离心复合铸铁扎锟生产工艺设计论文.doc

摘要 i 摘 要 利用离心复合铸造工艺，在卧式离心机上浇注轧辊外层铁水，然后扣箱填 充芯部铁水，使内外层实现良好冶金结合的方法来设计高镍铬离心复合轧辊的 生产工艺。设计了采用卧式离心机复合工艺制造离心铸造高镍铬复合轧辊的生 产技术，重点设计了轧辊外层及辊芯材料的化学成分、轧辊铸造的工艺流程、 铁水的熔炼和处理方法、热处理工艺及组织性能。这既保证了外层组织优良的 耐磨性能及抗剥落性能，同时又保证了芯部组织的机械性能；不仅提高了材料 特别是合金材料的利用率，也大幅度降低了生产成本，显著提高了经济效益。 关键词 高镍铬复合轧辊,离心浇注工艺,热处理 abstract ii abstract the manufacture process of horizontal centrifugal casting the combined roller made from high ni-cr cast iron was designed. after the outer layer of the roller inpured by centrifugal caster and the core box closed, the molten iron was filled into the core. the melting process of molten iron，the chemical composition, casting and heat treatment process, and microstructure of the roller were introducedby the designed manufacture process, the inner and outer layers are well combined metallurgically, and the superior wearability and anti-tripping ability of the outer layer structures as well as the mechanical properties of the core structures can be ensured. this would not only increases the utilization ratio of the materials, especially the alloy materials, but also lower the production cost greatly and increase the economic efficiency. key words high ni-cr cast iron combine roll，centrifugal casting process，heat treatment 目录 1 目目 录录 摘摘 要要i abstractabstract.ii 1 1 绪论绪论1 1.11.1 高镍铬无限冷硬轧辊的生产使用现状高镍铬无限冷硬轧辊的生产使用现状1 1.21.2 高镍铬轧辊的使用工况高镍铬轧辊的使用工况1 1.31.3 高镍铬轧辊的失效形式高镍铬轧辊的失效形式2 1.41.4 设计的意义及内容设计的意义及内容2 1.4.1 设计的意义2 1.4.2 设计的内容3 2 2 生产工艺设计生产工艺设计.4 2.12.1 轧辊的技术条件及使用要求轧辊的技术条件及使用要求4 2.22.2 成分设计成分设计5 2.2.1 工作层成分设计5 2.2.2 辊芯成分设计6 2.32.3 铸造工艺设计铸造工艺设计6 2.3.1 离心铸造的工工艺流程6 2.3.2 离心机的选择7 2.3.3 转速的确定8 2.3.4 温度的确定9 2.3.5 涂料的确定.9 2.3.6 冷型及辊颈的烘烤.11 2.3.7 间隔时间的确定11 2.3.8 工装设计12 2.42.4 熔炼工艺熔炼工艺13 2.4.1 熔炼方法13 2.4.2 熔炼过程14 2.4.3 外层铁水的熔炼14 2.4.4 芯部铁水的熔炼14 2.52.5 浇注操作浇注操作15 2.5.1 外层离心浇注的操作15 目录 2 2.5.2 芯部浇注操作15 2.62.6 热处理工艺热处理工艺16 3 3分析讨论分析讨论.18 3.13.1 裂纹裂纹18 3.23.2 硬度硬度18 3.33.3 结合不良和工作层厚度不足结合不良和工作层厚度不足19 3.43.4 夹杂夹杂19 4 4 检测检测20 4.14.1 冶金结合质量检测冶金结合质量检测.20 4.24.2 硬度的测量硬度的测量.20 4.34.3 抗拉强度的检测抗拉强度的检测.20 4.44.4 金相组织的检测金相组织的检测.21 结结 论论22 参参 考考 文文 献献23 致致 谢谢24 1 绪论 1 1 绪论 1.1 高镍铬无限冷硬轧辊的生产使用现状 高镍铬无限冷硬铸铁轧辊，从 30 年代为问世以来，广泛用做热轧板带钢连 轧机工作辊；50 年代初开始推广应用于宽中厚板轧机工作辊。到目前止1，国 内外几乎所有的热轧带钢连轧机精轧机精轧后段工作辊，甚至精轧前段仍然一 直选用高镍铬无限冷硬复合铸铁轧辊；国外 3300 毫米以上的宽中厚板轧机工作 辊，特别是精轧机架，尽管欧洲开发了高铬复合铸铁轧辊，但不少厂家仍选用 高镍铬无限冷硬复合铸铁轧辊。近年来，我国三辊劳特轧机改造为四辊轧机后， 其工作辊也选用高镍铬无限冷硬复合铸铁轧辊。韩国东国制钢集团第一中板厂 的三辊劳特轧机将辊颈部位轴瓦支承改为轴承，将原有的梅花头改为扁头传动 后，轧辊材质也相应改用高镍铬无限冷硬复合铸铁轧辊。此外，热轧窄带钢连 轧机精轧机架以及高速线材轧机精轧机架也都选用高镍铬无限冷硬复合铸铁轧 辊或复合辊环，都较好地满足了轧钢的需要。 本设计轧辊主要针对攀钢热轧板厂热连轧第 f4f6 机架，该厂使用的高镍 铬离心复合辊，过去主要供货厂家主要是邢台和太轧，年耗量较高。本公司从 上世纪 90 年代末开始引进邢台轧辊生产技术，但开始试制以来效果不甚理想， 至本世纪初，浇注的轧辊中，有一定数量的毛坯在浇注后直接报废，另外还有 加工后硬度偏低导致报废的，送往热轧板厂试用的几支轧辊效果也不理想。但 通过几年来不懈的努力，解决了一些离心复合辊的制造难点，取得了较大的进 展，近几年生产的轧辊，废品率已大为减少，成品率已有较大程度的提高，现 使用情况较良好。 但自制的高镍铬复合轧辊硬度偏低，耐磨性与外购相比，存在一定差距。 1.2 高镍铬轧辊的使用工况 攀钢 1450mm 热连轧机组于上世纪 90 年代初正式投产，经改造后年产量可 达 200 万吨，机组出口最大速度设计为 11m/min，实际最高速度 9m/min，产品 规格为(2mm12mm)(750mm1300mm)，钢种有普碳钢、优质钢、汽车大梁 用钢、管线钢等，产品 60%左右作为冷轧原料供冷轧厂。 目前，热轧板厂在产品质量上存在两大问题:一是板型差，由于攀钢热连轧 机组主要设备为 60 年代末、70 年代初国内制造，整体装备水平基本属于国外 第一代热连轧机水平，加之无任何板型控制、检测手段，这一问题在热轧厂三 期改造中得以解决；二是精轧机组轧辊磨损严重，换辊周期短，带钢表面质量 差，这一问题己严重制约着热轧产量和质量的提高。 1 绪论 2 轧辊的磨损主要是轧辊与轧件间的摩擦、轧辊周期承载引起的表层机械疲 劳、轧件周期加热和冷却水周期冷却引起的热疲劳等引起的损伤2。通常，轧 辊磨损只考虑局部磨损和均匀磨损，均匀磨损主要是热疲劳引起的，局部磨损 是轧辊表面带状损伤，主要是由二次、三次氧化铁皮积累引起的。轧辊的磨损 与轧辊材质密切相关。 攀钢 1450mm 热连轧机前三架工作辊早期用半钢轧辊，现多用高铬铸铁轧 辊，后三架为高铬镍无限冷硬铸铁轧辊，这种轧辊属第一代热轧机轧辊，材质 偏软，耐磨性差。根据统计，攀钢上世纪末精轧机工作辊吨钢消耗为 0.6kg 左 右，与先进水平存在较大差距。由于磨损严重，一个轧制单位轧制量只能控制 在 12001500 吨，频繁地换辊影响了轧制生产能力的最大发挥;另一方面，由 于磨损严重，导致了带钢表面粗糙和大量的氧化铁皮细孔缺陷。 综上所述，解决热轧工作辊磨损、提高钢板表面质量，己是当务之急，基 于此目的，进行离心铸造高镍铬无限冷硬铸铁轧辊的研究设计已是势在必行， 同时为离心铸造轧辊技术的发展提供有利条件。 1.3 高镍铬轧辊的失效形式 轧辊的失效分为正常失效和非正常失效3。轧辊的正常失效包括摩擦损耗 和轧辊的修磨损耗；非正常失效是指轧辊由于制造或使用原因造成的轧辊提前 报废，主要包括辊身剥落、辊身断裂、辊颈断裂、辊身裂纹等。轧辊的非正常 失效，造成轧辊工作层利用率很低，一般仅为 50%左右，甚至更低，轧辊的非 正常失效是导致辊耗居高不下的主要原因之一，由于轧辊的正常失效是轧钢过 程中不可避免的损耗，因此，控制预防高镍铬无限冷硬铸铁复合轧辊非正常失 效是离心铸造工艺的重点。其主要非正常失效形式及其预防措施见表 1.1。 表1.1 离心铸造高镍铬无限冷硬轧辊非正常失效的预防措施 失效形式产生原因预防措施 辊身剥落外层残余奥氏体量大 外层应力 制定适当的回火工艺，充分回火 充分回火，确保残余奥氏体分解 辊颈辊颈组织控制芯部含cr量，加大孕育量，改善芯部组织 辊身断裂芯部组织问题控制芯部含cr量，加大孕育量，改善芯部组织 1.4 设计的意义及内容 1.4.1 设计的意义 由于高镍铬无限冷硬铸铁轧辊含有较高的合金元素，因此采用这种合金的 铸铁材质生产整体铸造轧辊时，不仅成本高，更为重要的是辊身存在过大的铸 造残余应力，加上轧制过程中要承受热冲击产生的热应力，必然会引起辊身脆 1 绪论 3 断或产生大面积剥落，致使轧辊报废。为了发挥高镍铬无限冷硬整体材质的高 硬度高耐磨性的特性，轧辊铸造厂积极改进浇注工艺，目前生产此种材质的轧 辊大多采用离心浇注复合生产工艺，即采取离心浇注工艺形成具有高硬度高耐 磨性的离心工作层，用高韧性铁水充填辊颈和辊芯，并使辊芯和高镍铬离心外 层达到良好的冶金结合，从而制成复合轧辊，获得理想的综合使用性能。 高镍铬无限冷硬铸铁轧辊的铸造生产工艺、热处理工艺对轧辊的质量产生 影响，还影响轧辊在轧机上的使用性能。 本设计以适应攀钢集团公司轧钢生产工艺技术的发展为要求，利用现有的 条件，通过对高镍铬无限冷硬复合铸铁轧辊的铸造工艺、热处理工艺进行系统、 合理的学习，充分应用了理论知识和前人成功的经验，设计出高镍铬无限冷硬 铸铁轧辊的生产工艺设计，制定适应现代化轧机轧钢工艺要求的高性能的离心 复合高镍铬无限冷硬铸铁轧辊的离心复合铸造工艺方案，提高了产品的质量稳 定性，同时开发了高质量高性能的高镍铬无限冷硬铸铁轧辊生产工艺。其设计 意义可归纳为以下几点: (1) 满足热轧板带钢连轧机精轧对轧辊性能的高要求。 (2) 为提高我国轧辊制造技术水平起到积极的作用. (3) 为四川省攀钢集团内部以及周边钢铁企业提供优质的轧辊。 1.4.2 设计的内容 本论文的设计内容主要包括以下几个方面： (1) 设计轧辊辊身、辊颈内外两种材质的化学成分； (2) 设计材料的熔炼工艺和浇注工艺，保证内外两层实现良好冶金结合； (3) 设计轧辊的热处理工艺，保证辊身硬度达到 hs7580。 2 生产工艺设计 4 2 生产工艺设计 2.1 轧辊的技术条件及使用要求 该轧辊的工作尺寸为 650mm1500mm,其零件图(见图 2.1)，辊身工作层 表面硬度75hsd，表面硬度差5hsd，辊颈表面硬度35hsd,辊身工作层厚 度30mm，辊颈抗拉强度300mpa。铸件不得有孔、夹杂、裂纹等缺陷。轧 辊工作层部分为高镍铬铸铁，用卧式离心机浇注，辊芯及辊颈部分用球墨铸铁 制造。 轧辊生产中考虑到加工余量、收缩率等因素，确定铸件图如图 2.2 所示。 轧辊生产时采用离心浇注工艺形成具有高硬度高耐磨性的离心工作层，用 球墨铸铁铁水充填辊颈和辊芯，并使辊芯和高镍铬离心工作层达到良好的冶金 结合。离心铸造法是保证不同金属间牢固结合的有效冶金方法，离心铸造的轧 辊具有组织致密、均匀、工艺出品率高等特点。 图 2.1 轧辊零件图 图 2.2 轧辊铸件图 2 生产工艺设计 5 2.2 成分设计 2.2.1 工作层成分设计 化学成分对轧辊的组织和性能起着决定性作用4，各元素对高镍铬铸铁轧 辊辊身工作层组织和性能的影响不同。 碳：碳在铸铁中是形成碳化物和石墨的基本元素。当铁水中硅和铬合金元 素的含量及其凝固过程中的冷却速度一定时，增加碳量，其基体组织中碳化物 数量将增加，而且形状也相应变大，因此轧辊辊身工作层的热稳定性降低，容 易产生热裂而导致剥落。但是，碳本身又是强的石墨化元素，当铁水的含碳量 高到一定范围后，将使辊身工作层内的碳化物减少，与之相应，石墨量增多， 一方面使辊身的热稳定性增加，有利于防止和减轻辊身表面剥落，另一方面又 将使辊身表面硬度和耐磨性降低，影响使用寿命。因此，高镍铬无限冷硬复合 轧辊的含碳量，应结合轧辊的服役条件以及使用中发生的缺陷适时加以调整。 通常情况下大多控制在 3.0%3.5%范围内。 在 675725的上侧珠光体转变范围内，铸铁中的含碳量对相变开始时间 没有明显的影响；在整个贝氏体转变温度区域内，随着含碳量的增加，相变开 始线和终了线向左移，含碳量越高，奥氏体的稳定性越低，奥氏体向贝氏体转 变就越容易。 硅：硅是调整轧辊辊身工作层的耐磨性和抗热裂性能（即热稳定性）的主 要因素，在其他元素含量一定的条件下，通常依靠调整硅含量来控制工作层内 的游离石墨含量达到 2%5%。所以成品轧辊外层铁水所必需的最终含硅量要 求在 0.6%1.1%范围内。关于硅对铸铁奥氏体等温转变的影响，研究结果表明： 一方面硅能降低碳在奥氏体中的溶解度，降低奥氏体的稳定性，加速转变过程； 另一方面，硅会减慢奥氏体分解成铁素体-渗碳体混合物的速度，使转变时间延 长。在贝氏体转变温度范围内，随着含硅量的增加，使曲线向左移动，孕育期 缩短。 锰：锰在铸铁中的作用与在钢中一样，它提高奥氏体稳定性。在珠光体转 变温度范围内，使转变结束线右移，抑制相变速度。在贝氏体转变温度范围内， 使奥氏体转变开始线和终了线均向右移，贝氏体相转变量在整个相变温度范围 内，由于锰的作用受到明显抑制。即随着铁水中含锰量的提高，将使辊身工作 层基体组织中的残余奥氏体量增加。但必须指出，在成品轧辊铁水中只有当锰 含量足够高，超出使铁水去硫（fes+mn=fe+mns）和脱氧 （feo+mn=fe+mno）之后的锰才对临界温度发生影响。因此，对于高镍铬无 限冷硬复合铸铁轧辊的含锰量一般控制在 0.6%1.1%的范围内。 镍：在高镍铬无限冷硬铸铁材质中，镍的主要作用是改变基体组织。因为 2 生产工艺设计 6 镍是扩大 区的元素，当镍含量高达aaaa时，辊身铸态的基本组织为 贝氏体和少量马氏体。因而，更大程度地提高了轧辊的耐磨性。 同时，由于镍能溶于固溶体中，与铁形成置换式固溶体，加速了铁原子的 自扩散速度，并且减弱铁原子与碳原子间的结合力，所以，镍承担起墨化剂的 作用，促进铁水的石墨化。因此，在其他合金元素含量和冷却条件相同的情况 下，增加镍含量，将使辊身工作层的硬度降低。 铬：铬是强烈的碳化物形成元素。加铬的目的是减弱镍的石墨化程度，当 镍高达 4.0%时，铬含量达 1.4%就能使轧辊在铸态组织下获得贝氏体和少量马 氏体。 钼：钼可以使组织细密，提高轧辊的韧性、耐磨性和耐热性，但钼含量大 于 0.6%，辊身容易产生剥落，因此含钼量控制在 0.2%0.6%比较合适。 通过分析各元素对高镍铬轧辊辊身工作层组织和性能的影响，根据轧辊的 使用条件，结合轧辊的使用状况及攀枝花地区资源优势加入适量 v、ti 元素， 保证轧辊的高硬度、优良的抗剥落性和耐磨损性能，确定轧辊的化学成分如表 2.1。 2.2.2 辊芯成分设计 对于高镍铬无限冷硬复合铸铁轧辊，按其不同用途或按照轧机对轧辊辊颈 抗拉强度的不同要求，可选用灰口铸铁或高强度的球墨铸铁作为辊芯或辊颈的 材质。 热带连轧机后段使用的工作辊，不仅辊颈要承受大的拉应力，而且由于弯 辊装置的作用，轧辊还要承受侧向压力，所以要求高镍铬无限冷硬复合铸铁轧 辊应有较高的辊颈抗拉强度，所以采用球墨铸铁材质铁水作为填芯材质。其具 体成分见表 2.1。 表 2.1 设计高镍铬轧辊化学成分 2.3 铸造工艺设计 2.3.1 离心铸造的工艺流程 离心铸造复合轧辊工艺流程图见图 2.3： 熔炼外层铁水 熔炼内层铁水 铸型预热挂涂料烘烤铸型安装浇注外层合箱浇注内层冷却脱模热处理 元素csimnpscrnimovti 工作层 3.03.5 0.61.10.61.1 0.15 0.051.51.84.04.50.20.60.080.06 芯部3.13.21.71.90.50.7 0.15 0.010.40.51.01.20.050.120.080.06 2 生产工艺设计 7 检验入库机加工 图 2.3 离心铸造轧辊工艺流程图 2.3.2 离心机的选择 立式离心铸造方法和卧式离心铸造方法生产轧辊虽同属离心铸造工艺，但 在工艺控制上有较大的区别5。 立式离心铸造方法是将轧辊辊身模具、底箱、冒口整体装配好后，直立固 定在立式离心机上，轧辊工作层铁水和芯部铁水浇注过程在立式离心机上一次 完成。立式离心铸造方式在我国应用较少。其主要优点是:上、下辊颈与辊身一 次性合好箱，工作层与芯部铁水结合良好。缺点是工艺操作较复杂，一次性投 资费用大。立式离心铸造机多用于铸造短套、环及其它异形零件。 卧式离心铸造工艺是要把一定的金属液浇入卧式高速旋转的金属模内，熔 融金属在离心力作用下，凝固形成一层合金层(轧辊工作层)，然后注入芯部铁 水。它是通过控制两种不同材质、不同浇注温度和时间来实现最佳的冶金结合。 卧式离心铸造方法在我国轧辊生产上应用比立式早，而且较广泛。其主要优点 是:投资少，工艺简单，产品性能能满足用户的要求。 综上所述，结合该轧辊设计要求，确定采用卧式滚轮式离心铸造机来完成 轧辊的离心铸造，该离心铸造机主要由底座、托辊、挡轮及驱动电动机等部件 组成（见图 2.4） ，是卧式热模法离心铸造机的核心部分及基础。此类离心机将 铸型支撑在两组 4 个托辊上。单件小批生产时，往往铸件的品种较多，故此类 离心机，被动托辊的固定位沿轨道可调，即被动托辊 2 随铸型的直径和在确保 支撑角的范围内左右可调（见图 2.5） 。 图 2.4 滚筒离心主机 1-驱动电动机 2-主动托轮 3-挡轮 4-被动托辊 5-底座 6-铸型 2 生产工艺设计 8 图 2.5 被动托辊可调 1-主动托辊 2-被动托辊 2.3.3 转速的确定 (1)转速的计算 离心机转速的大小在轧辊生产中具有重要的作用，必须选择合适的转速来 满足轧辊性能的要求。如果转速太大，由于机械振动加剧等原因，在凝固时易 出现偏析，且刚凝固的金属在高温时强度很低，会引起铸件开裂导致轧辊开裂， 此外太高的转速也会使离心机出现大的振动，磨损加剧，功率消耗过大；但离 心机转速太小，会出现金属液雨淋现象，还会使铸件内出现疏松、夹渣、铸件 内表面凹凸不平等缺陷，又不能获得致密的组织，使内外层冶金结合不牢固， 且白口层深度差加大，甚至超过 5mm，达不到性能指标的要求6。因此确定合 适的转速是生产合格产品的必要条件。根据轧辊的尺寸和性能要求，参考转速 计算公式 r n 5520 式中 n铸型转速，r/min； 合金密度，g/cm3； r铸件内表面半径，cm； 调整系数。 根据调整系数表铸铁套类件 在 1.21.5 之间7，所以 以 1.3 计算得出 转速为 450r/min，在轧辊外层浇注完毕后，还可变换铸型的转速，适当提高到 470r/min 左右，使金属液在正、负加速度的环境下凝固，可有效地减轻离心铸 件径向断面的倾斜柱状晶现象，这样就可以满足轧辊工艺要求。根据现场经验， 这个转速是合适的。 (2)重力系数的计算 重力系数是计算离心铸造时求转速的一个数值，根据转速公式: r n g 2 299 式中,g重力系数； n模具转速(rpm)； r求重力系数处的半径(cm)。 重力系数超过 30 就能离心铸造出旋转体零件。重力系数愈大，转速也愈大， 则离心力也就愈大。液体金属中比重较小的夹杂物受离心力作用，被排挤到内 2 生产工艺设计 9 层 铸后的纯净度也愈大，同时金属结晶也愈细。当然硬度也高，强度也高。 选择的重力系数太小，铸后零件就有渣孔。比重较小的夹杂物在离心力不 太大的情况下很难分离出去，尤其是一些比重接近于母材的杂质就更难分离开。 这些没有分离出去的氧化物铸后加工就要暴露出来，形成影响硬度，影响强度 的空洞。所以不能选择太小的重力系数。 相反，重力系数过大，求得的转速也就高，形成的离心力也过大。离心力 过大，会造成偏析加剧和外表面裂纹，在铸件很厚时还可能形成纵裂和严重偏 析。因此选择重力系数过大也是错误的. 根据所设计转速计算出的重力系数为 70，在轧辊的重力系数 60100 的范 围内，故该转速设计合理。 2.3.4 温度的确定 (1) 浇注温度的确定 轧辊工作表面不允许有任何的夹渣，裂纹，宏观组织，偏析等铸造缺陷， 浇注温度过低不利于铁水流动，轧辊工作层会出现厚度不均匀现象；浇注温度 过高轧辊工作层会出现裂纹。由于离心铸件大多为形状简单的筒状或环状件， 多用充型阻力较小的金属型，离心力又能加强金属的充型性，故离心铸造时的 浇注温度可较重力浇注时低 510；根据经验7，当外层铁液温度高于液相线 温度 100150时，即开始浇注。根据高镍铬无限冷硬铸铁的铸造特性选择浇 注温度为 13601390，工作层铁水浇注重量要准确，开始进入的铁水流要大 一些，使铁水尽可能充满整个冷型内表面，随后进行匀速浇注，严禁铁水断流。 (2) 停转温度的确定 停转温度就是离心铸造工作层停转起吊填芯时的温度。停转温度过低，即 使通过高的填芯温度，铁液不能很好反熔工作层，不利于两种材质的冶金结合， 轧辊在使用过程中会出现剥落的缺陷；停转温度过高，铁水还未凝固，停转后 会掉铁水，影响工作层所需的厚度8。停转温度一般控制凝固温度下 100左右， 熔点可按如下公式计算： t=1539-65c-30p-25s-18ti-8si-5mn-4ni-3al-2v-1.5cr-w 结合查阅铁碳相图，确定停转温度控制在 1100左右。 (3) 填芯温度的确定 填芯温度的确定主要是为了使芯部铁水在一定的温度下能熔化工作层一部 分，达到良好冶金结合，确定此参数主要考虑:离心工作层停转温度的高低；希 望熔化的厚度；轧辊尺寸的大小；铁水量多少9。确定填芯温度控制在 13601380。 2 生产工艺设计 10 2.3.5 涂料的确定 （一）铸型涂料的确定 离心铸造用铸型一般采用金属型10。其使用涂料的目的在于： (1) 使铸件脱模容易。 (2) 防止铸件金属的激冷。这对于铸铁件特别重要，涂料可防止铸件表面 因激冷而产生白口，免去热处理工序和便于机械加工。 (3) 减少金属液对金属型的热冲击，降低金属型的峰值温度，从而能有效 地延长金属型的寿命。 (4) 应用涂料在大部分情况下可获得表面光洁的铸件。 (5) 增加与液体金属的摩擦力，缩短浇入金属达到铸型旋转速度所需的时 间。 对涂料的要求11可归纳为以下几点： (1) 所用原材料易得且便宜。 (2) 涂料的混制或制备容易。 (3) 有足够的绝热能力(涂料材料本身的绝热能力以及涂料的厚度)，可防 止金属液凝固激冷及降低金属型的峰值温度，延长金属型寿命。 (4) 涂料稳定，贮存方便，不易沉淀。 (5) 加有悬浮剂，使涂料适合于管中的输送，同时对喷涂设备没有较强的 腐蚀。 (6) 喷涂后容易干燥以缩短工序间时间和防止缺陷的产生。 (7) 涂料和金属型有合适的粘着力，它在干燥后既不能被金属液冲走而失 去涂料的作用，又能在铸件脱模时，涂层能随铸件一起带出而不留在铸型内。 (8) 涂料要有好的透气性，如果涂料或某组分存在自由结晶水，在浇注过 程释放的气体能向铸型方向逸出，并通过型壁排气孔排放，避免在铸件内形成 针孔、气孔和气坑。 结合本设计材质特性，选用涂料成分如表 2.2： 表 2.2 涂料配方 成分高铝粉氢氧化铝磷酸水 成分配比（%）931.35.7适量 冷型上涂料前必须将冷型内表面的残旧涂料用电动钢丝刷刷干净，先将端 盖与冷型装配好，销子一定要打紧。冷型上涂料时温度控制在 250300，涂 层厚度 3.54mm。 （二）芯部浇注型砂及涂料的确定 为了确保轧辊得到的工作层具有高硬度和高耐磨性能、辊颈和芯部具有高 2 生产工艺设计 11 强度和高韧性，对辊身及辊颈采取了两种不同的设计12，即工作层为高镍铬无 限冷硬铸铁，芯部为球墨铸铁，为此在铸造工艺上对辊颈部位采用型砂铸造。 (1) 型砂 型砂主要是辊颈挂砂，配方见表 2.3。按比例将各种材料加入碾砂机，根据 混砂操作规程碾制。辊颈砂型在烘干后，表面需刷石墨涂料或其他类型的涂料。 此轧辊的辊颈挂砂厚度取为 2530mm。 表 2.3 辊颈砂型的挂砂组成（质量分数）% (2) 砂型涂料 型砂涂料设计采用与铸型相同的涂料，厚度要求在 23mm 范围内。 2.3.6 冷型及辊颈的烘烤 冷型、辊颈在浇注之前要烘烤，使其温度逐渐提高，充分干燥，避免浇注 时产生气体，减少对合金的激冷作用，同时也减缓对模子的热激。从而提高铸 件质量，保护模具。 烘烤方法：可用煤气加热炉或电阻加热烘烤。 2.3.7 间隔时间的确定 内外两层铁水浇注的间隔时间t，主要取决于外层铁水的凝固时间和内层 铁水的浇注温度。外层铁水凝固时间可按如下经验公式13近似计算： tk 式中 外层铁水凝固厚度，cm； t外层铁水静置凝固的时间，min； k相关系数(即凝固系数)，cm/min； 相关系数 k 一般取值为 1.41.8cm/min，当金属型冷却能力强，外层铁水 白口倾向较大时，k 值取上限。 内外两层铁水浇注的间隔时间t14，可通过对外层铁水内表面温度的测试 而确定。在生产中，内层铁水的浇注应选择在外层铁水内表面处于凝固状态和 凝固后的一段时间时这样才能保证内外两层合金的结合质量，并保证工作层 的厚度。当外层铁水的内表面温度小于液相温度大于等于固相温度时，外层 铁水内表面处于凝固状态。为了使内外两层合金的冶金结合良好，浇入的内层 铁水能将外层合金的内表面熔化，形成冶金结合。当然，外层合金的内表面温 原材料新硅砂黏土水玻璃水 辊颈型砂1002.55适量 2 生产工艺设计 12 度也不易过低，应在大于 ts1-80 (ts1固相温度)而小于液相温度的范围内。 这个温度范围对应着间隔时间范围t。当t=(0.70.8)tsl(tsl是外层铁水凝固时 间)时外层铁水开始进入凝固状态；当t=tsl时，外层铁水凝固完毕，此后再 经过 68min，外层铁水的内表面温度可降至 ts1-80。所以内外两层合金浇 注的间隔时间应为t= (0.70.8)tsl(tsl+6)min,在t 的间隔时间内，只要内层 铁水的浇注温度选择适当，就能使内外两层合金冶金结合良好。 依据经验，离心机停机到填芯时间不得大于 6 分钟， 2.3.8 工装设计 (一) 冷型设计 冷型壁厚按下式15计算： =（0.30.4）d 式中：冷型壁厚； d辊身直径。 计算得冷型壁厚为 25cm。结合离心浇注的收缩率及涂料层厚度，设计铸型 见图 2.6。 冷型固定方法见图 2.7。 图2.6 轧辊浇注冷型图 1-铸型 2-支承轮 图2.7 铸型固定方法图 (二) 冒口设计 由轧辊辊身直径大于辊颈直径，需要采取措施来保证辊颈铁水补缩辊身， 2 生产工艺设计 13 以保证辊身内部致密。根据球铁性能可采用无冒口设计或实用冒口设计。 (1) 无冒口设计 在铸造生产中16，用在冒口的铁水占很大比例，这不仅造成材料、能源的 浪费，也消耗了人力，因此研究和应用节材节能的冒口新工艺是当今铸造工作 者最为关注的方向之一，在众多的冒口新工艺中，最适于球铁件的是无冒口工 艺，它的应用日益广泛。 均衡凝固补缩理论认为，铸铁件的收缩性不仅与铸铁合金的体积变化有关， 还强烈地依赖于铸件厚薄所决定的冷却速度，铸型种类等条件。并且认为越是 厚大件收缩越小，对补缩要求低。而球铁轧辊具有以下特点： 断面尺寸大，形状简单； 铸型刚度较大,利于防止型壁移动，为充分利用膨胀实现自补缩创造了 条件； 碳当量高接近共晶点，因而石墨化膨胀力较大； 轧辊生产属于专业化生产，其工艺参数和生产过程比较稳定，利于生产 出质量稳定的产品。 由此可见球铁轧辊采用无冒口铸造是具有得天独厚的优势。 无冒口铸造工艺下的冒口尺寸由下式计算： h0=v0al(tp-tev)/625d2 式中，al液态收缩率，%； tp浇注温度，； tev共晶开始温度，； v0轧辊毛坯体积，mm3； d断面直径，mm。 (2) 实用冒口设计 由于无冒口工艺目前还尚不成熟，所以该轧辊的冒口设计采用实用冒口。 依据经验17，通常采用下式来确定高镍铬铸铁复合轧辊的实用冒口设计： h=（1.21.4）l 式中：h上辊颈及冒口总高，mm； l辊身长度，mm； 计算得上辊颈及冒口总高 1976mm。 (三) 填芯浇注系统设计 采用底注式浇注芯部铁水18，在浇注过程中这种浇注系统的内浇道由于 处于型腔最低位置，很快就能被铁水淹没，因此充型平稳，不会产生飞溅。型 腔内的气体随着铁水液面的升高逐渐排出，铁水氧化少。同时型腔中液面升高 2 生产工艺设计 14 后可使横浇道较快充满，挡渣效果好。因此较能有效地防止气孔、渣孔、砂孔 和断芯的产生，减少对铸型的冲击。设计浇注系统见图 2.9。 2.4 熔炼工艺 2.4.1 熔炼方法 采用中频感应电炉不氧化法熔炼。此熔炼方法大多采用酸性炉衬，炉料成 分接近终点成分19。因为酸性炉衬限制了渣的碱度，一般的酸性渣不能完成脱 硫和脱磷任务，而且传递氧的能力低，又不利于扩散脱氧的进行。所以酸性炉 衬的不氧化法熔炼工艺仅是个重熔工艺，一个完全依靠熔前配料来达到终点成 分的工艺，而且工艺质量并不高，但工艺过程简单，比较明显的弱点是熔炼过 程不氧化，没有一个沸腾的过程，不能有效地去除铁液中各类夹杂物，遗留于 铁液中，恶化材料的性能；其次，整个体系的热力学条件不支持硅的氧化，而 且铁液中的碳和出铁时加入的铝分别在一定条件下会部分还原炉渣和炉衬中的 硅，加上有些盲目工艺用硅来脱氧，长期循环累积，成品中的含硅量通常都在 高位徘徊甚至脱格，不利于提高其机械性能。 2.4.2 熔炼过程 本设计的外层高镍铬铁水采用中频感应炉熔炼，用生铁、废钢、钼铁、铬 铁、钒铁、硅铁、锰铁、钛铁配炉料。具体熔炼过程如下： (1) 装料 装料要严格按照装料原则进行，具体装料顺序如下： 上松下紧，防止棚料； 加入废钢、生铁等炉料，至其熔清后再加入铬铁、镍铁、钼铁等炉料； 加入硅铁、锰铁； (2) 熔化 通电，先小功率，再大功率至熔清，防搭桥现象； 布料不当或炉料中含锈过多会发生“搭桥” ，使底部铁液过热，不仅损坏炉 衬，还会使铁液大量吸气。 (3) 脱氧和出铁 在脱氧后加入钛铁、钒铁，并采用冲入法加入适量稀土合金处理，提高铁 水质量。化学成分调整好后，即可用铝终脱氧，用量控制在每吨铁液 0.5kg 左 右。 2.4.3 外层铁水的熔炼 根据轧辊铸件图，工作层铁水量主要取决于:技术条件要求的轧辊使用层厚 度，即轧辊的原始直径与报废直径之差:铸造工艺考虑使用厚度为 3045mm， 2 生产工艺设计 15 依据轧辊的加工余量表20，两层不同材质在熔合过程中熔化的部分主要取决于 停转温度、浇注温度等，一般工艺控制熔合 35mm，计算出外层铁水为 1171， 考虑到损耗确定铁水量 1.5t。熔炼过程中利用中频感应炉冶炼铁水，用生铁、 废钢、钼铁、铬铁、钒铁、硅铁、锰铁、钛铁配炉料，铁水出炉温度 14601480，用铁水包出铁进行离心浇注。 2.4.4 芯部铁水的熔炼 芯部铁水要求熔合离心工作层 35mm，以形成良好的结合层，计算芯部铁 水为 5520，确定铁水量 6t。利用中频感应炉冶炼铁水，用废钢、生铁、硅铁、 锰铁配炉料。待铁水达到温度后出炉进行球化处理，铁水出炉温度为 14601480，然后用铁水包出铁，进行填芯浇注。 2.5 浇注操作 2.5.1 外层离心浇注的操作 要求冷型吊入离心机运转前，应进行全面清扫和测温，并检查端盖销子有 否松动、端盖砂型有否损坏，冷型放入离心机后，推入浇注小车，试车 1-2 分 钟，一切正常后进行浇注，浇注示意图见图 2.8，工作层铁水浇注重量要准确， 开始进入的铁水流要大一些，使铁水尽快充满整个冷型表面21，随后进行均匀 浇注，严禁铁水断流，工作层浇注时间控制在 4070 秒，工作层浇注完后，立 即从一侧的端盖向冷型内撒入 o 型玻璃渣，粒度 13mm(使用前应经 100150烘烤 1 小时以上)。工作层铁水冷却至 1100时，停机减速，冷型停 稳后，吊起冷型时应注意不要让冷型与托盘轮发生碰撞，以防止损伤刚凝固的 金属工作层。 图 2.8 高镍铬离心铸铁复合轧辊浇注示意图 1-浇注小车 2-浇注系统 3-安全罩 4-前档圈 5-金属冷型模具 6-离心层 7-后档圈 8-离心机摩擦轮 9-离心机底板 2 生产工艺设计 16 2.5.2 芯部浇注操作 合箱操作要稳而快22，冷型与底箱和冒口箱配合要严密，以防铁水进入； 浇注系统从轧辊切线方向引入，防止铁水散流和冲涮工作层。合箱完毕后立即 浇注填芯铁水。离心机停机到填芯时间不得大于 6 分钟，这是离心浇注内外层 结合良好的关键，填芯铁水浇注温度为 14601480。浇注填芯铁水时，应适 当控制轧辊各部位的浇注速度；辊颈浇注速度大一些，浇注到辊身时速度要放 慢一些，有利于渣子上浮，使内外层很好的熔合。冒口浇满后，把冒口上的浮 渣扒干净，盖上保温盖，轧辊在浇注坑保温一段时间后开箱。芯部组装浇注见 图 2.9。 2.6 热处理工艺 为了使高镍铬无限冷硬铸铁轧辊的辊身获得合适的硬度和组织，保证辊身 优良的性能，除了合理选择化学成分之外，还应对轧辊进行低温回火热处理23。 图 2.9 轧辊填芯合箱示意 图 2 生产工艺设计 17 由于铸态下，高镍铬无限冷硬铸铁轧辊的基体组织内残留有 13%15%的残余奥 氏体，这是一种亚稳定组织，轧钢时，在轧制应力和热应力的作用下，必将分 解成马氏体和贝氏体，同时产生很大的相变应力，容易引起工作层的剥落，经 低温回火热处理后，将使残余奥氏体分解。据资料介绍，该材质轧辊的回火温 度应当以计算出的理论转变温度为依据，再加上滞后补偿温度（50） ，作为 这一轧辊的最终回火温度。 根据该轧辊的成分，依据贝氏体转变温度计算公式24： bs()=630-45mn-35si-30cr-24mo-20ni-40v-120w 计算得该轧辊的理论转变温度为 420，因此确定采用 470（420+50 =470）温度进行回火处理是合适的。 经证实，在 470温度下回火基体组织中仅仅开始出现少量回火索氏体，因 此，不会影响辊身表面的硬度值，成品轧辊辊身表面硬度可保持在 7585hsd 范围内。然而，值得重视的是，轧辊在回火处理过程中，无论是转变成贝氏体 还是转变成二次马氏体，都得使辊身工作层内残留有较大的相变应力。因此， 对于用做热轧带钢连轧机精轧后段的工作辊，采用相同温度的两次回火处理是 十分必要的。 保温时间依据轧辊厚度判断，根据经验每 25mm 保温 30min，但在实际生 产中确定在 6h 左右即可。 其热处理工艺曲线见图 3.1。 图 3.1 热处理工艺曲线 3 分析讨论 18 3 分析讨论 离心铸造高镍铬无限冷硬铸铁轧辊的生产中常见的铸造缺陷主要有裂纹、 硬度低、结合不良、工作层厚度不足及夹杂等25。下面针对可能出现的缺陷分 析了其原因及防治方法。 3.1 裂纹 复合轧辊的铸造裂纹主要有轴向冷裂、纵向热裂和横向热裂 3 种。 轴向冷裂是沿辊筒外层轴向产生的直线状连续裂纹，大多纵贯辊筒全长。 它的产生与以下几个方面有关。首先，受铸件结构的影响。由于轧辊的两层材 质内厚外薄，浇注时在离心力作用下先浇注外层，后浇注内层，因而决定了外 层高镍铬铸铁薄而且贴近金属型，冷却速度快；内部球铁层较厚，冷却速度慢， 且凝固后期还伴有石墨的膨胀，因此，在凝固后期，外层合金沿径向受拉伸， 应力较大，当此应力大于外层合金的强度极限时，就会产生裂纹。其次，是铸 型性质的影响。由于端盖砂型的涂料层较薄，端盖与冷型间的缝隙涂抹不严密， 金属液在浇注时易形成粘砂和飞边凸沿，从而导致铸件两端与中部凝固收缩不 一致，增加冷裂纹产生的倾向。最后，还有合金性质的影响。如果碳化物形成 元素 cr、mn、mo 的控制不得当，就会导致合金导热性下降，相变时的收缩大， 冷裂倾向严重；另外，p、s 等有害元素含量过高，卷入气体过多，也是产生冷 裂纹的原因。 热裂纹多见于辊筒外层中部，呈横、纵向不规则的曲线形状。热裂纹的形 成是由于浇入内层的铁液对未完全凝固的外层合金产生很大的压力，在冷却过 程中，外层合金凝固收缩较大，而内层还处于膨胀状态，从而造成外层合金受 力形成裂纹。对铸造裂纹的防止可以采取以下措施：首先，在不影响轧辊工作 层使用性能的前提下，适当降低工作层中强碳化物形成元素的含量，提高硅和 钼的含量，从而缩小合金结晶温度范围，减小合金的收缩量，降低热应力，提 高合金高温强度，就可以降低裂纹敏感度和减小裂纹倾向。其次，加强熔炼过 程中还原期的控制，并采取变质孕育工艺，强化基体，也可以提高抗裂纹能力。 3 分析讨论 19 此外，适当降低内层铁液浇注时的离心机转速，对于内层铁液浇注厚度较 大时采用间隔分次浇注，以及停机后及时将金属型放入窑中缓冷，也可以有效 的防止裂纹的产生。 3.2 硬度 如果铁液的化学成分不合格，会造成铸件的硬度偏低。在轧辊中，其工作 层的硬度不仅与碳含量有关，而且还受到其他合金元素的影响。当碳、铬含量 低于规定的含量，硅高于规定含量或孕育剂的量超过规定的加入量时，表层组 织的石墨尺寸变得粗大，渗碳体数量减少，从而导致辊筒的硬度不合格。另外， 如前边提到的合金元素镍的加入量过多也会导致辊筒的硬度偏低。因此，在生 产中应严格控制化学成分，保证工艺的要求含量。 3.3 结合不良和工作层厚度不足 由于内外层浇注时的间隔时间以及内层铁液的浇注温度配合不得当，就会 产生结合不良或工作层厚度不足的缺陷。通常情况下，内外层浇注时的间隔时 间过短，内层铁液温度过高，就会将外层已凝固部分重熔，造成内外两层铁液 混合较多，过渡区间过大，导致工作层厚度不足，降低内外层金属的性能，同 时结合层也不清晰，影响铸件质量。而间隔时间如果过长，凝固在结合层表面 上的杂质不能上浮到内表面，内外两层金属液结合不良，影响结合强度。在实 际生产中，只要严格执行生产工艺，控制间隔时间和内、外层的浇注温度，一 般都能使内外层间结合良好，同时也能确保工作层的厚度。 3.4 夹杂 在复合轧辊外层，由于铸型温度与外层铁液的浇注温度偏低，外层铁液凝 固较快，而铸型转速也偏低，铁液中的杂质和气体来不及浮出而易形成夹杂缺 陷。在生产中可以通过严格控制入炉料的洁净度、提高浇注温度及金属型预热 温度、适当提高出炉温度、延长浇注前铁液静置时间、浇注前彻底扒渣和浇注 后覆盖保护渣等措施以减少夹渣和气孔的含量。 4 检测 20 4 检测 4.1 冶金结合质量检测 高镍铬离心复合铸铁轧辊的冶金结合层是铸造工艺控制的最重要参数之一， 良好的结合层在宏观上是无夹渣、气孔、裂纹等铸造缺陷，无影响使用的组织 偏析和碳化物聚集结合层等缺陷，用普通方法是无法观察到包括轧辊辊身辊颈 部位产生的缩孔、缩松等铸造缺陷，一般用超声波探伤仪对结合层及辊颈质量 进行检测。离心铸造复合铸铁轧辊工作层（外层）和结合层的质量，根据 gb/t1504-91 离心铸造复合铸铁轧辊超声波探伤检验方法和判定规则来判定。 其主要检测标准如下： (1)辊身端部（指距辊身端边 100mm 环带）允许有小于7 当量的（含 7）分散点状缺陷存在，各边小于 5 处，并且两点之间的距离不得小于 50mm。 (2)辊身端部允许有57 当量密集型缺陷，其面积小于 150150mm， 每边不得多于 5 处，小于当量以下缺陷不作计算。 (3)点状和密集型缺陷总数不得多于 5 处。 (4)辊身中部结合部位允许有小于7 当量的缺陷存在，当量缺陷个数不得 超过 5 处，两点之间距离不得大于 50mm。 (5)小于 45 当量的缺陷呈密集分布式，其面积应小于 100100mm2密集区 不多于两处，其两处距离应大于 100mm。 4.2 硬度的测量 在轧辊辊身上取 10 点，每个点上各打 3 次，然后取平均值为该轧辊辊身的 硬度值。在轧辊两头的辊颈上各取 5 点，每个点上各打 3 次，然后取的平均值 为该轧辊辊颈的硬度值。 该轧辊的辊身硬度在 7679hsd，表面硬度差小于 5hsd，辊颈硬度在 4 检测 21 3545hsd，满足轧辊使用要求。 4.3 抗拉强度的检测 浇注时附铸轧辊性能试样，用于检测抗拉强度、冲击韧性等性能。然后加 工成如图4.1所示的拉伸试样，在instronmodel1185材料万能试验机上做拉 伸试验。 图 4.1 拉伸试样 检测轧辊辊颈抗拉强度在 350mpa 左右，可满足轧辊使用条件。 4.4 金相组织的检测 轧辊机加工后，可用大工件实体金相检测仪进行辊身表面实体金相检测 （也可取样观察）,具体操作为：砂纸磨制抛光酒精棉球清洗烘干浸蚀 水冲洗酒精棉球清洗烘干,在金相显微镜下观察轧辊的基体组织情况。所 用浸蚀剂为4%6%硝酸酒精溶液。轧辊在热处理后的金相组织为贝氏体+马氏