近年来,随着先进轧机和高效轧制技术的问世,轧制生产线向着大型化、高速化和自动化的方向发展,使得作为轧钢核心装备的轧辊的使用工况变得更为苛刻。轧辊的性能优劣直接影响轧机的生产效率、轧材的表面质量和轧制的成本,因此,对轧辊材质和生产制备工艺的研究已成为国内外轧辊及冶金行业共同关注的问题。传统单一材质合金轧辊难以同时满足轧制过程对其耐磨性和强韧性的双重要求,而双金属复合轧辊,由于其辊芯和工作层（复合层）可以选用不同的材质,它能较好地解决单一材质合金轧辊耐磨性和强韧性之间的矛盾,同时大大降低轧辊的生产成本。因此,高质量、低成本双金属复合轧辊的研究、制造和使用必将成为适应现代轧制技术的新方向。本课题基于电渣重熔技术的优势,以双金属复合轧辊为研究对象,开展了不同导电回路方案下的复合轧辊制备过程工艺特点、不同工艺参数对复合体系温度场的影响、复合轧辊电渣制备过程的试验探索、双金属界面结合机理、双金属界面的结合质量及不同材质间复合的工艺特点等研究。首先,基于电磁场方程、动量方程和热量传输方程等建立了电渣重熔法制备双金属复合轧辊过程的二维稳态数学模型,利用Fluent软件及自定义函数（UDF）、自定义标量方程（UDS）等功能对传统型导电回路:变压器→短网→自耗电极→液态渣池→辊芯→底水箱→变压器（简称为电极→辊芯）进行了数值模拟。结果表明,在该导电回路方案下,回路电流在电极与辊芯间的渣池区集聚并于此处形成最高温,进而造成辊芯表面的过度熔化,不利于获得均匀的双金属结合界面及均匀的复合轧辊工作层成分、组织与性能。随后开展的复合轧辊电渣制备试验及采用低熔点透明溶液体系进行的复合轧辊电渣制备物理模拟试验均证明了上述辊芯表面过度熔化现象的发生。综上所述,在此导电回路方案下,辊芯作为导电回路的一极难以避免表面熔化现象的发生,不利于获得理想的复合轧辊复合层及双金属界面性能。鉴于传统型电极→辊芯导电回路方案的不足,将辊芯从导电回路中解放出来并对其表面温度进行灵活控制是制备高质量复合轧辊的关键。基于此目的,本课题采用先进的导电结晶器技术及上述所建立的二维稳态数学模型开展了新型导电回路:变压器→短网→自耗电极→液态渣池→导电结晶器→变压器（简称为电极→导电结晶器）方案下的数值模拟。结果表明,导电结晶器的采用使得回路电流在电极与导电结晶器间的渣池区集聚并于此处形成最高温。渣池高温区的远离使得辊芯表面的温度具有更大的可调节性。在各工艺参数中,熔炼电参数、辊芯直径、导电段渣池深度等对电渣复合体系的温度场影响最为明显;电极与辊芯表面间距的影响次之,电极插入渣池深度的影响最小。通过合理的工艺参数匹配可获得理想的辊芯表面温度,实现双金属界面的良好复合。基于上述对新型导电回路方案的模拟研究,利用有衬电渣炉、浇渣溜槽、抽锭电渣炉、导电结晶器、渣金液位检测仪等组成的成套设备开展了新型导电回路方案下的电渣重熔GCr15/45号钢双金属复合轧辊试验。经过多次的试验探索及经验总结,最终制备出直径340 mm、复合高度320 mm的GCr15/45号钢双金属复合轧辊铸坯。在复合铸坯的界面冶金结合区切取横剖截面,经低倍检验表明,双金属界面同心度良好且复合层厚度非常均匀,此外,在双金属界面处并未发现有夹渣、气孔、缩孔等缺陷,界面结合良好。复合铸坯纵剖截面则表明了双金属界面由下部至上部呈现出夹渣厚度逐渐变薄并最终消失的趋势,这是由于电渣重熔法制备双金属复合轧辊过程是一个温度逐渐升高并趋于稳定的过程,其辊芯表面被加热程度不同,双金属界面结合状态亦不同。基于Thermo-Calc热力学软件对复合轧辊用GCr15、45号钢的平衡相图计算,选择单相扩散模型并利用DICTRA软件对双金属界面处的元素扩散行为进行计算,界面温度随时间变化函数由Fluent模拟及电渣试验中的实际抽锭速度综合给出。通过对比双金属界面相同位置的Cr元素线扫描分析结果及DICTRA元素扩散行为计算结果,揭示了电渣重熔法制备双金属复合轧辊的界面结合机理为熔合与扩散的共同作用。辊芯45号钢在电渣试验过程中因受到高温液态渣池及复合层金属熔池的加热而升温明显,随着双金属电渣复合过程的结束及已复合铸坯的抽锭,辊芯又发生了降温冷却的过程。在此高温奥氏体化过程中,较高的加热温度、较长的保温时间导致了辊芯表面粗大奥氏体晶粒及部分铁素体魏氏组织的生成。本课题通过合理的热处理工艺消除了魏氏组织、实现了晶粒细化。铸态GCr15/45号钢复合轧辊铸坯界面试样的抗拉强度、剪切强度分别为661 MPa及282 MPa,其拉伸、剪切断口均发生在单材料侧而非双金属界面处,充分说明了此工艺条件下所制备双金属复合轧辊铸坯的界面结合质量较好。高速钢轧辊因具有硬度高、耐磨性好、红硬性好等特点而在轧钢行业开始被广泛使用。本课题基于上述新型导电回路方案开展了电渣重熔法制备高速钢/球墨铸铁双金属复合轧辊的试验研究。基于复合层高速钢及辊芯球墨铸铁的熔化温度特点,利用FactSage软件及炉渣熔点测试仪开发了一种低熔点渣系。采用现有的电渣设备最终制备出复合高度264 mm的高速钢/球墨铸铁复合轧辊铸坯,并对其复合层、辊芯组织及双金属界面处的石墨形态、合金元素过渡、显微组织变化等进行了系统研究。结果表明,经过电渣复合后,发生奥氏体化的辊芯球墨铸铁中的石墨形态、基体组织均发生了明显变化,由于辊芯和复合层的部分熔合及元素的扩散,在双金属界面处形成了大量的不同成分、形貌、含量及分布特征的碳化物,使得界面处硬度增加,在拉伸、冲击试验中易发生脆断。尽管如此,在双金属界面处所取铸态试样的抗拉强度为452 MPa且辊芯球墨铸铁的石墨球化评级为3级,二者均满足国标《GB/T 1504-2008铸铁轧辊》对轧辊的使用要求。