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1991-02-运用CPC工艺研制的高强度轧辊

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I 9 年 第 2期 91









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运 用C C 艺研 制的高 强 度轧辊 P工
( ) 本光生 日 桥 等

【 摘要 】 随 着轧 制 技 术 的 不断 发展 , 求 有 与 之 相适 应 的 高质 量 轧 辊 , 要 因此运 用
新 工 艺CP 连 续 浇 锌 复合 工 艺 ) 发 了一 种 韧 性 和耐 磨 性 极 高 的新 轧 辊. 本工 艺是 C( 开 在 固 态芯 部 材 质周 围连 续 浇 铸耐 磨 外层 材 料 , 造 这 种 复 合材 料 容 易连 到 ( ) 部 的 制 1芯 强 韧化 , ( ) 2 外层 的 高合 金 化 . 本 文 简述 新 日钦 设 备 事 业 部 轧 辊厂 所 采 用的 设 备, 新 技 术和 新 轧 辊 的特 点.

新 日铁 室兰 钢 厂等 已报导 过 以下 成果 , 即 甩


,





减 小 辊 径 来 减 少 转 动力 距 以 节省 能 源 , 并 且 对 减 少 边 缘 缺 陷极 为 有 效 . 但 由 于 辊 径 减 小 , 轧 辊 的 负荷 ,接 触 应 力 频 率 , 弯 曲应力

* 几 年 , 轧 钢 技术 取 得 惊人 的 进步 , 可 以预 料 , 提 高 轧 制 产 品质 量 和 追 求 最 佳 经 济 效 益 今 后 将 会 作 为 重要 课 题 而 迅 速 开 展 . 在轧 制 中 轧辊 的 工 作 条 件 非 常 苛 刻 , 要 求 轧 辊 硬 度 高 , 耐 表 面粗 糙 度 好 . 因 此 积 极

和 转速都要 增大, 作为现代 轧辊 制造方法 的 主流—— 离心 铸造法是很难适应 的 . 至 于 减 少 机架 数 , 在 热 轧 板 带 设备 制 造
中, 目标 是 减少 1甚 至 2个 机 架 , 并 由于 薄 板 连 铸 的开 发 , 能 够 进 行 直 接轧 制 .人 们 已

推 进离心铸造法 开发复合及新材 质轧辊 来满 足 提 高质 量 的 要 求 然而, 在 以辊径 尽可能小型 化为代表 的 最 新 轧 制 技 术 中, 轧 辊 的 使 用 条 件 更 加 苛 捌,提 高耐磨性和 强韧 性并 二者兼备 已成 为
不 可缺少 的必要条件 了. 本 文 为 适 应 新 形 势 需 要 , 主 要 介 绍 采用
r

了解 这种新的轧 制方 法 轧辊 的使用条 件 即
力 学 和 热 负荷 增加 这 一 点 , 被 人 们 所 熟悉 . 正

三 ,轧 辊 的 制造 和材 质
图2 表示轧辊 的翩造方 法与材 质的变 化

CPC法 来 开 发 高 强度 轧 辊 .

过 程.乳 辊 的制造方 法, 最初是 靠提高 辊身
冷 却 能 力 的 单 一材 质 ,采 用 静 态 铸 造 方 法 . 以后 , 又 以制 造 既 重 要 又 相 反 的 特 性 —— 耐 磨性 和 强韧 性 的 复 合轧 辊 为 目的 , 采 用 溢 流 铸 造 法 制造 轧 辊 . 再 后 来 ,又 采 用 离 心 铸 造 法 , 极 大 地 改进 了溢 流法 收 得 率 低 的 缺 点 .

二 , 最 * 的 轧 制 动 向
从轧 辊 的 角 度分 析 , 在 技 术 进 步显 著 的 : 轧 板带 领 域 内, 轧 制 技 术 的 发 展 和轧 辊 使 热

用 条件 的变化如 图 l .轧 辊的使用 条件越来 越严 酷,辊 身和轴郑 的栽荷也逐 渐增大 .* : 来,最引人 注 目的技术有 以下二点 ;
( )辊 径 减 小 ' 1 ( )机 架 减 少 和 自 由轧 制 . 2

同时 由于离 心力 加压 铸造,提 高 了 表 面 质 量 这样一 来, 离心铸造法 目前 已被广 采
用 . 外 , 然 锻 造 法 不能 锻 造 耐磨 性 优 良的 另 虽 高 碳 钢 , 如 YNT( 高 碳 锻 钢 ) 辊 , 超 轧 但是 可

限制在热轧 工作辊上使用 .

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19 年 第 2期 91

董 童控 捌


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图 I 随 着轧 制技 术 的进 步, 轧 辊 女荷 的 变化

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应 用 的进 程 .

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* ( ' — 盘Y —

轧 辊 的材 质 大 致 可 分 为 铸 铁 , 铸 钢 和 舟 予 两 者 之 间 的 超 高 碳 钢 .根 据 使 用 条 件 选 择 应 用 , 通 过 台 金 比和 特 殊 热 处 理 工 艺 加 以完

制造

击CPC: 蝴 台工 艺 . ~壤 浇讳夏 癣
HI: 静压击 P热 .

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玲 旃 球量 性— — — 硬 帙一 l * — L 一

善 .从 最*的发展形势来 看, 耐磨性 良 的 好 高铬系列材质的应用 正在 迅速扩大,复 合轧 辊 芯部 材 质 的 铸 铁 系 列 , 采 用 强 韧性 最 好 的
球 墨铸 铁 已是 热 门 话 题 . 高 铬 铸 铁 辊 在 八 幡 厂 热 轧 车 间 的NH 轧 机 上 采 用 . 赫 兹 交变 接 触 应 力 增 大 到 2 0 4 M P 仍 可使 用 ,现 在 基 本 上 改 变 了在 热 轧 精 a 轧 前 段 使 用 超 高 碳 铸 钢 轧辊 的 状 况 .并 且 在 粗 轧 机 上 栗用 低破 型 高 铬铸 铁 , 精 轧 中段 也 采 用 了 改 进 了的 石 墨 结 晶材 质 . 另 一 方 面, 用 离 心 铸 造 的 复 台 轧 辊 芯 部 材 质 原 来是 片 状 石 墨铸 铁, 但 由 于 轧 辊 弯 曲 , 使 应 力 增 大 . 针对 这 种 情 岛 栗用 球 墨铸 铁, 但现 在 还 不 能 说 复 合 轧 辊 已尽 善 尽 美 . 最 * , 引人 注 目的 是 工 具 钢 系 列 材 质 .

材:: 婀 蒿篱 质. … 高 (超碳 ' 话~ …
l ( 二 戳 遁 趋 ^慑 斜 — —

- 音盘 -i 锛造I

I

围 2 轧 辊 的 制 造 及 材 质 的 变化 过 程

最 * , 引人 注 目的 制 造 方 法是 本 文 介 绍

的CP C法 与 ES 等 的 特 殊 堆 焊 法 以 及 以 R HI R为 代表 的 粉 末 冶金 法 . 这 些 方 法 均 以钢 系 列 作 芯 部 材 质 比较 容 易复 合 ,是 同 时 提 高 耐 磨 性 和 强 韧 性 的 理 想方 法 . 以前 , 这 种 制 造 法 因费 用 高 , 曾 阻碍 了实 际 应 用 . 而 现 在 , 外 层 材 质 性 能 的 迅 速 提高 , 加 快 了实 际

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并 确 认 通 过 前 面所 说 的 新 工 艺及 其 相 互 配 合 所 创 造 的 轧 辊 ,在 实 际轧 制 中 已取 得 了 良好

的 耐磨性,这种 轧辊正是 所 期望的创新型 的
高 性 能 轧 辊 . 图 3 示 了轧 辊 材 质 的 抗 拉 强 表 度 和硬度 .






垩 } 枷, 二
图 4 CPC 工 艺 概 要 圈
O n5 )O I i 2 25 3 35

吉 碟 量 ,%

碍 非 金 属 夹 杂 物 的 混 入 . 再者 , 可 获 得 比整

圆 3 轧 辊材 质 的抗 拉 强 度 和 硬 度

体 轧辊凝 固速度 快而 致密 的组 织.又由于基 本上是 静态浇铸,最* 采用 的高碳 系列工县 钢 材质的熔 液和 比重不 同的初 晶碳化物不会 发生 偏析, 因而使 制造成 为 可髂.就这- 而 ' r ·
言, 在 离 心铸 造 时 由 于 离 心 力 , 比 重 较 轻 的 初 晶碳化物 向内层 偏析, 因而 制造 困难
4 2 设 备 概 要 ·

四 , 用 CP C法 研 制 轧 辊
4 I 工艺 概 要 ·

图 4 示的是 C C工艺的概况.往垂直 所 P 竖 立 的固态芯部材 料和水 冷却模具 的间隙注 入 钢液 ,芯部材 料边 熔台边凝 固,并从 下部 以 间 歇方 式 抽 出制 成 复 台 轧 辊 .为 了使 这 时 舶 芯 部材 料 能 完 全 和 钢液 熔 台 , 采 用 高 频 感
应 加 热 向芯 部 材 料 和 钢 液 供 热 . 该 工 艺的 晟 大 特 点 有 以 下 2点 ; 1 芯 部 材 料 能 运 用 强 韧 性 高 的 钢 系 材 .
料}

CPC系 统 大 致 上 由 四部 分 设 备 构 成 .表 l所 示的 是 机 械 设 备 事 业 部 设 备的 主 要 规 格 和 能 力 .CPC的 拉 出 速 度 较 小 ,所 以铸 造 ~ 根 轧 辊 需一 定 时 间 . 为 确 保 质 量 的 稳 定 , 要

求每 个设 备都 要 可靠.



CP C设 备 的 能 力 和 基 本 方 法
能力和方法 I 特 征

2 .容 易 做 到 外 层 的 高 台 金 化 .

目 I

为 了使固态芯部 材料 周嗣的熔 液凝 固,
希 望 先 凝 固 了 的 芯部 材 质是 高 熔 点 材 质 , 一 般 含 碳 量 低 的 钢 系 材 料 容 易 操 作 , 因 此 容 易 获 得 强 韧 化 .另 外 ,相 对 地 从 下 部 向上 部 进 行 凝 固, 所 以容 易 向凝 固 界 面 供 给 钢 液 , 从 能 够 防止 因 高台 金 化 带 来 的 缩 孔 等 缺 陷 .

设 备 外层 长 外层厚 能 力 辊 全 长
基术 浇注 包 , (
单 重 熔化 炉

娃 S O n O mt 最 1 u m Dr u 最 大 5 0 mm D
傲 1 5

可用 于 国内热 轧精 轧 辊
采 用 可 控 硅 整 谎 器 交

(o k ) ao g

感直 J 加热

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换 方式 的高频 感应 加

加热J 碗热

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热妒 国用蛙大抚捷 哩

方法 出 涟鹰 3 LD m ( 的 曲 ~ 'mn, 常 L
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并 且因凝固点浸 溃在 浇铸槽 内,所 以容 易阻

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( ) 熔 化 炉 和 浇 钢 包 1

1 9 年第 2 91 期
裂 , 因 此 要 求 抽 出速 度 必 须 与 横 具 的 冷 却 能 力 相适 应.

高 台 金 的 钢 液 在 高频 感 应炉 中持 续 时 间
长 .为 了保 持 高 温 , 熔 化 炉 和 浇 钢 包要 求 寿 命 长 和 对 钢 渡 温度 的 控 制 好 .浇 锕 包 要 求 实

现 少 量 和 定 量 的 浇 铸 , 要 对 抽 出操 作 与 结 晶
槽 内钢 液 高度 以 及 包 括 熔 化 炉 的 容 积 进 行 控 制 j 因而 熔 化炉 和 浇钢 包 采用 自 动 浇 铸 系 统. 《 )感 应 加 热 装置 2

感 应 加 热装 置是 由外 层 钢 液 加强 装 置 和

对 芯部 材料 加热到设定温度的 强 热 装 置 组 成 .加 热 和 预 热 都采 用 可 控 硅 整 流 内交 换 方
式 的 高 频 感 应 加 热 .加 热 装 置 的频 率 很 高 , 此 设备 是 日本规 模 最 大 的 设 备 .

照 片 1铸 造 后 的 毛坯 表 面

( ) 完奎熔舍和控 制芯部村料 的焊接 蛙 2
连 度

另外 ,预热和 加热装置 均可调节频率 .
( ) 升 降 装 置 3

在 轧翎中使用 的复合轧辊 的结合层 必需 是 完全且 致密 的冶金熔合 .也就是说 ,在界 面的某 些部 位存在着未 熔 台和 微小 缺陷, 强 度 欠佳 时, 在使用过 程中会 产生外 层剥 落事 故 .另外为 了使 界面完全熔 台,就要 使芯材
部 分 熔 损 , 但如 果 熔 损量 过 大 , 外 层 材 料 会

在 铸 造 中, 为 了使 升 降装 置 以一 定 的 低

速间 断下 降,必须高精度而 稳定 的下 降和上 升 , 降能力 最 大为 2 t 升 0 .升 降速度 和抽 出间 距 可 自由选择 .芯 部材辩 是立式 的, 它是 由 * 台上芯 轴抽 出装 置 以1 0 度方 向二段 导板 2.
来支承 .
( ) 冷却 模 具 4

被 熔损的芯撇 分 稀释,影 响材料的 蛙能, 因此要控制一定 的熔损量 .
( ) 防 止铸 遣 中的 外 层 裂缝 3

冷却模 具设置 在存放 外层 钢液 的结 晶槽 下部 以使 钢液凝 固.在促进 与钢液相 接触的 模 具 内表 面 冷 却 凝 固 的 同时 , 为 了 起 到 和 凝 固壳之 间的润滑作用,安装 了石 墨环 . 以 上是 4部分 主 要 设 备 , 辅 助 设 备方 面
添置 些 凝 固后 的外 层保 温 , 热 处 理 工 序 . 4 3 工 艺 开 发 · 在 采 厢 CPC 法 制造 轧辊 的 过 程 中, 由 方

轧辊 的材质在 高碳锕 中因台金含 量高而 裂 缝 敏 感 性 强 特 别 是 采 用 CP C法 时, 由 于 要化费很 长时间在 固态芯 部 材料的 周 围堆埠 外层材料, 因而铸造初 期铸造部 分 随着过分 玲 却而 收缩,发生外 层剽 落现象.因此,铸 造 中和铸造后的热处 理很重要 另外 , 在凝 固外壳 尚未完全形成情 况下,周 围方 向会 产 生 热 裂 纹 . 为 了 使 凝 固 外 壳 稳 定 生 成 , 减少 与石 墨环 的磨 擦,定心 精度 很重要 .
( ) 热 处 理 技 术 4

于解 决了若 干个工 艺上的难题,从 而* 了 发展 . 以下 介 绍 主 要 难题 .
( ) 冷 却 模 具 内的 疑 固 1

C C P 法有个很 重要 优点,可在 内层使 用
调 质 钢 .但 是 由 于 这 种 钢 在 低温 变 形 区 的 变

外 层 必 需在 冷 却 模 具 内 很 短 的 石 墨 部 位 上 凝 固 照 片 显 示 的是 轧 辊 铸 造 后 的外 观 , 正 常 的 和 被 称 为 重 皮 的 缺 陷 . 这 种 缺 陷 是 由 于 凝 圃 壳 有 一 些 断 开部 分, 从 断开 部 分 的 间 隙 渗 出 残 余 锕 渡 , 就 在 这 个 部 位 形 成 了碳 的 正 偏 析 J 而 且一 旦 这 种 现 象 加 剧 ,会 发 生 断

形膨胀 ,如不充分 考虑 与外 层变 形特 点来 逢 择热 处理条件,就会 产 生裂 纹等缺 陷.因此 要 进 行应力 摸 拟试验 ,从材料 机械性能 帮应 力形成 这 两个方面 寻求最 佳条件确定热处 理
制度

解 决 了上 述 问 题 , 轧 辊 的制 造 方 案 就 礁

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报 评 定. 照 片 3是 断 面 的 宏 观 组 织 ,照 片 4是 界

定 了. -

4 4树 质 开 发 · 利用 C PC 具 有 能 使 外 层 易 高 合 金 化 的
特 点 , 开 发 超 耐 磨 型 工 具 钢 系 列 的 轧 辊 材 质 . 照 片 2为 本 方 法 制成 的 工 具 钢 轧 辊 与 以 前 轧 辊 的 外 层 显微 组 织 的 比 较 该 显 微 组 织

面 处的 显 傲 组 织 . 从 照 片 可 看 出 冶 金 熔 合眈 ,
质量很 高 .

^ J 越 啦 ^巴

由细 小 的 初 晶 MC( 要 是 VC) 主 ,分 布 在 致 密 晶 粒 边 界 上 的 M. , 回火 马 氏 体 以及 下 贝氏 C 体 基 体 组 织 组 成 . 碳 化 物 与 以前 材 质 的 共 晶 渗 碳体 和 铬 碳化 物 比 较 显 得 更 致 密 而 且 更
硬.


照 片 2轧 辊 材 盾 的 显 微 组

另外, 在这种材质 中添加M. r C 等合金元 素是 为 了如 图 5 示在 高温状态下, 具有弥 所 散 硬 化 的 作用 , 则 使 在 高温 时 也 能 保 持 高 硬
度 .因 此 这 种 性 能 对 于 辊 表 面 温 度 上 升 到 6 O 7 o 的热 轧 板 带 轧 制 显 得非 常 重 要 . O ~ 0℃ 另外 由 于 添 加 了 Co 在 基 体 组 织 中 Co处 ,

照 片 4交界 部 位 的 显 微 组 织

于 优先分 布,从而 提高高温 强度 和 高 温 硬 度 , 特 别 是 对 改 善 耐磨 性 有 显 著 效 果 .

一i
性 特: ( ) 耐 磨 性 在 5倍 以上 I I ( ) 强 韧 性 在 2倍 以上 I 2
图 5 轧辊 的 高温 硬 度

照 片 5 热 轧 精 轧 辊 的 表 面

表 2 根 据轧 制 结 果 进 行 质 量 评 价 ,是 是

表 示 CP 法 与代 表 现 代 轧 辊 的 离 心 铸 造 高 C 台 金 无 限冷 硬 铸 铁 轧 辊 的 比 较 .确 认 有 以下

( ) 抗 粗 糙 在 4倍 以上 . 3 围 6表 示对 应 精 轧 机 上 轧 制 压 力 的 轧 辊

● 5 轧 辊 质量 ·

在 CP 法 中, 立 了工具钢 材质 的制造 C 确 技 术, 井 对 使 用 轧 辊 的 全 面 质 量 进 行 了使 用

磨 损可看出磨 损非常少 .另外还显 著地 提高 了 抗 弯 强度 . 室 兰 制 铁 厂 已证 实 在极 小 辊径

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3 0 裹2
村 铷 遣 法 c 质 耐 磨 性 表 面{I 度 l毽 Ra m ) ( 高售 金无 限冷砸 铸铁 球墨 铸铣 离 心铸 造 5 铸 铣 铬 球 墨铸 铣 CP C T 具 钢 台金 锻钢 l 20 度 弯 曲强 地

19 年 第 2期 91 各 种 轧 辊 的 质 量 比 较
强 20 0 韧 性

抗 拉 强 度 ( 壕 , 芯 材) 外 40 0 6 0 0 @o o l o ( P : o o M a 申 是4 0 6 o5 o 卜 0 ~ o( o) 芯 材 1 0 . 0 3 0 5 ~ ' (5 ) 0
外 层 70 9 0 8 0 0~ O (0 )

15

芯 材 40 6 0 4 o 0~ 0 (5) 5 ≤ 1
.

B ≤

外星 钟0 9 0B0 ~ 口( 0) 芯材 8 0 (o ) 0 4 9 o

H0 1

垦 塑.
古盘 锻钢

5 ≤

o5 .

22 ≤

外层10≤(0 00 1∞)
芯 材 80 (s ) 0≤ ao

'抗 弯曲强度 比是 采用 代表抗拉 强度( 括号 内数字 ) ,内 心边 界为 辊径 的0副 . 音计算 的 .

制量 .

五 ,结 束 语
根据 最*的 技术 动 向,介绍 了用C C P 法 工 艺 研 制新 轧 辊 . 根 据本 工 艺 可 以实 现
()芯部材质的 强韧性I 1
线 荷 重 x转 莉 鼓 ( 0 mm ) 1 /

图 6 热 轧 精 轧 轧 辊 的 磨 损

( )外 层 材料 容 易 高 合金 化 , 制 出 高 强 2 韧 性 , 耐磨 性 的 复 合轧 辊 .因 此 确 信 , 随 着 轧 制 技术 的 进 步 , 能 够 充 分 适 应 轧 辊 质 量 的
高要求 .

的 水*方 向有2 5 m的挠度.照片 5 示轧 .r a 呈
制 后 , 辊 面 耀 眼 的 金 属 光 泽 .表 面 粗糙 度 极 小 .象 这种 CP C轧 辊 不 仅 有 特 殊 的高 性 能 ,
而 且 价 格便 宜 . 另 外, 由 于 艮 好的 耐 磨 性 提

并 且 本 工 艺 可 在 各 种 复 合 材 料 上 运用 , 这 就 有 效 地 推 动 了 新 品种 的发 展 . 沈 一 鸣译 自《 铁 研 究 > 9 0 19, 金冒珍 校 38 3

高 了轧 制产 品厚 度 的 精度 , 可 以实 现 所 期 望
·

获得 的 自由轧 制, 还可 以实现增 加单辊 的轧



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