专利名称：热轧无缝钢管连轧机球墨铸铁轧辊及其制备方法
技术领域：
本发明涉 及轧辊制造技术领域，尤其涉及热轧无缝钢管连轧机球墨铸铁轧辊及其制备方法。
背景技术：
近年来，我国大量引进、新建先进的钢管生产机组，拥有世界上所有先进的轧管机机型和大型机组，其中不乏世界首创。我国已成为世界上最大的钢管生产国和消费国，钢管轧辊消耗量世界最大。先进的钢管生产机组和高级别合金钢管的生产对轧辊提出了更高的要求。热轧无缝钢管连轧机轧辊服役条件恶劣，工作温度一般为1120-1200°C，轧辊同时还要承受冷却水的激冷激热作用。当工作温度低于iioo°c时，由于轧件变形抗力增加，易损坏轧辊和芯棒。连轧机轧辊在使用中需经过多次车削修复，要求连轧辊同时具有高强度、高韧性、耐激冷激热性和足够厚的耐磨损的工作层。因此，国内外热轧无缝钢管连轧机轧辊选用材料通常为合金球墨铸铁，依靠合金元素来提高钢管连轧机轧辊的的性能。热轧无缝钢管连轧机轧辊属厚大件，其制造难点在于获得球化率和球化级别较高的基体，以及进行等温淬火获得较高的综合性能。目前国内外热轧无缝钢管连轧机轧辊化学成分中由于含有较高含量的镍、钼成分，而厚大件铸造时易产生球化衰退，使得球化率和球化级别较低，碳化物含量较高；又因为厚大件等温淬火难度较大，故采用相对简单的正、回火热处理工艺，从而使其力学性能较差抗拉强度一般为390-500MPa、冲击韧性只有 2. 2-3. 2J/cm2,因此在使用中易产生碎裂而影响生产。连轧机轧辊每次使用后均需修复孔型，车削量一般为3mm左右，虽然报废轧辊可以回收重熔，但报废轧辊重量一般要损失10-20%。而真正在生产中的磨损量比车削量要少，绝大部分都在修复中变为废屑。尤其是在轧制批量小的钢管时，有时使用寿命仅为正常的20%左右，用过后仍需修复。因此，现有技术所生产的轧辊由于所使用的材料尤其是贵重金属镍、铬的大量加入以及轧辊力学性能不佳，使轧辊的修复量加大，造成了轧辊制造和使用企业生产成本的增加以及贵重金属材料的很大浪费。
发明内容
本发明的目的是提供一种无镍无铬以及低钼合金减量化成分设计的热轧无缝钢管连轧机球墨铸铁轧辊及其制备方法。本发明采用特殊的铸造方法提高球化率和球化级另O、采用等温淬火热处理提高轧辊的综合性能，解决了厚大件球墨铸铁铸造及等温淬火难的问题，制造出满足服役条件的热轧无缝钢管连轧机球墨铸铁轧辊，避免轧辊在使用中碎裂，降低制造和使用成本，减少贵重金属镍、铬、钼和能源的消耗。目前，在金属产品的材料设计中，合金减量化设计成为设计者的追求目标。即在满足产品服役条件的前提下，尽可能的减少合金含量，尤其是减少贵重金属含量的加入成为低碳要求、节约材料和能源的重要原则。而本发明正是遵循这一原则进行实施的过程。
本发明采用两种技术方案完成其目的。本发明的一方面为一种热轧无缝钢管连轧机球墨铸铁轧辊，该轧辊的特点在于采用了合金减量化设计，轧辊的化学成分以重量百分比计为c 3. 2-4. 0%, Si 2. 3-2. 9%, Mn ≤ 0. 30%, Cu :0. 2-0. 6%, Mo :0. 2-0. 4%, Ti 0. 05-0. 1%,A1 :0. 02-0. 05%,Bi :0. 002-0. 005%,Mg :0. 04-0. 06%,P ^ 0. 06、S ^ 0. 02，
余量为铁。本发明的另一方面为一种热轧无缝钢管连轧机球墨铸铁轧辊制备方法，该方法采用以下步骤铸型设计根据轧辊的结构形状，选用圆截面变径式或圆截面近等厚式纯砂或复合砂型，铸型浇道为独立设置；其中，所述圆截面变径式砂型是指将砂型根据连轧辊的形状分为上部短轴、中间辊环和下部长轴3部分，每部分圆砂箱直径根据连轧辊该部分直径确定，整体砂型呈阶梯状，同时使砂型的厚度从下到上逐步增加；所述上部短轴部分砂型厚度为150-250mm纯砂型；中间辊环上、下及外圆部分砂型厚度为130-200mm复合砂型，靠型腔内部厚度约为15-25mm纯砂型；下部长轴部分砂型厚度为100-160mm复合砂型，靠型腔内部厚度约为15-25mm纯砂型；砂型上刷涂有掺入0. 05% -0. 碲粉的涂料；所使用的复合砂型是在型砂中混有Φ30-40πιπι钢球。冶炼选用合金减量化设计轧辊材料进行冶炼，获得所需要的浇铸液；浇铸轧辊材料中的铋为在铸型内孕育；在临近浇铸时选用含锶、钡孕育剂以及球化剂进行临近浇铸孕育和球化，浇铸时加入2% -5%的悬浮剂，使其均勻分布于浇铸液中，凝固时间控制在2小时之内；加工、热处理及检验对轧辊铸坯进行粗加工、等温淬火、精加工以及检验；其中， 等温淬火是将粗加工后的轧辊放入淬火介质为50% NaN03+50% KaNO3、温度为260°C -290°C 的混合熔盐中进行等温淬火，等温时间为30-60min，然后取出轧辊进行空冷；其中，所述等温淬火的等温温差为设定温度士 10°C，熔盐重量与每次处理工件重量比>6 1。最后对轧辊进行精加工和检验。本发明制备的轧辊，由于采用无镍、铬及低钼合金减量化成分设计，添加了铝、铜、 钛、铋等强石墨化元素，采用独特的圆截面变径式纯砂或复合砂型、浇铸时加入悬浮剂等技术，获得了高质量的轧辊毛坯，并通过等温淬火热处理、加工等过程获得高强度、高韧性和足够的耐磨性的热轧无缝钢管连轧机球墨铸铁轧辊，有效的防止了轧辊在使用中易产生碎裂的问题，既降低了贵重金属的使用和消耗，又充分保证了生产的正常运行，达到了本发明降低制造及使用成本的目的。本发明通过采用合金减量化设计轧辊以及通过有效控制铸型凝固时间等方法步骤，获得了球化率和球化级别较高的球墨铸铁连轧辊毛坯，通过等温淬火使成品轧辊的硬度达到270-450HB，抗拉强度达到790_890MPa，。达到或超过了与现有无缝钢管连轧机合金轧辊的使用性能。
图1为本发明的热轧无缝钢管连轧机球墨铸铁轧辊的结构示意图。
具体实施方式
以下参照附图并结合本发明的设计思想，示例性实施例对本发明作进一步详细描述。本发明采用合金减量化设计并经多次实验，选择轧辊成分以重量百分比计C: 3. 2-4. 0%,Si :2. 3-2. 9%,Mn 彡 0. 30%,Cu :0. 2-0. 6%,Mo :0. 2-0. 4%,Ti :0. 05-0. 1%, Al :0. 02-0. 05%, Bi :0. 002-0. 005%,Mg :0. 04-0. 06%,P ^ 0. 06、S 彡 0. 02，余量为铁。本发明的另一组合金减量化设计轧辊以重量百分比计为C :3. 6-3.8%、 Si 2. 5-2. 8 Mn ^ 0. 30 Cu :0. 4-0. 6 Mo :0. 2-0. 4 Ti :0. 05-0. 08 Al 0. 02-0. 05%, Bi 0. 002-0. 005%,Mg :0. 04-0. 06%,P ^ 0. 06、S 彡 0. 02。本发明在上述轧辊成分组分的范围内按其重量百分比进行配比，并采用本发明独创的制备方法进行制备，达到节约贵重金属、节省生产成本，以及满足生产需要的目的。本发明的热轧无缝钢管连轧机球墨铸铁轧辊制备方法具有如下步骤铸型设计根据轧辊的结构形状，选用圆截面变径式或圆截面近等厚式纯砂或复合砂型；铸型浇道为独立设置浇道。铸型圆截面是使用圆型砂箱而不是传统的方形砂箱，使每部分的砂型厚度相同，冷却条件一致。铸型圆截面变径式是将砂型根据连轧辊的形状分为上部短轴、中间辊环和下部长轴3部分，每部分圆砂箱直径根据连轧辊该部分直径确定，整体砂型呈阶梯状，同时使砂型的厚度从下到上逐步增加，以利浇铸液按顺序凝固。其中所述上部短轴部分砂型厚度为150_250mm纯砂型；中间辊环上、下及外圆部分砂型厚度约为130-200mm复合砂型，靠型腔内部厚度约为15_25mm纯砂型；在中间辊环部分砂箱外部设有3条或多条连接支撑与底箱连接，以维持整个砂型的稳定并保证铸型的密封；下部长轴部分砂型厚度为100-160mm复合砂型，靠型腔内部厚度约为15_25mm纯砂型； 铸型底箱直径与中间辊环部分砂箱相同；复合砂型是在型砂中混有Φ30-40πιπι钢球。在砂型上刷涂有掺入0. 05-0. 碲粉的优质涂料。冶炼选用本发明所设计的合金减量化设计轧辊材料进行冶炼。由于锰、硫均为反石墨化元素，因此应选用锰、硫、磷含量尽可能低的原材料，获得所需要的浇铸铁液；浇铸轧辊材料中的铋是在铸型内孕育的，加入0.002-0. 005%的铋可明显增加石墨球数；在临近浇铸时选用抗球化衰退效果好的含锶、钡孕育剂和重稀土球化剂并按常规用量加入，进行临近浇铸孕育和球化。浇铸时加入与浇铸液成分相近的粒度为3-5mm的白口化铁丸做为悬浮剂，加入量2-5%，使其均勻分布于浇铸液中，可有效抑制球化衰退。铁液的凝固时间一般控制在2小时之内为宜，以使轧辊的球化率达到1-2级、球化级别达到 6-8 级。然后，对轧辊毛坯进行粗加工、工序检验以及等温淬火。等温淬火是将粗加工后的轧辊放入淬火介质为50% NaN03+50 % KaNO3混合熔盐中、等温温度根据需要在 2600C -290°C中设定，等温温差为设定温度的士 10°C，熔盐重量与每次处理工件重量比应 1，并用在熔盐中通风和在熔盐中密封的水管中通冷却水控制温升，等温时间根据需要在30-60min中设定，完后取出空冷。最后进行工序检验、精加工及成品检验，使成品轧辊的物理性能达到硬度 270-450HB，抗拉强度彡 700MPa。实施例1
实施例1为制造Φ460热轧无缝钢管连轧机轧辊，轧辊化学成分按重量百分比(％ Wt)见表1。表 权利要求
1.一种热轧无缝钢管连轧机球墨铸铁轧辊，其特征在于，采用合金减量化设计轧辊， 轧辊以重量百分比计为:C 3. 2-4. O %, Si 2. 3-2. 9 %, Mn ^ 0. 30 %, Cu 0. 2-0. 6%, Mo :0. 2-0. 4%, Ti :0. 05-0. 1%, Al 0. 02-0. 05%, Bi 0. 002-0. 005Mg 0. 04-0. 06%、 P彡0. 06、S彡0. 02，余量为铁。
2.根据权利要求1所述热轧无缝钢管连轧机球墨铸铁轧辊，其特征在于，轧辊以重量百分比计为:C 3. 6-3. 8%、Si 2. 5-2. 8%, Mn 彡 0. 30%, Cu :0· 4-0. 6%, Mo :0· 2-0. 4%, Ti :0. 05-0. 08 Al :0. 02-0. 05 Bi :0. 002-0. 005 Mg :0. 04-0. 06 P ^ 0. 06、 S 彡 0· 02。
3.一种热轧无缝钢管连轧机球墨铸铁轧辊制备方法，其特征在于采用以下步骤铸型设计根据轧辊的结构形状，选用圆截面变径式或圆截面近等厚式纯砂或复合砂型，铸型浇道为独立设置；冶炼选用合金减量化设计轧辊材料进行冶炼，获得所需要的浇铸液；浇铸轧辊材料中的铋为在铸型内孕育；在临近浇铸时选用含锶、钡孕育剂以及球化剂进行临近浇铸孕育和球化，浇铸时加入2% -5%的悬浮剂，使其均勻分布于浇铸液中，凝固时间控制在2小时之内；加工、热处理及检验对轧辊铸坯进行粗加工、等温淬火、精加工以及检验；其中，等温淬火是将粗加工后的轧辊放入淬火介质为50% NaN03+50% KaNO3、温度为260°C _290°C的混合熔盐中进行等温淬火，等温时间为30-60min，然后取出轧辊进行空冷，其后对轧辊进行精加工和检验。
4.根据权利要求3所述制备方法，其特征在于，所述圆截面变径式或圆截面近等厚式纯砂或复合砂型是指将砂型根据连轧辊的形状分为上部短轴、中间辊环和下部长轴3部分，每部分圆砂箱直径根据连轧辊该部分直径确定，整体砂型呈阶梯状，同时使砂型的厚度从下到上逐步增加。
5.根据权利要求4所述制备方法，其特征在于，所述上部短轴部分砂型厚度为 150-250mm纯砂型；中间辊环上、下及外圆部分砂型厚度为130_200mm复合砂型，靠型腔内部厚度约为15-25mm纯砂型；下部长轴部分砂型厚度为100-160mm复合砂型，靠型腔内部厚度约为15-25mm纯砂型；砂型上刷涂有掺入0. 05% -0. 碲粉的涂料。
6.根据权利要求3或5所述制备方法，其特征在于，所述复合砂型是在型砂中混有 Φ30-40ι πι 钢球。
7.根据权利要求3或4或5所述制备方法，其特征在于，所述中间辊环部分砂箱的外部设有至少3条连接支撑与底箱连接，以维持整个砂型的稳定以及保证铸型的密封。
8.根据权利要求3所述制备方法，其特征在于，所述球化剂为重稀土球化剂；悬浮剂为白口化铁丸，粒度为5-7mm。
9.根据权利要求3所述制备方法，其特征在于，所述等温淬火的等温温差为设定温度士 10°c，熔盐重量与每次处理工件重量比>6 1。
10.根据权利要求1或2所述制备方法，其特征在于，轧辊的硬度为270-450HB，抗拉强度彡 700MPa。
全文摘要
本发明公开了一种热轧无缝钢管连轧机球墨铸铁轧辊及其制备方法，该方法根据轧辊的结构形状，选用圆截面近等厚复合砂型，选用合金含量低的原材料进行冶炼，将铸型凝固时间控制在2小时之内，对轧辊铸坯进行等温淬火，最后对轧辊进行精加工和检验；本发明同时提供一种无镍无铬以及低钼合金减量化成分设计的热轧无缝钢管连轧机球墨铸铁轧辊，制造出满足服役条件的热轧无缝钢管连轧机球墨铸铁轧辊，避免轧辊在使用中碎裂，减少了贵重金属镍、铬、钼和能源的消耗，降低了企业的制造和使用成本。
文档编号C21D9/38GK102330013SQ20111029076
公开日2012年1月25日 申请日期2011年9月22日 优先权日2011年9月22日
发明者刘行一, 张凝, 王平, 袁厚之 申请人:山东省四方技术开发有限公司