明的目的可以通过以下技术措施得以实现
一种用于各类轧钢机的高钒高速钢轧辊材料的的熔体处理方法，其特征 在于，制得的高钒高速钢轧辊的主要化学组成成分及其重量百分比是C: 1.5%-3.0%， V: 4.0%-8.0%， W: 2.0%-8.0%， Mo: 2.0%-8.0%， Cr: 4.0
%-10.0%， Nb: 1.0%-5.0%，余量为Fe，其中，12.0%^ W+2Mo ^18.0%;
该高钒高速钢轧辊材料的熔体处理过程按下列步骤进行
1) 高钒高速钢经电炉熔化后，当温度达到1580。C 164(TC时，用0.20% _0.40%铝脱氧，随后出炉；
2) 钢水出炉时，随流加入钒铁颗粒，其加入量占钢水总重量的0.80% —1.20%;钢水冲入浇包前，在浇包内预先加入钇基稀土镁合金颗粒、氮化 铬铁颗粒、钾盐颗粒和金属铝颗粒，其中钇基稀土镁合金加入量占钢水重量 的0.30% — 0.80%，氮化铬铁加入量占钢水重量的0.20%—0.50%，钾盐加入 量占钢水重量的0.30%—0.80%，金属铝加入量占钢水重量的0.30 — 0.60%;
3) 当钢水温度达到145(TC — 1480。C时，在离心机上直接浇注成轧辊， 在钢水浇注过程中，随流加入钒铁和钛铁颗粒，其中钒铁颗粒加入量占钢水 总量的0.30—0.80%,钛铁颗粒加入量占钢水总量的0.40%—1.00%。
本发明与现有技术相比具有以下优点
O本发明高钒高速钢轧辊材料的熔体处理方法，通过钢水出炉时随流 加入适量钒铁孕育，可以细化高速钢轧辊凝固组织；
2) 本发明通过在浇包内预先加入颗粒尺寸8 — 12 mm的钇基稀土镁合 金、氮化铬铁、钾盐和金属铝，可以进一步细化高速钢轧辊凝固组织，并改 善碳化物的形态和分布；
3) 本发明钢水浇注过程中，通过随流加入颗粒尺寸5mm—8 mm的钒 铁和钛铁颗粒，可以进一步细化高速钢轧辊凝固组织，縮短高速钢轧辊凝固 时间，促进高速钢轧辊离心铸造时元素偏析的减轻以及高速钢轧辊抗铸造开 裂能力的提高，消除了离心铸造高钒高速钢轧辊的裂纹；
4) 本发明在细化高速钢轧辊凝固组织基础上，可以提高高速钢轧辊的 力学性能和使用寿命；
5) 本发明还可以减少钒、钛等元素的氧化损耗，提高钒、钛元素收得
率2 —5%，降低轧辊生产成本。 '
具体实施例方式
下面结合实施例对本发明作进一步详述，需要说明的是以下的实施例是 本发明较优的例子，用于对本发明更清楚的理解，这些实施例并不限定本发 明。
本发明方法制得的高钒高速钢轧辊的主要化学组成成分是(重量)C: 1.5-3.0%, V: 4.0-8.0%， W: 2.0-8.0%， Mo: 2.0-8.0%， Cr: 4.0-10.0%， Nb: 1.0-5.0%，余量为Fe，其中12.0%^ (W+2Mo) ^18.0%。
高钒高速钢采用电炉熔化后，当温度达到1580°C —1640t:时，用0.20% 一0.40%铝脱氧，随后出炉。钢水出炉时，随流加入钒铁颗粒，钒铁颗粒尺 寸10—15mm，钒铁颗粒加入量占钢水总重量的0.80 — 1.20%。钢水冲入前， 在浇包内预先加入颗粒尺寸8 — 12mm的钇基稀土镁合金、氮化铬铁、钾盐 和金属铝，其中钇基稀土镁合金加入量占钢水重量的0.30 — 0.80%，氮化铬 铁加入量占钢水重量的0.20 — 0.50%，钾盐加入量占钢水重量的0.30 — 0.80%，金属铝加入量占钢水重量的0.30—0.60%。当钢水温度达到1450 — 1480。C时，在离心机上直接浇注成轧辊，在钢水浇注过程中，随流加入颗粒 尺寸5 — 8 mm的钒铁和钛铁颗粒，其中钒铁颗粒加入量占钢水总量的0.30 一0.80%，钛铁颗粒加入量占钢水总量的0.40 —1.00°/。。轧辊经机械加工和 热处理后，即可获得满足轧钢使用要求的成品高钒高速钢轧辊。
本发明高钒高速钢轧辊材料的熔体处理工艺是这样确定的
高钒高速钢采用电炉熔化后，当温度达到1580。C一 1640。C时，用0.20% 一0.40%铝脱氧，可以净化钢液。出炉时，采用钒铁颗粒随流孕育，可以增 加钢水中凝固形核核心，加速高速钢轧辊的凝固，有利于细化凝固组织。钒 铁颗粒加入量太少，对高速钢凝固组织细化作用不明显，加入量过多，钢水 温度下降过多，不利于随后高速钢的浇注。另外，钒铁颗粒尺寸太小，钒铁
颗粒全部重熔，对促进凝固形核和细化凝固组织的作用不明显，钒铁颗粒尺 寸太大，则轧辊凝固组织中出现残留钒铁颗粒，反而不利于改善轧辊耐磨性，
当钒铁颗粒尺寸为10mm—15mm，且钒铁颗粒加入量占钢水总重量的0.80% 一1.20%时，对细化高速钢轧辊组织的效果明显，且轧辊凝固组织中也不会 残留未溶钒铁颗粒，可以明显提高高速钢轧辊性能。
钢水冲入前，在浇包内预先加入颗粒尺寸为8mm—12mm的钇基稀土 镁合金、氮化铬铁、钾盐和金属铝。其中稀土加入钢中具有脱硫、除气的作 用，同时稀土与液态金属反应生成的细小粒子，具有加速凝固的形核作用， 稀土元素的这些特性能细化高速钢晶粒，限制树枝晶偏析，提高机械性能和 耐磨性。加稀土的副作用是带来夹杂，为了充分发挥稀土的有益作用，克服 其副作用，用钇基重稀土取代常用的铈基轻稀土。钇基重稀土可获得密度较 小的脱氧、脱硫产物，以利于其上浮。铈稀土的脱氧、脱硫产物以Ce202S 计，其密度为6.00g/cm3，钇稀土的脱氧、脱硫产物以Y202S计，密度为 4.25g/cm3， 按Stokes公式(Ladenburg R.W， Physical Measurements in Gas Dynamics and in Combustion, New York: Prince-ton University Press, 1964， 137~144.)计算夹杂物的上浮速度F为
r j ,(P液—P杂) —9 ^ ①
式中夹杂物上浮速度，m/sec; 夹杂物半径，m; P涨一金属液 体的密度，N/m、 /^F夹杂物的密度，N/m3; 〃一液体的动力粘度，N.s/m2。 可见后者的上浮速度较前者增大1倍，这是使用钇稀土获得洁净组织对钢污 染少的重要原因。在高速钢中，加入镁、铝和钾，由于凝固过程中，这些元 素富集在碳化物周围，可以阻碍碳化物的长大，有利于获得细小的碳化物组 织。加入氮的目的，主要是利用氮与钢中的铌及随后加入的钛反应，生成细 小的TiN、 NbN等颗粒，细小的TiN、 NbN可以作为碳化物形核的核心，增
加碳化物的形核数量，促进碳化物的细化。
当钢水温度达到1450。C一148(TC时，在离心机上直接浇注成轧辊，在 钢水浇注过程中，随流加入颗粒尺寸5mm —8mm的钒铁和钛铁颗粒，加入 钒铁和钛铁颗粒的主要目的是增加钢液中凝固形核核心的数量，细化高速钢 轧辊凝固组织，钒铁和钛铁颗粒的尺寸过小，钒铁和钛铁颗粒会完全溶解到 钢液中，对细化凝固组织作用不明显，钒铁和钛铁颗粒的尺寸过大，高速钢 凝固后，铸态组织中将会残留部分未溶钒铁和钛铁颗粒，反而降低轧辊的使 用性能，钒铁和钛铁颗粒的尺寸达到5mm—8mm时，具有很好的细化高速 钢轧辊组织的作用。另外，当钒铁和钛铁颗粒加入量过少，二次随流孕育对 高速钢轧辊的凝固组织影响不大，当钒铁和钛铁颗粒加入量过多时，有可能 造成铸态组织中残留部分未溶钒铁和钛铁颗粒，反而降低轧辊的使用性能， 另外，当钒铁和钛铁颗粒加入量过多时，钢水温度下降过多，降低钢水的流 动性，使高速钢的铸造性能恶化，反而降低高速钢轧辊使用寿命，当钒铁颗 粒加入量控制在钢水总量的0.30%—0.80%，钛铁颗粒加入量控制在钢水总 量的0.40%_1.00%时，可以加快高速钢的凝固，并获得细小的高速钢轧辊 组织，促进高速钢轧辊离心铸造时元素偏析的减轻以及高速钢轧辊抗铸造开 裂能力的提高。
以下是发明人给出的实施例 实施例l:
普通的高钒高速钢采用容量750公斤的感应电炉熔化后，当温度达到 1620°C，用0.28%铝脱氧，随后出炉。钢水出炉时，随流加入钒铁颗粒，钒 铁颗粒尺寸10mm—15mm，钒铁颗粒加入量占钢水总重量的1.03%。钢水 冲入浇包前，在浇包内预先加入颗粒尺寸8mm—12mm的钇基稀土镁合金、 氮化铬铁、钾盐和金属铝，其中钇基稀土镁合金加入量占钢水重量的0.55%， 氮化铬铁加入量占钢水重量的0.37%，钾盐加入量占钢水重量的0.61%，金
属铝加入量占钢水重量的0.52。/。。当钢水温度达到1468t时，在离心机上直 接浇注成轧辊，在钢水浇注过程中，随流加入颗粒尺寸5mm—8mm的钒铁 和钛铁颗粒，其中钒铁颗粒加入量占钢水总量的0.60%，钛铁颗粒加入量占 钢水总量的0.87%。铸造轧辊偏析轻，无裂纹，其主要化学组成成分是(重 量％): 2.55 C， 5.17 V， 4.77W， 4.16 Mo， 6.03 Cr， 2.30 Nb，余量为Fe。 轧辊经机械加工和热处理后，硬度达至U64HRC —66HRC，可获得满足轧钢 使用要求的成品高钒高速钢轧辊。 实施例2:
普通的高钒高速钢采用容量500公斤感应电炉熔化后，当温度达到1595 °C，用0.25%铝脱氧，随后出炉。钢水出炉时，随流加入钒铁颗粒，钒铁颗 粒尺寸10—15mm，钒铁颗粒加入量占钢水总重量的0.89%。钢水冲入浇包 前，在浇包内预先加入颗粒尺寸8mm—12mm的钇基稀土镁合金、氮化铬 铁、钾盐和金属铝，其中钇基稀土镁合金加入量占钢水重量的0.71%，氮化 铬铁加入量占钢水重量的0.33%，钾盐加入量占钢水重量的0.46%，金属铝 加入量占钢水重量的0.41%。当钢水温度达到1458。C时，在离心机上直接浇 注成轧辊，在钢水浇注过程中，随流加入颗粒尺寸5 — 8 mm的钒铁和钛铁 颗粒，其中钒铁颗粒加入量占钢水总量的0.58%，钛铁颗粒加入量占钢水总 量的0.82%。铸造轧辊偏析轻，无裂纹，其主要化学组成成分是(重量％): 2.18 C， 4.38 V， 3.73 W， 7.04 Mo， 5.58 Cr， 1.89 Nb，余量为Fe。轧辊经 机械加工和热处理后，硬度达到64—66HRC，可获得满足轧钢使用要求的 成品高钒高速钢轧辊。 实施例3:
普通的高钒高速钢采用容量1500公斤的电弧炉熔化后，当温度达到 1618t:时，用0.35%铝脱氧，随后出炉。钢水出炉时，随流加入钒铁颗粒， 钒铁颗粒尺寸10—15mm，钒铁颗粒加入量占钢水总重量的1.12%。钢水冲
入浇包前，在浇包内预先加入颗粒尺寸8 — 12mm的钇基稀土镁合金、氮化 铬铁、钾盐和金属铝，其中钇基稀土镁合金加入量占钢水重量的0.46%，氮 化铬铁加入量占钢水重量的0.29%，钾盐加入量占钢水重量的0.70%，金属 铝加入量占钢水重量的0.39%。当钢水温度达到1473t:时，在离心机上直接 浇注成轧辊，在钢水浇注过程中，随流加入颗粒尺寸5 —8 mm的钒铁和钛 铁颗粒，其中钒铁颗粒加入量占钢水总量的0.68%，钛铁颗粒加入量占钢水 总量的0.55°/。。铸造轧辊偏析轻，无裂纹，其主要化学组成成分是(重量％): 2.61 C， 6.15V， 6.32 W， 3.01 Mo， 5.88 Cr， 2.61Nb，余量为Fe。轧辊经机 械加工和热处理后，硬度达到64—66 HRC，可获得满足轧钢使用要求的成 品高钒高速钢轧辊。
本发明的高钒高速钢轧辊材料的熔体处理方法，可以明显细化轧辊凝固 组织，改善轧辊铸态组织中碳化物的形态和分布，使离心铸造高钒高速钢的 偏析减轻，裂纹消除，轧辊硬度高，耐磨性好，且具有良好的抗热疲劳性能， 在高速线材预精轧机架、棒材轧机精轧机架和热轧带钢轧机的精轧机前段上 使用，具有良好的使用效果，比普通离心铸造高速钢轧辊使用寿命延长20 40%，分别达到硬质合金轧辊的91 97%、高镍铬无限冷硬铸铁轧辊的 700 900%和高铬白口铸铁轧辊的400 600。％。使用本发明熔体处理过的 高钒高速钢轧辊，可改善轧材表面质量，提高轧钢设备生产作业率，减轻工 人劳动强度，降低轧材生产成本，具有显著的经济和社会效益。
权利要求
1.一种用于各类轧钢机的高钒高速钢轧辊材料的熔体处理方法，其特征在于，制得的高钒高速钢轧辊的主要化学组成成分及其重量百分比是C1.5％-3.0％，V4.0％-8.0％，W2.0％-8.0％，Mo2.0％-8.0％，Cr4.0％-10.0％，Nb1.0％-5.0％，余量为Fe，其中，12.0％≤W+2Mo≤18.0％；该高钒高速钢轧辊材料的熔体处理过程按下列步骤进行1)高钒高速钢经电炉熔化后，当温度达到1580℃～1640℃时，用0.20％-0.40％铝脱氧，随后出炉；2)钢水出炉时，随流加入钒铁颗粒，其加入量占钢水总重量的0.80％-1.20％；钢水冲入浇包前，在浇包内预先加入钇基稀土镁合金颗粒、氮化铬铁颗粒、钾盐颗粒和金属铝颗粒，其中钇基稀土镁合金加入量占钢水重量的0.30％-0.80％，氮化铬铁加入量占钢水重量的0.20％-0.50％，钾盐加入量占钢水重量的0.30％-0.80％，金属铝加入量占钢水重量的0.30-0.60％；3)当钢水温度达到1450℃-1480℃时，在离心机上直接浇注成轧辊，在钢水浇注过程中，随流加入钒铁和钛铁颗粒，其中钒铁颗粒加入量占钢水总量的0.30-0.80％，钛铁颗粒加入量占钢水总量的0.40％-1.00％。
2. 如权利要求1所述的高钒高速钢轧辊材料的熔体处理方法，其特征 在于钢水出炉时，随流加入的钒铁颗粒尺寸为10mm—15mm。
3. 如权利要求1所述方法，其特征在于钢水冲入浇包时，在浇包内预 先加入的钇基稀土镁合金颗粒、氮化铬铁颗粒、钾盐颗粒和金属铝颗粒的尺 寸均为8mm—12mm。
4. 如权利要求l、 2和3之一所述的方法，其特征在于在钢水浇注过程 中，随流加入的钒铁和钛铁颗粒的尺寸为5mm—8mm。
全文摘要
本发明公开了一种用于各类轧钢机的高钒高速钢轧辊材料的熔体处理方法，钢水出炉时，随流加入钒铁颗粒，其加入量占钢水总重量的0.80-1.20％。钢水冲入浇包前，在浇包内预先加入钇基稀土镁合金、氮化铬铁、钾盐和金属铝，其中钇基稀土镁合金加入量占钢水重量的0.30-0.80％，氮化铬铁加入量占钢水重量的0.20-0.50％，钾盐加入量占钢水重量的0.30-0.80％，金属铝加入量占钢水重量的0.30-0.60％。当钢水温度达到1450-1480℃时，在离心机上直接浇注成轧辊，在钢水浇注过程中，随流加入颗粒尺寸5mm-8mm的钒铁和钛铁颗粒，其中钒铁颗粒加入量占钢水总量的0.30-0.80％，钛铁颗粒加入量占钢水总量的0.40-1.00％。本发明离心铸造的高钒高速钢轧辊偏析轻，无铸造裂纹，硬度高，耐磨性好。
文档编号C22C33/00GK101177753SQ200710018800
公开日2008年5月14日 申请日期2007年9月30日 优先权日2007年9月30日
发明者轶 张, 成小乐, 李明伟, 符寒光, 蒋志强, 邢建东, 高义民 申请人:西安交通大学