一种球墨铸铁轧辊辊身及其制备方法与流程

本发明涉及球墨铸铁的技术领域，尤其涉及球墨铸铁轧辊辊身及其制备方法。

背景技术：

随着新的轧制工艺和轧制技术的开发及应用,轧钢生产向着大型化、高速化和自动化的方向发展,同时对轧辊的使用性能和使用寿命提出了更高的要求。轧辊(尤其是工作辊)是轧钢设备中的主要消耗部件,其寿命和使用性能对轧机作业率和产品质量起着关键性的作用。因此单一材质的整体铸造轧辊已经不能满足要求。因而辊身工作层和辊身心部采用不同材质铸造的复合轧辊得到迅速的发展。复合轧辊的辊身工作层采用耐磨、耐剥落、耐糙化、耐热裂的合金材料,而辊身心部和辊颈则采用具有很好的强度与韧性的球墨铸铁。这样的轧辊同时具有良好的轧制性能和抗折断性能,因而得到广泛的采用。

现有的大尺寸轧辊辊身(外径大于1000mm)加工后存在的问题在于：容易出现缩松、缩孔、夹渣、夹砂和裂纹等铸造缺陷；无法通过100％超声波探伤和磁粉探伤检测。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种零缺陷的球墨铸铁轧辊辊身及其制备方法。

本发明的技术方案为：一种球墨铸铁轧辊辊身，包括以下重量百分比组分：

C：3.85-3.88％；Si：1.80-1.90％；Mn≤0.10％；P≤0.020％；S≤0.010％；Mo：0.35-0.50％；Ni：0.70-0.85％；Ti≤0.025％；Cr+Pb+V≤0.020％；RE：0.0030-0.0050％；Mg：0.030-0.045％以及余量铁和不可除杂质。

上述的球墨铸铁轧辊辊身中，所述的辊身壁厚为75-80mm，外径Φ1654mm，长度1890mm。

在上述的球墨铸铁轧辊辊身中，所述的辊身两端为Φ310mm的轴，一端长度为340mm，另一端长度675mm。

在本发明中，并不特定限制辊身为上述尺寸，本方案在此仅为强调本方案优选适用于大尺寸的辊身制作。在实际应用中，上述组分的球墨铸铁所制得的轧辊辊身通常无可检测的缺陷存在。

同时，本发明还公开了一种球墨铸铁轧辊辊身的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：将原料在1490-1510℃的温度下融化成铁液，在脱硫铁水包内吹氮脱硫后调整成分应符合下列要求C：3.85-3.88％；Si：0.65-0.75％；Mn≤0.10％；P≤0.020％；S≤0.010％；Ti≤0.025％；Cr+Pb+V≤0.020％以及余量铁和不可除杂质；

步骤2：将步骤1脱硫后的铁液升温至1470-1480℃，出铁液进行球化处理和孕育处理；

步骤3：将步骤2得到的铁液在1380-1390℃的条件下通过浇注系统进入树脂砂型浇铸成为辊身，充型时间：64-97秒。

在上述的球墨铸铁轧辊辊身的制备方法中，所述的原料为质量比为70-80:20-30的高纯生铁和打包废钢；

其中，高纯生铁的各组分的质量百分比为：C：4.35；Si：0.50；Mn：0.062；P：0.021；S：0.012；Ti：0.022；Cr：0.011；Ni：0.006；Mo：0.002；V：0.010；Pb：0.0006以及余量的铁和不可除杂质；

打包废钢的各组分的质量百分比为：C：0.021；Si：0.25；Mn：0.13；P:0.011；S：0.014；Ti：0.015；V≤0.0010以及余量的铁和不可除杂质。

在上述的球墨铸铁轧辊辊身的制备方法中，球化处理所用到的球化剂加入量如下：

重稀土球化剂和轻稀土球化剂的重量比为30:70，总加入量占原料总重量的1.0-1.1％。

在上述的球墨铸铁轧辊辊身的制备方法中，所述的孕育处理分为三步进行：

一次孕育处理：将75SiFe孕育剂和球化剂同时加入到铁水中，进行一次孕育处理；75SiFe孕育剂占原料总重量的0.5％；

二次孕育处理：在出铁液三分之二时加入高钙钡孕育剂，高钙钡孕育剂占原料总重量的0.5％；

三次孕育处理：在浇口杯内放置硫氧孕育剂，硫氧孕育剂占原料总重量的0.2％。

75SiFe孕育剂成分wt％：Si：73.51；Al：1.34；余Fe；

高钙钡孕育剂成分wt％：Si：72.99；Ca：1.25；Ba：2.97；Al：1.25；余Fe；

硫氧孕育剂wt％：Si：74；Ca：0.74；Ce：1.68；Al：0.94；S、O适量；余Fe；粒度：0.7-2mm。

在上述的球墨铸铁轧辊辊身的制备方法中，所述的步骤3在底注式浇注系统中进行，所述的底注式浇注系统包括直浇道、半环形横浇道、泡沫陶瓷过滤器和内浇道，铁液由浇口杯进入直浇道，再进入半环形横浇道，再由泡沫陶瓷过滤器进入内浇道进入树脂砂铸型；其中，直浇道、半环形横浇道、内浇道的横截面积的比例为：F_直：F_横：F_内＝1:0.95:1。

其直浇道、半环形横浇道、内浇道的横截面积的比例是经过反复试验得到的，能够保证快速平稳充型，杜绝产品缺陷出现。

在上述的球墨铸铁轧辊辊身的制备方法中，所述的直浇道为Φ120mm陶瓷管；横浇道为80/100mm×120mm；内浇道为Φ30mm陶瓷管16个。

在上述的球墨铸铁轧辊辊身的制备方法中，所述的辊身的上端轴放置个1个Φ250mm发热冒口。

本发明的有益效果如下：

本发明的球墨铸铁轧辊辊身的抗拉强度R_m≥370MPa，屈服强度R_p0.2≥240MPa，断后伸长率A>12％，常温冲击功>12J。铸件表面100％超声波探伤和磁粉探伤，不得有缩松、缩孔、夹渣、夹砂和裂纹等铸造缺陷。同时铸件精加工后，进行100％超声波探伤和磁粉探伤，不得有任何缺陷。超声波声速不少于5800m/s。

本大尺寸球墨铸铁轧辊辊身达到了外国客户的零缺陷的要求。

附图说明

图1为本发明实施例1的铸件本体球化率和石墨大小形态(腐蚀前)100倍的电镜图；

图2为本发明实施例1的铸件本体基体组织(腐蚀后)100倍的电镜图；

图3为本发明实施例1的底注式浇注系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，对本发明的技术方案作进一步的详细说明，但不构成对本发明的任何限制。

实施例1

1.1原料准备：

球墨铸铁轧辊辊身的总体原料要求为：C：3.85％；Si：1.80％；Mn≤0.10；P≤0.020；S≤0.010；Mo：0.35％；Ni：0.70％；Ti≤0.025％；Cr+Pb+V≤0.020％；RE：0.0030％；Mg：0.030％。

在本实施例中，为了达到上述的原料要求，本发明所采用的原材料为高纯生铁和优质的打包废钢的混合，高纯生铁：优质的打包废钢＝70:30；需要说明的是，在实际生产过程中，并不严格要求为高纯生铁和优质的打包废钢的组合，任何能够达到上述总体原料要求的铁即可满足本实施例的要求，本实施例本着节约成本和提高市场竞争力的出发点采用高纯生铁和优质的打包废钢的混合作为本实施例的原料。

高纯生铁(％)：C：4.35；Si：0.50；Mn：0.062；P：0.021；S：0.012；Ti：0.022；Cr：0.011；Ni：0.006；Mo：0.002；V：0.010；Pb：0.0006。

优质的打包废钢(％)：C：0.021；Si：0.25；Mn：0.13；P:0.011；S：0.014；Ti：0.015；V≤0.0010。

2.1将原材料：高纯生铁：优质的打包废钢＝80:20加入15吨感应电炉内，熔化成液态，温度达到1500℃，进行炉外吹氮脱硫后，倒回炉内并调整成分，达到下列要求：C：3.85％；Si：0.65％；Mn≤0.10；P≤0.020；S≤0.010。

2.2将成分调整好的铁液升温至1475℃，出铁液进行球化处理，球化剂加入量如下：

重稀土球化剂：轻稀土球化剂＝30:70，总加入量：1.0％

2.3在球化处理过程进行如下孕育处理：

2.3.1孕育剂(75SiFe)(成分％：Si：73.51；Al：1.34；余Fe)：0.5％压在球化剂上面，进行一次孕育处理；

2.3.2高钙钡孕育剂(成分％：Si：72.99；Ca：1.25；Ba：2.97；Al：1.25；余Fe)：0.5％在出铁液三分之二时加入，进行二次孕育处理；

2.3.3硫氧孕育剂(成分％：Si：74；Ca：0.74；Ce：1.68；Al：0.94；S、O适量；余Fe；粒度：0.7-2mm)：0.2％放置在定量拔塞式专用浇口杯内，进行第三次孕育处理。

2.3.4该辊身铸件浇注温度为：1390℃，充型时间：74秒。

本步骤中图3所示的底注式浇注系统，直浇道1和内浇道3采用不同直径的陶瓷管，在横浇道2下放置150mm×150mm×32mm泡沫陶瓷过滤器4共计16个。为了快速平稳充型，采用定量拔塞式专用浇口杯和半环形横浇道，浇注系统截面积比例为F_直：F_横：F_内＝1:0.95:1。具体为：直浇道Φ120陶瓷管；横浇道80/100×120；内浇道：Φ30陶瓷管16个。在辊身上端轴放置个1个Φ250mm发热冒口。

(2)根据重型灰铸铁件浇注时间的计算公式

式中t—浇注时间(s)。

G_L—型内金属液总重量(kg)；该铸件所需的铁液重量为10500kg。

S₂—壁厚系数，当铸件壁厚＞40～80mm，S2取1.9。

同时球铁件浇注时间按灰铸铁件浇注时间计算方法确定，然后按1/3～1/2计算。

故

因此确定浇注时间为：64-97秒。

实施例2

1.1原料准备：

球墨铸铁轧辊辊身的总体原料要求为：C：3.88％；Si：1.90％；Mn≤0.10；P≤0.020；S≤0.010；Mo：0.50％；Ni：0.85％；Ti≤0.025％；Cr+Pb+V≤0.020％；RE：0.0050％；Mg：0.045％。

在本实施例中，为了达到上述的原料要求，本发明所采用的原材料为高纯生铁和优质的打包废钢的混合，高纯生铁：优质的打包废钢＝70:30；

高纯生铁(％)：C：4.35；Si：0.50；Mn：0.062；P：0.021；S：0.012；Ti：0.022；Cr：0.011；Ni：0.006；Mo：0.002；V：0.010；Pb：0.0006。

优质的打包废钢(％)：C：0.021；Si：0.25；Mn：0.13；P:0.011；S：0.014；Ti：0.015；V≤0.0010。

2.1将原材料：高纯生铁：优质的打包废钢＝70:30加入15吨感应电炉内，熔化成液态，温度达到1500℃，进行炉外吹氮脱硫后，倒回炉内并调整成分，达到下列要求：C：3.88％；Si：0.75％；Mn≤0.10；P≤0.020；S≤0.010。

2.2将成分调整好的铁液升温至1480℃，出铁液进行球化处理，球化剂加入量如下：

重稀土球化剂：轻稀土球化剂＝30:70，总加入量：1.1％

2.3在球化处理过程进行如下孕育处理：

2.3.1孕育剂(75SiFe)(成分％：Si：73.51；Al：1.34；余Fe)：0.5％压在球化剂上面，进行一次孕育处理；

2.3.2高钙钡孕育剂(成分％：Si：72.99；Ca：1.25；Ba：2.97；Al：1.25；余Fe)：0.5％在出铁液三分之二时加入，进行二次孕育处理；

2.3.3硫氧孕育剂(成分％：Si：74；Ca：0.74；Ce：1.68；Al：0.94；S、O适量；余Fe；粒度：0.7-2mm)：0.2％放置在定量拔塞式专用浇口杯内，进行第三次孕育处理。

2.3.4该辊身铸件浇注温度为：1380℃，充型时间：64-97秒。

本步骤中图3所示的底注式浇注系统，直浇道1和内浇道3采用不同直径的陶瓷管，在横浇道2下放置150mm×150mm×32mm泡沫陶瓷过滤器4共计16个。为了快速平稳充型，采用定量拔塞式专用浇口杯和半环形横浇道，浇注系统截面积比例为F_直：F_横：F_内＝1:0.95:1。具体为：直浇道Φ120陶瓷管；横浇道80/100×120；内浇道：Φ30陶瓷管16个。在辊身上端轴放置个1个Φ250mm发热冒口。

(2)根据重型灰铸铁件浇注时间的计算公式

式中t—浇注时间(s)。

G_L—型内金属液总重量(kg)；该铸件所需的铁液重量为10500kg。

S₂—壁厚系数，当铸件壁厚＞40～80mm，S2取1.9。

同时球铁件浇注时间按灰铸铁件浇注时间计算方法确定，然后按1/3～1/2计算。

故

因此确定浇注时间为：64-97秒。

实施例3

1.1原料准备：

球墨铸铁轧辊辊身的总体原料要求为：C：3.88％；Si：1.80％；Mn≤0.10；P≤0.020；S≤0.010；Mo：0.40％；Ni：0.80％；Ti≤0.025％；Cr+Pb+V≤0.020％；RE：0.0040％；Mg：0.040％。

在本实施例中，为了达到上述的原料要求，本发明所采用的原材料为高纯生铁和优质的打包废钢的混合，高纯生铁：优质的打包废钢＝75:25；

高纯生铁(％)：C：4.35；Si：0.50；Mn：0.062；P：0.021；S：0.012；Ti：0.022；Cr：0.011；Ni：0.006；Mo：0.002；V：0.010；Pb：0.0006。

优质的打包废钢(％)：C：0.021；Si：0.25；Mn：0.13；P:0.011；S：0.014；Ti：0.015；V≤0.0010。

2.1将原材料：高纯生铁：优质的打包废钢＝75:25加入15吨感应电炉内，熔化成液态，温度达到1500℃，进行炉外吹氮脱硫后，倒回炉内并调整成分，达到下列要求：C：3.88％；Si：0.65％；Mn≤0.10；P≤0.020；S≤0.010。

2.2将成分调整好的铁液升温至1470℃，出铁液进行球化处理，球化剂加入量如下：

重稀土球化剂：轻稀土球化剂＝30:70，总加入量：1.05％

2.3在球化处理过程进行如下孕育处理：

2.3.1孕育剂(75SiFe)(成分％：Si：73.51；Al：1.34；余Fe)：0.5％压在球化剂上面，进行一次孕育处理；

2.3.2高钙钡孕育剂(成分％：Si：72.99；Ca：1.25；Ba：2.97；Al：1.25；余Fe)：0.5％在出铁液三分之二时加入，进行二次孕育处理；

2.3.3硫氧孕育剂(成分％：Si：74；Ca：0.74；Ce：1.68；Al：0.94；S、O适量；余Fe；粒度：0.7-2mm)：0.2％放置在定量拔塞式专用浇口杯内，进行第三次孕育处理。

2.3.4该辊身铸件浇注温度为：1385℃，充型时间：64-97秒。

本步骤中图3所示的底注式浇注系统，直浇道1和内浇道3采用不同直径的陶瓷管，在横浇道2下放置150mm×150mm×32mm泡沫陶瓷过滤器4共计16个。为了快速平稳充型，采用定量拔塞式专用浇口杯和半环形横浇道，浇注系统截面积比例为F_直：F_横：F_内＝1:0.95:1。具体为：直浇道Φ120陶瓷管；横浇道80/100×120；内浇道：Φ30陶瓷管16个。在辊身上端轴放置个1个Φ250mm发热冒口。

(2)根据重型灰铸铁件浇注时间的计算公式

式中t—浇注时间(s)。

G_L—型内金属液总重量(kg)；该铸件所需的铁液重量为10500kg。

S₂—壁厚系数，当铸件壁厚＞40～80mm，S2取1.9。

同时球铁件浇注时间按灰铸铁件浇注时间计算方法确定，然后按1/3～1/2计算。

故

因此确定浇注时间为：64-97秒。

性能测试

如图1和图2所示，图1为铸件本体球化率和石墨大小形态(腐蚀前)100倍的电镜图；图2为铸件本体基体组织(腐蚀后)100倍的电镜图。

腐蚀前检查的电镜图用来判断该球墨铸铁件球化级别；腐蚀后检查的电镜图用来判断该球墨铸铁件基体组织的情况，铁素体数量与珠光体数量的比例，有无异常情况如碳化物、磷共晶等。

如图1所示，铸件本体球化率90％，石墨大小6级，石墨球圆整度好，大小和分布比较均匀；如图2所示，基体为100％铁素体。

其力学性能为：抗拉强度R_m：389MPa，屈服强度R_p0.2：265MPa，断后伸长率：22.5％，常温冲击功：18.6J。铸件表面100％超声波探伤和磁粉探伤，未发现有缩松、缩孔、夹渣和夹砂等铸造缺陷。超声波探伤纵波声速5895m/s。

以上所述的仅为本发明的较佳实施例，凡在本发明的精神和原则范围内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。