ハイスロールの製造方法

ハイスロール製造技術、ハイスロールの製造には主に鍛造、鋳造、スプレー成形、熱間静水圧プレスなどの技術が含まれます。 鍛造ハイスロールの普及と使用はゆっくりと進んでおり、現在、工業生産における鋳造ハイスロールのより一般的な製造方法には、遠心鋳造、連続鋳造外層形成、エレクトロスラグ再溶解および液体金属エレクトロスラグ溶接が含まれます。

 

ハイスロールの製造

 

鋳造ハイスロール

鋳造高速度鋼ロールの製造技術の向上は、主に鋼の純度と均一性の向上、ロールの強度の向上、ロールの外層とロールの芯の冶金学的組み合わせの向上にあります。 圧延機が異なれば、同じ圧延機でもスタンドが異なればロール性能に対する要求も異なり、要求されるロール性能、ロール仕様、製造コストに応じて適切な製造方法を選択することができます。

1) 遠心鋳造法

遠心鋳造ロールの最大の特徴は、液状の外層材料と芯材を一定の時間間隔で金型内に流し込むことです。 この方法でロールを製造するには、遠心回転時間、ロール芯金への溶融金属の注入間隔、注入温度、外層成分の偏析や内外層材料の界面酸化の防止が鍵となります。 ハイス鋼にはW、Cr、Mo、Vなどの元素が多く含まれており、これらの元素と生成する炭化物との密度差が大きく、通常の遠心鋳造条件ではハイスロールの元素偏析が顕著になります。

日本の川崎製鉄株式会社は、遠心鋳造高速度鋼ロールの偏析は主に MC タイプの炭化物であり、ロールの耐摩耗性に重大な影響を与えると分析しました。 VCと溶鋼の密度の差が大きいため、初晶VCの偏析が起こります。 VC偏析を防止する方法は、Nb元素の添加によりMC型炭化物の密度を高め、偏析元素であるW、Moの添加を制限し、基本組成を2.0%C-6.0%V-7.0%Cr-2.5%とすることである。 Mo、Nbを1.0~1.5%添加した試験を行った結果、より高密度のMC型複合炭化物(V、Mo、Nb系炭化物)が生成するため、溶鋼に近い密度が得られます。 VCを低減し、高速度鋼ロールの遠心鋳造を効果的に制御します。

しかし、Wフリーの低Moハイスロールは赤硬さが著しく低下し、耐摩耗性が低下します。 さらに、Nb は鋼の焼入れ温度を上昇させ、二次硬化ピークが発生する温度を低下させます。高速度鋼の鋳造プロセスでは、Nb 基系の MC 型炭化物は MC- V系超硬合金のため、使用中にロールが剥離しやすくなります。

したがって、与えられたプロセス条件下で最適な V と Nb 化合物の添加率を決定し、粗大な NbC の生成を制御し、ロール中の W と Mo の含有量を増加させ、高速度鋼の赤硬度と耐摩耗性を確保するか、遠心鋳造高速度鋼ロールの製造においては、高速度鋼ロールの偏析を解消することが喫緊の課題となっています。

さらに、高速度鋼ロールの遠心鋳造プロセスでは、遠心分離機の速度もロールの性能に大きな影響を与えます。

この研究では、遠心分離速度の増加に伴い、ロールの構造がより緻密になり、硬度が増加し、摩耗量が減少し、耐摩耗性が継続的に改善されることがわかりました。

高速度鋼複合ロールの接着層の品質を向上させるために、中国の科学者は高速度鋼複合ロールの多層鋳造プロセス1とコア2を発明しました。 加工層を遠心注湯した後、回転速度を下げて中間層1と中間層2をそれぞれ注入し、次に回転速度を再び200〜350 rpmに下げて中子1を注入し、電源を切って自由に減速し、 2の芯を流し込みます。 従来の二層または三層複合ハイスロールと比較して、本発明の複合ハイスロールは、圧延工程中の加工層の剥離率が30%減少し、50%〜60%減少しました。ロール破損の確率が % 減少します。

しかし、この方法ではハイスロールの製造工程が複雑であり、金属溶湯の種類が多すぎて操作が煩雑である。 最近、関連機関は高速度鋼ロールの偏析メカニズムについて詳細な研究を実施し、遠心鋳造高速度鋼ロールの偏析の主な原因は、高速度鋼中に原子クラスターが存在することであることを発見しました。溶融金属とは密度が異なり、クラスターはロール表面に移動し、密度の低い原子クラスターはロール中心に移動します。 原子クラスターが形成される主な理由は、高速度鋼ロール内のさまざまな元素の物理的および化学的特性が異なることです。

遠心鋳造高速度鋼ロールの偏析に影響を与える主な要因は、遠心分離機の回転数、溶湯の凝固冷却速度、原子クラスターの性質であり、回転速度が高くなるほど凝固冷却速度は小さくなります。そして人種差別はさらに深刻になります。 同じ体積と密度を持つ原子クラスターは凝集体またはストリップの形をしており、球状の場合よりも空間的広がりが大きく、偏析を減らすのに有利です。 これに基づいて、遠心鋳造高速度鋼ロールの偏析に及ぼす電磁場の影響を研究したところ、電磁場は金属溶液中に電磁力を発生させ、その接線成分は金属溶液の接線方向の成分と逆であることが判明した。溶液の移動方向、固液界面の前の溶液を強制的に流動させ、要素の原因となる 分配係数 k の変更は、高速度鋼ロールの要素偏析を軽減するのに有益です。

また、電磁力の作用により、溶融金属の固液界面や樹枝状端部の強力な洗掘作用が促進され、型壁からの結晶の脱落や樹枝状結晶の破壊を引き起こし、等軸結晶の形成が促進されます。マクロ分離の削減に役立ちます。 ハイスロールの電磁遠心鋳造においても、磁場の作用により、導電率や密度の違いにより、最初の析出相、原子クラスター、金属溶液間の運動状態の相違が生じます。最終的な組成の分離も重要な役割を果たします。

清華大学も電磁遠心鋳造高速度鋼複合ロール法を発明しており、鋳造の際、まず遠心鋳造装置の外側に安定した一定の磁場からなる外部磁場を加え、同時に鋳造を行います。装置を高速で回転させ、液体による電磁撹拌を発生させる電磁遠心鋳造法は、組織が緻密で遊離気孔が少ないなどの通常の遠心鋳造の利点を維持するだけでなく、粗い柱状粒組織を均一な等軸組織に変化させます。結晶粒構造が均一になり、第二相の分布が均一になりやすく、成分偏析が抑制されます。

この方法により製造された高速度鋼複合ロールの鋳塊は、理想的な微細組織と界面結合力を有し、良好な使用性能を有する。

2)連続鋳造外層形成法(CPC)

日本製鉄株式会社は、遠心鋳造高速度鋼ロールの偏析欠陥を克服するために、省エネルギーと良好なロール性能を特徴とする高速度鋼ロール製造用のCPC法を開発しました。 基本原理は、垂直に立設したマンドレルと水冷鋳型との隙間にロール外層の素材となる溶鋼を流し込み、マンドレルとともに溶鋼が徐々に溶けながら凝固します。回転させて断続的に下方に引っ張ります。複合ロールで作られています。 鋳造外材とマンドレルを完全に溶接するために、電磁誘導加熱により溶鋼とマンドレルに熱を供給します。

CPC法で製造されるハイスロールは、組織が緻密で均一で介在物が少なく、引け巣や気孔などの欠陥がほとんどなく、一般的な遠心鋳造ハイスロールに比べて総合性能が大幅に優れています。 遠心鋳造ロールの偏析欠陥を克服するだけでなく、ロールの芯材に高張力鍛造鋼を使用することができ、遠心鋳造法では不可能な高強度の芯材を実現しました。

現在、CPC法は工業化されており、日本製鉄株式会社が設計したCPC装置一式は、ロール本体直径:250~850mm、ロール本体長さ:≤3000mm、外層厚さ:≤100mm、ロールの性能を備えています。長さ:≤5700mm、ロール重量:≤15000Kg。

中国の科学者はまた、複合高速度鋼ロールの連続鋳造装置を発明しました。この装置は、操作プラットフォーム、溶鋼鋳造システム、るつぼ、分離リング、水冷晶析装置、バイブレーター、位置決めガイド装置で構成されています。 、誘導加熱装置、鋳造システム。

その主な技術的特徴は、水冷晶析装置とるつぼが操作プラットフォームの上にあり、2 つの振動子が操作プラットフォームの下にあるという事実に反映されており、コア誘導加熱装置と位置決めガイド装置はるつぼの上に配置されています。ビレット引抜きシステムは操作プラットフォームの下にあり、ダミープレートは晶析装置の下端に面しています。 現在、この技術は、WとVの含有量が高く、偏析が少なく、耐摩耗性に優れた複合高速度鋼ロールの製造に適用されており、圧延中のロール交換の頻度を減らし、圧延の稼働率を大幅に向上させることができます。製造コストを削減し、経済的利益を向上させます。

3) エレクトロスラグ再溶解 (ESR)

エレクトロスラグ再溶解法は、高品質鋼の製造に広く用いられている再溶解法であり、当初は主に脱酸・脱硫を目的としており、凝固抑制効果により非金属介在物の分布特性が大幅に改善されました。

その主な利点は次のとおりです。
a) 粒子を精製する。
b) 鋼中の非金属不純物および介在物を削減します。
c) 鋼の熱間加工性を改善する。
d) 組織のマクロ偏析とミクロ偏析を低減し、工具鋼およびダイス鋼の炭化物の分布を改善します。

近年、高速度鋼複合ロールの製造には、通常のエレクトロスラグ再溶解法をベースに開発された回転式エレクトロスラグ鋳造法が使用されている。 回転式エレクトロスラグ鋳造法の基本原理は、芯材となる円筒状の高張力合金鋼の周囲に同心円状の水冷鋳型を配置し、その上に高速度鋼または準高速度鋼からなる消耗電極を配置するものである。鍛鋼と鋳型の間でエレクトロスラグが消耗電極を再溶解している間、鍛造鋼シャフトと晶析装置が同期して回転し、両者の間の隙間は再溶解した高速度鋼または準高速度鋼で継続的に充填されます。溶鋼が凝固した後、溶鋼が鍛造鋼シャフトの表面を溶かし、鍛造鋼シャフトと冶金学的結合を形成する。

溶鋼の連続的な射出と凝固により晶析装置が上昇し、最終的に外層が高速度鋼、ロールコアとロールネックが鍛造鋼からなる複合ロールが形成されます。 外材はエレクトロスラグ精錬を施しているため清浄度が高く、冷間圧延の要求に応えることができ、冷間圧延用ワークロールとして使用可能です。

日立製作所は、ESR法によりφ425mm×1880mmの冷間圧延準高速度鋼ロールを製造した。 ESR法の最大の問題点は、コストが高く、大きなロールの製造が難しいこと、またエレクトロスラグ材料に多く含まれるCaFが含まれるため、HF、SiF4、SF6などの有害なガスが発生し、危険を招くことです。労働者の健康を害し、環境汚染を引き起こす。 ESR法により製造された準高速度鋼ロール素材を軽鍛造、1060℃で焼き入れ、500℃で焼き戻しを行った後ロールに加工しており、表面硬度は97HSで耐摩耗性、耐事故性に優れています。 。

中国の科学者は複合ロールを製造するためのエレクトロスラグ鋳造法も発明した。 予め製造されたロールコアはエレクトロスラグ鋳造の内型として使用され、配合されるロール外層材料はエレクトロスラグ鋳造の消耗電極として使用されます。 装置の外側晶析器の内径と接続された二重 U 字るつぼの溶湯出口の直径は、配合される配合ロールの外径と等しく、消耗電極の溶融速度は100〜1000kg/h。 消耗電極は 1 つまたは 2 つ以上にすることができます。 この方法により、複合ロールの遷移層が狭くなり、良好な複合性能が得られる。

4) 液体金属のエレクトロスラグ溶接 (ESSLM)。

1996 年、ウクライナの ELMET Roll Company は、CPC 法とエレクトロスラグ精製に基づいた新しいロール製造法である液体金属エレクトロスラグ溶接による高速度鋼複合ロールの製造プロセスを開発しました。 ESSLM 法でロールを製造する場合、ロールの外層は特別に設計された導電性水冷銅晶析装置で凝固され、晶析装置は注入された溶鋼の外層を凝固させるだけでなく、ロール内の非消耗電極としても機能します。エレクトロスラグプロセス。 コンパウンド工程の開始時に、ハイスロールの中心となるマンドレルを金型に同軸に挿入します。 シャフトの外面と晶析装置の内面

表面のギャップによって、ロールの外層の厚さが決まります。 次に、別の溶解装置で溶解したスラグ液を晶析装置とマンドレルの隙間に流し込み、スラグ液がスラグプールを形成し、その熱でマンドレルの表面を予熱します。 次に、高速度鋼の外層を注入します。これは連続的に、または事前に設定されたプログラムに従って注入できます。 溶鋼はスラグを浮上させ、スラグプールを通過する際にスラグによって精製されます。 溶鋼は予熱されたマンドレル表面と融合し、金型の冷却により固化して複合層を形成します。 凝固部分は移動装置により晶析装置から連続的に引き出され(または金型が上昇)、同時に上溶鋼が所定のロール長に達するまで連続的に射出される。

現在、ESSLM法は工業化されており、ESSLM法で製造された高速度鋼複合ロールの外層は緻密で、引け巣、亀裂、緩みなどの欠陥がなく、外層金属と金属との融着が良好です。主要な合金元素、硬度、微細構造は高さ方向および断面の分布が均一です。

 

スプレーフォーミング(オスプレイ)高速度鋼ロール

Osprey技術は、粉末冶金の不活性ガスアトマイズ粉末製造をベースに開発された最終に近い成形技術であり、精製された液体金属を最大限に活用し、高圧不活性ガスを使用して合金の液体の流れを微細な溶融液滴に霧化します。溶融液滴は高速空気流の作用を受けて飛翔し、霧化ガスによって冷却され、完全に固化する前に受液器上に一定の形状で堆積し、受液器の動きを制御することで一定の形状を得ることができます。ブランクを預けます。

Osprey テクノロジーを使用して製造された材料には、次の技術的特徴があります。
① マクロ分離がない。
② 組織が等方的に均一に分散する。
③初期粒子の分散析出。
④酸素含有量が低い。
⑤ 熱間加工性が向上します。

オスプレイの技術は上記のような特徴があるため、ハイスロールの製造に応用することが注目されています。 中国の学者は溶射成形高速度鋼ロールの構造と性能を研究しており、高速度鋼ロール材料の主成分(重量%)は: 0.9-1.1C、0.35-0.45Si、0.70-0.80Mn、 7.90-8.20Cr、1.45-1.55Mo、1.5-1.7V、0.45-0.55W。 溶射成形ハイスロールの光学的微細組織には明らかな炭化物は観察されなかったが、組織中にはある程度の残留オーステナイトが存在した。 走査型電子顕微鏡で結晶粒界に不連続に分布した炭化物粒子が観察された。 さらに、溶射された形態サンプルの結晶粒子は明らかに微細化されていました。

英国ナショナルロールマニュファクチャリング社がオスプレイの技術で製造する高速度鋼ロールは、ロール本体サイズがφ400mm×1000mmで、鍛造に比べ組織が非常に微細で、粗大な共晶炭化物が完全に除去されています。両者の境界を冶金学的に良好に組み合わせることにより、ロールの疲労性能が向上し、長寿命化が図れ、現在、φ800mm×2000mmの高速度鋼複合ロール装置の開発・製造が検討されている。 。

米国のBABCOCK社とWILCOX社、およびナショナルロール会社も同様のプロジェクトを計画しており、オスプレイの技術を活用した高速度鋼複合ロールの製造を研究している。

日本の住友重機械工業株式会社は、レシーバー水平往復運動装置を備えたスプレー成形装置を使用して、最大直径800 mm、重量の高速度鋼ロールスリーブおよび高速度鋼/炭素鋼複合ロールを製造しました。 1989年以来1トン。プロファイルローリング。

実際の使用において、このプロセスで製造されたロールは、一般的な粉末冶金高速度鋼ロールと比較して1.6〜3.0倍、従来の鋳造高速度鋼ロールと比較して3.6倍以上の寿命を延ばすことができます。市場の見通し。

 

熱間静水圧プレス(HIP)高速度鋼ロール

粉末冶金技術のスプレー造粒と熱間静水圧プレスを組み合わせたプロセスを適用して製造された高速度鋼は、従来の方法で製造された鋼と比較して、優れた被削性、靭性、硬度、熱処理後の形状安定性などの多くの利点を備えています。

HIP法で製造されたハイスロールは、同じ組成の鋳造ハイスロールと比較して、炭化物がより細かく均一であり、炭化物の形態と分布が熱疲労性能、耐スポーリング性に決定的な役割を果たします。ロールの靭性と靭性により、HIP高速度鋼ロールの全体的な性能は鋳造ロールよりも大幅に優れています。

さらに、耐摩耗性をさらに向上させるために、HIP ハイスロールはより高い炭素含有量と合金含有量を採用し、良好な炭化物形態を維持することができます。

HIP法によりハイスロールを製造する場合、一般にロール芯材は鋳造または鍛造された鋼材で作られ、ロール本体の外層に使用される高速度鋼粉末がロール芯材の外側に充填されます。圧力をかけながらロール状にします。

HIPプロセスは高圧に耐える設備が必要なため、設備の制約により小径のハイスロールしか製造できません。

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