重稀土球墨铸铁薄板轧辊的试制与研究

D0I:10.13374/i.isrm1001-053x.1981.02.001 北京钢铁学院学报 1981年第2期 重稀土球墨铸铁薄板轧辊的试制与研究· 铸工教研室张联芳连金江 球墨铸铁轧辊一向是采用金属镁作为球化剂的，由于冷速缓慢，辊芯往往出现 变态石墨而使轧辊的强度下降，断辊率增高。采用红组重稀土硅铁合金全部或部分 取代金属镁作为球化剂试制了20多支中805×1200热轧薄板轧辊，经过轧制对比， 结果表明：轧钢量平均提高了50%，断辊率由67%下降到25%。对重稀土球铁轧辊 进行了解剖，发现辊心石墨组织在球化，细化和均匀化方面获得了改善，辊颈的机 械性能也有显著的提高。 探素了几种稀土合金加入工艺，认为，在现有镁球铁生产工艺的基础上，把附 加的稀土合金随孕育硅铁一起冲入辊芯的方法，经济，简便，具有适用价值。 前 言 鞍钢两辊式热轧薄板轧机使用的精轧工作辊，辊身尺寸为中805×1200，净重为7.92吨， 毛重约10吨，轧制普钢与硅钢钢板厚度为0.5~2毫米。这种轧辊在轧制时辊面温度达550 650℃，承受压力达1400吨，由于受到热应力及弯曲疲劳应力的作用，工作条件十分恶劣。为 满足这种精轧薄板辊的使用要求，工厂一般采用复合镁球墨铸铁材质，规定辊面硬度Hs≥ 60,下辊颈的抗拉强度σ。≥30公斤/毫米2。但是由于轧辊断面粗大，往往出现辊芯石墨球 化不良现象，多数轧辊由于折断而报废，断辊率一般在60%以上，辊耗较高。 为改善这种轧辊的质量，曾经在合金化方面作过许多试验、例如：加入B,Mo,C一 Mo,V一Ti,Nb等合金元素，然而这些元素都只能改善金属基体性能，无助于石墨形状的 改善。 我们着眼于改善辊芯石墨的球化状况，以求提高辊芯的机械性能，特别是韧、塑性，为 此着重研究了球化剂及球化处理工艺，根据我国稀土资源丰富的特点，试用钇组重稀土球化 剂改善大断面球铁的石墨组织。 1973年以来，我们研究了重稀土硅铁合金的制备工艺〔1)以及重稀士大断面球铁的球化 工艺〔2、3〕，在此基础上，于1976年至1978年间在按钢轧辊厂先后试制了20余支重稀土球铁 薄板轧辊。这些轧辊根据球化剂类型及加入工艺，可分为三种：第一种为重稀土球铁轧辊， 第二种为重稀土镁球铁轧辊，第三种为重稀土镁冲芯球铁轧辊。各种类型的轧辊都作了轧钢 实验，轧制效果和同期，同一轧制条件的镁球铁轧辊比效，轧钢量提高约50%，断辊率由67% 下降到25%。通过对重稀土球铁轧辊的解剖研究，证明在合适的处理工艺及加入量条件下， 钇组重稀土元素能使大断面的轧辊球化良好。但是由于重稀土合金成本较高，采用单一的重 稀土球化剂用于生产是不现实的。因此着重研究了重稀土镁球化剂，并且推荐了-一种“重稀 土镁冲芯薄板轧辊”供实际生产采用。 本文1980年10月收到。 38

北 京 钢 铁 学 院 学 报 年第 期 重稀土球墨铸铁薄板轧辊的试制与研究 ’ 铸工 教研 室 张联芳 连 金 江 球 墨铸铁 轧辊一 向是采 用金属 镁作为球化 剂 的 ， 由于冷速缓 慢 ， 辊 芯住 住 出现 变态石 墨 而使 轧辊 的强度下 降 ， 断辊 率增 高 。 采 用 纪 组 重 稀土 硅铁 合 金全 部 或部分 取代金属 镁作为球化 剂试 制 了 多支 小 热轧薄板 轧辊 ， 经过 轧制对 比 ， 结 果表明 轧钢 黄平 均提 高 了 ， 断辊 率 由 下 降到 。 对 重 稀 土 球铁 轧辊 进行 了解剖 ， 发现 辊 心 石 墨组 织 在 球化 ， 细 化 和均 匀化 方面 获得 了改善 ， 辊颈 的机 械 性 能也有 显著 的提 高 。 探 索了几 种稀 土合 金加入 工 艺 ， 认 为 ， 在 现有 镁球铁 生产 工 艺 的基 础上 ， 把 附 加 的稀土合 金随孕 育硅 铁 一 起 冲入 辊 芯 的方法 ， 经 济 ， 简便 ， 具有 适 用 价值 。 前 一 一 一 月 口 鞍钢 两辊 式热 轧 薄板 轧 机使 用的 精轧 工作辊 ， 辊身尺 寸为小 ， 净重为 吨 ， 毛 重 约 吨 ， 轧 制普钢 与硅钢 钢板 厚度 为 毫米 。 这 种轧 辊 在轧制 时辊 面温度达 一 ℃ ， 承受压 力达 吨 ， 由于受 到热 应力 及弯 曲疲 劳应 力的作用 ， 工 作 条件十 分恶 劣 。 为 满足这种 精轧 薄板 辊 的使 用要求 ， 工厂 一般采 用复合镁球 墨铸 铁材质 ， 规 定辊面硬度 七 ， 下辊颈 的抗拉强度 。 之 公 斤 毫米 “ 。 但是 由于轧 辊断面 粗大 ， 往往 出现辊芯石墨球 化不 良现象 ， 多数轧 辊 由于 折断 而报废 ， 断辊率一 般在 以 上 ， 辊耗 较高 。 为改 善这 种轧 辊的质量 ， 曾经 在 合金化方面作 过 许 多试 验 例 如 加 入 ， ， 一 。 ， 一 ， 等合 金元 素 ， 然 而这些 元 素都只 能改 善金属基 体性能 ， 无助 于石墨形伏 的 改善 。 我们 着眼于改 善辊 芯石 墨 的球化状 况 ， 以求提 高辊芯 的机械性能 ， 特 别是 韧 、 塑性 ， 为 此 着重研 究 了球 化剂 及球 化处 理工 艺 ， 根据 我 国稀土 资源丰富 的特点 ， 试 用 亿组 重 稀土球 化 剂改 善大断面 球铁 的石 墨组 织 。 年以 来 ， 我 们研究 了重稀土 硅 铁 合金的制备工 艺 〔 〕 以 及重 稀土 大断面球 铁 的球 化 工 艺 、 〕 ， 在此基 础 上 ， 于 年 至 年问在 鞍 纲轧 辊厂 先后试 制 了 余支重稀土 球 铁 薄板轧辊 。 这 些 轧辊根 据 球 化剂 类型 及加 入工 艺 ， 可 分为三种 第一种 为重 稀土球 铁轧 辊 ， 第二种为重稀土镁球 铁轧辊 ， 第三 种为重 稀 土镁 冲芯 球 铁轧 辊 。 各种 类型 的轧辊都作 了轧 钢 实验 ， 轧 制效果 和 同期 ， 同一轧 制 条件的镁球 铁轧 辊 比效 ， 轧 钢 量提 高约 ， 断辊率 由 下降到 。 通 过 对 重稀土 球 铁轧 辊 的解 剖研究 ， 证 明在 合适 的处理工 艺 及加 入量 条件下 ， 忆组重稀土 元 素能 使大断面 的轧 辊球化 良好 。 但是 由于 重 稀土 合金成 本较 高 ， 采 用 单一 的重 稀土球化剂 用于 生 产 是不现实的 。 因此 着 重研 究 了重稀土镁 球 化剂 ， 并且推 荐 了一 种 “ 重 稀 土镁冲芯 薄板轧辊 ” 供 实际生 产 采用 。 本文 年 月 收到 。 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1981．02．004

一、重稀土合金及其加入方法 川作球化剂的重稀土合金是利用江西赣南地区出产的重稀土精矿粉经碳化钙、硅热还原 法制成〔1)。这种合金的成分范围如表1所示。 表1 合金成分 ZR2O3 Si Ca Fe % 22~54 25~45 2~8 余量 ΣR,0。中，Y,0,在50%以上，钇组轻稀土元素总计在20%以下，因此可以称之谓钇组 或钇基重稀土合金。混合稀土元素的平均原子量为108.3，稀土元素对稀土氧化物的折算系 数为0.818。稀土合金的比重为4~5克/厘米3。熔点约1400~1450℃。为了降低合金的熔点 以便于在铁水温度较低时易于加入，在合金中配入7一10%Mg,制成重稀土镁合金。在实验 中所用的合金成分及加入工艺如表2所示。 表2 代表 合金 稀土合金主要成分 % 合金加入量 % 加入方法 辊号 种类 R203 Si Mg Ca+Fe 合金总量 R203 Mg 1180 26 40 0 其余 吊框加入 2.0 0.52 0 4028 4162 37 33 0 包底冲入1.8 0.60 0 3983 等9支 3 30 35 9 辊芯冲入0.2~0.50.04~0.09 0.35 ,1429 第2支 4 22 30 8 包底冲入 2.0 0.39～0.42 0.20 1999 等9艾 20 36 10 辊芯冲入0.3~0.59.06~0.10 0.35 这种轧辊的原生产工艺是在燃油反射炉中熔化铁水35吨，一次出在35吨电动浇包中，测 温后用钟罩压入0.3~0.35%的金属镤作球化处理。然后采用复合浇注的方法，每包浇注三 支轧辊。复合浇注的方法是先将经过镁处理后的铁水浇注到上辊颈后，停浇150~240秒钟， 待辊身形成15~30毫米的白口层后，再继续用半冲洗法浇注，同时随流带入1.5%硅铁 (S75)对辊芯进行孕育处理。采用重稀土合金作球化剂，由于合金熔点较高而且没有气化过 程，因此在处理工艺中如何使合金熔化良好并与铁水混合均匀是关键问题。为此，我们在原 生产工艺的基础上作了以下一些改进： 1.采用重稀上合金作球化剂时，提高出铁温度至1450℃以上。从35吨大包中倒出11吨 铁水，在倒包时进行处理。处理方法有三种，即吊筐冲入，漏斗冲入和包底冲入。 2.采用重稀土镁合金作球化剂时，采用包底冲入和辊芯冲入两种方法。现将上述几种 处理方法分述如下： (1)吊框冲入法。如图1所示，吊框系由钢板焊成，框底用钢条焊成栏栅，呈漏斗状。 39

一 、 重 稀土合金及 其加 入 方 法 川作 球化剂 的重 稀土 合 金是 利 用 江西 赣南 地 区 出产 的重 稀土 精矿 粉经碳化钙 、 硅热还原 法 制成 〕 。 这 种 合 金 的成分 范 围如 表 所示 。 表 合金 成分 余量 艺 。 中 ， 在 以 上 ， 忆组轻 稀土元 素总计 在 以 下 ， 因此 可 以 称之 谓忆组 或忆基 重 稀土 合金 。 混 合稀上 元 素的平均原 子量 为 ， 稀土 元 素对稀土 氧化物的折算系 数 为 。 稀土 合 金的比重 为 克 厘米 ” 。 熔 点约 。 ℃ 。 为 了降低 合 金的熔点 以 便于 在 铁水温度较低 时易于 加入 ， 在 合 金 中配 入 一 ， 制成 重 稀上镁 合金 。 在实验 中所 用 的 合 金成 分 及加入工 艺 如 表 所示 。 表 代表 辊 号 合 金 种 类 稀 土 合 金主 要 成 分 合 金加 入 量 艺 …‘ ” ” 加入方法 合 金总量 等 支 包底冲入 八八 八，︸‘ 口‘… 第 支 马 等 斗支 其余 吊框加 入 辊 芯 冲入 包底 冲入 辊芯 冲入 八八口 万口 峥口八 乃八一甘 这种轧辊的原生产工 艺是在 燃 油反射炉 中熔化铁水 吨 ， 一 次 出在 吨 电动 浇 包 中 ， 测 温后 用 钟罩压 入 。 的金属 镁作球化处理 。 然后 采 用复合 浇注 的方 法 ， 每 包浇注三 支轧辊 。 复合 浇注的方 法是 先将经过镁处理后 的铁 水 浇注 到上辊颈后 ， 停 浇 秒钟 ， 待辊身形 成 毫 米的 白口 层后 ， 再继续 用半 冲洗法 浇注 ， 同时随 流带 入 硅 铁 对辊芯进 行 孕 育处理 。 采用重稀土 合 金作球 化剂 ， 由于 合金熔 点较 高而且 没 有气化过 程 ， 因此 在处理工 艺 中如何 使合金熔 化 良好 并与铁水混 合均 匀是 关键 问题 。 为此 ， 我们在原 生 产工 艺 的 基 础 上作 了 以 下一 些 改进 采用重 稀 土 合 金作 球化剂 时 ， 提 高 出铁温度至 ℃ 以 上 。 从 吨 大包 中倒出 吨 铁 水 ， 在 倒包 时进 行 处理 。 处理 方 法 有三种 ， 即 吊筐 冲入 ， 漏 斗 冲入 和 包底 冲入 。 采用重 稀土 镁 合 金作球 化剂 时 ， 采用 包底冲入 和辊 芯 冲入两 种 方法 。 现将 上述几种 处理方法分述如下 似 吊框冲入 法 。 如 图 所 示 ， 吊框 系 由钢 板焊成 ， 框底 用钢 条焊成栏 栅 ， 呈 漏斗状

栏栅上复盖0.75毫米薄钢板，吊框中心竖置一个薄钢板制成的园筒，然后将合金放入吊框 中，并将吊框架放在11吨浇包上。当高温铁水从35吨大包向吊框中园筒内冲入时，薄钢板随 即熔化，重稀土合金随铁水流冲入11吨浇包中，再辅以人工浇拌，能够保证合金熔化良好， 混合均匀。 e1e-G. 图1 图2 图3 (2)漏斗冲入法。如图2所示，漏斗是由浇注漏斗和盛装合金的漏斗组成。设想铁水在 浇注漏斗中与稀土合金混合后再进入浇包，但在实验时，由于漏斗的出口尺寸，铁水流及合 金流三者配合不当，没有达到予期的要求，结果合金大部分浮在铁水表面，熔化不良，混合 不好，影响了球化效果。 (3)包底冲入法。如图3所示，在倒包时利用大流铁水的冲兑作 用，使合金加速熔化并均匀混合。为防止稀土合金与包底耐火材料发 生作用而粘结，先在包底铺一层草灰，再复上一层钢板，稀土合金堆 放在钢板上。曾经采用这种方法处理过重稀土合金及重稀土镁合金， 处理时，只要大流快速冲免(11吨铁水在十多秒钟内倾完)，都能加速 熔化并混合均匀，取得了较好的球化效果。 (4)辊芯冲入法。如图4所示，此法只是在镁球铁复合浇注的原 生产工艺的基础上，在已经过镁处理的铁水中，附加0.2~0.5%的 重稀土镁合金，目的在于加强辊芯的球化效果。附加的稀土合金与孕 育硅铁拌在一起，冲芯时，与硅铁一起冲入辊芯，这是一种固体冲芯 法。由于复合轧辊在冲芯时，铁水温度已低于1280℃，难以使重稀土 合金熔化良好，因此采取了两种措施：一是采用高镁低稀土的重稀土 镁合金（表2)，二是预先将稀土合金加入冲芯铁水中，称为液体冲 芯，后一种方法虽多了一些工序，但液体冲入，混合均匀，效果很 好。 图4 由于冲芯法耗用重稀土合金较少，工艺简便，实用价值较大，用此法试制的轧辊数量较 多，是研究的重点。 40

栏栅上复盖 毫米薄钢板 ， 吊框 中心 竖置一个薄钢板制成的园筒 ， 然后将合金放入 吊框 中 ， 并将吊框 架放 在 吨 浇包上 。 当高温铁水 从 吨大包 向吊框 中园筒内冲入 时 ， 薄 钢板 随 即熔 化 ， 重稀土 合金随 铁水流 冲入 吨 浇包 中 ， 再辅 以 人工 浇拌 ， 能 够保证 合金熔 化 良好 ， 混 合均匀 。 瓣 玺 岁仗 图 图 漏斗 冲入法 。 如 图 所示 ， 漏斗 是 由浇注 漏斗和 盛 装合 金 的漏斗组 成 。 设 想 铁水在 浇 注漏斗 中与稀 土 合 金混 合后 再 进 入浇 包 ， 但 在实验 时 ， 由于 漏斗 的 出 口 尺寸 ， 铁水 流 及 合 金流三者 配 合不 当 ， 没 有达 到予期 的要 求 ， 结 果 合 金大部分 浮在 铁水 表面 ， 熔 化不 良 ， 混 合 不好 ， 影响 了球化效果 。 包底 冲入法 。 如 图 所 示 ， 在倒 包时利 用大流 铁水 的 冲 兑作 用 ， 使合 金加速熔 化 并均 匀混合 。 为防止 稀土 合 金 与包底 耐 火材料发 生作用而粘结 ， 先在包底 铺一 层草灰 ， 再复 上一层 钢板 ， 稀土 合金堆 放在 钢板 上 。 曾经 采 用这 种 方 法 处理过重 稀土 合金 及重 稀土镁合 金 ， 处理 时 ， 只 要大流快速冲兑 吨 铁水 在十 多秒钟 内倾完 ， 都 能加 速 熔 化 并混 合均 匀 ， 取得 了较 好 的球化效 果 。 辊 芯 冲入 法 。 如 图 所 示 ， 此 法只 是 在镁球 铁 复合 浇注的原 生产工 艺 的基础 上 ， 在 巳经 过镁 处理 的铁水 中 ， 附加 的 重稀土镁合 金 ， 目的在 于加 强辊芯 的球 化效果 。 附加 的稀土 合 金 与孕 育硅 铁拌 在一 起 ， 冲芯 时 ， 与硅 铁一 起 冲入辊芯 ， 这是 一种 固体冲芯 法 。 由于 复合轧辊在冲芯 时 ， 铁水 温 度 已低 于 ℃ ， 难 以 使重稀土 合 金熔 化 良好 ， 因此 采取 了两种措施 一是 采 用 高镁低 稀土 的重 稀土 镁合金 表 ， 二是 预先将稀土 合 金加 入 冲芯铁水 中 ， 称 为液 体冲 芯 ， 后一种 方法 虽 多 了一些 工 序 ， 但液体冲入 ， 混合均 匀 ， 效 果 很 好 。 ， 厂一 、 淤 〕二二 多 夕 脚 由于 冲芯法耗 用 重稀土 合金较少 ， 工 艺简便 ， 实用价值 较大 ， 用此 法试 制 的轧辊数 量较 多 ， 是 研 究 的重点

二、实验结果 实验轧辊的化学成分如表3所示，机械性能如表4所示。薄板褙轧轧辊的技术要求为： Hs≥60：下辊颈取样的抗拉强度σ≥30公斤。由表4可见，重稀土镁球铁轧辊及重稀土镤 冲芯轧辊下辊颈的抗拉强度比技术要求约提高6公斤/毫米2以上。一般镁球铁轧辊上、下辊 额的强度差大约在5公斤/毫米2左右，上辊颈的强度在30公斤/毫米2以上.是很少的，而重稀 土球铁冲芯轧辊一般都在30公斤/毫米以上。 表3 代表 重稀土加 化学成分%辊面/辊芯（颈） 轧辊类型 入量% 辊号 ΣR2O3 C Si Mn Mo Mg ER2O3 +4 重稀 球 铁 1180 0.52 3.20 1.59 0.56 0.32 /0.006 0.13 2.05 重稀 镁球铁 1429 0.42 3.22 0.85/ 0.30 0.47 /0.017 0.38 0.037 0.05 1.40 重稀土镁 3.08 0.56/ 0.55 0.01/ 冲芯轧辊 3983 0.06 0.44 0.004 0.53 0.05/ 0.054 /0.03 ① 1.45 0.018/ 4109 0.09 3.27 0.75/ 10.05/ 1.31 0.56 0.42 0.004 0.47 0.037 /0.05 2011 0.20 3.20 i0.70/ 0.37 0.013/ 0.51 0.067/0.053/ ② 1.09 0.64 0.004 0.048 0.043 0.012/ 2046 0.09 3.18 10.45/ 0.055/ 1.59 0.54 0.39 0.003 0.51 0.029 /0.065 3.18 0.69/ 0.007/ 0.086/ 2001 0.07 0.63 0.33 0.46 190 0.004 0.051 /0.025 ① 重稀土冲芯轧辊每炉浇注三支，代表辊号的成分并代表其余二支。 ② 这个炉次的三支轧辊是用重稀土镁处理的，故辊面含重稀土元素。 表4 轧 辊 辊身硬度Hs 抗拉强度 冲击韧性ag 代表辊号 0。公斤/毫米2 公斤·米/厘米2 类 型 上 中 下 上辊颈 下辊颈 上辊颈：下辊颈 重稀土球铁 1180 61 60 62 未取样 重稀土镁球铁 1429 65 40.0 0.6 重稀土镁冲芯辊 3983 36.0 0.4 4109 34.0 36.0 0.4 2011 62 62 62 31.0 42.5 0.3 2046 60 60 62 34.0 40.0 0.4 2001 62 65 65 36.0 41.5 41

二 、 实验 结果 实验 轧辊的 化学 成 分 如 表 所 示 ， 机 械性能如 表 所 示 。 薄板 精轧 轧 棍 的技 术要 求为 七 ， 下 辊颈取样 的抗拉 强 度 。 。 七 公斤 。 由 表 可 见 ， 重稀土 镁球 铁轧辊 及 重 稀 土镁 冲芯轧辊下辊颈 的抗拉 强度 比 技 术要求 约提 高 公 斤 毫米 以 上 。 一般镁 球 铁 轧 辊 上 、 下辊 软的强度差 大约在 公 斤 毫 米 “ 左右 ， 上辊颈 的强 度在 公斤 毫米 以上是 很少 的 ， 而 重稀 未球铁冲芯轧辊一般 都 在 公 斤 毫米 以 上 。 表 化学成分 辊面 辊 芯 颈 轧辊类型 代表 辊号 重稀 土 加 入 量 艺 ， 「 ， 艺 重球镁 稀球 铁土 重稀土镁 冲芯轧辊 ① ② ” 。 · ” ” 八曰甘﹄ 匕卜口尸九内 八」乃汀工八月 八曰日︺︸ 往任注八月通‘‘ ，目门住︺︸了了口 了八八曰﹃ 八几丫︸ 性匀匕月户。一 了﹄︸生口 ’ ① 重 稀 土 冲芯 轧辊 每炉 浇注 三 支 ， 代表 辊 号 的成分 并代表其余二 支 。 ② 这个炉 次 的三 支轧辊是 用重 稀土 镁处 理 的 ， 故 辊 面 含重 稀 土 元 素 。 表 辊 身硬 度 代 表辊 号 下 抗拉 强度 。 公 斤 毫米 冲击 韧 性 公 斤 米 厘 米 么 仁辊颈 下 辊 颈 重 稀 土 球 铁 重 稀土 镁 球 铁 重稀 土镁 冲芯 辊 上辊颈 下 辊 颈 未 取 样 中 ︸ 上 轧类 型辊 ·止 八 自八 匕匕八 夕︼ 匕八 山今乙

对于稀土元素在大断面球铁中的球化作用，存在着 不同看法(4,5)，我国轧辊生产中几乎都采用镁球化剂， 为了证实重稀土元素在大断面球铁中的球化作用，特意 试制了三支单一重稀土球铁轧辊(1180产)和二支低镁 高稀土的球铁轧辊(1429等)。1429下辊颈的金相 组织如图5所示。11804轧辊在使用后从辊身进行了解 剖。辊芯的的金相组织如图6所示。辊花的机械性能如 如图7所示。距辊面80毫米处的断口如图8所示。化学 元素分布的特征离子图象如图9所示。 里578× 360 280 200 120 40 图625× 距辊芯mm◆ 图7 图8扫描电镜120× Fe 42