一种适用于万能轧机的球墨铸铁轧边辊及其制造方法与流程

本发明涉及一种轧辊及制造方法，尤其是一种适用于万能轧机的球墨铸铁轧边辊及其制造方法，属于机械加工和热处理技术领域。

背景技术：

随着科技的进步，尤其是轧钢技术的不断突破，包括对更高的轧制效率、更高的轧材质量以及最低的轧制成本的不懈追求，使轧辊制造技术也在发生飞跃性的发展。

而万能轧机就是应运而生的，主要用来轧制各类型钢，因其适用于多品种钢材轧制，比如：H型钢、钢轨、工字钢、U型钢等，故而得名“万能轧机”，一般由一对水平辊和一对立辊组成主机架，其四个辊的轴线在一个平面内，水平辊一般作为主动辊，立辊作为从动辊，对轧件进行四面加工。当需要轧制金属带材时，特别是钢板带的热轧生产过程，通常使用轧边辊，轧边辊在结构上分为辊身和辊颈，轧边辊的辊形比较特殊，辊身直径大，辊颈细长，辊身的尺寸一般在辊颈尺寸的3倍以上，且辊身是主要轧制部位，因此对其强度、韧性以及耐磨性要求极高，而目前常用的轧辊为了保证辊身的强度、韧性以及耐磨性多采用高碳半钢，但是此生产工艺存在生产周期长、辊身耐磨性较低、制作成本高等缺陷。

技术实现要素：

本发明需要解决的技术问题是提供一种适用于万能轧机的球墨铸铁轧边辊及其制造方法，用球墨铸铁替代传统万能轧机轧辊材质，并采用特定的制造工艺，在解决现有轧辊生产周期长、生产成本高同时，提高了轧辊的耐磨性。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种适用于万能轧机的球墨铸铁轧边辊，包括辊身、上辊颈和下辊颈，其特征在于：所述辊身与下辊颈的化学成分一致，其中辊身和下辊颈的化学组分及各组分重量百分含量为：

C 2.8～3.6％、Si 0.6～2.0％、Mn 0.3～0.7％、Cr 0.3～1.0％、Ni 1.0～3.0％、Mo 0.2～0.7％、Re 0.05～0.1％、Mg≥0.04％、P≤0.04、S≤0.04，其余为Fe和不可避免的杂质；

上辊颈的化学组分及重量百分含量为：

C 2.8～3.6％、Si 1.3～2.0％、Mn 0.3～1.0％、Cr 0.1～0.6％、Ni 0.2～1.2％、Re 0.1％、P≤0.04、S≤0.04，其余的为Fe和不可避免的杂质。

本发明技术方案的进一步改进在于：辊身和下辊颈的化学组分及各组分重量百分含量为：

C 2.9～3.1％、Si 0.6～1.0％、Mn 0.3～0.45％、Cr 0.3～0.5％、Ni 1.0～1.5％、Mo 0.2～0.4％、Re 0.05～0.06％、Mg≥0.04％、P≤0.04、S≤0.04，其余为Fe和不可避免的杂质。

上辊颈的化学组分及各组分重量百分含量为：

C 3.0～3.5％、Si 1.4～1.8％、Mn 0.4～0.8％、Cr 0.2～0.4％、Ni 0.3～1.0％、Re 0.1％、P≤0.04、S≤0.04，其余的为Fe和不可避免的杂质。

本发明技术方案的进一步改进在于：一种适用于万能轧机的球墨铸铁轧辊的制造方法，其特征在于：包括以下几个工艺步骤：

a)造型：采用复合砂箱的方式，辊身采用金属型砂箱，上辊颈、下辊颈采用石英砂粘土造型，其中上辊颈的造型过程中在指定的位置放置两个枝子，用于标识一次停流位置和二次停流位置；

b)熔炼：在中频炉中进行冶炼，辊身、上辊颈和下辊颈的材质均为球墨铸铁；

辊身与下辊颈的冶炼工艺为：冶炼温度为1440～1540℃，出炉前在铁水中加入孕育剂、球化剂和变质剂，对铁水进行孕育处理、球化处理以及变质处理；

上辊颈的冶炼工艺为：冶炼温度为1450～1550℃，出炉前在铁水中加入孕育剂和球化剂，对铁水进行孕育处理和球化处理；

c)浇注，采用底注式浇注，且上辊颈铁水分两次浇注，当辊身铁水熔炼完毕后，在1270℃～1350℃时将辊身铁水从漏斗浇入型腔，同时出炉上辊颈第一炉铁水，当辊身铁水浇注至第一个枝子的位置时，停止浇注辊身铁水，立即从冒口浇入上辊颈第一炉铁水，其浇注温度为1430℃-1480℃；当浇注到第二个枝子时，停止浇注，使用木棍将渣子捅散，并将渣子舀出，采用发热剂进行发热，每隔5分钟发热一次，10到15分钟后浇注上辊颈第二炉铁水，温度为1400℃～1450℃，待浇注结束后，覆盖蛭石粉进行保温。

d)开箱及热处理：常温冷却至200～320℃开箱，待铸件冷却室温后进行热处理。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述步骤a)中第一枝子的高度为：上辊颈砂箱高度与上辊颈净高度之差；第二枝子的高度为：上辊颈砂箱高度减去上辊颈净高度和加工余量之和。

本发明技术方案的进一步改进在于：步骤b)中辊身铁水中加入的孕育剂为75硅铁，添加量为铁水总量的0.4～1.0％，球化剂为镍镁合金，添加量为铁水总量的0.6～1.0％，变质剂为稀土，添加量为铁水总量的0.2～0.4％；

上辊颈铁水中加入的孕育剂为75硅铁，添加量为铁水总量的0.4～1.0％，球化剂稀土镁硅铁合金，添加量为铁水总量的1.0～1.6％；

本发明技术方案的进一步改进在于：步骤d)中热处理工艺为：以20～30℃/h的升温速度升温至500-550℃保温3～4h后炉冷至室温。

由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：

合理设计轧辊的化学成分，通过优化设计合金元素Cr、Ni、Mo的加入量，确保得到高硬度的碳化物，提高辊身的耐磨性和硬度。

基于辊身与辊颈对于耐磨性、硬度、韧性的要求不同，同时考虑造型方式和底注式浇注工艺，将辊身和下辊颈设计为一种化学成分，而上辊颈的设计为另一种化学成分，降低了上辊颈的合金元素Cr、Ni、Mo的加入量，在保证上辊颈要求的耐磨性的同时，降低了生产成本。

在制造工艺上，采用复合造型的方法，辊身采用金属型砂箱，上辊颈、下辊颈采用石英砂粘土造型，上辊颈的砂箱相当于明冒口，可以对上辊颈进行浇注，同时实现对铁水进行补缩，避免出现缩孔和缩松，降低轧辊的强度及耐磨性。

在浇注过程中，采用底注式浇注，且上辊颈铁水分两次浇注，当采用底注方式浇注一定位置时，采用从上辊颈的砂箱的冒口处浇注上辊颈铁水，一方面可以保证上辊颈与辊身的化学成分的差异，另一方面可以较好为辊身提供补给金属液，保证了辊身的顺序凝固，避免出现缩松、缩孔等缺陷，形成致密的铸件，防止影响铸件的力学性能。

在浇注第二次上辊颈铁水时，采用发热剂进行发热，每隔5分钟发热一次，10到15分钟后浇注上辊颈第二炉铁水，能够提高冒口内的金属液温度，减缓上层铁水的凝固时间，有利于实现铁水自下而上的顺序凝固，增加了冒口的补缩能力，防止缩松、缩孔的产生，同时能与第一次浇注上辊颈铁水较好的融合，避免出现性能不均匀现象。

附图说明

图1是本发明原理浇注示意图；

1、第一次停流位置，2、第二次停流位置。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细说明：

一种适用于万能轧机的球墨铸铁轧辊及其制造方法，包括辊身、上辊颈和下辊颈，其特征在于：所述辊身与下辊颈的化学成分一致，其中辊身的化学组分及重量百分含量为：

C 2.8～3.6％、Si 0.6～2.0％、Mn 0.3～0.7％、Cr 0.3～1.0％、Ni 1.0～3.0％、Mo 0.2～0.7％、Re 0.05～0.1％、Mg≥0.04％、P≤0.04、S≤0.04，其余为Fe和不可避免的杂质；

上辊颈的化学组分及重量百分含量为：

C 2.8～3.6％、Si 1.3～2.0％、Mn 0.3～1.0％、Cr 0.1～0.6％、Ni 0.2～1.2％、Re 0.1％、P≤0.04、S≤0.04，其余的为Fe和不可避免的杂质。

上述适用于万能轧机的球墨铸铁轧辊的制造方法，包括以下几个步骤：

a)造型：采用复合砂箱的方式，辊身采用金属型砂箱，上、下辊颈采用石英砂粘土造型，其中上辊颈的造型过程中在指定的位置放置两个枝子，用于标识一次停流位置和二次停流位置，第一枝子的高度为：上辊颈砂箱高度与上辊颈净高度之差；第二枝子的高度为：上辊颈砂箱高度与上辊颈净高度和加工余量之和的差值。

b)熔炼：辊身与辊颈的材质均为球墨铸铁，在中频炉中进行冶炼，其中辊身与下辊颈的化学组分一致，上辊颈为另一种化学组分；辊身与下辊颈的冶炼工艺为：冶炼温度为1440～1540℃，出炉前在铁水中加入孕育剂、球化剂和变质剂，对铁水进行孕育处理、球化处理以及变质处理；

孕育剂为75硅铁，添加量为铁水总量的0.4～1.0％，球化剂为镍镁合金，添加量为铁水总量的0.6～1.0％，变质剂为稀土，添加量为铁水总量的0.2～0.4％；

上辊颈的冶炼工艺为：冶炼温度为1450～1550℃，出炉前在铁水中加入孕育剂和球化剂，对铁水进行孕育处理和球化处理；

上辊颈铁水中加入的孕育剂为75硅铁，添加量为铁水总量的0.4～1.0％，球化剂稀土镁硅铁合金，添加量为铁水总量的1.0～1.6％；

c)浇注，采用底注式浇注，且上辊颈铁水分两次浇注，当辊身铁水熔炼完毕后，在1270℃～1300℃时将辊身铁水从漏斗浇入型腔，同时出炉上辊颈第一炉铁水，当辊身铁水浇注至第一个枝子的位置时，停止浇注辊身铁水，立即从冒口浇入上辊颈第一炉铁水，其浇注温度为1430℃-1480℃；当浇注到第二个枝子时，停止浇注，使用木棍将渣子捅散，并将渣子舀出，采用发热剂进行发热，每隔5分钟发热一次，10到15分钟后浇注上辊颈第二炉铁水，温度为1400℃～1450℃，待浇注结束后，覆盖蛭石粉进行保温。

在浇注过程中，可以根据枝子的晃动情况来判断是否到达枝子的位置，当高温的铁水到达枝子位置时，就发生剧烈的反应，枝子会剧烈的晃动，示意浇注者铁水达到第一枝子的位置。

发热剂是由氧化剂、燃烧剂和缓冲剂组成的，在一定的温度下，氧化剂与燃烧剂发生氧化反应，放出大量的热，缓冲剂可以调整发热时产生的温度、发热速度和发热时间，能够提高冒口内的金属液温度，减缓上层铁水的凝固时间，有利于实现铁水自下而上的顺序凝固，增加了冒口的补缩能力，防止缩松、缩孔的产生，同时能与第一次浇注上辊颈铁水较好的融合，避免出现性能不均匀现象。

d)开箱及热处理：常温冷却至200～320℃开箱，待铸件冷却室温后进行热处理；热处理工艺为：以20～30℃/h的升温速度升温至500-550℃保温3～4h后炉冷至室温。

实施例1

一种适用于万能轧机的球墨铸铁轧辊及其制造方法，包括辊身、上辊颈和下辊颈，其特征在于：所述辊身与下辊颈的化学成分一致，其中辊身的化学组分及重量百分含量为：

C 3.15～3.3％、Si 0.8～1.2％、Mn 0.5～0.6％、Cr 0.5～0.6％、Ni 1.6～2.0％、Mo 0.2～0.45％、Re 0.05～0.08％、Mg≥0.04％、P≤0.04、S≤0.04，其余为Fe和不可避免的杂质；

步骤b)中辊身铁水的冶炼温度为1450℃，孕育剂的加入量为0.45％，球化剂添加量为铁水总量的0.7％，变质剂添加量为铁水总量的0.25％；

上辊颈铁水的冶炼温度为1460℃，孕育剂的加入量为0.45％，球化剂添加量为铁水总量的1.2％。

经炉前检测得知，辊身的化学组分及重量百分含量为：C 3.2％、Si 0.9％、Mn 0.55％、Cr 0.55％、Ni 1.8％、Mo 0.3％、Re 0.06％、Mg≥0.04％、P≤0.04、S≤0.04，其余为Fe和不可避免的杂质；

步骤c)中辊身铁水的浇注温度为1280℃，上辊颈第一炉铁水的浇注温度为1450℃，第二炉铁水的浇注温度为1410℃

步骤d)中热处理工艺为：在510℃下保温3h后炉冷至室温。

实施例2

本实施例与实施例1中的工艺步骤相同，与实施例1的区别在于：本实施例中用于万能轧机的球墨铸铁轧辊的辊身化学组分及重量百分含量为：

C 3.3～3.45％、Si 1.0～1.6％、Mn 0.5～0.65％、Cr 0.7～0.8％、Ni 1.8～2.2％、Mo 0.45～0.55％、Re 0.05～0.08％、Mg≥0.04％、P≤0.04、S≤0.04，其余为Fe和不可避免的杂质；

步骤b)中辊身铁水的冶炼温度为1500℃，孕育剂的加入量为0.6％，球化剂添加量为铁水总量的0.8％，变质剂添加量为铁水总量的0.3％；

上辊颈铁水的冶炼温度为1490℃，孕育剂的加入量为0.7％，球化剂添加量为铁水总量的1.45％。

经炉前检测得知，辊身的化学组分及重量百分含量为：C 3.4％、Si 1.2％、Mn 0.6％、Cr 0.75％、Ni 1.9％、Mo 0.5％、Re 0.07％、Mg≥0.04％、P≤0.04、S≤0.04，其余为Fe和不可避免的杂质；

步骤c)中辊身铁水的浇注温度为1290℃，上辊颈第一炉铁水的浇注温度为1460℃，第二炉铁水的浇注温度为1420℃

步骤d)中热处理工艺为：在530℃下保温3～4h后炉冷至室温。

实施例3

本实施例与实施例1中的工艺步骤相同，与实施例1的区别在于：本实施例中用于万能轧机的球墨铸铁轧辊的辊身化学组分及重量百分含量为：

C 3.45～3.6％、Si 1.6～2.0％、Mn 0.6～0.7％、Cr 0.8～1.0％、Ni 2.4～3.0％、Mo 0.6～0.7％、Re 0.08～0.1％、Mg≥0.04％、P≤0.04、S≤0.04，其余为Fe和不可避免的杂质；

步骤b)中辊身铁水的冶炼温度为1540℃，孕育剂的加入量为0.9％，球化剂添加量为铁水总量的1.0％，变质剂添加量为铁水总量的0.4％；

上辊颈铁水的冶炼温度为1550℃，孕育剂的加入量为0.8％，球化剂添加量为铁水总量的1.6％。

经炉前检测得知，辊身的化学组分及重量百分含量为：C 3.5％、Si 1.8％、Mn 0.65％、Cr 0.9％、Ni 2.8％、Mo 0.65％、Re 0.09％、Mg≥0.04％、P≤0.04、S≤0.04，其余为Fe和不可避免的杂质；

步骤c)中辊身铁水的浇注温度为1300℃，上辊颈第一炉铁水的浇注温度为1480℃，第二炉铁水的浇注温度为1450℃

步骤d)中热处理工艺为：在550℃下保温3～4h后炉冷至室温。

将实施例1～实施例3制备的用于万能轧机的球墨铸铁轧辊进行了性能测试，包括辊身强度、辊颈强度、辊颈抗拉强度、超声波探伤，其中超声波探伤执行标准GB/T1504-2008，其检测结果见下表。

表1用于万能轧机的球墨铸铁轧辊性能检测结果

上述实施例是对本发明做进一步详细说明，本领域技术人员可以根据本实施例所提供的方法和参数进行拓展，达到本发明中所涉及的其它参数范围，均能够实现本发明的目的。