CN105618485A

CN105618485A - 热轧无缝钢管定径机或减径机复合粒子强化轧辊及制备方法

Info

Publication number: CN105618485A
Application number: CN201610066569.7A
Authority: CN
Inventors: 袁厚之; 张凝; 刘行一; 王平
Original assignee: SHANDONG PROVINCE SIFANG TECHNICAL DEVELOPMENT Co Ltd
Current assignee: Shandong Sifang Steel Pipe Equipment Manufacturing Co., Ltd.
Priority date: 2016-01-29
Filing date: 2016-01-29
Publication date: 2016-06-01
Anticipated expiration: 2036-01-29
Also published as: CN105618485B

Abstract

本发明公开了一种热轧无缝钢管定径机或减径机复合粒子强化轧辊及其制备方法，其中，复合粒子由强化粒子，活性湿润剂，基体强化剂组成；通过对球墨铸铁基体金属熔体的强化后，铸造出复合粒子强化定径机或减径机轧辊，通过对轧辊进行等温淬火和加工，得到高强度，高韧性的复合粒子强化轧辊；本发明的复合粒子强化轧辊耐磨耐冲击，轧辊的使用寿命提高2倍以上，降低了生产成本，提高了钢管生产企业的生产效率和经济效益。

Description

热轧无缝钢管定径机或减径机复合粒子强化轧辊及制备方法

技术领域

本发明涉及轧辊制造技术领域，尤其涉及一种热轧无缝钢管定径机或减径机用复合粒子强化轧辊及其制备方法。

背景技术

我国是世界第一钢管生产大国，产量占世界总产量的1/2。钢管的定径和减径是热轧无缝钢管生产中最后一道荒管热变形工序。其主要作用是消除前道工序轧制过程中造成的荒管外径不一，以提高热轧成品管的外径精度和圆度。无缝钢管定、减径过程是钢管不带芯棒的多机架连轧过程。

定径是在较小的总减径率和小的单机架减径率下将钢管轧成有一定要求的尺寸精度和真圆度，并进一步提高钢管的表面质量。定径机的工作机架数一般为5～14架，总减径率为3％～35％，定径机的形式按辊数分为二辊、三辊、四辊式定径机。减径除了有定径的作用外，还要求减径率较大，以实现大管料生产小口径钢管。减径机通常是二辊或三辊式纵轧连轧机，一般为3～14机架以上。定、减径后的精整过程钢管尺寸不再改变。无缝钢管定、减径轧辊的规格品种很多，小到每件几十公斤，大到每件可达2.5吨。

无缝钢管定、减径轧辊工作在800～980℃的高温及冷却水激冷作用下，受到切向拉伸和径向压缩的复合应力，并同时承受交变热应力作用。轧辊工作表面与钢管之间产生滚动与滑动摩擦，特别是在张力减径下磨损非常严重。因此要求定、减径轧辊具有高强度、高韧性和良好的耐磨性、抗冷热疲劳性。实际生产中对定、减径轧辊的磨损程度控制十分严格，一旦超过要求就必须进行修复，以满足热轧无缝钢管负公差轧制的需要。一般1-2个班次就需更换一套轧辊。由于在使用中需要经过多次修复重车，要求轧辊表面要有较厚的工作层，通常情况下需要加工掉50％甚至更多。因此，还要求定、减径轧辊具有良好的冷加工性能。

目前定、减径机轧辊在实际应用中普遍使用的材质为合金球墨铸铁和冷硬铸铁二种。其存在的问题和不足是，由于合金球墨铸铁中含有Cr、Mo等反石墨化元素，铸态石墨球化效果差。再加上等温淬火难度大，因此，一般均采用正火热处理，而使整体性能下降，抗拉强度只有450MPa，冲击韧性只有3J/cm²。在使用中，尤其是在加工修复后易产生开裂，不但需停机換辊，而且易造成废品。同时，由于含Ni为3％、含Mo为1％，生产成本和使用成本均较高。而冷硬铸铁中由于合金含量低形成碳化物量极少，耐磨性差，使用寿命一般为合金球墨铸铁的50％，在加工修复后，硬度易降低而产生“粘钢”现象而造成废品。虽然冷硬铸铁的生产成本和使用成本均较低，但性价比也很差。由此，定、减径机轧辊的频繁更换不但浪费大量的能源、劳动力和金属材料，而且还需要准备大量的安装定、减径轧辊所用的辅助机架。

发明内容

本发明提供一种热轧无缝钢管定径机或减径机复合粒子强化轧辊及其制备方法，以解决现有热轧无缝钢管定径机或减径机轧辊存在的诸多问题。本发明的技术方案如下。

本发明一方面提供一种热轧无缝钢管定径机复合粒子强化轧辊，其特点在于定径机复合粒子强化轧辊采用复合粒子强化球墨铸铁基体，所述复合粒子由强化粒子，活性湿润剂和基体强化剂组成；所述强化粒子:活性湿润剂:基体强化剂＝1:1:0.001～0.002；所述强化粒子为碳化钨，碳化钛和碳化硼的至少一种，是球墨铸铁铸件总重量的5～10％；所述活性湿润剂为Ni粉，Nb粉和工业还原铁粉的至少一种；所述基体强化剂为铋粉和锑粉或其中的一种。

本发明另一方面提供一种热轧无缝钢管减径机复合粒子强化轧辊，其特点在于所述减径机复合粒子强化轧辊采用复合粒子强化球墨铸铁基体，所述复合粒子由强化粒子，活性湿润剂和基体强化剂组成；所述强化粒子:活性湿润剂:基体强化剂＝1:1:0.001～0.002；所述强化粒子为碳化钨，碳化钛和碳化硼的至少一种，是球墨铸铁铸件女总重量的5～10％；所述活性湿润剂为Ni粉，Nb粉和工业还原铁粉的至少一种；所述基体强化剂为铋粉和锑粉或其中的一种。

本发明的再一方面是提供一种热轧无缝钢管定径机或减径机复合粒子强化轧辊的制备方法，该方法的特点是，所述定径机或减径机复合粒子强化轧辊采用复合粒子强化球墨铸铁基体,所述复合粒子由强化粒子，活性湿润剂和基体强化剂组成；其制备方法如下：

a)材质设计：采用所述复合粒子强化球墨铸铁基体成分为：C：3.4～3:8％，Si：1.8～2.2％，Mn：≤0.35％，P：≤0.03％，S：≤0.025％；

所述强化粒子为球墨铸铁铸件总重量的5～10％；所述强化粒子为碳化钨，碳化钛和碳化硼的至少一种；所述活性湿润剂为Ni粉，Nb粉和工业还原铁粉的至少一种；所述基体强化剂为铋粉和锑粉或其中的一种；将所述强化粒子，活性湿润剂，基体强化剂按1:1:0.001～0.002的比例均匀混合制成5～10mm的复合强化粒子块，并将其预热至350～400℃；其中，当同时采用所述强化粒子碳化钨，碳化钛和碳化硼时，其比例为1:1:1。

b)冶炼、浇铸设计：进行球墨铸铁基体金属熔体的冶炼；冶炼完成后，在钢包中先放入预热至350～400℃的复合强化粒子块，再浇入基体金属熔体进行强化，然后浇入铸型进行轧辊的铸造以及球墨铸铁的孕育和球化；

c)热处理设计：对铸成的复合粒子强化轧辊进行等温淬火，得到下贝氏体组织；

d)对轧辊进行机械加工，得到所需要的加工质量。

本发明热轧无缝钢管定径机或减径机复合粒子强化轧辊的球墨铸铁基体成分为：C：3.4～3:8％，Si：1.8～2.2％，Mn：≤0.35％，P：≤0.03％，S：≤0.025％。本发明还可根据情况在球墨铸铁基体成分中加入Cu：0.2～0.4％，Ni：0～0.5％，Mg：0.04～0.06％，Nb：0.01～0.1％以进行轧辊基体性能的调整。本发明复合粒子强化轧辊的抗拉强度σb≥800MPa，冲击韧性αk≥90J/cm²。

本发明的热轧无缝钢管定径机或减径机复合粒子强化轧辊加入了强化粒子、活性湿润剂、基体强化剂等强化元素，所形成的复合强化粒子块不与球墨铸铁基体发生化学反应，获得了良好的球化效果。尤其是厚大件和超厚大件轧辊的球化效果明显提高，从而保证了定径机和减径机轧辊的铸造质量，使定径机和减径机轧辊的综合力学性能显著提高，耐磨耐冲击性能大大提高，提高了轧辊的使用寿命，显著降低了制造和生产成本。

附图说明

图1是热轧无缝钢管二辊式定、减径轧辊的示意图，其中序号1的虚线是在修复重车后报废时孔型曲线的位置示意。

图2是热轧无缝钢管三辊式定、减径轧辊的示意图。其中序号2的虚线是在修复重车后报废时孔型曲线的位置示意。

具体实施方式

以下参照本发明的设计思想，示例性实施例并结合附图对本发明作如下详细说明。

本发明采用创造性的设计思想，示例性的实施例以及具体的产品附图，通过完整的技术方案，提供了一种热轧无缝钢管定径机或减径机用复合粒子强化轧辊及其制备该产品的方法。该产品和方法采用由强化粒子、活性湿润剂、基体强化剂制成的复合强化粒子，加入到球墨铸铁基体中进行产品铸造，再通过对该铸造产品进行等温淬火，得到经过强化且性能提高的复合粒子强化等温淬火球墨铸铁轧辊，用于热轧无缝钢管的定径机或减径机上。

本发明热轧无缝钢管定径机或减径机复合粒子强化轧辊及其制备方法所采用的球墨铸铁基体成分为：C：3.4～3:8％，Si：1.8～2.2％，Mn：≤0.35％，P：≤0.03％，S：≤0.025％；还可根据情况在球墨铸铁基体成分中加入Cu：0.2～0.4％，Ni：0～0.5％，Mg：0.04～0.06％以及Nb：0.01～0.1％，以进行轧辊基体性能的调整。

其中，基体成分中的碳元素应选择合理，碳元素如高则易产生石墨漂浮或碎块状石墨,而碳元素低则收缩倾向加大。本发明选择了合理的3.4～3.8％。通过使用证明该含量是合适的。轧辊成分中的硅元素如高则易形成异形石墨，使低温脆性提高。因此，本成分经实验选择硅元素以1.8～2.2为宜。因锰元素具有显著的偏析倾向，会致使石墨分布的不均匀。因此，本成分严格控制锰元素在0.4％以下。而磷、硫元素过多则容易产生夹杂以及使球化衰退，应越低越好。本成分采用了P：≤0.03％，S：≤0.025％。在成分中还适量加入了镍和铜等元素，以提高球墨铸铁的淬透性，强化其基体的力学性能。

在制备过程中，本发明采用复合强化粒子:活性湿润剂:基体强化剂＝1:1:0.001～0.002的比例压制成5～10mm的复合强化粒子块，并将其预热至350～400℃待用。所选择添加的强化粒子为碳化钨，碳化钛和碳化硼或其中的至少一种；其中，碳化钛具有高硬度、耐腐蚀、热稳定性好的特点；碳化钨具有超硬耐磨材料的特性；而碳化硼是已知坚硬的材料之一。强化粒子为球墨铸铁铸件总重量的5～10％。活性湿润剂为Ni粉，Nb粉和工业还原铁粉或其中的至少一种；基体强化剂为铋粉和锑粉或其中的一种。其中，活性湿润剂在两种或两种以上时比例应均等。当同时采用强化粒子碳化钨，碳化钛和碳化硼时，其比例优先采用1:1:1，也可根据具体需求调整。

由于基体成分中基本不含反球化元素，Mn锰元素含量又严格控制在0.4％以下，又加上复合粒子块中基体强化剂的作用，加入的碳化钨，碳化钛或碳化硼等不与基体发生化学反应，因此可以获得良好的球化效果，尤其是厚大件和超厚大件的球化效果明显提高，从而保证了定、减径机轧辊坯的铸造质量，为获得高性能轧辊奠定基础。

本发明将所加入的碳化钨，碳化钛及碳化硼等强化粒子，活性湿润剂Ni粉，Nb粉及工业还原铁粉，基体强化剂铋粉和锑粉等材料，采用1:1:0.001～0.002的比例在球磨机中搅拌均匀，压制成5～10mm的复合强化粒子块。在进行球墨铸铁基体金属熔体的冶炼时，在待浇入的钢包中预先放入预热至350～400℃的复合强化粒子块，在基体金属熔体冶炼完成后，再向钢包中浇入基体金属熔体进行强化，然后进行球墨铸铁轧辊的浇铸，球墨铸铁所需的孕育和球化按常规进行。

铸造完成的复合粒子强化轧辊在进行了常规的等温淬火热处理后，得到下贝氏体组织。使复合粒子强化轧辊的抗拉强度达到σb≥800MPa，冲击韧性达到αk≥90J/cm²，轧辊产品的综合性能得到很大提高。与抗拉强度只有450MPa、冲击韧性只有3J/cm²的现有球墨铸铁轧辊形成了显明的对比，经过机械加工后得到所需要质量的复合粒子强化轧辊。

本发明采用复合粒子强化及等温淬火热处理工艺，使定径机或减径机轧辊的球墨铸铁基体获得良好的强度和韧性，轧辊具有比锻钢、铸钢及微合金钢更加优良的动态力学性能。同时因其密度小，比同体积的铸、锻钢件约轻10％，因其成本低而成为最便宜的材料。目前等温淬火球墨铸铁在无缝钢管定径机和减径机轧辊上的应用很少。其主要原因是目前定径机和减径机轧辊的耐磨性以及抗冷热疲劳性还不能满足轧辊频繁冷热交变热应力的服役条件要求。但本发明通过添加复合强化粒子元素并且通过合理有效的制备工艺，使等温淬火球墨铸铁在无缝钢管定径机和减径机轧辊上的应用得到实现。本发明的定径机和减径机轧辊的力学性能好，耐磨耐冲击，可保持高的使用寿命和良好的冷加工性能。

实施例1

参照附图1，本实施例为制造Φ460热轧无缝钢管机组二辊式定径机或减径机复合粒子强化轧辊。重量898kg。

本实施例轧辊的复合强化粒子元素的比例采用：TiC22.5kg、WC22.5kg、Ni粉5kg、Nb粉5kg、铁粉35kg、铋粉0.03kg、锑粉0.015kg。上述元素在球磨机中搅拌2小时，混合均匀后压制成5～10mm的复合强化粒子块待用。

球墨铸铁基体的成分采用：C：3.4％，Si：1.8％，Mn：0.30％，P：0.017％，S：0.014％，Cu：0.40％，Mg：0.06％。

常规冶炼球墨铸铁基体金属熔体，冶炼完成后，在钢包中先放入预热到350～400℃的复合强化粒子块，再将基体金属熔体浇入钢包中，使基体金属熔体得到强化，然后将强化的金属熔体浇入轧辊铸型进行铸造，同时进行常规的球墨铸铁孕育和球化。

铸造好的轧辊坯经过粗加工，经过常规的等温淬火，然后进行精加工获得成品。轧辊产品的检验硬度达到了要求的69HSD，抗拉强度达到800MPa，冲击韧性达到92J/cm²。该轧辊经多次修复重车，半径方向加工掉25mm仍保持在硬度69HSD，球墨铸铁一次性可轧制6000支钢管，使用寿命比原冷硬铸铁轧辊提高了2倍以上，没有发生开裂、粘钢等现象。参见图1中虚线1在修复重车后报废时孔型曲线的位置示意。

实施例2

参照附图2，本实施例为制造Φ250热轧无缝钢管机组三辊式定径机或减径机轧辊复合粒子强化轧辊，重量242kg。

该轧辊的复合强化粒子元素的比例采用：TiC8kg、WC8kg、B4C8kg、Ni粉2kg、Nb粉2kg、工业还原铁粉20kg、铋粉0.03kg、锑粉0.018kg。上述元素在球磨机中搅拌2小时使其混合均匀，压制成5～10mm的复合强化粒子块，并将其预热至350～400℃待用；球墨铸铁基体化学成分采用：C：3.6％，Si：2.1％，Mn：0.32％，P：0.017％，S：0.014％，Cu：0.25％，Mg：0.05％。

之后进行常规的球墨铸铁基体金属熔体的冶炼。冶炼完成后，在浇包中放入预热至350～400℃的复合强化粒子块，再浇入基体金属熔体进行熔体的强化，然后浇入铸造模型进行轧辊的铸造，按常规进行球墨铸铁的孕育和球化。

铸造完成的轧辊产品坯在经过粗加工后进行常规的等温淬火，之后进行精加工获得成品。经检验，轧辊产品的硬度达到了要求的70HSD，抗拉强度达到810MPa，冲击韧性达到90J/cm²。该轧辊经多次修复直至半径方向加工掉70mm后仍保持在68～70HSD。参见图2中虚线1在修复重车后报废时孔型曲线的位置示意。

本实施例的轧辊耐磨耐冲击，在多次修复中保持了良好的冷加工性能，提高了轧辊的使用寿命。一次性可轧制9000支钢管，使用寿命是国产含Ni3、Mo1的合金球墨铸铁定径机轧辊的2倍以上，且没有发生开裂、粘钢等问题。

本发明的上述实施例已经使用在国内的大型钢管生产企业，并且经过使用证明，其机械性能均比现有轧辊有很大提高，由于轧辊寿命的提高，使生产过程中因修复重车以及换辊的频率大为降低，从而也极大的降低了生产成本，提高了钢管生产企业的生产效率和经济效益。

本发明不限于上述实施例，在不脱离本发明设计思想的范围内，可以进行各种变形和修改，这些变化均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种热轧无缝钢管定径机复合粒子强化轧辊，其特征在于，所述定径机复合粒子强化轧辊采用复合粒子强化球墨铸铁基体，所述复合粒子由强化粒子，活性湿润剂和基体强化剂组成；所述强化粒子:活性湿润剂:基体强化剂＝1:1:0.001～0.002；所述强化粒子为碳化钨，碳化钛和碳化硼的至少一种，强化粒子是球墨铸铁铸件总重量的5～10％；所述活性湿润剂为Ni粉，Nb粉和工业还原铁粉的至少一种；所述基体强化剂为铋粉和锑粉或其中的一种。

2.根据权利要求1所述定径机复合粒子强化轧辊，其特征在于，所述复合粒子强化球墨铸铁基体的成分为：C：3.4～3:8％，Si：1.8～2.2％，Mn：≤0.35％，P：≤0.03％，S：≤0.025％。

3.一种热轧无缝钢管减径机复合粒子强化轧辊，其特征在于，所述减径机复合粒子强化轧辊采用复合粒子强化球墨铸铁基体，所述复合粒子由强化粒子，活性湿润剂和基体强化剂组成；所述强化粒子:活性湿润剂:基体强化剂＝1:1:0.001～0.002；所述强化粒子为碳化钨，碳化钛和碳化硼的至少一种，强化粒子是球墨铸铁铸件总重量的5～10％；所述活性湿润剂为Ni粉、Nb粉和工业还原铁粉的至少一种；所述基体强化剂为铋粉和锑粉或其中的一种。

4.根据权利要求3所述减径机复合粒子强化轧辊，其特征在于，所述复合粒子强化球墨铸铁基体的成分为：C：3.4～3:8％，Si：1.8～2.2％，Mn：≤0.35％，P：≤0.03％，S：≤0.025％。

5.根据权利要求2或4所述定径机或减径机复合粒子强化轧辊，其特征在于，所述复合粒子强化球墨铸铁基体的成分加入有Cu：0.2～0.4％，Ni：0～0.5％，Mg：0.04～0.06％，Nb：0.01～0.1％。

6.根据权利要求1或3所述定径机或减径机复合粒子强化轧辊，其特征在于，复合粒子强化轧辊的抗拉强度σb≥800MPa，冲击韧性αk≥90J/cm²。

7.一种热轧无缝钢管定径机或减径机复合粒子强化轧辊的制备方法，其特征在于，所述复合粒子强化轧辊采用复合粒子强化球墨铸铁基体,所述复合粒子由强化粒子，活性湿润剂和基体强化剂组成；其制备方法如下：

a)材质设计：采用所述复合粒子强化球墨铸铁基体的成分为：C：3.4～3:8％，Si：1.8～2.2％，Mn：≤0.35％，P：≤0.03％，S：≤0.025％；

所述强化粒子为球墨铸铁铸件总重量的5～10％，所述强化粒子为碳化钨，碳化钛和碳化硼的至少一种；所述活性湿润剂为Ni粉，Nb粉和工业还原铁粉的至少一种；所述基体强化剂为铋粉和锑粉或其中的一种；将所述强化粒子，活性湿润剂，基体强化剂按1:1:0.001～0.002的比例均匀混合，制成5～10mm的复合强化粒子块，并将其预热至350～400℃待用；

b)冶炼、浇铸设计：进行球墨铸铁基体金属熔体的冶炼；冶炼完成后，在浇包中先放入预热到350～400℃的复合强化粒子块，再浇入基体金属熔体进行强化，然后浇入铸型进行轧辊的铸造以及球墨铸铁的孕育和球化；

d)对轧辊进行机械加工，得到所需要的加工质量。

8.根据权利要求7所述复合粒子强化轧辊的制备方法，其特征在于，当同时采用所述强化粒子碳化钨，碳化钛和碳化硼时，其比例为1:1:1。

9.根据权利要求7所述复合粒子强化轧辊的制备方法，其特征在于，所述复合粒子强化球墨铸铁基体的成分加入有Cu：0.2～0.4％，Ni：0～0.5％，Mg：0.04～0.06％，Nb：0.01～0.1％。

10.根据权利要求7所述复合粒子强化轧辊的制备方法，其特征在于，复合粒子强化轧辊的抗拉强度σb≥800MPa，冲击韧性αk≥90J/cm²。