一种改进型锻钢辊颈高镍铬钼合金铸铁复合轧辊制造工艺及设备的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于金属压力加工技术领域，特别涉及一种一种改进型锻钢辊颈高镍铬钼合金铸铁复合乳辊工艺及设备，适用于乳钢行业中复合乳辊的制造。
【背景技术】
[0002]乳辊被誉为“钢材之母”，是钢、铝、铜等金属压延生产中使金属材料产生塑性变形的工具，是决定乳机生产效率和乳材质量及经济性的重要的大型部件，是乳机乳制不可或缺的关键性部件和最主要的大宗消耗部件，其消耗成本约为乳钢生产成本的5%?15%。如果考虑因乳辊消耗而带来的生产停机、降产和设备维护增加等因素，则其所占生产成本的比重会更高。
[0003]乳机是金属压力加工生产中的重要设备，是衡量一个国家钢铁发展技术水平的显著标志。而乳辊又是乳机的主要组成部分，是乳钢生产中大量消耗的关键部件，是决定一个国家乳制技术发展水平的基本保证，是一个国家金属材料设计、材料成型技术、加工制造和热处理等基础工业综合技术水平的直观体现。在乳钢工业生产中，每一种乳材无一不是依靠乳辊的乳制而成形，这就是说“无辊不成材”，所以，乳辊的质量和作用至关重要。
[0004]乳辊质量不仅关系到乳钢生产成本和乳机生产作业率，还在很大程度上影响乳材质量。随着乳钢技术的发展，乳机速度和自动化程度不断提高，对乳辊质量特别是乳辊的耐磨性、强度及韧性等提出了更高的要求。进一步提高乳辊性能以适应乳机的需要，实现钢铁型材的节能降耗生产，是乳辊研制者面临的新目标。
[0005]我国乳辊制造业经过几十年的发展和壮大，目前已成为世界乳辊产量大国，乳辊制造技术和材质品种方面有很大的发展。在乳辊材质方面，从球墨铸铁、合金无限冷硬铸铁发展到现在的针状组织球墨铸铁、高合金无限冷硬铸铁、高铬铸铁、硬质合金、半高速钢和高速钢等。在铸造工艺方面也从常规浇铸单一材质和溢流法浇铸复合材质，发展到离心复合浇铸工艺。目前国内乳辊供应能力已达到100万吨以上，设计制造能力可以达到120?150万吨。随着我国乳钢装备的改造和不断从国外引进先进的乳机，乳机向自动化、连续化、重型化方向发展，对乳辊的组织和性能提出了更高的要求。
[0006]然而，我国自行研制的冶金乳辊乳制钢材平均消耗与发达国家相比尚有较大的差距。来自中国钢铁协会的最新统计，2014年我国钢材产量已经达到112557万吨，占全球钢产量40%以上，按照吨钢消耗乳辊1.0?1.2 kg/t钢计算，年消耗乳辊110?130多万吨，年消耗乳辊资金200亿元以上。为了满足乳钢生产的实际需要，我国每年都需要花费大量外汇进口乳辊，仅2010年进口优质乳辊约3.0万多吨，消耗外汇约2亿多美元。我国乳辊的大量消耗，造成了资源和能源的巨大浪费。另外，国外乳辊年消耗量也超过百万吨，市场需求量大。如此大的报废量无论从乳钢厂的乳制成本，还是从我国的能源和资源消耗方面来看都是一项巨大的浪费，对环境和资源造成巨大压力。因此，提高乳辊质量，延长乳辊寿命，不仅能节省大量外汇，而且还可以节省大量的乳辊材料，开发优质长寿命乳辊材料及其成形技术，不仅可满足国内需求，而且还可实现出口创汇。
[0007]为满足现代乳钢工业对高性能乳辊的要求，近年来，国内外研发了多种新型高性能乳辊制造工艺，其中在铸造法制造复合工艺方面开发的工艺主要有:离心铸造复合乳辊、连续铸造(CPC)复合车浅、电渣重熔(ESR)复合乳辊、组合式复合乳辊等。
[0008]离心铸造复合乳辊工艺(CF)，是采用离心铸造的方法生产双金属复合乳辊。主要是使用旋转来产生离心力，将金属液浇入到正在旋转的铸型中，利用离心力把所浇注的金属液从旋转中心甩向铸型的外缘，使金属液的凝固由外向内顺序进行，凝固成外层为组织致密的高耐磨材料、内层为普通材料的复合乳辊。金属液的流动有助于树枝状晶的破碎和细化，同时克服了晶粒间“隧道”的阻力进行补缩，使铸件的致密度得到提高。在外层金属液凝固后，将铸型吊起与底部和上部及冒口砂型组装，将芯部及上下型腔以重力浇注充填，实现两种材料的复合。离心乳辊铸造法制造复合乳辊有着其他铸造工艺不具备的优点，具体如下:(1) 一些部件不需要浇冒口，有效的提升了金属液的使用效率；(2)不需要使用砂芯就可以铸造出环形和空筒形的铸件，同时也可以生产出长度和直径不同的铸管，具有良好的生产效率，生产成本也不高；(3)在离心力的作用下，金属液凝固后，质地细腻；(4)用这种方法生产的乳辊外层具有较高的耐磨性，内层的韧性材料又能保证乳辊具有较高的韧性，具有比整体材料乳辊更广阔的应用前景和较高的性价比。
[0009]该工艺虽然具有设备简单，设备投资小，生产效率高，成本低，适于大批量生产之特点。但该工艺存在以下几种不足:
1)当用于制造高合金材料的乳辊时，由于材料中往往含有大量密度高的合金，如钨、钼、钒等，离心铸造时，由于离心力的作用，这些密度高的合金会偏析于乳辊表面，使乳辊内层合金元素含量降低，使组织和成份不均匀从而恶化乳辊表面层韧性，降低乳辊外层的耐磨性，影响乳辊的质量。
[0010]2)当芯部材料的熔点高于外层材料的熔点，浇注时于已凝固的外层材料的内表面产生熔合层。因此当芯部材料选用铸钢时，不能得到良好的复合界面。
[0011]3)无法生产具有高强度、高韧性的锻钢芯部的复合乳辊。
[0012]连续浇注外层成形法(CPC法)，该工艺是日本的新日铁公司与20世纪80年代末研究开发投入生产。CPC法是集材料、工艺、设备、自动控制于一体的高新技术_，目前世界上只有新日铁和日立公司成功用于工业化生产。其工作原理是以锻钢、铸钢或废旧乳辊作辊芯，在其表面涂上一层硅系玻璃保护膜，防止辊芯表面氧化。将需要复合的外层金属液浇入到垂直安装的辊芯和水冷结晶器之间，为使浇铸的外层高速钢与辊芯完全熔合，采用二套电磁感应加热装置分别对钢液和辊芯进行补热和预热。熔融的外层金属液在与辊芯熔合的同时顺序向上凝固，使二种材料的界面达到冶金结合。通过抽锭设备，将复合好的乳辊不断地从水冷结晶器中抽出，直到复合乳辊浇注完成。在结合过程中，辊芯表面出现微熔，使辊芯和外层高速钢金属实现坚固的冶金结合，提高结合强度。这种方法生产的高速钢辊坯的组织及晶粒度要比离心铸造方法细得多，且碳化物均匀弥散分布，寿命可比离心铸造乳辊高30%。
[0013]结合层的形成影响着乳辊的下降速度，也就决定了 CPC法的生产效率。该方法具有如下特点:①乳辊的外层材质可以选择多种高合金材料，芯部材质可用强韧性和刚性高的钢系材料，避免了离心铸造高速钢乳辊所出现的初晶碳化物偏析和组织、成份偏析缺点；②钢液在水冷结品器中凝固，冷却速度快，可获得细小、致密的凝固组织，抗热裂性好，乳辊性能好等特点；③由下向上的顺序凝固，避勉了缩孔和疏松等铸造缺陷的产生；④既可制造新乳辊，也可对旧乳辊进行再制造修复。
[0014]CPC的缺点主要是:①由于采用二套感应加热系统，设备较复杂，技术难度大由于采用抽锭方式，生产效率较低，且所生产的钢质纯晶度差；③生产过程中需要对钢水进行长时间的保温，耗能大，对中间包耐火材料要求高，生产成本高；④对厂房和操作工人要求高。基于以上原因，目前推广使用范围很小，我国至今尚未投入产业化生产。
[0015]电渣液态浇注法(ESSLM)，ESSLM是在上世纪90年代初E.0.巴顿电焊研究所发明的。其生产工艺是在一个铜质水冷结晶器中间放入被复合的锻造、铸造或者用过的废旧辊芯，再将预先熔化好的熔渣倒入辊芯与结晶器之间的间隙中，在结晶器与辊芯之间通电，通过液态熔渣形成电回路，熔渣中产生的热量将辊芯的表面熔化，将熔炼好的液态金属以一定的工艺浇入辊芯与结晶器之间的间隙中，液态金属将熔渣上浮，在通过渣池时被电渣精炼，同时将辊芯包覆起来并与己经预热的辊芯表面熔合，在结晶器的冷却下凝固，形成复合层。在此过程中，借助抽锭装置辊芯不断的从结晶器中抽出，同时不断浇入液态金属，直到预定的长度为止。覆着层的材料可以是铸铁、高速钢以及其它金属，所制成的复合乳辊既可以用做冷乳辊、热乳辊或连铸辊，又可以对废旧乳辊进行铸造包覆层再制造。但要严格控制液渣温度和辊芯在液渣中的时间，防止芯部过多的熔化，污染工作层。
[0016]ESSLM技术允许复合直径从100 mm到1800 mm，甚至更大直径圆锭外表面。复合层厚度15?20 mm到100 mm，甚至更大。该工艺与电渣重熔工艺相比，其效率高，浇注速度为 200 ?800 kg/h，电耗接近 800 kffh/t 钢[1°]。
[0017]该工艺的缺点主要为复合过程中钢水分批或连续注入结晶器时，由于浇注速度非常慢，钢水需要保温，钢水贮存装置非常复杂且昂贵，保温炉和钢水包的耐火材料受高温金属液长时间的冲刷造成大量的损耗，且造成非金属夹杂污染，金属液强烈过热和高温下长时间保存都会导致合金元素和脱氧剂氧化加速。该过程的能量消耗比较大，且由于采用抽锭工艺，渣温与抽锭速度的匹配和金属液位控制技术复杂，辊芯表面熔深层控制技术难度大，生产效率低。
[0018]CPC工艺和ESSLM工艺虽然可以制造大厚度的复合层，但由于工艺和设备所存在的上述问题，目前仅用于制造小于10吨的高速钢等高端复合乳辊。
[0019]组合式复合乳辊是将乳辊做成几个部件，用机械方法组合起来。乳辊内层使用韧性材料，外层的大都做成硬质合金环。这种乳辊可节约贵重的硬质合金，性价比较高。外层的硬质合金环可保证乳辊具有很高的耐磨性。但由于硬质合金环和内层辊芯很难做到无缝接合，乳制过程中会导致乳辊受力不均而发生碎裂。
[0020]虽然国内外已经研发了众多的新型复合乳辊制造工艺，但到目前为止，尚还未有一项工艺简单、生产成本低、性能好的复合乳辊制造工艺。因此，研究开发新型复合乳辊制造工艺和设备，对各种材质乳辊和大型乳辊进行低成本、高效率、高性能制造是当前急需解决的课题。是复合乳辊制造技术发展的新方向。
[0021]铸铁系乳辊是指含碳量在2.50?3.5%的乳辊，按主要材料可分为普通铸铁乳辊、镍铬无限冷硬复合铸铁乳辊、高铬复合铸铁乳辊和合金球墨铸铁乳辊四大类。合金球墨铸铁乳辊具有良好的抗热冲击和耐磨损性能，被广泛应用做大型初乳机、型钢乳机、棒材连乳