CN102728821B - 一种电渣熔铸升船机齿条的工艺方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种熔铸质量好且金属利用率高，工序简单，生产周期短，能够生产大型升船机齿条的电渣熔铸工艺方法。采用该方法生产的升船机齿条化学成分均匀，组织致密，晶粒细化，显微偏析小，无疏松，夹杂物少且分布弥散，提高了升船机齿条的力学性能，达到同材质锻件质量标准。

Description

一种电渣熔铸升船机齿条的工艺方法
技术领域
本发明涉及一种采用电渣熔铸制备升船机齿条的工艺方法，属于铸造领域。
背景技术
升船机是利用机械装置升降船舶以克服航道上集中水位落差的通航建筑物，它可以抬升船舶在坝内高度，使船舶可以快速通过大坝。升船机齿条是齿轮齿条爬升式升船机中的核心部件，不论是对材料还是加工精度方面都有极高的要求；并且它属超大模数齿条，具有外形尺寸较大，加工余量较多、工作齿面硬度高、加工较困难等特点。多年来，人们一直在不断努力探索改进升船机齿条的制造工艺，以求提高其综合力学性能，降低生产成本。
传统生产升船机齿条主要有锻造和砂型铸造两种工艺方法。锻造方法生产的升船机齿条，内部质量、自制致密度及各项力学性能良好，但需要大吨位锻压设备和高价位模具，使其制造工序复杂、投资巨大、产品加工周期长且金属利用率较低；砂型铸造方法生产的升船机齿条，可简化生产工序并降低加工难度。但砂型铸造方法具有局限性，铸件内部质量不易控制，采用该方法生产的升船机齿条内部质量相对较差，难以保证齿条对金属纯净度及力学性能等指标的要求。
发明内容
针对现有技术问题，本发明提供了一种熔铸质量好且金属利用率高，工序简单，生产周期短，能够生产大型升船机齿条的电渣熔铸工艺方法。采用该方法生产的升船机齿条化学成分均匀，组织致密，晶粒细化，显微偏析小，无疏松，夹杂物少且分布弥散，提高了升船机齿条的力学性能，达到同材质锻件质量标准。
本发明具体提供了一种电渣熔铸升船机齿条的工艺方法，其特征在于：采用电渣熔铸方法制备升船机齿条，升船机齿条毛坯在结晶器内一步成形，其工艺参数为：
供电工艺参数：
开始熔铸阶段，给定电流6000~10000A，电压55~80V；熔铸齿条齿廓阶段，给定电流8000~15000A，电压75~90V；补缩阶段，给定电流0~8000A，电压55~80V；熔化速率始终保持为5kg~14kg/min。
结晶器型腔内各部位填充系数控制在0.35~0.4之间。
本发明提供的电渣熔铸升船机齿条的工艺方法，其特征在于：升船机齿条用自耗电极为随型（结晶器型腔）结构，其化学成分按重量百分比计为：C 0.32~0.38%、Si≤0.6%、Mn 0.6~1.0%、P≤0.025%、S≤0.020%、Cr 1.40~1.70%、Mo 0.15~0.35%、Ni 1.40~1.70%，余量为Fe。
本发明提供的电渣熔铸升船机齿条的工艺方法，其特征在于：所用结晶器为左、右对开结构的铜/钢焊接结晶器，包括与升船机齿条形状相适应的内腔型板3、外腔型板4、上法兰2、下法兰5、进水管6和出水管1，结晶器上部固设有多个出水管1、下部固设有多个进水管6，外腔型板4设置在内腔型板3的外侧，内腔型板3、上法兰2、下法兰5采用焊接方法制成一个整体结构；外腔型板4、进水管6和出水管1采用冷弯焊接或铸造方法制成一个整体结构。结晶器内腔型板材料选用厚度为18~24mm的紫铜板。
本发明提供的电渣熔铸升船机齿条的工艺方法，其特征在于：采用二元渣系，其配比为重量比：CaF270%、Al2O330%，渣量60~120kg。
本发明提供的电渣熔铸升船机齿条的工艺方法，其特征在于：液态渣层厚度控制在100mm~400mm之间。
本发明提供的电渣熔铸升船机齿条的工艺方法，其特征在于：渣系与渣量控制：自耗电极与结晶器内腔型板距离控制在30~100mm之间。
由图2、3可知，升船机齿条结晶器采用铜/钢焊接结构，冷却强度大，既能满足齿条成形需求，又提高了使用寿命。自耗电极为随型（结晶器型腔）结构。根据升船机齿条的形状特殊性，自耗电极与结晶器内腔型板距离控制在30~100mm之间，保证了升船机齿条各部位冷却强度均匀，熔铸的升船机齿条表面质量良好，无渣沟、重皮等缺陷产生。
利用本发明生产的升船机齿条，具有如下优点：
1）金属质量优良，组织致密，成分均匀，表面光洁，显微偏析小，无疏松、夹渣、缩孔等缺陷；
2）工艺稳定，凝固组织可控制，质量和性能稳定性高；
3）毛坯尺寸精确，加工量小，生产成本低，产品合格率高；
4）设备简单，操作方便，无冒口，成材率高，省去造型等工序，生产成本降低，提高生产效率。
附图说明
图1  升船机齿条截面图；
图2  升船机齿条用结晶器结构示意图；
图3  升船机齿条用结晶器剖视图；
图4  与结晶器配套使用的自耗电极示意图；
图5  升船机齿条试块取样部位截面图。
具体实施方式
实施例1
利用如下表1所示的化学成分的自耗电极（随型结构，见图4），利用图2、3所示的结晶器，渣系采用二元渣系，其配比为CaF270%、Al2O330%（重量比）；在电渣熔铸前，先将渣系在350℃下烘烤4小时，除去渣料中的水分。起弧方式采用固态渣引弧，渣量100kg，开始熔铸阶段，给定电流7000~7500A，电压75V；熔铸齿条齿廓阶段，给定电流11000~12000A，电压85V；通过冷却水控制冷却强度，熔铸后期进行补缩并熔铸成升船机齿条毛坯。采用870 ℃淬火＋650 ℃回火的热处理工艺，本实例在图5所示a、b、c、d位置上取样与同样材质的锻件标准件性能指标作了对比，其结果如表2所示： 
表1     自耗电极化学成分
元素 C Si Mn P S Cr Mo Ni
含量% 0.35 0.5 0.8 0.020 0.015 1.50 0.23 1.55
本实施例电渣熔铸升船机齿条力学性能与同样材质的锻件标准件力学性能对比：
表2  与同样材质的锻件标准件力学性能对比
力学性能 a b c d 锻件标准件（DIN EN 10293）
Rp0.2（N/mm2） 660 662 657 670 ≥658
Rm（N/mm2） 851 830 842 865 800~950
A（%） 12 13 13 14 12
Ak（J） 30 32 33 34 30
实施例2
利用如下表3所示的化学成分的自耗电极，利用图2、3所示的结晶器，渣系采用二元渣系，其配比为CaF270%、Al2O330%（重量比）；在电渣熔铸前，先将渣系在360℃下烘烤4小时，除去渣料中的水分。起弧方式采用固态渣引弧，渣量120kg，开始熔铸阶段，给定电流8200~8800A，电压78V；熔铸齿条齿廓阶段，给定电流12000~13500A，电压90V；通过冷却水控制冷却强度，熔铸后期进行补缩并熔铸成升船机齿条毛坯。采用870 ℃淬火＋650 ℃回火的热处理工艺，本实例在图5所示a、b、c、d位置上取样与同样材质的锻件标准件性能指标作了对比，如表4所示： 
表3     自耗电极化学成分
元素 C Si Mn P S Cr Mo Ni
含量% 0.34 0.45 0.75 0.017 0.016 1.65 0.30 1.65
本实施例电渣熔铸升船机齿条力学性能与同样材质的锻件标准件力学性能对比：
表4  与同样材质的锻件标准件力学性能对比
力学性能 a b c d 锻件标准件（DIN EN 10293）
Rp0.2（N/mm2） 668 660 667 650 ≥658
Rm（N/mm2） 835 820 840 865 800~950
A（%） 13 12 14 13 12
Ak（J） 31 35 30 32 30

Claims (2)

1.一种电渣熔铸升船机齿条的工艺方法，其特征在于：采用电渣熔铸方法制备升船机齿条，升船机齿条毛坯在结晶器内一步成形，其工艺参数为：
供电工艺参数：
开始熔铸阶段，给定电流6000～10000A，电压55～80V；熔铸齿条齿廓阶段，给定电流8000～15000A，电压75～90V；补缩阶段，给定电流0～8000A，电压55～80V；
结晶器型腔内各部位填充系数控制在0.35～0.4之间；
升船机齿条用自耗电极为随型结构，其化学成分按重量百分比计为：C0.32～0.38％、Si≤0.6％、Mn 0.6～1.0％、P≤0.025％、S≤0.020％、Cr 1.40～1.70％、Mo 0.15～0.35％、Ni 1.40～1.70％，余量为Fe；
液态渣层厚度控制在100mm～400mm之间；自耗电极与结晶器内腔型板距离控制在30～100mm之间；
采用二元渣系，其配比为重量比：CaF270％、Al2O330％，渣量60～120kg；
所用结晶器为左、右对开结构的铜/钢焊接结晶器，包括与升船机齿条形状相适应的内腔型板(3)、外腔型板(4)、上法兰(2)、下法兰(5)、进水管(6)和出水管(1)，结晶器上部固设有多个出水管(1)、下部固设有多个进水管(6)，外腔型板(4)设置在内腔型板(3)的外侧，内腔型板(3)、上法兰(2)、下法兰(5)采用焊接方法制成一个整体结构；外腔型板(4)、进水管(6)和出水管(1)采用冷弯焊接或铸造方法制成一个整体结构。
2.按照权利要求1所述电渣熔铸升船机齿条的工艺方法，其特征在于：结晶器内腔型板材料选用厚度为18～24mm的紫铜板。
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