一種鍛鋼輥頸無限冷硬高鎳鉻鉬復(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無限冷硬高鎳鉻鉬復(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，是衡量一個國家鋼鐵發(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，是決定一個國家乳制技術(shù)發(fā)展水平的基本保證，是一個國家金屬材料設(shè)計、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，每一種乳材無一不是依靠乳輥的乳制而成形，這就是說“無輥不成材”，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)速度和自動化程度不斷提高，對乳輥質(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]我國乳輥制造業(yè)經(jīng)過幾十年的發(fā)展和壯大，目前已成為世界乳輥產(chǎn)量大國，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。目前國內(nèi)乳輥供應(yīng)能力已達(dá)到100萬噸以上，設(shè)計制造能力可以達(dá)到120?150萬噸。隨著我國乳鋼裝備的改造和不斷從國外引進(jìn)先進(jìn)的乳機(jī)，乳機(jī)向自動化、連續(xù)化、重型化方向發(fā)展，對乳輥的組織和性能提出了更高的要求。
[0006]然而，我國自行研制的冶金乳輥乳制鋼材平均消耗與發(fā)達(dá)國家相比尚有較大的差距。來自中國鋼鐵協(xié)會的最新統(tǒng)計，2014年我國鋼材產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到112557萬噸，占全球鋼產(chǎn)量40%以上，按照噸鋼消耗乳輥1.0?1.2 kg/t鋼計算，年消耗乳輥110?130多萬噸，年消耗乳輥資金200億元以上。為了滿足乳鋼生產(chǎn)的實際需要，我國每年都需要花費(fèi)大量外匯進(jìn)口乳輥，僅2010年進(jìn)口優(yōu)質(zhì)乳輥約3.0萬多噸，消耗外匯約2億多美元。我國乳輥的大量消耗，造成了資源和能源的巨大浪費(fèi)。另外，國外乳輥年消耗量也超過百萬噸，市場需求量大。如此大的報廢量無論從乳鋼廠的乳制成本，還是從我國的能源和資源消耗方面來看都是一項巨大的浪費(fèi)，對環(huán)境和資源造成巨大壓力。因此，提高乳輥質(zhì)量，延長乳輥壽命，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，開發(fā)優(yōu)質(zhì)長壽命乳輥材料及其成形技術(shù)，不僅可滿足國內(nèi)需求，而且還可實現(xiàn)出口創(chuàng)匯。
[0007]為滿足現(xiàn)代乳鋼工業(yè)對高性能乳輥的要求，近年來，國內(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)雙金屬復(fù)合乳輥。主要是使用旋轉(zhuǎn)來產(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。金屬液的流動有助于樹枝狀晶的破碎和細(xì)化，同時克服了晶粒間“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，同時也可以生產(chǎn)出長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比。
[0009]該工藝雖然具有設(shè)備簡單，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，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，由于離心力的作用，這些密度高的合金會偏析于乳輥表面，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，不能得到良好的復(fù)合界面。
[0011]3)無法生產(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年代末研究開發(fā)投入生產(chǎn)。CPC法是集材料、工藝、設(shè)備、自動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、鑄鋼或廢舊乳輥作輥芯，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順序向上凝固，使二種材料的界面達(dá)到冶金結(jié)合。通過抽錠設(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)合過程中，輥芯表面出現(xiàn)微熔，使輥芯和外層高速鋼金屬實現(xiàn)堅固的冶金結(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)過程中需要對鋼水進(jìn)行長時間的保溫，耗能大，對中間包耐火材料要求高，生產(chǎn)成本高;④對廠房和操作工人要求高?；谝陨显?，目前推廣使用范圍很小，我國至今尚未投入產(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，在通過渣池時被電渣精煉，同時將輥芯包覆起來并與己經(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。在此過程中，借助抽錠裝置輥芯不斷的從結(jié)晶器中抽出，同時不斷澆入液態(tài)金屬，直到預(yù)定的長度為止。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間，防止芯部過多的熔化，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)合過程中鋼水分批或連續(xù)注入結(jié)晶器時，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時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)烈過熱和高溫下長時間保存都會導(dǎo)致合金元素和脫氧劑氧化加速。該過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)合乳輥是將乳輥做成幾個部件，用機(jī)械方法組合起來。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)層輥芯很難做到無縫接合，乳制過程中會導(dǎo)致乳輥受力不均而發(fā)生碎裂。
[0020]雖然國內(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，尚還未有一項工藝簡單、生產(chǎn)成本低、性能好的