CN101028648A

CN101028648A - 一种100吨级以上单一材质超大型铸钢支承辊的铸造方法

Info

Publication number: CN101028648A
Application number: CN 200710010623
Authority: CN
Inventors: 夏立军; 康秀红; 李殿中; 柯伟; 李依依
Original assignee: Institute of Metal Research of CAS
Current assignee: Institute of Metal Research of CAS
Priority date: 2007-03-16
Filing date: 2007-03-16
Publication date: 2007-09-05
Anticipated expiration: 2027-03-16
Also published as: CN101028648B

Abstract

本发明是100吨级以上超大型单一材质铸钢支承辊整体铸造技术，它除了利用计算机模拟手段合理地设计了金属型模具，并用铁模覆砂和保温冒口技术实现了铸件的顺序凝固之外，主要采用了上注与下注相结合技术、多次浇注多次电加热技术以及复合冒口技术，通过对关键工艺参数的控制，保证了超大型铸钢支承辊整体铸造件产品质量。利用本发明在浇注过程中，采用多次组箱多次浇注技术，有效地避免了支承辊的卷气和夹杂缺陷；采用多次电加热技术，保证了铸件中没有冷隔缺陷，有利于轧辊更好的实现顺序凝固，降低了冒口高度；采用复合冒口，增加了冒口的补缩能力，使大型铸钢支承辊没有疏松缺陷。所生产的铸钢支承辊的探伤结果完全符合国家标准。

Description

一种100吨级以上单一材质超大型铸钢支承辊的铸造方法

技术领域

本发明涉及100吨级以上超大型铸钢支承辊整体铸造过程(净重超过100吨支承辊为超大型支承辊)，具体地说是一种100吨级以上单一材质超大型铸钢支承辊的铸造方法。它适用于净重在100吨以上单一材质各种型号、规格和材质的铸钢支承辊整体铸造过程。

背景技术

轧钢产量不断加大，尤其宽厚板轧钢生产线不断增加，对100吨级以上超大型铸钢支承辊的需求量越来越大。我国大型轧辊以及超大型轧辊的生产能力有限，以至于轧辊市场呈现了供不应求状态。

世界上能生产超大型轧辊国家主要有德国、日本、韩国等，其中德国的GP轧辊有限公司可以生产各种型号的铸钢支承辊，而日本主要生产锻钢支承辊。5500mm宽厚板轧机支承辊只有德国和日本可以生产，其它国家还不具备生产这种支承辊的能力。德国GP轧辊有限公司采用复合冲洗法生产各种型号的支承辊，所浇注的轧辊的表层材质与心部材质不同，钢水不进行精炼，电弧炉冶炼钢水直接浇注，轧辊夹杂物含量较高。日本生产超大型轧辊主要用锻造的方法，其超大型轧辊为单一材质轧辊，这种轧辊内部质量较好。

由于超大型轧辊热处理铸造技术复杂，热处理时间长，5500mm轧机铸钢支承辊的热处理时间为70～90天，所以超大型铸钢支承辊的生产周期非常长。新的轧钢生产线不断出现，轧辊消耗量日益增加，尤其是超大型轧辊在全世界范围内处于严重的供不应求状态。锻造方法生产的支承辊，生产周期长、成本高，增加了许多费用，所以急需开发超大型铸钢支承辊制备技术。

超大型轧辊的制备技术难点在于一次冶炼钢水多，轧辊热裂敏感性高，铸件成形困难；热处理时间长，工序多，设备要求严格；轧辊凝固时间长，电加热时间长，偏析难于控制；钢水对模具热冲击大，模具容易开裂，造成浇注失败；轧辊长度太长，补缩困难，容易出现缩孔、疏松缺陷；大型轧辊轴向收缩距离长，所以一旦收缩受阻，就会出现拉应力裂纹，使轧辊报废。净重100吨以上轧辊浇注钢水往往在200吨以上，所以开发难度非常大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种100吨级以上单一材质超大型铸钢支承辊的铸造方法，可以有效地解决大型铸钢支承辊的裂纹、缩孔和疏松问题，使超大型铸钢支承辊国产化成为了可能。

本发明的技术方案是：

100吨级以上超大型铸钢支承辊制备过程中，在先进的浇注系统设计、铁模覆砂工艺、切线型内浇口旋转充型方法、顺序凝固技术、滑动辊颈技术、电加热冒口技术等技术基础之上，这些内容已经包含在中国专利申请(专利号ZL200410021595.5，申请日：2004年8月2日，名称：铸钢支承辊整体铸造方法；申请号200610048038.1，申请日2006年10月18日，名称：大型铸钢支承辊制备工艺)中。本发明主要采用上注与下注相结合的浇注工艺，进行多次组箱、多次浇注、多次电加热技术以及复合冒口技术。

1、上注与下注相结合技术

(1)下注技术：主要采用先进的浇注系统设计原则，设计出无气隙平稳充型浇注系统。该浇注系统由带塞杆系统的中间包、锥形直浇道、横浇道和切线形内浇口组成，直浇道上口与中间包相连。根据浇注的钢水重量和浇注速度，设置1-4个浇注系统沿圆周分布，多个浇注系统同时浇注。浇注过程中先将钢液浇入中间包，当钢液高度超过500mm后，打开中间包的塞杆系统，开始浇注。采用这种下注方式的浇注系统，使金属液在中间包中有一段静止时间，有利于气体和夹杂物的上浮，金属液在直浇道和横浇道中流动时，保持金属液处于充满状态，避免卷入气体，保持钢水的纯净。金属液切线进入铸件型腔，使金属液在铸件型腔中产生旋转运动，将非金属夹杂物旋转到液面中心，最后上浮到表面，并且使金属液面平稳上升。

(2)上注技术：金属液从铸件型腔的顶端直接进行浇注，当钢水包对准铸件型腔后，尽量降低钢水包高度，打开钢包的滑动水口，开始浇注。进行上注时，尽量降低钢水包，可以减小钢水在空气中的暴露时间，降低钢水的氧化，同时也可以减小钢水对型腔的冲击和避免将夹杂物卷入到铸件中。

(3)浇注主要效果：在铸钢支承辊浇注过程中，先进行下注，再进行上注，使轧辊能更好的实现顺序凝固，减少缩孔、疏松缺陷；降低轧辊凝固过程的收缩应力，避免裂纹缺陷。

(4)使用方法：先进行下注，利用下注方法将金属液浇到上辊颈的某一高度。首次浇注，钢水通过所设计的浇注系统以下注形式浇入型腔，当金属液上升到辊身以上200～1000mm时，停止下注。30～180分钟后，采用上注方法进行第二次浇注，浇注钢水300～2500mm高。30～180分钟后，采用上注方法进行第三次浇注，浇注钢水300～2500mm高，依次进行，直到浇满为止。

2、多次组箱与多次电加热技术

(1)多次组箱：在模具设计过程中，将上辊颈箱和冒口箱设计成多节箱，每节箱之间由止口定位。第一次浇注之前，进行模具装配时只装配到上辊颈的某一节箱。当第一次浇注之后，准备进行第二次浇注时，才继续组装剩余的上辊颈箱，根据具体情况，可以组装1节，也可以组装2节或是3节。随着浇注的进行，不断加高上辊颈箱及冒口箱。

(2)多次电加热：在第一次浇注完成之后开始电加热，每次浇注之间都进行电加热，保持金属表面为液态。

(3)主要作用：金属液发生固态收缩时，固态金属会受到来自铸型的阻力，而当阻力大于金属的高温强度时，就会产生拉应力裂纹。采用多次浇注工艺，可以使金属液实现顺序凝固，使辊身和下辊颈先行凝固，当固态收缩基本完成之后，再浇注上辊颈及冒口，使收缩阻力减小到最低限度。这样操作，减小了拉应力，避免了拉应力裂纹。

(4)使用方法：在浇注过程中，完成第一次浇注之后，就开始进行电加热保温；在进行第二次浇注之前，加高上辊颈箱，进行浇注，再进行电加热。与加高上辊颈箱和冒口箱交替进行。直到浇满冒口，再进行最后的电加热保温。

3、多次电加热工艺

(1)电加热冒口结构：本发明所用电加热冒口为电渣加热冒口。电渣加热冒口由加热电极和电渣组成，电极为石墨电极，电渣为Al₂O₃、CaO和CaF的混合物。按重量比计，Al₂O₃占30～70％，CaO占10～15％，CaF₂占20～50％。3种电渣原料在使用前用分袋放置，使用按重量百分比向熔池中加入。充型结束后，向冒口中加电渣，电渣覆盖整个液面，电渣厚度50～150mm；然后通过供电装置给石墨电极供电，对冒口进行加热保温；采用单电极或多电极，直流或交流电渣加热保温。

(2)电加热冒口用途：底注铸件在浇注过程中，金属液上面的温度低，下面的温度高，不利于补缩。在中间阶段进行电加热，主要保持金属液面为液态，使铸件不出现冷隔缺陷。最终电加热的作用是将上面金属液加热，形成正的温度梯度，有利于冒口完成补缩。

(3)使用方法：电加热电压为50～100V，电流为500～1500A，变压器功率为25～150KW。中间加热时间按浇注要求确定，需要进行下一次浇注时，电加热就暂时停止。最终电加热时间根据冒口尺寸确定，具体时间如表1。

表1冒口直径与电加热时间工艺参数对照

冒口直径	500～700mm	700～1000mm	1000～1500mm	＞1500mm
冒口直径	500～700mm	700～1000mm	1000～1500mm	＞1500mm	加热时间(h)	3～4	4～5	10～15	30～36

注：冒口直径是指冒口高度上的平均直径

4、复合冒口技术

(1)复合冒口结构：复合冒口是由上下两部分组成，上半部分为砂型，下半部分由保温砖砌筑而成。砂型高度200～1500mm，保温砖砌筑层高度为1000～2500mm。

(2)主要作用：复合冒口上半部分有较强的耐高温能力和抗侵蚀能力。下半部分用保温砖，可以增加冒口的补缩距离，减少轴线疏松。

(3)使用方法：在造型过程中，先将保温砖围成圆筒形，用钢带捆好，放入冒口箱中，在保温砖后面撞上背砂，撞实为止。下半部分造型完成之后，上半部分用砂型，面砂用铬铁矿砂，背砂用普通石英砂。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明100吨级以上单一材质超大型铸钢支承辊的铸造方法是多项技术的有机结合，包括先进的浇注系统设计原则、铁模覆砂工艺、切线型内浇口旋转充型方法、顺序凝固技术、滑动辊颈技术、上注与下注相结合浇注技术、多次组箱技术、多次浇注技术、多次电加热技术及复合冒口技术。本发明适用于100吨级以上各种型号和规格的单一材质铸钢支承辊的整体铸造过程，可以使超大型铸钢支承辊采用铸造方法进行制造。

2、本发明采用上注与下注相结合的浇注技术、多次组箱、多次浇注与电加热以及复合冒口等技术，有利于轧辊更好的实现顺序凝固，降低了冒口高度，减小了金属液的静压力，减少了铸型对铸件的阻力，避免了拉应力裂纹的产生，可以有效地解决铸钢支承辊的裂纹、缩孔和疏松问题，使超大型铸钢支承辊国产化成为可能，打破超大型铸钢支承辊长期以来受制于人的局面。

3、本发明采用复合冒口技术，增加了冒口补缩距离，增强了冒口补缩能力，减小了铸件产生缩孔、疏松倾向，减小了冒口体积，提高了铸件成形的可能性。

附图说明

图1本发明的铸钢支承辊铸造装置示意图；

其中：1-底座；2-下辊颈下箱；3-下辊颈上箱；4-辊身铁模；5-滑动辊颈外套；6-垫块；7-滑动辊颈内套；8-第一节上辊颈箱；9-第二节上辊颈箱；10-第一节冒口箱；11-第二节冒口箱；12-电渣；13-石墨电极；14-中间包；15-直浇口箱；16-直浇道；17-直浇道与横浇道的过渡圆弧；18-横浇道；19-轧辊；20塞杆。

具体实施方式

下面结合附图及实施例详述本发明。

如图1所示，本发明的100吨级以上单一材质超大型铸钢支承辊铸造装置示意图，本发明采用模具整体铸造，模具的下辊颈、辊身采用铁模覆砂，上辊颈采用砂型，冒口为复合冒口，冒口下部表面采用保温砖，后面用背砂，冒口上部采用砂型。由下至上依次设置底座1、下辊颈下箱2、下辊颈上箱3、辊身铁模4、滑动辊颈、第一节上辊颈箱8、第二节上辊颈箱9、第一节冒口箱10、第二节冒口箱11等。滑动辊颈主要由滑动辊颈外套5、垫块6和滑动辊颈内套7组成，滑动辊颈内套7插装于滑动辊颈外套5内，滑动辊颈内套7外侧带有法兰，该法兰与滑动辊颈外套5之间设置垫块6，滑动辊颈内套7的外壁与滑动辊颈外套5的内壁之间的劈缝间隙为1-10mm。第一次浇注之前装配模具时，只装配到第一节上辊颈箱。金属液通过带柱塞系统的中间包14、直浇口箱15内的直浇道16、直浇道与横浇道的过渡圆弧17和横浇道18进入型腔，当金属液充满第一节上辊颈箱8后，关闭中间包14的塞杆20，停止下注，向第一节上辊颈箱8中加入电渣12，调整好石墨电极13的位置，开始在第一节上辊颈箱8中进行电加热。加热30～180分钟后，将石墨电极13移开，组装第二节上辊颈箱9，将钢包对准第二节上辊颈箱9，开始上注，浇满后，再次进行电加热。此过程依次进行，直到充满第二节冒口箱11，进行最后电加热保温，最后形成轧辊19。上辊颈箱和冒口箱的分节数量视轧辊的重量和长度而定。

在第一节上辊颈箱浇注完成5～30分钟之后，将垫块6取下，以便滑动辊颈内套7自动下沉。

实施例1

本实施例所用材质为40Cr4，该材质的液相线温度为1470℃，浇注温度为1550℃，浇注金属液重量150吨。其铸造工艺如下：

1)采用切线形内浇口旋转浇注，根据平稳充型的原则设计浇口杯及浇注系统。2)复合冒口，冒口高度为2800mm，其中砂型高1500mm，耐火砖高1300mm。3)采用4次组箱、4次浇注，4次电加热工艺。金属液充满浇注系统后的最终电加热12h。4)第一次装配模具时装配到上辊颈第一节箱，金属液通过所设计的平稳充型浇注系统进行下注，采用双浇道，以9吨/分钟的浇注速度充型，金属液充满上辊颈第一节箱后，停止浇注，加入电渣，开始电加热。加热120分钟后，移开石墨电极，组装第二节上辊颈箱，将钢包对准第二节上辊颈箱，开始从上辊颈箱顶部进行上注，浇满第二节上辊颈箱后，再次进行电加热。电加热100分钟后，移开石墨电极，组装第一节冒口箱，同样是从第一节冒口箱顶部进行上注，金属液充满第一节冒口箱后，加入电渣，开始电加热，加热90分钟后，组装第二节冒口箱进行最后一次从顶部浇注，浇注结束后，向第二节冒口箱中加入电渣，进行最终电加热保温，加热时间12h。金属液浇满第一节上辊颈箱10分钟后，取下滑动辊颈垫块。本实施例中，保温电渣为Al₂O₃、CaO和CaF₂的混合物，按重量比计，Al₂O₃占40％，CaO占10％，CaF₂占50％，电渣厚度120mm。电流为800A，电压为125V，加热功率为100kw。

第一次浇注顺利成功，钢水上升平稳。电加热后，电加热设备工作正常。所生产的铸钢支承辊经过机械加工后进行超声检测，符合轧辊探伤标准。

实施例2

本实施例所用材质为40Cr4，浇注温度为1540℃，浇注金属液重155吨。其铸造工艺如下：

1)采用切线形内浇口旋转浇注，根据平稳充型的原则设计浇口杯及浇注系统。2)复合冒口，冒口高度为2800mm，其中砂型高1400mm，耐火砖高1400mm。3)采用3次组箱、3次浇注，3次电加热工艺。金属液充满浇注系统后的最终电加热13h。4)第一次装配模具时，装配到上辊颈第二节箱，金属液通过所设计的平稳充型浇注系统进行下注，采用双浇道，以10吨/分钟的浇注速度充型，金属液充满上辊颈第二节箱后，停止浇注，加入电渣，开始电加热保温。加热100分钟后，移开石墨电极，组装第一节冒口箱，从第一节冒口箱顶部进行上注，金属液充满第一节冒口箱后，停止浇注，加入电渣，开始电加热。加热90分钟后，组装第二节冒口箱进行最后一次从顶部浇注，浇注结束后，向第二节冒口箱中加入电渣，进行最终电加热保温，加热时间13h。在浇满第二节上辊颈箱15分钟后，取下滑动辊颈垫块。本实施例中，保温电渣为Al₂O₃、CaO和CaF₂的混合物，按重量比计，Al₂O₃占70％，CaO占10％，CaF₂占20％，电渣厚度150mm。电流为1000A，电压为150V，电加热功率为150kw。

第二次浇注顺利成功，在规定的时间内，进行电加热保温。所生产的铸钢支承辊经过机械加工后进行超声检测，符合探伤标准。

本发明工作过程及结果：

利用本发明进行100吨级以上单一材质超大型铸钢支承辊的铸造，在浇注过程中，采用多次组箱多次浇注技术，有效地避免了支承辊的卷气和夹杂缺陷；采用多次电加热技术，保证了铸件中没有冷隔缺陷，有利于轧辊更好的实现顺序凝固，降低了冒口高度；采用复合冒口，增加了冒口的补缩能力，使大型铸钢支承辊没有疏松缺陷。所生产的铸钢支承辊的探伤结果完全符合国家标准。

Claims

1、一种100吨级以上单一材质超大型铸钢支承辊的铸造方法，其特征在于：采用下注和上注相结合的浇注方法。

2、按照权利要求1所述的100吨级以上单一材质超大型铸钢支承辊的铸造方法，其特征在于：采用多次浇注完成钢水的最终浇注；首次浇注，钢水通过浇注系统以下注形式浇入型腔，当金属液上升到辊身以上200～1000mm时，停止下注；30～180分钟后进行第二次浇注，浇注以上注形式进行，浇注钢水300～2500mm高；30～180分钟后进行第三次浇注，浇注钢水300～2500mm高，依次进行，直到浇满为止。

3、按照权利要求1所述的100吨级以上单一材质超大型铸钢支承辊的铸造方法，其特征在于：采用模具整体铸造，设计了分节的上辊颈箱及冒口箱，采用多次组箱和多次电加热方法。

4、按照权利要求3所述的100吨级以上单一材质超大型铸钢支承辊的铸造方法，其特征在于：采用多节上辊颈箱和冒口箱，上辊颈箱和冒口箱分别由2～4节组成，各节箱之间由止口定位，每节箱300～1200mm高。

5、按照权利要求3所述的100吨级以上单一材质超大型铸钢支承辊的铸造方法，其特征在于：采用多次组箱和多次电加热；第一次组箱，只放上一节上辊颈箱，当第一次浇注完成之后，进行电加热保温，保温到准备进行第二次浇注时，再加上第二节上辊颈箱；浇注之后，再进行第二次电加热，依次操作，直到浇注完成为止。

6、按照权利要求5所述的100吨级以上单一材质超大型铸钢支承辊的铸造方法，其特征在于：在操作中，同时增加2节箱或3节箱。

7、按照权利要求3所述的100吨级以上单一材质超大型铸钢支承辊的铸造方法，其特征在于：采用多次电加热工艺，电加热在浇注过程中多次使用，第一次浇注之后开始进行加热，加热到准备第二次浇注之前，将电加热设备移开，进行第二次浇注，浇注之后，再进行加热；如此循环进行，直到浇注完成，再进行最终电加热。

8、按照权利要求3所述的100吨级以上单一材质超大型铸钢支承辊的铸造方法采，其特征在于：采用复合冒口，冒口采用复合材料制成，冒口上部为砂型，高度为200～1500mm，冒口下部采用保温砖砌筑，高度为1000～2500mm。

9、按照权利要求1所述的100吨级以上单一材质超大型铸钢支承辊的铸造方法，其特征在于：采用下注与上注相结合时，下注浇注系统由浇口杯、直浇道、横浇道和切线型内浇口组成，圆周放置1～4个浇注系统，浇注过程中，这1～4个浇注系统同时开始浇注。