CN104550799A

CN104550799A - 连续铸造辊和它的生产方法

Info

Publication number: CN104550799A
Application number: CN201410538243.0A
Authority: CN
Inventors: M.C.安德森
Original assignee: SKF AB
Current assignee: SKF AB
Priority date: 2013-10-28
Filing date: 2014-10-13
Publication date: 2015-04-29
Also published as: SE537382C2; SE1300673A1; EP2865768A2; EP2865768A3; RU2014139333A; BR102014024678A2; KR20150048640A

Abstract

本发明公开了一种用于在连续铸造机中支撑和输送热材料的连续浇铸辊(1)和用于生产这样的辊的方法。所述连续铸造辊(1)具有适合于支撑和输送热材料的支撑部分(2)。所述支撑部分(2)具有在轴向方向(A)和径向方向(R)上的延伸部并且包括低合金钢的中央部分(3)。所述中央部分(3)由多个层同轴地围住，所述层包括第一层(10)，其中所述第一层(10)包括奥氏体，以及具有至少一种陶瓷材料的第二层(20)。所述第一层(10)由所述第二层(20)同轴地围住。

Description

连续铸造辊和它的生产方法

技术领域

本公开涉及连续铸造辊，尤其涉及用于钢的连续铸造的连续铸造辊。它还涉及用于生产这种辊的方法。

背景技术

钢的连续铸造是钢坯由钢水被连续地铸造的过程。更特别地，钢水从桶被向下倾倒入漏斗中，钢水从漏斗被输送到水冷模具中(初级冷却)。然后钢水凝固成半成品坯，用于精轧机中的后续轧制。坯被连续地供给到多个辊线组件所形成的两个轨道之间，每一个包括一个或多个辊以及其它部分、例如密封件和轴承，从而进一步成形和冷却坯至铸造材料的最终厚度。以这种方式，坯立即被间隔很近的辊支撑。为了增加凝固率，辊线组件或辊，通常在内部被水冷并且在坯通过喷雾室的时候用大量水喷洒(二级冷却)。

在弧板铸造机中，坯竖直离开模具(或在靠近竖直的弯曲的路径上)进入股线(strand)顶段并且在它通过弯曲的股线时它以水平位置离开股线。钢的连续铸造是涉及到高温和大温度变化的费力过程。此外，坯或股线的水冷导致极其腐蚀性的环境。因此，辊线组件需要承受非常苛刻的状况，使得组件及其部件逐渐恶化。作为实例，由于腐蚀、疲劳和磨损，辊的材料可能恶化。最终，辊或整个辊线组件必须更换或维护，这种维护需要冗长且昂贵的连续铸造处理的中断期。

尤其会经受恶化的一个辊线组件部件是辊，因为它与高温钢坯直接接触。因此，辊是辊线组件总寿命中的重要且决定的因素。包覆焊接(weldcladding)是改善辊的腐蚀、磨损、高温和疲劳抗性的业界标准的方法。使用这种方法，低合金钢设置有表面覆层，例如包括不锈钢。包覆焊接被认为是复杂的过程。这种方法常常导致辊套表面具有不均一的微观结构并且因此具有不均一的机械特性。另外，很难用包覆焊接整修辊。

所期望的是，连续铸造辊应当是高性能的以及生产和整修简单且合算的。现有的连续铸造辊可在这些方面改善。

发明内容

本公开的目的是提供一种改进的或替代的连续铸造辊。尤其关注的方面包括连续铸造辊的性能，例如有关腐蚀、磨损、疲劳和高温抗性，及其生产的成本和简易度。

根据本发明的第一方面，提供一种用于在连续铸造机中支撑和输送热材料的连续浇铸辊。所述辊具有适合于支撑热材料的支撑部分，所述支撑部分具有在轴向方向和径向方向上的延伸部并且包括低合金钢的中央部分所述中央部分由多个层同轴地围住，其中所述第一层包括奥氏体、具有至少一种陶瓷材料的第二层，其中所述第一层由所述第二层同轴地围住。

简明起见，以下将用“辊”指代“连续铸造辊”。

具有上述结构的辊可以具有对腐蚀、磨损、疲劳和高温的高抗性。这会使辊总寿命增长而且维护成本降低。另外，辊可通过简单且合算的过程并且可从普遍可得且相对廉价、例如低合金钢的材料生产。

辊的分层结构可产生结合了不同材料的期望特性的辊。层可具有不同或相似的功能。例如，硬化奥氏体的第一层可改善辊的低支撑特性。辊对腐蚀、磨损和疲劳的抗性可通过至少具有一种陶瓷材料的第二层来加强。具有铁氧化物的第三层可增加辊对腐蚀和磨损的抗性。

如支撑部分的径向方向所见，扩散层可布置在中央部分和第一层之间，从而使得扩散层由第一层同轴地围住。中央部分由扩散层同轴地围住。由于从中央部分的材料到第一层的材料的纵深且连续的转变，这样的扩散层限定了载荷承载能力方面的基础。换言之，扩散层是辊的一部分，在这一部分中，关于增加固溶硬化和沉淀硬化的水平方面，辊逐渐从由中央部分的材料构成化为由第一层的材料构成。

辊可包括在任意两个连续的层之间的过渡区。这种过渡区表现出从其中一个层的材料到另外一个层的材料的转变。

所述中央部分包括重量少于5％的铬、重量少于4％的镍以及重量少于2％的钼。在性能和经济方面，具有这种成分的低合金钢特别适合本发明。

所述第一层包括硬化的奥氏体，它可以改进辊的性能。“硬化的奥氏体”指的是奥氏体经过硬化处理得到的材料。马氏体和贝氏体是这种材料的实例。所述第一层可包括马氏体或贝氏体其中一种。马氏体和贝氏体是可改进辊承受重载荷能力的硬材料。

第二层可由具有一种铁氧化物的第三层同轴地围住。第三层的提供可以改进辊的性能。第二层可包括ε相和γ’相的至少一种。例如，第二层可包括ε相Fe_2-3(C，N)和/或γ’相Fe₄(C，N)。第三层可包括铁氧化物磁铁矿(Fe₃O₄)。第三层可以是如径向方向所见的最外层。ε相、γ’相和磁铁矿的这种抗腐蚀、磨损、疲劳和高温特性使得包括这些化合物的层的提供可以改进辊承受连续铸造机内苛刻环境的能力。这种层通常靠近支撑部分的外表面设置，如径向方向上所见。

第三层可包括铁氧化物方铁矿(FeO)和/或赤铁矿(Fe₂O₃)。在第三层中不同的铁氧化物的相对量取决于辊生产的技术情况，例如生产温度。根据辊的一变体，在第三层中磁铁矿的量大于方铁矿和赤铁矿的量。在一些应用中，磁铁矿的一些特性、例如它的密度和粘附能力，使得这种材料特别适合构成辊的最外层。

表面硬化层总深度可以从大约50μm到大约1000μm，其中“表面硬化层总深度”指的是辊外表面和半径之间的径向距离，在半径处辊的硬度比中央部分材料的硬度大30HV。

辊线组件可包括至少一个上述的辊以及用于旋转辊的旋转装置。旋转装置和辊是操作连接的。辊可以形成为一体或者包括多个部件，例如操作地连接于辊套元件的轴。轴相对于辊套元件可旋转地布置或者不可旋转地布置。

根据本发明的第二方面，提出一种用于生产连续铸造辊的方法。该方法包括提供低合金钢工件的步骤，该工件在轴向方向和径向方向上具有延伸部。该方法还包括通过奥氏体氮碳共渗热处理工件，从而形成奥氏体层和化合物层。“奥氏体层”指的是包括奥氏体的层。扩散层通过热处理工件的步骤形成。

根据上述方法生产的辊可具有对腐蚀、磨损、疲劳和高温的高抗性，这可增加辊的总寿命并且减少维护成本。另外，通过相对廉价的低合金钢的使用，可减少生产成本，热处理可具有较短持续时间。注意到，通过这种方法，可以生产关于本发明第一方面的根据上述任何特征和效果的辊。特别地，在经历热处理步骤以后，工件可经过氧化步骤和硬化步骤，从而形成根据本发明第一方面所述的支撑部分。

化合物层可包括至少一种陶瓷材料。化合物层可包括ε相和γ’相的至少其中一种。ε相可以是ε相Fe_2-3(C，N)。γ’相可以是γ’相Fe₄(C，N)。第三层可包括铁氧化物磁铁矿(Fe₃O₄)。第三层可以是如径向方向所见的最外层。这些化合物可改进支撑部分抗腐蚀、磨损、疲劳和高温特性使并且通常靠近支撑部分的外表面设置，如径向方向上所见。

该方法可包括氧化被热处理的工件的步骤，从而形成铁氧化物层。该方法可包括硬化奥氏体层的步骤。通过“硬化奥氏体层”指的是该层的硬度增加的处理。包括这些步骤中的一个或两个可以产生具有改进的性能的辊。

铁氧化物层可形成支撑部分的外表面，如径向方向上所见。铁氧化物可包括磁铁矿(Fe₃O₄)。磁铁矿可具有某些特性，例如高密度和粘附能力，能够帮助改善支撑部分的抗磨损性能。铁氧化物层可包括方铁矿(FeO)和/或赤铁矿(Fe₂O₃)。在铁氧化物层中不同的铁氧化物的相对量例如取决于在氧化过程中使用的温度和空气。在一些应用中，铁氧化物层优选地可包括比方铁矿和赤铁矿更多的磁铁矿。

奥氏体层可通过马氏体硬化而被硬化。“马氏体硬化”指的是奥氏体至少局部转变成马氏体的处理。可替代地，奥氏体层可通过贝氏体硬化而被硬化。“贝氏体硬化”指的是奥氏体至少局部转变成贝氏体的处理。因此，奥氏体层的硬化可形成包括马氏体和贝氏体的其中一种的层。马氏体和贝氏体是硬材料，并且包括这种层(该层包括任何这些材料)的辊能够承受重载荷。

附图说明

从以下详细描述和附图，本发明的各个方面、包括其独特的特征和优势将更加容易理解，其中：

图1是辊的表示其内部分层结构的横截面透视图；

图2是用于生产辊的方法的其中一些步骤的流程图；以及

图3是辊线组件的其中一些部件的示意透视图。

附图并非是按比例绘制的。如图所示，为说明起见，层和区的大小被夸大，并且由此图示了本发明实施方式的大体结构。

具体实施方式

现将参考附图更全面地描述本发明，其中示出了本发明示例性的实施方式。但是，本发明可实施为不同的形式并且不应解释为限于在此阐述的实施方式；而是，提供这些实施方式是为了完全性与完备性。在整个说明书中，相同的附图标记指代相同的元件。

图1示出连续铸造辊1的支撑部分2，用于支撑和输送连续铸造机中的热的被浇铸材料、例如钢。支撑部分2具有大致圆柱体的形状并且限定轴向方向A和径向方向R。支撑部分2的两个轴向端部部分2a、2b可配置成实现辊1和例如支撑结构或轴承之间的操作接合。为此，两个轴向端部部分2a、2b可呈现出突出和/或下陷。支撑部分2可设计为没有任何通孔、如图1所示，或者可设置有用于接收轴的、在轴向方向A上的通孔(未示出)。如径向方向R上所见，这样的通孔可围绕支撑部分2的中心圆环形地延伸。换种方式说，支撑部分2可设置有圆心在支撑部分2的中央轴线上的直的圆形通孔。支撑部分2具有轴向长度l和直径d。轴向长度l例如可以从大约100mm到大约1500mm。直径d例如可以从大约100mm到大约400mm。

支撑部分2包括由低合金钢形成的中央部分3。如径向方向R上所见，中央部分3由顺序布置的多个层同轴地围住。每层具有径向方向R和轴向方向A上的延伸部。如径向方向R上所见，层的厚度在轴向方向上不同。

中央部分3由第一层10围住。扩散层40可布置在中央部分3和第一层10之间从而使得中央部分3由扩散层40同轴地围住，反过来，扩散层40由第一层10同轴地围住。扩散层40限定从中央部分3的材料至第一层10的材料的过渡区，如径向方向R上所示。扩散层40可以是辊1的一部分，其中辊1的成分从包括大约0.1％重量的氮到包括大约3％重量的氮变化。扩散层40可以是辊1的一部分，辊1的成分从包括大约0.1％重量的碳到包括大约3％重量的碳变化。扩散层40可以是辊1的一部分，辊1的成分从包括大约0.1％重量的氮加上碳到包括大约3％重量的氮加上碳变化。扩散层40可以是辊1的一部分，扩散层40布置在第一层10和辊1的一部分之间，该部分的硬度比中央部分3的硬度大大约30HV。扩散层40的厚度r₄₀可以从大约50μm到大约800μm。在图1中，第一层10包括硬化的马氏体，例如马氏体或贝氏体。注意到，这样的层可以包括马氏体，例如未被硬化处理影响残余的马氏体。第一层10的厚度r₁₀可以从大约0.5μm到大约100μm。第一层10可具有直至大约5％重量的含氮量。第一层10可具有直至大约5％重量的含碳量。第一层10可具有直至大约5％重量的氮加上碳含量。第一层10由第二层20同轴地围住。因此，如径向方向R上所见，第一层10布置在扩散层40和第二层20之间。第二层20可具有从大约5μm到大约35μm的厚度r₂₀。第二层20可具有在5-12％重量范围内的含氮量。第二层20可具有在5-12％重量范围内的含碳量。第二层20包括至少一种陶瓷材料，例如ε相Fe_2-3(C，N)和/或γ’相Fe₄(C，N)。

第二层20可以由第三层30同轴地围住，第三层20至少具有一种铁氧化物，例如磁铁矿(Fe₃O₄)、方铁矿(FeO)和/或赤铁矿(Fe₂O₃)。因此，如径向方向R上所见，第二层20布置在第一层10和第三层30之间。如径向方向R上可见，第三层30可形成支撑部分2的外表面2c。第三层30可具有从大约0.5μm到大约3μm的厚度r₃₀。

在任两个径向连续的层之间，可以有过度区，其中，如径向方向R上所见，支撑部分的材料从一个层的材料到另一个层的材料变化。

图2是用于生产根据本发明所述的连续铸造辊1的方法的其中一些步骤的流程图。许多方法步骤在生产辊1时被涉及到，它们可能影响成品在抗腐蚀、磨损、疲劳和高温方面的特性。在步骤S1中，提供低合金钢的工件。工件在径向方向R和轴向方向A上具有延伸部。工件具有轴向长度l，可以从大约100mm到大约1500mm，并且具有直径d，其可以从大约100mm到大约400mm。

在步骤S2中，工件通过奥氏体氮碳共渗被热处理。奥氏体氮碳共渗处理的处理媒介可以从包括气体、液体或等离子体的群体中选择。奥氏体氮碳共渗处理的处理媒介包括作为活性元素的氮和碳。奥氏体氮碳共渗被认为是是技术人员周知的，因此无需进一步描述。

由于奥氏体氮碳共渗处理，形成奥氏体层和化合物层。典型地，扩散层也形成。化合物层包括至少一种陶瓷材料，例如ε相Fe_2-3(C，N)和/或γ’相Fe₄(C，N)。每一个化合物层和奥氏体层具有径向方向R和轴向方向A上的延伸部，并且这些层被布置成使得化合物层同轴地围住奥氏体层。奥氏体层同轴地围住扩散层。因此，在径向方向R上所见，奥氏体层布置在扩散层和化合物层之间。

所述方法可以包括步骤S3，其中被热处理的工件被氧化。在此处理过程中，水、空气或笑气(N₂O)可被用作氧源。氧化导致包括至少一种铁氧化物的铁氧化物层的形成。磁铁矿(Fe₃O₄)、方铁矿(FeO)和赤铁矿(Fe₂O₃)，或者它们的任何组合可以形成部分铁氧化物层。

所述方法可包括步骤S4，其中奥氏体层被硬化。奥氏体层的硬化可通过马氏体硬化实现，马氏体硬化将奥氏体转化成马氏体。这种处理涉及奥氏体至马氏体的相位转化。注意到，在马氏体硬化之后，可能留存有奥氏体的残余。马氏体硬化可通过从奥氏体温度区至极低温度的淬火(急速冷却)来实现。因为用在奥氏体氮碳共渗处理中的高水平的氮，马氏体起始温度(即，奥氏体开始转化成马氏体的温度)处在室温以下。由于急速冷却，非扩散剪切变形过程发生并且奥氏体转化成用碳和/或氮过饱和的、高应变形态的铁素体。这种剪切变形过程可产生包括伸长的晶粒(板条)的微观结构，其可以是大约0.5μm宽，并且具有非常高的位错密度，可能导致直至750HV(61HRC)的硬度。

可替代地，在步骤S4中奥氏体层的硬度可以通过将奥氏体转化成贝氏体的贝氏体硬化来实现。该过程涉及奥氏体到贝氏体的相变。注意到，在贝氏体硬化之后可能留存有奥氏体残余。贝氏体硬化典型地是回火处理，其在250-400℃的范围内进行并且使得奥氏体分解成较低的贝氏体结果。新的微观结构可包括具有渗碳体(γ’)颗粒沉淀在板中的细铁素体(α)板。这些铁素体板可以有大约0.2μm宽和10μm长，通常也由渗碳体颗粒隔开。这种细微观结构可导致直至大约1000HV(69HRC)的硬度。

在图2中，氧化热处理的工件的步骤，步骤S3，发生在硬化奥氏体层的步骤，步骤S4，之前。但是，硬化奥氏体层的步骤，步骤S4，可以发生在氧化热处理的工件的步骤，步骤S3，之前。

在进行过热处理步骤之后，工件可以进行氧化步骤和硬化步骤，形成如图1所述的支撑部分2。这样，通过上述方法，可以生产具有支撑部分2的辊1，支撑部分2在轴向方向A和径向方向R上具有延伸部并且具有低合金钢的中央部分3，该中央部分3由多个层同轴地围住。每一层在径向方向R和轴向方向A上具有延伸部。如径向方向R上所见，在轴向方向A上轴的厚度可不同。层可以包括以硬化奥氏体层形式的第一层10。第一层10由第二层20同轴地围住，第二层20以化合物层的形式并且包括至少一种陶瓷材料。第二层20可以第三层30同轴地围住，第三层以铁氧化物层的形式并且包括至少一种铁氧化物。因此，如径向方向R上所见，第二层20布置在第一层10和第三层30之间。如径向方向R上所见，第三层30可形成支撑部分2的外表面2c。中央部分3是支撑部分2径向最里面的部分。中央部分3可由扩散层40围住，反过来，扩散层40由第一层10同轴地围住。因此，如径向方向R上所见，扩散层40布置在中央部分3和第一层10之间。在扩散层40内，如径向方向R上所见，从中央部分3的材料到第一层10的材料、支撑部分2的成分不同。表面总硬化深度(即，受到步骤S2到S4影响的材料在径向方向R上的深度)可以从大约50μm到大约1000μm。

注意到，辊1可包括在任两个连续的层之间的过渡区。这样的过渡区表示从其中一个层的材料到另一个层的材料的转变。

图3示出辊线组件4，包括布置在轴向方向A上的两个连续铸造辊1。辊1具有支撑部分2。以轴承5形式的旋转装置5可通过支撑部分2的端部区2a、2b布置从而实现支撑部分2的轴向旋转。每个轴承5可由支座6封装起来，支座6可以具有基部部分6a。基部部分6可适合于安装在外部结构7上。辊线组件4还可包括一个或多个密封元件(未示出)，例如用来保护轴承5不受高温坯损坏。辊1可形成为一体。可替代地，辊1可包括多个部件，例如操作地连接于辊套元件的轴。轴可能是可旋转的或不可旋转的。

在操作期间，辊1安装在辊线组件4中。辊1绕轴向方向A上的轴线旋转，由此材料(例如高温钢)由支撑部分2支撑并且沿着实质上垂直于轴向方向A的方向输送。

由于本发明，提供了一种可以具有高度抗腐蚀、磨损、疲劳和高温的辊1。这会使辊1总寿命增长以及维护成本降低。另外，辊1可通过简单并且有成本效益的过程生产并且由普遍可得而且相对低廉的材料、例如低合金钢生产。

此外，从对附图、公开以及所附权利要求的学习，技术人员在实施本发明时可以理解并且实现所公开的实施方式的变体。在权利要求中，词语“包括”并不排除其它元件和步骤，而不定冠词“一”或“一个”并不排除复数。某些测量值在彼此不同的从属权利要求中被提到的仅有事实并不意味着不能使用这些所测得的值的组合从而产生更好的效果。

附图标记

A 轴向方向

B 径向方向

1 辊

2 支撑部分

2a、2b 辊的轴向端部

2c 支撑部分的外表面

3 中央部分

4 辊线组件

5 轴承

6 支座

6a 支座的基部部分

7 外部结构

10 第一层

20 第二层

30 第三层

40 扩散层

r10 第一层的厚度

r20 第二层的厚度

r30 第三层的厚度

r40 扩散层的厚度

l 支撑部分的长度

d 支撑部分的直径

Claims

1.一种用于在连续铸造机中支撑和输送热材料的连续浇铸辊(1)，

所述辊(1)具有适合于支撑热材料的支撑部分(2)，所述支撑部分(2)具有在轴向方向(A)和径向方向(R)上的延伸部并且包括低合金钢的中央部分(3)，

其中所述中央部分(3)由多个层同轴地围住，所述层包括第一层(10)，其中所述第一层(10)包括奥氏体；以及至少一种陶瓷材料的第二层(20)，其中所述第一层(10)由所述第二层(20)同轴地围住。

2.根据权利要求1所述的辊(1)，其中所述多个层包括由所述第一层(10)同轴地围住的扩散层(40)。

3.根据权利要求1或2所述的辊(1)，其中所述中央部分(3)包括重量少于5％的铬、重量少于4％的镍以及重量少于2％的钼。

4.根据前述权利要求的任一项所述的辊(1)，其中所述第二层(20)包括ε相和γ’相中的至少一种。

5.根据前述权利要求的任一项所述的辊(1)，其中所述第一层(10)包括硬化的奥氏体。

6.根据权利要求5所述的辊(1)，其中所述第一层(10)包括马氏体或贝氏体之一。

7.根据前述权利要求的任一项所述的辊(1)，其中所述多个层包括至少一种铁氧化物的第三层(30)，其中所述第二层(20)由所述第三层(30)同轴地围住。

8.根据权利要求7所述的辊(1)，其中所述第三层(30)包括磁铁矿。

9.根据权利要求7或8所述的辊(1)，其中，如径向方向(R)上所见的，所述第三层(30)是所述支撑部分(2)的最外层。

10.根据前述权利要求的任一项所述的辊(1)，其中表面硬化层总深度从大约50μm到大约1000μm。

11.一种辊线组件(4)，包括：

用于使辊(1)旋转的一个或更多个旋转装置，和

根据前述权利要求任一项所述的一个或更多个辊(1)，所述一个或更多个辊(1)可操作地连接于所述一个或更多个旋转装置(5)。

12.一种用于生产连续铸造辊(1)的方法，所述方法包括以下步骤：

提供低合金钢的工件，该工件具有在轴向方向(A)和径向方向(R)上的延伸部，以及

通过奥氏体氮碳共渗来热处理所述工件，从而形成奥氏体层和化合物层。

13.根据权利要求12所述的方法，其中扩散层(40)由热处理所述工件的步骤形成。

14.根据权利要求12或13所述的方法，其中所述方法包括氧化被热处理的工件的步骤，从而形成铁氧化层。

15.根据权利要求12至14的任一项所述的方法，其中所述方法包括硬化所述奥氏体层的步骤。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述硬化奥氏体层的步骤是马氏体硬化步骤。

17.根据权利要求15所述的方法，其中所述硬化马氏体层的步骤是贝氏体硬化步骤。