一種鍛鋼輥頸高鉻鑄鐵復(fù)合軋輥工藝及設(shè)備的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于金屬壓力加工技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種鍛鋼輥頸高鉻鑄鐵復(fù)合乳輥工藝及設(shè)備，適用于乳鋼行業(yè)中復(fù)合乳輥的制造。
【背景技術(shù)】
[0002]乳輥被譽(yù)為“鋼材之母”，是鋼、鋁、銅等金屬壓延生產(chǎn)中使金屬材料產(chǎn)生塑性變形的工具，是決定乳機(jī)生產(chǎn)效率和乳材質(zhì)量及經(jīng)濟(jì)性的重要的大型部件，是乳機(jī)乳制不可或缺的關(guān)鍵性部件和最主要的大宗消耗部件，其消耗成本約為乳鋼生產(chǎn)成本的5%?15%。如果考慮因乳輥消耗而帶來(lái)的生產(chǎn)停機(jī)、降產(chǎn)和設(shè)備維護(hù)增加等因素，則其所占生產(chǎn)成本的比重會(huì)更高。
[0003]乳機(jī)是金屬壓力加工生產(chǎn)中的重要設(shè)備，是衡量一個(gè)國(guó)家鋼鐵發(fā)展技術(shù)水平的顯著標(biāo)志。而乳輥又是乳機(jī)的主要組成部分，是乳鋼生產(chǎn)中大量消耗的關(guān)鍵部件，是決定一個(gè)國(guó)家乳制技術(shù)發(fā)展水平的基本保證，是一個(gè)國(guó)家金屬材料設(shè)計(jì)、材料成型技術(shù)、加工制造和熱處理等基礎(chǔ)工業(yè)綜合技術(shù)水平的直觀體現(xiàn)。在乳鋼工業(yè)生產(chǎn)中，每一種乳材無(wú)一不是依靠乳輥的乳制而成形，這就是說(shuō)“無(wú)輥不成材”，所以，乳輥的質(zhì)量和作用至關(guān)重要。
[0004]乳輥質(zhì)量不僅關(guān)系到乳鋼生產(chǎn)成本和乳機(jī)生產(chǎn)作業(yè)率，還在很大程度上影響乳材質(zhì)量。隨著乳鋼技術(shù)的發(fā)展，乳機(jī)速度和自動(dòng)化程度不斷提高，對(duì)乳輥質(zhì)量特別是乳輥的耐磨性、強(qiáng)度及韌性等提出了更高的要求。進(jìn)一步提高乳輥性能以適應(yīng)乳機(jī)的需要，實(shí)現(xiàn)鋼鐵型材的節(jié)能降耗生產(chǎn)，是乳輥研制者面臨的新目標(biāo)。
[0005]我國(guó)乳輥制造業(yè)經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展和壯大，目前已成為世界乳輥產(chǎn)量大國(guó)，乳輥制造技術(shù)和材質(zhì)品種方面有很大的發(fā)展。在乳輥材質(zhì)方面，從球墨鑄鐵、合金無(wú)限冷硬鑄鐵發(fā)展到現(xiàn)在的針狀組織球墨鑄鐵、高合金無(wú)限冷硬鑄鐵、高鉻鑄鐵、硬質(zhì)合金、半高速鋼和高速鋼等。在鑄造工藝方面也從常規(guī)澆鑄單一材質(zhì)和溢流法澆鑄復(fù)合材質(zhì)，發(fā)展到離心復(fù)合澆鑄工藝。目前國(guó)內(nèi)乳輥供應(yīng)能力已達(dá)到100萬(wàn)噸以上，設(shè)計(jì)制造能力可以達(dá)到120?150萬(wàn)噸。隨著我國(guó)乳鋼裝備的改造和不斷從國(guó)外引進(jìn)先進(jìn)的乳機(jī)，乳機(jī)向自動(dòng)化、連續(xù)化、重型化方向發(fā)展，對(duì)乳輥的組織和性能提出了更高的要求。
[0006]然而，我國(guó)自行研制的冶金乳輥乳制鋼材平均消耗與發(fā)達(dá)國(guó)家相比尚有較大的差距。來(lái)自中國(guó)鋼鐵協(xié)會(huì)的最新統(tǒng)計(jì)，2014年我國(guó)鋼材產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到112557萬(wàn)噸，占全球鋼產(chǎn)量40%以上，按照噸鋼消耗乳輥1.0?1.2 kg/t鋼計(jì)算，年消耗乳輥110?130多萬(wàn)噸，年消耗乳輥資金200億元以上。為了滿足乳鋼生產(chǎn)的實(shí)際需要，我國(guó)每年都需要花費(fèi)大量外匯進(jìn)口乳輥，僅2010年進(jìn)口優(yōu)質(zhì)乳輥約3.0萬(wàn)多噸，消耗外匯約2億多美元。我國(guó)乳輥的大量消耗，造成了資源和能源的巨大浪費(fèi)。另外，國(guó)外乳輥年消耗量也超過(guò)百萬(wàn)噸，市場(chǎng)需求量大。如此大的報(bào)廢量無(wú)論從乳鋼廠的乳制成本，還是從我國(guó)的能源和資源消耗方面來(lái)看都是一項(xiàng)巨大的浪費(fèi)，對(duì)環(huán)境和資源造成巨大壓力。因此，提高乳輥質(zhì)量，延長(zhǎng)乳輥壽命，不僅能節(jié)省大量外匯，而且還可以節(jié)省大量的乳輥材料，開(kāi)發(fā)優(yōu)質(zhì)長(zhǎng)壽命乳輥材料及其成形技術(shù)，不僅可滿足國(guó)內(nèi)需求，而且還可實(shí)現(xiàn)出口創(chuàng)匯。
[0007]為滿足現(xiàn)代乳鋼工業(yè)對(duì)高性能乳輥的要求，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研發(fā)了多種新型高性能乳輥制造工藝，其中在鑄造法制造復(fù)合工藝方面開(kāi)發(fā)的工藝主要有:離心鑄造復(fù)合乳輥、連續(xù)鑄造(CPC)復(fù)合車淺、電渣重熔(ESR)復(fù)合乳輥、組合式復(fù)合乳輥等。
[0008]離心鑄造復(fù)合乳輥工藝(CF)，是采用離心鑄造的方法生產(chǎn)雙金屬?gòu)?fù)合乳輥。主要是使用旋轉(zhuǎn)來(lái)產(chǎn)生離心力，將金屬液澆入到正在旋轉(zhuǎn)的鑄型中，利用離心力把所澆注的金屬液從旋轉(zhuǎn)中心甩向鑄型的外緣，使金屬液的凝固由外向內(nèi)順序進(jìn)行，凝固成外層為組織致密的高耐磨材料、內(nèi)層為普通材料的復(fù)合乳輥。金屬液的流動(dòng)有助于樹(shù)枝狀晶的破碎和細(xì)化，同時(shí)克服了晶粒間“隧道”的阻力進(jìn)行補(bǔ)縮，使鑄件的致密度得到提高。在外層金屬液凝固后，將鑄型吊起與底部和上部及冒口砂型組裝，將芯部及上下型腔以重力澆注充填，實(shí)現(xiàn)兩種材料的復(fù)合。離心乳輥鑄造法制造復(fù)合乳輥有著其他鑄造工藝不具備的優(yōu)點(diǎn)，具體如下:(I)一些部件不需要澆冒口，有效的提升了金屬液的使用效率；(2)不需要使用砂芯就可以鑄造出環(huán)形和空筒形的鑄件，同時(shí)也可以生產(chǎn)出長(zhǎng)度和直徑不同的鑄管，具有良好的生產(chǎn)效率，生產(chǎn)成本也不高；(3)在離心力的作用下，金屬液凝固后，質(zhì)地細(xì)膩；(4)用這種方法生產(chǎn)的乳輥外層具有較高的耐磨性，內(nèi)層的韌性材料又能保證乳輥具有較高的韌性，具有比整體材料乳輥更廣闊的應(yīng)用前景和較高的性價(jià)比。
[0009]該工藝雖然具有設(shè)備簡(jiǎn)單，設(shè)備投資小，生產(chǎn)效率高，成本低，適于大批量生產(chǎn)之特點(diǎn)。但該工藝存在以下幾種不足:
I)當(dāng)用于制造高合金材料的乳輥時(shí)，由于材料中往往含有大量密度高的合金，如鎢、鉬、釩等，離心鑄造時(shí)，由于離心力的作用，這些密度高的合金會(huì)偏析于乳輥表面，使乳輥內(nèi)層合金元素含量降低，使組織和成份不均勻從而惡化乳輥表面層韌性，降低乳輥外層的耐磨性，影響乳輥的質(zhì)量。
[0010]2)當(dāng)芯部材料的熔點(diǎn)高于外層材料的熔點(diǎn)，澆注時(shí)于已凝固的外層材料的內(nèi)表面產(chǎn)生熔合層。因此當(dāng)芯部材料選用鑄鋼時(shí)，不能得到良好的復(fù)合界面。
[0011]3)無(wú)法生產(chǎn)具有高強(qiáng)度、高韌性的鍛鋼芯部的復(fù)合乳輥。
[0012]連續(xù)澆注外層成形法(CPC法)，該工藝是日本的新日鐵公司與20世紀(jì)80年代末研究開(kāi)發(fā)投入生產(chǎn)。CPC法是集材料、工藝、設(shè)備、自動(dòng)控制于一體的高新技術(shù)[1()]，目前世界上只有新日鐵和日立公司成功用于工業(yè)化生產(chǎn)。其工作原理是以鍛鋼、鑄鋼或廢舊乳輥?zhàn)鬏佇?，在其表面涂上一層硅系玻璃保護(hù)膜，防止輥芯表面氧化。將需要復(fù)合的外層金屬液澆入到垂直安裝的輥芯和水冷結(jié)晶器之間，為使?jié)茶T的外層高速鋼與輥芯完全熔合，采用二套電磁感應(yīng)加熱裝置分別對(duì)鋼液和輥芯進(jìn)行補(bǔ)熱和預(yù)熱。熔融的外層金屬液在與輥芯熔合的同時(shí)順序向上凝固，使二種材料的界面達(dá)到冶金結(jié)合。通過(guò)抽錠設(shè)備，將復(fù)合好的乳輥不斷地從水冷結(jié)晶器中抽出，直到復(fù)合乳輥澆注完成。在結(jié)合過(guò)程中，輥芯表面出現(xiàn)微熔，使輥芯和外層高速鋼金屬實(shí)現(xiàn)堅(jiān)固的冶金結(jié)合，提高結(jié)合強(qiáng)度。這種方法生產(chǎn)的高速鋼輥坯的組織及晶粒度要比離心鑄造方法細(xì)得多，且碳化物均勻彌散分布，壽命可比離心鑄造乳輥尚 30%。
[0013]結(jié)合層的形成影響著乳輥的下降速度，也就決定了CPC法的生產(chǎn)效率。該方法具有如下特點(diǎn):①乳輥的外層材質(zhì)可以選擇多種高合金材料，芯部材質(zhì)可用強(qiáng)韌性和剛性高的鋼系材料，避免了離心鑄造高速鋼乳輥所出現(xiàn)的初晶碳化物偏析和組織、成份偏析缺點(diǎn);②鋼液在水冷結(jié)品器中凝固，冷卻速度快，可獲得細(xì)小、致密的凝固組織，抗熱裂性好，乳輥性能好等特點(diǎn)；③由下向上的順序凝固，避勉了縮孔和疏松等鑄造缺陷的產(chǎn)生;④既可制造新乳輥，也可對(duì)舊乳輥進(jìn)行再制造修復(fù)。
[0014]CPC的缺點(diǎn)主要是:①由于采用二套感應(yīng)加熱系統(tǒng)，設(shè)備較復(fù)雜，技術(shù)難度大;②由于采用抽錠方式，生產(chǎn)效率較低，且所生產(chǎn)的鋼質(zhì)純晶度差;③生產(chǎn)過(guò)程中需要對(duì)鋼水進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的保溫，耗能大，對(duì)中間包耐火材料要求高，生產(chǎn)成本高;④對(duì)廠房和操作工人要求高。基于以上原因，目前推廣使用范圍很小，我國(guó)至今尚未投入產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。
[0015]電渣液態(tài)澆注法(ESSLM)，ESSLM是在上世紀(jì)90年代初E.0.巴頓電焊研究所發(fā)明的。其生產(chǎn)工藝是在一個(gè)銅質(zhì)水冷結(jié)晶器中間放入被復(fù)合的鍛造、鑄造或者用過(guò)的廢舊輥芯，再將預(yù)先熔化好的熔渣倒入輥芯與結(jié)晶器之間的間隙中，在結(jié)晶器與輥芯之間通電，通過(guò)液態(tài)熔渣形成電回路，熔渣中產(chǎn)生的熱量將輥芯的表面熔化，將熔煉好的液態(tài)金屬以一定的工藝澆入輥芯與結(jié)晶器之間的間隙中，液態(tài)金屬將熔渣上浮，在通過(guò)渣池時(shí)被電渣精煉，同時(shí)將輥芯包覆起來(lái)并與己經(jīng)預(yù)熱的輥芯表面熔合，在結(jié)晶器的冷卻下凝固，形成復(fù)合層。在此過(guò)程中，借助抽錠裝置輥芯不斷的從結(jié)晶器中抽出，同時(shí)不斷澆入液態(tài)金屬，直到預(yù)定的長(zhǎng)度為止。覆著層的材料可以是鑄鐵、高速鋼以及其它金屬，所制成的復(fù)合乳輥既可以用做冷乳輥、熱乳輥或連鑄輥，又可以對(duì)廢舊乳輥進(jìn)行鑄造包覆層再制造。但要嚴(yán)格控制液渣溫度和輥芯在液渣中的時(shí)間，防止芯部過(guò)多的熔化，污染工作層。
[0016]ESSLM技術(shù)允許復(fù)合直徑從100 mm到1800 mm，甚至更大直徑圓錠外表面。復(fù)合層厚度15?20 mm到100 mm，甚至更大。該工藝與電渣重熔工藝相比，其效率高，澆注速度為200?800 kg/h，電耗接近800 kWh/t鋼[10]。
[0017]該工藝的缺點(diǎn)主要為復(fù)合過(guò)程中鋼水分批或連續(xù)注入結(jié)晶器時(shí)，由于澆注速度非常慢，鋼水需要保溫，鋼水貯存裝置非常復(fù)雜且昂貴，保溫爐和鋼水包的耐火材料受高溫金屬液長(zhǎng)時(shí)間的沖刷造成大量的損耗，且造成非金屬夾雜污染，金屬液強(qiáng)烈過(guò)熱和高溫下長(zhǎng)時(shí)間保存都會(huì)導(dǎo)致合金元素和脫氧劑氧化加速。該過(guò)程的能量消耗比較大，且由于采用抽錠工藝，渣溫與抽錠速度的匹配和金屬液位控制技術(shù)復(fù)雜，輥芯表面熔深層控制技術(shù)難度大，生產(chǎn)效率低。
[0018]CPC工藝和ESSLM工藝雖然可以制造大厚度的復(fù)合層，但由于工藝和設(shè)備所存在的上述問(wèn)題，目前僅用于制造小于10噸的高速鋼等高端復(fù)合乳輥。
[0019]組合式復(fù)合乳輥是將乳輥?zhàn)龀蓭讉€(gè)部件，用機(jī)械方法組合起來(lái)。乳輥內(nèi)層使用韌性材料，外層的大都做成硬質(zhì)合金環(huán)。這種乳輥可節(jié)約貴重的硬質(zhì)合金，性價(jià)比較高。外層的硬質(zhì)合金環(huán)可保證乳輥具有很高的耐磨性。但由于硬質(zhì)合金環(huán)和內(nèi)層輥芯很難做到無(wú)縫接合，乳制過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致乳輥受力不均而發(fā)生碎裂。
[0020]雖然國(guó)內(nèi)外已經(jīng)研發(fā)了眾多的新型復(fù)合乳輥制造工藝，但到目前為止，尚還未有一項(xiàng)工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)成本低、性能好的復(fù)合乳輥制造工藝。因此，研究開(kāi)發(fā)新型復(fù)合乳輥制造工藝和設(shè)備，對(duì)各種材質(zhì)乳輥和大型乳輥進(jìn)行低成本、高效率、高