复合变质处理高速钢轧辊制备方法

摘要

复合变质处理高速钢轧辊制备方法，属于轧钢技术领域。在中频感应电炉内熔炼高速钢轧辊材料，并将炉内钢水的化学组成及其质量分数控制在2.32‑2.49％C,4.17‑4.33％W,4.80‑4.98％Mo,9.63‑9.85％Cr,0.48‑0.66％Mn,0.57‑0.81％Si,

权利要求

1.一种复合变质处理高速钢轧辊制备方法，其特征在于，具体工艺步骤如下：①先在中频感应电炉内熔炼高速钢轧辊材料，并将炉内钢水的化学组成及其质量分数控制在2.32‑2.49％C， 4.17‑4.33％W， 4.80‑4.98％Mo， 9.63‑9.85％Cr， 0.48‑0.66％Mn， 0.57‑0.81％Si， <0.035％S， <0.040％P， 余量Fe；然后将钢水升温至1615‑1626℃，保温4‑5分钟后，加入占炉内钢水质量分数0.45‑0.50％的金属铝进行脱氧和合金化，继续保温5‑6分钟后，加入占炉内钢水质量分数3.2‑3.5％的硼铁进行合金化，当硼铁完全熔化后，继续将钢水升温至1627‑1639℃，然后将钢水出炉到钢包；

②钢水全部进入钢包后，用喂丝机将含有变质剂的合金线喂入钢水内，合金线插入到钢包内钢水下部，合金线头部距离钢包底部距离120‑150mm；合金线由低碳钢带和包裹在钢带内的变质剂粉组成；低碳钢带的化学组成及其质量分数为：0.13‑0.22％C， 0.20‑0.35％Si％， 1.25‑1.38％Mn， 4.66‑4.80％Ni， 6.28‑6.47％Al， <0.03％S， <0.03％P， 余量Fe；合金线直径Φ3‑4mm；合金线加入量占进入钢包内钢水质量分数的3.5‑4.0％；

③合金线全部加入钢水5‑6分钟后，对钢水扒渣处理，当钢水温度降至1442‑1457℃时，将钢水浇入高速旋转的离心铸造机上的铸型内，铸型转速880‑900rpm；钢水全部进入铸型后，立即喷水冷却铸型外表面，喷水冷却80‑100秒后，停止喷水冷却，并将铸型转速调高至

1100‑1120rpm，旋转3‑4分钟后，将铸型转速降至920‑940rpm，当高速钢内表面温度为1293‑

1326℃时，停机在静态下浇注温度为1324‑1347℃的辊芯球墨铸铁铁水，浇注完毕并静置

20‑24小时后，取出轧辊，经清砂打磨后进行粗加工；

④将粗加工后的轧辊重新加热至1030‑1045℃，保温2‑3小时后，出炉风冷至辊面温度为450‑490℃时，重新入炉加热至550‑580℃，保温10‑12小时后，炉冷至温度为330‑350℃，继续入炉加热至520‑540℃，保温16‑18小时后，炉冷至温度低于120℃，出炉空冷至室温，再精加工至规定尺寸和精度，即可获得复合变质处理高速钢轧辊；

变质剂粉占所述合金线总质量分数的36～38％；变质剂粉由硅钙合金粉、KMnO4粉、镁包覆纳米ZrN粉、锌粉和稀土硅铁粉组成；硅钙合金粉、KMnO4粉、镁包覆纳米ZrN粉、锌粉、稀土硅铁粉分别占变质剂粉质量分数的20‑22％， 20‑22％， 18‑20％， 12‑15％， 24‑26％，硅钙合金粉、稀土硅铁粉、锌粉的尺寸为15‑20μm，KMnO4粉的尺寸为80‑100目，ZrN的尺寸为

40‑70nm；镁占镁包覆纳米ZrN粉质量分数的35‑38％。

2.按照权利要求1所述的一种复合变质处理高速钢轧辊制备方法，其特征在于，如上所述硼铁的化学组成及质量分数为：19.89‑20.42％B， ≤0.5％C， ≤2％Si， ≤0.5％Al， ≤

0.01％S， ≤0.1％P， 余量Fe。

3.按照权利要求1所述的一种复合变质处理高速钢轧辊制备方法，其特征在于，如上所述稀土硅铁粉的化学组成及质量分数为：28.40‑29.57％RE， 39.57‑40.26％Si， <3.0％Mn， <5.0％Ca， <3.0％Ti，余量为Fe。

4.按照权利要求1所述的一种复合变质处理高速钢轧辊制备方法，其特征在于，如上所述硅钙合金粉的化学组成及质量分数为：42.83‑43.39％Si， 15.07‑15.41％Ca， ≤0.8％C， ≤0.04％P， ≤0.06％S，余量为Fe。

5.按照权利要求1所述的一种复合变质处理高速钢轧辊制备方法，其特征在于，合金线制造方法是：将低碳钢钢带表皮经轧制机组压制成U型，在线同步向表皮中添加变质剂粉，添加变质剂粉后的表皮在成形辊轧制下合口呈O型断面的合金线毛坯，采用高频焊接在合口处进行焊接，使有缝管成为无缝管，再经逐道拉拔、减径后制备出无缝合金线。

6.按照权利要求1‑5任一项所述的方法制备得到的一种复合变质处理高速钢轧辊。

说明书

复合变质处理高速钢轧辊制备方法

技术领域

[0001] 本发明公开了一种高速钢轧辊制备方法，特别涉及一种复合变质处理高速钢轧辊制备方法，属于轧钢技术领域。

背景技术

[0002] 轧辊是轧钢设备上的关键备件，随着热轧技术的不断发展，对轧辊性能提出了更高的要求，轧辊材料由普通无限冷硬铸铁，发展到高镍铬无限冷硬铸铁、高铬铸铁，目前已
发展到高速钢。高速钢轧辊具有优异的红硬性和良好的耐磨性，在热轧领域获得了广泛的
应用。为了进一步提高高速钢轧辊性能，中国发明专利CN 111151732A公开了一种无头带钢
轧制精轧后段用高速钢轧辊制备方法，采用三层离心复合浇铸，分别对外层、中间层和芯部
采用高强度球墨铸铁进行浇铸，控制中间层及芯部的浇铸钢水含量为C1.8～2.8wt％，
Si0.6～0.9wt％， Mn0.5～0.8wt％，Ni0.4～0.8wt％，Cr+Mo+Nb+V+W17～22wt％，P≤
0.03wt％， S≤0.03wt％，余量为Fe及不可避免杂质。该发明外层得到的石墨降低了摩擦系
数，而一定数量的硬质碳化物增强了轧辊的耐磨性能，该组织能有效减少末机架甩尾对轧
辊造成的伤害，改善了球墨铸铁的球化等级和提高了抗拉强度，大大增强了轧辊的抗事故
性。中国发明专利CN 108660361A还公开了一种热轧无缝钢管用高速钢辊环的制备方法，其
特征在于，包括以下步骤：①先在中频感应电炉内熔炼高速钢钢水，并将高速钢钢水的化学
组成及其质量分数控制在3.22‑3.45％ C,1.07‑1.22％W,2.39‑2.61％Mo,1.55‑1.86％V,
12.44‑12.67％Cr,0.37‑0.54％ Mn,0.63‑0.87％Si,0.29‑0.41％Al,≤0.035％S,≤
0.035％P,余量Fe，当钢水温度达到1586‑1609℃时，将钢水出炉到钢包，钢包内预先加入多
元合金颗粒，多元合金颗粒的尺寸为4‑6mm，多元合金颗粒的化学组成及其质量分数为6.04
～7.71％ Ce,6.15‑7.48％La,10.10‑11.29％Bi,5.02‑5.31％Sb,3.54‑4.25％Mg,22.07‑
26.59％ Si,余量为Fe和不可避免的微量杂质，多元合金颗粒的加入量占进入钢包内钢水
质量分数的1.26‑1.45％；②步骤①钢包内的钢水经扒渣、静置后，当温度降至 1452‑1475
℃时，将钢水浇入铸型，并在钢水浇注过程中，随钢水流浇入高硅钙钡锌合金颗粒，高硅钙
钡锌合金颗粒尺寸1‑3mm，高硅钙钡锌合金颗粒的化学组成及其质量分数为：60.14‑
63.78％Si,5.07‑5.53％Ca,5.52‑5.80％Ba, 11.74‑12.11％Zn,≤0.50％C,≤0.04％P,≤
0.06％S,余量为Fe，高硅钙钡锌合金颗粒的加入量占进入铸型内钢水质量分数的2.63‑
2.88％；③钢水浇注1‑2小时后，开箱取出铸件，经打磨清砂后，得到高速钢辊环毛坯，高速
钢辊环毛坯经粗加工后，在其表面涂覆高温防氧化涂料，涂料厚度0.50‑0.80mm，然后将涂
覆有涂料的高速钢辊环毛坯随炉加热至1120‑1135℃，保温2‑2.5小时后，炉冷至温度 
1020‑1035℃，保温90‑100分钟后，在温度为60‑85℃的淬火油中淬火冷却20‑25 分钟，随后
将高速钢辊环在炉温为300‑380℃的炉内随炉加热至580‑595℃，加热速度为8℃/20分钟，
保温5‑6小时，随后炉冷至温度低于200℃，继续将辊环以30℃/30分钟的速度随炉加热至
530‑545℃，保温8‑10小时后，炉冷至温度低于120℃，出炉空冷至室温，最后精加工至规定
尺寸和精度，即可获得热轧无缝钢管用高速钢辊环。

[0003] 中国发明专利CN111136246A公开了一种高速钢轧辊的制备方法，包括如下工序：分别熔炼辊身外层高速钢水、中间层半钢钢水和芯部铁水；依次浇注轧辊的外层、中间层和
芯部；待高速钢轧辊铸坯浇注完毕24‑48h后，取出并冷却至常温，进行粗加工、淬火和二次
回火处理以及精加工，即得高速钢轧辊；其中，铸造工序中，采用超声波辅助离心浇注法铸
造辊身外层，超声功率为700‑800W，重力倍数计为220‑350G。该发明制备方法采用超声波辅
助离心铸造，有效地改善高速钢凝固组织中碳化物的形态及分布，使轧辊外层基体上获得
大量细小均匀、弥散分布的MC碳化物，减轻合金元素的偏析，全面提升了轧辊的综合力学性
能。中国发明专利CN111101062A还公开了一种热轧改良的离心复合铸造的高 Nb高速钢轧
辊，包括以下质量百分比的组分：1.50～1.70％的C，1.40～1.60％的Si，0.60～1.00％的
Mn，1.00～1.50％的Ni，5.00～8.00％的Cr，3.00～5.00％的Mo，1.00～3.00％的W，4.00～
6.00％的Nb，1.00～2.00％的V，≤0.03％的S，≤0.03％的P，其余为Fe及不可避免的杂质。
同时，该发明还公开了上述高Nb 高速钢轧辊的制备方法。该发明替代热轧粗轧工作辊较长
使用的高铬钢轧辊，打破传统的离心复合高速钢的成份限制，此产品可以覆盖目前热轧机
架上的全部工作辊，也可以用于棒线轧辊上，并保证了整个轧辊耐磨性的一致性。

[0004] 中国发明专利CN110964986A还公开了一种硅铝铬轧辊抗高温氧化高硼高速钢，包括C：0.38％～0.56％，B：1.32％～1.85％，Cr：4.25％～5.00％，Al： 1.0％～1.55％，W：
1.0％～1.45％，Mo：0.8％～1.25％，V：0.55％～0.85％， Mn：0.50％～1.00％，Si：1.82％
～2.35％，其余为Fe和不可避免的微量杂质。该发明中的高硼高速钢的抗蚀相/SiO2内氧化
物双向协同钉扎作用能够提高材料的抗氧化和抗剥落性能，可以为进一步开发能可靠服役
于高温工况的高速钢轧辊材料提供研究思路。使得浇注过程受到影响，保证产品致密性以
及整体尺寸稳定性。中国发明专利CN107891138A还公开了一种用于制作金属瓦楞板的超高
钒高速钢轧辊的制备工艺：步骤一：确定化学成分：包括用于制作金属瓦楞板的超高钒高速
钢压辊的外层、中间层、辊颈的化学成分；步骤二：浇注；采用离心浇注，浇注过程采用钢水
防氧化剂全覆盖铁水表面；采用陶瓷过滤网过滤钢水内细小非金属夹杂和未溶合金氧化物
颗粒；步骤三：冷开箱中温热处理：冷开箱粗车辊身， 800℃‑850℃中温处理，保温5h，风冷
至常温。该发明通过离心铸造成型、特殊的中温热处理得到超高钒高速钢，该产品硬度落差
低，孔型表面质量光滑，制备过程可降低对环境的污染。中国发明专利CN110343839A还公开
了一种高速钢轧辊的热处理工艺，高速钢是一种复杂的钢种,含碳量一般在0.70～1.65％
之间。含合金元素量较多，总量可达10～25％。按所含合金元素不同可分为：①钨系高速钢
(钨9～18％)；②钨钼系高速钢(钨5～12％，钼2～6％)；③高钼系高速钢(钨 0～2％，钼5～
10％)；④钒高速钢，按含钒量的不同又分一般含钒量(钒1～2％) 和高含钒量(钒2.5～
5％)的高速钢；⑤钴高速钢(钴5～10％)。按用途不同高速钢又可分为通用型和特殊用途两
种。该发明高速钢的热处理工艺，在淬火过程中进行一次预热，保证了淬火的工艺要求，增
强了材料的冲击韧性，进行两次回火处理，使回火更加充分。中国发明专利CN109778065A还
公开了一种高钛高速钢轧辊及其制造方法，属于金属材料技术领域。该发明高钛高速钢轧
辊化学组分以质量百分含量表示为：1.4～1.8C、0.2～0.5Si、0.2～0.5Mn、0～0.03P、0～
0.03S、 0.6～1.0Ni、1.5～2.0Mo、2.0～5.0Ti、11～13Cr，其余为Fe和不可避免杂质。该发
明高钛高速钢轧辊材料中，W、Mo、V等贵重金属的加入量较少，成本显著降低，节约珍惜矿产
资源。中国发明专利CN107475641A还公开了一种高速钢轧辊的制备方法，其特征在于，包括
以下步骤：S001：分别熔炼辊身外层钢水、中间层半钢钢水和芯部球墨铸铁铁水，待用；所述
辊身外层钢水包括以下重量百分比组分：C：1.5％～2.5％，Si：0.5％～1.5％，Mn：0.5％～
1.2％，V：2％～ 5％，Cr：3％～8％，Ni：0.6％～1％，Mo：2％～5％，W：0.5％～2％，Zr： 
0.5％～2％，N：0.1％～0.5％，以及余量Fe；S002：根据离心铸造法，采用所述辊身外层钢
水、中间层半钢钢水和芯部球墨铸铁铁水依次浇注轧辊的辊身外层、中间层和芯部，得高速
钢轧辊铸坯；S003：待所述高速钢轧辊铸坯浇注完毕 24h～48h后，取出并冷却至常温，进行
淬火和二次回火处理；即得高速钢轧辊。中国发明专利CN109652626A还公开了高速钢轧辊
铸造余热热处理方法，包括以下步骤：S1：开箱，高速钢轧辊在离心铸造完毕后，在铸型内结
晶凝固冷却后根据公式计算出的开箱时间开箱；所述公式为：时间＝开箱系数×轧辊铸件
直径，单位：时间‑h，直径‑dm；S2：淬火，高速钢轧辊电阻炉内均温一段时间后速度快速升温
后保温，出炉风冷；S3：回火。该发明通过经大量试验所得的公式计算出开箱时间，较传统冷
开箱的轧辊在热处理环节可节能50％以上，并缩短了热处理周期和轧辊的制造成本，处理
获得的轧辊硬度高，且晶粒细小，碳化物无聚集长大现象，性能优良，大大降低了热处理环
节的能源和时间消耗。中国发明专利CN108130486A针对高速钢轧辊生产成本高的问题，设
计一种离心铸造高硼高速钢。铸态高硼高速钢辊环组织由马氏体、少量残余奥氏体及硼碳
化物组成，硼碳化物由M2(B,C)，(W,Mo)2(B,C)，M3(B,C)以及M23(B,C)6组成，呈鱼骨状、筛
网状和块状沿晶界分布；快速冷却下，辊环径向上合金元素无偏析。经1050℃水淬后，共晶
硼碳化物形貌和分布没有变化，部分二次硼碳化物溶解，局部有断网现象，基体中出现细
小、弥散的二次析出物，经525℃回火后数量明显增加。处理后，硬度达到60.8HRC，冲击韧性
2
可达到8.4J/cm。中国发明专利 CN105033227A还公开了一种适用于窄带钢轧机用的高钒
高速钢复合轧辊的制造方法。所述制造方法包括采用离心浇注方法浇注辊身外层，浇注完
辊身外层高钒高速钢水后，往辊身外层型腔内持续通入惰性气体，当高钒高速钢外层温度
达到1220～1280℃时停止离心机转动，同时停止惰性气体吹入，然后合箱浇注辊身芯部铁
水。该发明明显提高了外层高钒高速钢与芯部铁水的结合率，结合率由 40％提高至100％，
结合强度由350Mpa提升至450Mpa，使得高钒高速钢轧辊辊身结合层抗剥落性大大提高；同
时能够有效去除芯部铁水溶蚀外层的碳化物形成元素量，从而改善了辊颈组织，提高了辊
颈强度，杜绝了使用中的断辊现象。

[0005] 但是，上述高速钢轧辊组织中，普遍存在辊身碳化物组织粗大，碳化物呈网状分布的不足，导致高速钢轧辊强韧性下降，高速钢轧辊使用过程中易发生开裂、剥落事故，严重
时发生断辊事故，严重影响高速钢轧辊的正常使用。为了解决上述难题，国内外普遍在高速
钢轧辊中，加入较多的钒元素，实现了碳化物从网状 M6C型变成了孤立分布MC型碳化物，但
是，钒元素价格昂贵，钒的大量加入增加了高速钢轧辊生产成本，此外，钒的大量加入，导致
MC型碳化物尺寸粗大，从而使高速钢韧性下降，导致高速钢轧辊使用中易出现剥落，降低轧
辊使用寿命。

发明内容

[0006] 本发明的目的，通过对高速钢进行多元素复合变质处理，实现碳化物形态的孤立分布和尺度的明显减小，从而大幅度提高高速钢轧辊力学性能和耐磨性，确保高速钢轧辊
的安全使用。本发明可以通过以下具体工艺来实现。

[0007] 复合变质处理高速钢轧辊制备方法，具体工艺步骤如下：

[0008] ①先在中频感应电炉内熔炼高速钢轧辊材料，并将炉内钢水的化学组成及其质量分数控制在2.32‑2.49％C,4.17‑4.33％W,4.80‑4.98％Mo,9.63‑9.85％Cr, 0.48‑0.66％
Mn,0.57‑0.81％Si,<0.035％S,<0.040％P,余量Fe；然后将钢水升温至 1615‑1626℃，保温
4‑5分钟后，加入占炉内钢水质量分数0.45‑0.50％的金属铝进行脱氧和合金化，继续保温
5‑6分钟后，加入占炉内钢水质量分数3.2‑3.5％的硼铁进行合金化，当硼铁完全熔化后，继
续将钢水升温至1627‑1639℃，然后将钢水出炉到钢包；

[0009] ②钢水全部进入钢包后，用喂丝机将含有变质剂的合金线喂入钢水内，合金线插入到钢包内钢水下部，合金线头部距离钢包底部距离120‑150mm；合金线由低碳钢带和包裹
在钢带内的变质剂粉组成；合金线制造方法是：将低碳钢钢带表皮经轧制机组压制成U型，
在线同步向表皮中添加变质剂粉，添加变质剂粉后的表皮在成形辊轧制下合口呈O型断面
的合金线毛坯，采用高频焊接在合口处进行焊接，使有缝管成为无缝管，再经逐道拉拔、减
径后制备出无缝合金线；低碳钢带的化学组成及其质量分数为：0.13‑0.22％C,0.20‑
0.35％Si％, 1.25‑1.38％Mn,4.66‑4.80％Ni,6.28‑6.47％Al,<0.03％S,<0.03％P,余量
Fe；合金线直径Φ3‑4mm；合金线加入量占进入钢包内钢水质量分数的3.5‑4.0％；

[0010] ③合金线全部加入钢水5‑6分钟后，对钢水扒渣处理，当钢水温度降至 1442‑1457℃时，将钢水浇入高速旋转的离心铸造机上的铸型内，铸型转速 880‑900rpm；钢水全部进
入铸型后，立即喷水冷却铸型外表面，喷水冷却80‑100 秒后，停止喷水冷却，并将铸型转速
调高至1100‑1120rpm，旋转3‑4分钟后，将铸型转速降至920‑940rpm，当高速钢内表面温度
为1293‑1326℃时，停机在静态下浇注温度为1324‑1347℃的辊芯球墨铸铁铁水，浇注完毕
并静置20‑24小时后，取出轧辊，经清砂打磨后进行粗加工；

[0011] ④将粗加工后的轧辊重新加热至1030‑1045℃，保温2‑3小时后，出炉风冷至辊面温度为450‑490℃时，重新入炉加热至550‑580℃，保温10‑12小时后，炉冷至温度为330‑350
℃，继续入炉加热至520‑540℃，保温16‑18小时后，炉冷至温度低于120℃，出炉空冷至室
温，再精加工至规定尺寸和精度，即可获得复合变质处理高速钢轧辊。

[0012] 如上所述硼铁的化学组成及质量分数为：19.89‑20.42％B,≤0.5％C,≤2％Si, ≤0.5％Al,≤0.01％S,≤0.1％P,余量Fe。

[0013] 如上所述变质剂粉占所述合金线总质量分数的36～38％；变质剂粉由硅钙合金粉、KMnO4粉、镁包覆纳米ZrN粉、锌粉和稀土硅铁粉组成；硅钙合金粉、 KMnO4粉、镁包覆纳米
ZrN粉、锌粉、稀土硅铁粉分别占变质剂粉质量分数的 20‑22％,20‑22％,18‑20％,12‑
15％,24‑26％，硅钙合金粉、稀土硅铁粉、锌粉的尺寸为15‑20μm，KMnO4粉的尺寸为80‑100
目，ZrN的尺寸为40‑70nm；镁占镁包覆纳米ZrN粉质量分数的35‑38％。

[0014] 如上所述稀土硅铁粉的化学组成及质量分数为：28.40‑29.57％RE, 39.57‑40.26％Si,<3.0％Mn,<5.0％Ca,<3.0％Ti，余量为Fe。

[0015] 如上所述硅钙合金粉的化学组成及质量分数为：42.83‑43.39％Si, 15.07‑15.41％Ca,≤0.8％C,≤0.04％P,≤0.06％S，余量为Fe。

[0016] 本发明采用中频感应电炉熔炼高速钢轧辊材料，工艺简便，钢水成分容易调整。本发明高速钢轧辊，工作层是耐磨高速钢材料。高速钢钢水中含有 4.17‑4.33％W,4.80‑
4.98％Mo，钨、钼是强碳化物形成元素，加入高速钢中，易生成W6C和Mo2C等高硬度碳化物，有
利于提高高速钢轧辊的耐磨性，部分钨和钼，固溶于基体，能够提高基体红硬性，从而可以
提高高速钢轧辊高温耐磨性。但是W6C和Mo2C以网状形式存在于高速钢中，会降低高速钢的
强度和韧性。加入9.63‑9.85％Cr，可以生成M7C3和M23C6型碳化物，且M23C6型碳化物在高温热
处理过程中，易固溶于基体，有利于提高高速钢淬透性，还可以提高高速钢轧辊的抗氧化
性。钢水熔清后，将钢水升温至1615‑1626℃，保温4‑5分钟后，加入占炉内钢水质量分数
0.45‑0.50％的金属铝进行脱氧和合金化。铝除了脱氧，改善钢水质量外，铝是非碳化物形
成元素，固溶于基体，可以提高基体抗氧化性和高温红硬性，从而有利于高速钢轧辊高温耐
磨性的提高。加入金属铝以后，继续保温5‑6分钟，加入占炉内钢水质量分数3.2‑3.5％的硼
铁进行合金化。高速钢中加入硼后，在凝固过程中，易生成硬度高的M2B型硼化物，从而提高
高速钢轧辊耐磨性。部分硼固溶于基体，提高基体淬透性和淬硬性，促进高速钢轧辊耐磨性
的进一步提高。但是，M2B型硼化物呈网状分布于基体，会割裂基体连续性，降低高速钢轧辊
强度和韧性，导致高速钢轧辊使用中易发生开裂和剥落。

[0017] 为了提高高速钢轧辊强度和韧性，本发明当钢水全部进入钢包后，用喂丝机将含有变质剂的合金线喂入钢水内，合金线插入到钢包内钢水下部，合金线头部距离钢包底部
距离120‑150mm。为了确保合金线快速熔化到钢水中，当钢水升温至1627‑1639℃，然后将钢
水出炉到钢包。为了提高变质剂的变质效果，确保变质剂稳定发挥作用，本发明合金线由低
碳钢带和包裹在钢带内的变质剂粉组成。先将低碳钢钢带表皮经轧制机组压制成U型，在线
同步向表皮中添加变质剂粉，添加变质剂粉后的表皮在成形辊轧制下合口呈O型断面的合
金线毛坯，采用高频焊接在合口处进行焊接，使有缝管成为无缝管，可以确保变质剂不会漏
出来。再经逐道拉拔、减径后制备出无缝合金线。低碳钢带的化学组成及其质量分数为：
0.13‑0.22％C,0.20‑0.35％Si％,1.25‑1.38％Mn,4.66‑4.80％Ni,6.28‑6.47％Al, <
0.03％S,<0.03％P,余量Fe。其中，加入4.66‑4.80％Ni和1.25‑1.38％Mn，主要是为了提高
低碳钢带的强度和塑性，确保合金线制备过程中不会断裂，且能很好的包裹变质剂粉。加入
6.28‑6.47％Al，确保合金线能快速熔入到高速钢钢水中。合金线直径Φ3‑4mm；合金线加入
量占进入钢包内钢水质量分数的3.5‑4.0％。

[0018] 本发明合金线中，为了确保变质效果，变质剂粉占所述合金线总质量分数的 36～38％。变质剂粉由硅钙合金粉、KMnO4粉、镁包覆纳米ZrN粉、锌粉和稀土硅铁粉组成；硅钙合
金粉、KMnO4粉、镁包覆纳米ZrN粉、锌粉、稀土硅铁粉分别占变质剂粉质量分数的20‑22％,
20‑22％,18‑20％,12‑15％,24‑26％，硅钙合金粉、稀土硅铁粉、锌粉的尺寸为15‑20μm，
KMnO4粉的尺寸为80‑100目，ZrN 的尺寸为40‑70nm；镁占镁包覆纳米ZrN粉质量分数的35‑
38％。其中，加入纳米ZrN粉的目的，主要是利用纳米ZrN粉可以作为W6C和M2B的结晶核心，促
进W6C和M2B的断网和孤立分布。但是纳米ZrN粉直接加入钢水中易团聚，不利于作为形核核
心促进W6C和M2B的断网和孤立分布。因此，本发明在纳米 ZrN粉外层包覆金属镁，镁沸点低，
只有1107℃，加入到钢水中，会携带纳米 ZrN粉均匀分布于钢水中，发挥纳米ZrN粉的促进
形核作用。镁是活性元素，本身具有脱氧脱硫作用，降低凝固温度，促进凝固组织细化。加入
硅钙合金粉、锌粉和稀土硅铁粉，可以进一步促进凝固组织的细化，特别是硅钙合金中的Ca
与 Mg及纳米ZrN复合作用，可以促进W6C和M2B的断网和孤立分布，并使其显著细化。此外，变
质剂粉中的KMnO4，在高温钢水作用下可分解成Mn2O3、K2O 和氧气，而K2O在高温钢水作用下，
又会发生以下反应：

[0019]

[0020] K(钾)存在于高速钢钢水中，可以促进M7C3和W6C及Mo2C的细化，有利于高速钢强韧性的提高。钾还具有良好的脱氧、脱硫能力，提高金属熔体过冷度，细化凝固组织，防止轧辊
铸造生产中出现裂纹。

[0021] 合金线全部加入钢水5‑6分钟后，对钢水扒渣处理，当钢水温度降至1442‑1457℃时，将钢水浇入高速旋转的离心铸造机上的铸型内，铸型转速 880‑900rpm。本发明高速钢
轧辊浇注过程中，铸型先低转速转动，这是因为高速钢中含有较多密度高的钨元素，如果转
速太高，钨元素因离心力作用会发生偏析，因此转速控制在880‑900rpm。钢水全部进入铸型
后，立即喷水冷却铸型外表面，可以加快高速钢轧辊凝固，并细化轧辊组织。为了得到致密
高速钢轧辊，喷水冷却80‑100秒后，停止喷水冷却，并将铸型转速调高至1100‑1120rpm，旋
转3‑4分钟后，将铸型转速降至920‑940rpm，当高速钢内表面温度为1293‑1326℃时，停机在
静态下浇注温度为1324‑1347℃的辊芯球墨铸铁铁水，浇注完毕并静置20‑24小时后，取出
轧辊，经清砂打磨后进行粗加工。本发明将粗加工后的轧辊重新加热至1030‑1045℃，保温
2‑3小时，部分碳化物固溶于基体，提高基体中合金元素含量，有利于随后淬火提高轧辊硬
度和耐磨性。当出炉风冷至辊面温度为450‑490℃时，轧辊内应力大，需要重新入炉加热至
550‑580℃，保温10‑12 小时后，炉冷至温度330‑350℃。一方面可以消除轧辊淬火内应力，
另一方面，加速部分残余奥氏体转变为马氏体，促进轧辊硬度进一步提高。继续入炉加热至 
520‑540℃，保温16‑18小时后，炉冷至温度低于120℃，出炉空冷至室温，再精加工至规定尺
寸和精度，即可获得复合变质处理高速钢轧辊。

[0022] 本发明与现有技术相比，具有以下特点：

[0023] 1、本发明轧辊不含价格昂贵的钴、铌、钒等合金元素，轧辊制造成本低，市场竞争力强；

[0024] 2、本发明轧辊经复合变质处理后，碳化物和硼化物由连续网状分布变成孤立均匀分布，且显微组织明显细化，促进高速钢轧辊强韧性大幅度提高，在辊面硬度大于85HSD情
2
况下，抗拉强度大于850MPa，冲击韧性大于25J/cm；

[0025] 3、本发明轧辊具有优异的抗氧化性，良好的抗疲劳性能和抗高温磨损性能，在热轧棒材轧机精轧机组上，轧制Φ16mm普碳螺纹钢，单槽过钢量超过1800 吨，使用寿命比常
用高镍铬无限冷硬铸铁轧辊提高5倍以上。

附图说明

[0026] 图1变质处理高速钢轧辊示意图：

[0027] 1—轧辊工作层(高速钢)；2—轧辊辊芯(球墨铸铁)。

具体实施方式

[0028] 以下结合实施例，对本发明做进一步详述，但本发明并不限于以下实施例。

[0029] 实施例1：

[0030] 一种复合变质处理高速钢轧辊制备方法，采用1000公斤中频感应电炉熔炼高速钢，采用离心机浇注轧辊工作层1高速钢，具体工艺步骤如下：

[0031] ①先在1000公斤中频感应电炉内熔炼高速钢轧辊材料，并将炉内钢水的化学组成及其质量分数控制在2.32％C,4.33％W,4.80％Mo,9.85％Cr,0.48％Mn, 0.81％Si,
0.031％S,0.038％P,余量Fe；然后将钢水升温至1615℃，保温5分钟后，加入占炉内钢水质
量分数0.45％的金属铝进行脱氧和合金化，继续保温6分钟后，加入占炉内钢水质量分数
3.2％的硼铁(所述硼铁的化学组成及质量分数为： 19.89％B,0.21％C,1.25％Si,0.19％
Al,0.008％S,0.064％P,余量Fe)进行合金化，当硼铁完全熔化后，继续将钢水升温至1627
℃，然后将钢水出炉到钢包；

[0032] ②钢水全部进入钢包后，用喂丝机将含有变质剂的合金线喂入钢水内，合金线插入到钢包内钢水下部，合金线头部距离钢包底部距离150mm；合金线由低碳钢带和包裹在钢
带内的变质剂粉组成；变质剂粉由硅钙合金粉(所述硅钙合金粉的化学组成及质量分数为：
43.39％Si,15.07％Ca,0.55％C,0.028％P,0.036％S，余量为Fe)、KMnO4粉、镁包覆纳米ZrN
粉、锌粉和稀土硅铁粉(所述稀土硅铁粉的化学组成及质量分数为：29.57％RE,39.57％Si,
1.05％Mn,1.84％Ca, 1.62％Ti，余量为Fe)组成；硅钙合金粉、KMnO4粉、镁包覆纳米ZrN粉、
锌粉、稀土硅铁粉分别占变质剂粉质量分数的22％,20％,20％,12％,26％，硅钙合金粉、稀
土硅铁粉、锌粉的尺寸为15‑20μm，KMnO4粉的尺寸为80‑100目，ZrN 的尺寸为40‑70nm；镁占
镁包覆纳米ZrN粉质量分数的38％；变质剂粉占所述合金线总质量分数的38％；合金线制造
方法是：将低碳钢钢带表皮经轧制机组压制成U型，在线同步向表皮中添加变质剂粉，添加
变质剂粉后的表皮在成形辊轧制下合口呈O型断面的合金线毛坯，采用高频焊接在合口处
进行焊接，使有缝管成为无缝管，再经逐道拉拔、减径后制备出无缝合金线；低碳钢带的化
学组成及其质量分数为：0.22％C,0.20％Si％,1.38％Mn,4.66％Ni,6.47％Al,0.018％S, 
0.025％P,余量Fe；合金线直径Φ4mm；合金线加入量占进入钢包内钢水质量分数的4.0％；

[0033] ③合金线全部加入钢水5分钟后，对钢水扒渣处理，当钢水温度降至1442℃时，将钢水浇入高速旋转的离心铸造机上的铸型内，铸型转速880rpm；钢水全部进入铸型后，立即
喷水冷却铸型外表面，喷水冷却80秒后，停止喷水冷却，并将铸型转速调高至1100rpm，旋转
3分钟后，将铸型转速降至920rpm，当高速钢1内表面温度为1293‑1302℃时，停机在静态下
浇注温度为1324℃的辊芯球墨铸铁2铁水，浇注完毕并静置20小时后，取出轧辊，经清砂打
磨后进行粗加工；

[0034] ④将粗加工后的轧辊重新加热至1030℃，保温3小时后，出炉风冷至辊面温度为450‑462℃时，重新入炉加热至550℃，保温12小时后，炉冷至温度为 330℃，继续入炉加热
至540℃，保温16小时后，炉冷至温度低于120℃，出炉空冷至室温，再精加工至规定尺寸和
精度，即可获得复合变质处理高速钢轧辊。轧辊力学性能见表1。

[0035] 实施例2：

[0036] 一种复合变质处理高速钢轧辊制备方法，采用1000公斤中频感应电炉熔炼高速钢，采用离心机浇注轧辊工作层1高速钢，具体工艺步骤如下：

[0037] ①先在1000公斤中频感应电炉内熔炼高速钢轧辊材料，并将炉内钢水的化学组成及其质量分数控制在2.49％C,4.17％W,4.98％Mo,9.63％Cr,0.66％Mn, 0.57％Si,
0.030％S,0.031％P,余量Fe；然后将钢水升温至1626℃，保温4分钟后，加入占炉内钢水质
量分数0.50％的金属铝进行脱氧和合金化，继续保温6分钟后，加入占炉内钢水质量分数
3.5％的硼铁(所述硼铁的化学组成及质量分数为： 20.42％B,0.14％C,0.82％Si,0.26％
Al,0.005％S,0.083％P,余量Fe)进行合金化，当硼铁完全熔化后，继续将钢水升温至1639
℃，然后将钢水出炉到钢包；

[0038] ②钢水全部进入钢包后，用喂丝机将含有变质剂的合金线喂入钢水内，合金线插入到钢包内钢水下部，合金线头部距离钢包底部距离120mm；合金线由低碳钢带和包裹在钢
带内的变质剂粉组成；变质剂粉由硅钙合金粉(所述硅钙合金粉的化学组成及质量分数为：
42.83％Si,15.41％Ca,0.33％C,0.028％P,0.034％S，余量为Fe)、KMnO4粉、镁包覆纳米ZrN
粉、锌粉和稀土硅铁粉(所述稀土硅铁粉的化学组成及质量分数为：28.40％RE,40.26％Si,
1.27％Mn,3.05％Ca, 0.94％Ti，余量为Fe)组成；硅钙合金粉、KMnO4粉、镁包覆纳米ZrN粉、
锌粉、稀土硅铁粉分别占变质剂粉质量分数的20％,22％,18％,15％,25％，硅钙合金粉、稀
土硅铁粉、锌粉的尺寸为15‑20μm，KMnO4粉的尺寸为80‑100目，ZrN 的尺寸为40‑70nm；镁占
镁包覆纳米ZrN粉质量分数的35％；变质剂粉占所述合金线总质量分数的36％；合金线制造
方法是：将低碳钢钢带表皮经轧制机组压制成U型，在线同步向表皮中添加变质剂粉，添加
变质剂粉后的表皮在成形辊轧制下合口呈O型断面的合金线毛坯，采用高频焊接在合口处
进行焊接，使有缝管成为无缝管，再经逐道拉拔、减径后制备出无缝合金线；低碳钢带的化
学组成及其质量分数为：0.13％C,0.35％Si％,1.25％Mn,4.80％Ni,6.28％Al,0.020％S, 
0.027％P,余量Fe；合金线直径Φ3mm；合金线加入量占进入钢包内钢水质量分数的3.5％；

[0039] ③合金线全部加入钢水6分钟后，对钢水扒渣处理，当钢水温度降至1457℃时，将钢水浇入高速旋转的离心铸造机上的铸型内，铸型转速900rpm；钢水全部进入铸型后，立即
喷水冷却铸型外表面，喷水冷却100秒后，停止喷水冷却，并将铸型转速调高至1120rpm，旋
转4分钟后，将铸型转速降至940rpm，当高速钢1内表面温度为1318‑1326℃时，停机在静态
下浇注温度为1347℃的辊芯球墨铸铁2铁水，浇注完毕并静置24小时后，取出轧辊，经清砂
打磨后进行粗加工；

[0040] ④将粗加工后的轧辊重新加热至1045℃，保温2小时后，出炉风冷至辊面温度为484‑490℃时，重新入炉加热至580℃，保温10小时后，炉冷至温度为 350℃，继续入炉加热
至520℃，保温18小时后，炉冷至温度低于120℃，出炉空冷至室温，再精加工至规定尺寸和
精度，即可获得复合变质处理高速钢轧辊。轧辊力学性能见表1。

[0041] 实施例3：

[0042] 一种复合变质处理高速钢轧辊制备方法，采用1500公斤中频感应电炉熔炼高速钢，采用离心机浇注轧辊工作层1高速钢，具体工艺步骤如下：

[0043] ①先在1500公斤中频感应电炉内熔炼高速钢轧辊材料，并将炉内钢水的化学组成及其质量分数控制在2.38％C,4.25％W,4.90％Mo,9.77％Cr,0.52％Mn, 0.76％Si,
0.034％S,0.037％P,余量Fe；然后将钢水升温至1622℃，保温5分钟后，加入占炉内钢水质
量分数0.48％的金属铝进行脱氧和合金化，继续保温6分钟后，加入占炉内钢水质量分数
3.3％的硼铁(所述硼铁的化学组成及质量分数为： 20.17％B,0.34％C,1.26％Si,0.29％
Al,0.007％S,0.054％P,余量Fe)进行合金化，当硼铁完全熔化后，继续将钢水升温至1630
℃，然后将钢水出炉到钢包；

[0044] ②钢水全部进入钢包后，用喂丝机将含有变质剂的合金线喂入钢水内，合金线插入到钢包内钢水下部，合金线头部距离钢包底部距离140mm；合金线由低碳钢带和包裹在钢
带内的变质剂粉组成；变质剂粉由硅钙合金粉(所述硅钙合金粉的化学组成及质量分数为：
42.95％Si,15.26％Ca,0.39％C,0.027％P,0.046％S，余量为Fe)、KMnO4粉、镁包覆纳米ZrN
粉、锌粉和稀土硅铁粉(所述稀土硅铁粉的化学组成及质量分数为：28.83％RE,39.91％Si,
1.06％Mn,2.24％Ca, 1.53％Ti，余量为Fe)组成；硅钙合金粉、KMnO4粉、镁包覆纳米ZrN粉、
锌粉、稀土硅铁粉分别占变质剂粉质量分数的21％,21％,19％,15％,24％，硅钙合金粉、稀
土硅铁粉、锌粉的尺寸为15‑20μm，KMnO4粉的尺寸为80‑100目，ZrN 的尺寸为40‑70nm；镁占
镁包覆纳米ZrN粉质量分数的36％；变质剂粉占所述合金线总质量分数的37％；合金线制造
方法是：将低碳钢钢带表皮经轧制机组压制成U型，在线同步向表皮中添加变质剂粉，添加
变质剂粉后的表皮在成形辊轧制下合口呈O型断面的合金线毛坯，采用高频焊接在合口处
进行焊接，使有缝管成为无缝管，再经逐道拉拔、减径后制备出无缝合金线；低碳钢带的化
学组成及其质量分数为：0.18％C,0.26％Si％,1.29％Mn,4.73％Ni,6.35％Al,0.014％S, 
0.026％P,余量Fe；合金线直径Φ4mm；合金线加入量占进入钢包内钢水质量分数的3.8％；

[0045] ③合金线全部加入钢水6分钟后，对钢水扒渣处理，当钢水温度降至1448℃时，将钢水浇入高速旋转的离心铸造机上的铸型内，铸型转速890rpm；钢水全部进入铸型后，立即
喷水冷却铸型外表面，喷水冷却90秒后，停止喷水冷却，并将铸型转速调高至1110rpm，旋转
4分钟后，将铸型转速降至930rpm，当高速钢1内表面温度为1299‑1308℃时，停机在静态下
浇注温度为1338℃的辊芯球墨铸铁2铁水，浇注完毕并静置22小时后，取出轧辊，经清砂打
磨后进行粗加工；

[0046] ④将粗加工后的轧辊重新加热至1040℃，保温3小时后，出炉风冷至辊面温度为470‑484℃时，重新入炉加热至560℃，保温11小时后，炉冷至温度为 340℃，继续入炉加热
至530℃，保温17小时后，炉冷至温度低于120℃，出炉空冷至室温，再精加工至规定尺寸和
精度，即可获得复合变质处理高速钢轧辊。轧辊力学性能见表1。

[0047] 表1复合变质处理高速钢轧辊力学性能

[0048]

[0049] 本发明复合变质处理高速钢轧辊不含价格昂贵的钴、铌、钒等合金元素，轧辊制造成本低，市场竞争力强。本发明轧辊经复合变质处理后，碳化物和硼化物由连续网状分布变
成孤立均匀分布，且显微组织明显细化，促进高速钢轧辊强韧性大幅度提高，在辊面硬度大
2
于85HSD情况下，辊身抗拉强度大于850MPa，辊身冲击韧性大于25J/cm ，确保轧辊使用中不
会发生剥落和断裂事故。本发明轧辊具有优异的抗氧化性，良好的抗冷热疲劳性能和抗高
温磨损性能，在热轧棒材轧机精轧机组上，轧制Φ16mm普碳螺纹钢，单槽过钢量超过1800
吨，使用寿命比常用高镍铬无限冷硬铸铁轧辊提高5倍以上。使用本发明轧辊，可以改善轧
材表面质量，提高轧材尺寸精度，提高轧机作业率，减轻工人劳动强度，推广应用具有良好
的经济和社会效益。