CN112893779B - 一种轧辊无砂造型方法 - Google Patents

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Abstract

一种轧辊无砂造型方法，属于铸造技术领域。轧辊包括辊身和辊颈两部分，辊颈位于辊身的两端，辊颈分为上辊颈和下辊颈；制造轧辊的铸型包括用于制造轧辊辊身的金属型铸型，位于金属型铸型底部的用于制造轧辊下辊颈的下辊颈铸型，和位于金属型铸型上部的用于制造轧辊上辊颈的上辊颈铸型。先使用中碳低合金钢，铸造上辊颈铸型和下辊颈铸型的金属外箱，金属外箱和耐高温陶瓷套过盈配合成一体得到辊颈铸型。将下辊颈铸型、金属型铸型和上辊颈铸型依次配合成一体，即可获得用于生产轧辊的铸型。

Description

一种轧辊无砂造型方法
技术领域
本发明公开了一种轧辊造型方法，特别涉及一种轧辊无砂造型方法，属于铸造技术领域。
背景技术
轧辊是轧钢生产中的重要消耗备件，轧辊消耗约占钢产量的1.2‰左右。我国是钢铁生产大国，目前年产钢超过10亿吨，占世界总产钢量的50％，年消耗轧辊100多万吨。为了提高轧辊性能，降低轧辊消耗，国内外开发了多种轧辊新材质。中国发明专利CN111809105A公开了一种原位复合碳化物颗粒强化耐磨轧辊的制备方法，其特征在于，具体制备工艺步骤如下：①先在中频感应电炉内熔炼含铌、铬、钴、锰和镍等元素的铁水，并将炉内铁水的化学组成及质量分数控制在3.44-3.78％C,4.51-4.86％Mn,2.55-2.79％Co,12.06-12.39％Cr,2.74-2.90％Nb,0.77-0.95％Si,1.03-1.27％Al,3.07-3.38％Ni,<0.030％S,<0.035％P,余量Fe；并将铁水升温至1558-1575℃，然后加入占炉内铁水质量分数9-10％的FeTi70，FeTi70入炉前经650-700℃烘烤2.5-3.0小时，FeTi70颗粒尺寸15-22mm；FeTi70全部熔化后，保温4-6分钟，然后将铁水出炉到浇包；②浇包内的铁水经扒渣、静置后，当温度降至1447-1466℃时浇入铸型，并在铁水浇注过程中，随铁水流加入颗粒尺寸2-4mm的硅钙钡合金；硅钙钡合金加入量占进入铸型内铁水质量分数的0.75-0.90％；铁水完全凝固后，开箱取出轧辊毛坯，经清砂打磨后，进行粗加工；③步骤②中粗加工后的轧辊随炉加热至1000-1015℃，保温2.0-2.5小时，然后在温度为180-195℃盐浴炉中冷却10-12分钟；盐浴是由50wt.％NaNO3和50wt.％KNO3熔融而成；④经过盐浴冷却后的轧辊，立即放入到温度为350-360℃的热处理保温炉中，保温50-60分钟，炉冷至温度低于100℃，出炉空冷至室温，最后精加工至规定尺寸和精度。中国发明专利CN 110000362A还公开了一种高钨钒高速钢耐磨轧辊及其制造方法。采用电炉分别熔炼外层高速钢钢水和辊芯铁水，先在电炉内熔炼轧辊外层高速钢，并将炉内钢水的化学组成及其质量分数控制在10.23-10.67％W,1.76-1.94％Mo,2.81-2.97％C,<；0.035％P,<0.030％S,6.15-6.42％Cr,2.27-2.46％Nb,2.24-2.41％Si,0.64-0.83％Mn,余量为Fe及其他不可避免的杂质，然后将钢水升温至1653-1677℃，依次加入铝和钒铁，再在钢包内加入多元合金颗粒，并在立式离心机上浇注成轧辊，经热处理后，具有良好的强韧性和优异的耐磨性，用于轧制高强度低合金热轧螺纹钢，使用效果优异。中国发明专利CN 107243618A还公开了一种高速钢复合轧辊的生产方法，复合轧辊包括辊身和辊颈，辊颈位于辊身的两端，辊身分为辊身外层和辊身芯部，所述辊身外层和辊身芯部所用材料为高速钢，辊颈所用材料为球墨铸铁，其特征在于：所述辊身外层高速钢采用离心浇注，辊身芯部高速钢和辊颈球墨铸铁采用静态浇注，所述的一种高速钢复合轧辊的生产方法，包括如下步骤：1)将辊身高速钢与辊颈球墨铸铁按配方进行分别冶炼；2)当高速钢钢水和球墨铸铁铁水达到预设温度后，先将辊身外层高速钢钢水浇入到离心机铸型内，外层高速钢钢水在离心力作用下结晶凝固；3)外层高速钢钢水浇注后，将铸造轧辊下辊颈的底箱平稳摆放在地坑内，用球墨铸铁铁水浇满；4)当外层高速钢钢水温度冷却到1150-1200℃时停止离心机旋转，迅速将铸型及已凝固高速钢外壳一起从离心机上吊下与已浇注球墨铸铁铁水后的底箱配合，再用高速钢钢水浇注辊身芯部，辊身芯部高速钢钢水浇注要先慢后快，平稳浇注，尽可能减少与已经浇注的下辊颈球墨铸铁铁水直接混合，直至辊身芯部浇满为止；5)辊身芯部高速钢钢水浇注后，立即将铸造辊颈的冒口箱与铸型配合好，再用球墨铸铁铁水浇注上辊颈部分，上辊颈球墨铸铁铁水浇注也是先慢后快，平稳浇注，尽可能减少与辊身芯部高速钢钢水直接混合，直至冒口浇满为止；上述步骤3)到步骤5)的操作时间总共小于8分钟。中国发明专利CN 105256221A还公开了一种高铬铸造轧辊的制备方法，其特征在于，具有如下操作步骤：1)制备钢水中各化学成分质量百分比：2.32％≤C≤2.54％，1.25％≤Si≤1.45％，1.32％≤Mn≤1.68％，0.028≤P≤0.048％，痕量≤S≤0.025％，2.75％≤Cr≤3.25％，0.55％≤Mo≤0.75％，0.15≤V≤0.25％，0.02≤B≤0.06％，0.15≤Ca≤0.25％，余量为Fe和不可避免的杂质；2)将钢水重量的1.2～1.6％复合变质剂置于浇包底部，用包内冲入法对从真空感应炉中出来的钢水进行复合变质处理，反应温度为1460～1520℃，铸造采用砂型铸造，钢水浇铸温度为1400-1480℃，砂型内温度保持在200-230℃；3)对轧辊铸件进行调质处理，第一次淬火处理是将铸件加热到600-650保温1-1.5小时，并用淬火液冷却，该淬火液由以下质量百分数原料组成：23-27％BaSO4、5-9％NaCl、4-8％KNO3，余量水；第一次淬火后将铸件继续加热到500-540℃进行第二次淬火处理，并采用风冷降温到室温；4)对轧辊表面进行固体渗碳：将上述经热处理的轧辊装入填充好的渗碳剂的容器中，密封置于900-950℃的炉中，保温1.5-2小时后出炉油冷。中国发明专利CN103602924A还公开了一种耐磨合金轧辊。包括离心浇注工作层和芯层，其特征在于工作层各组分按重量百分比计为：C：2.5％-3.5％；Si：＜2.0％；Mn：1.6％-2.0％；P：≤0.06％；S：≤0.05％；Cu:≤0.2％；As：≤0.10％；Cr：1.5％-2.0％；Ni：10.0％-20.0％；Mo：10.5％-15.0％；其余为Fe及杂质。该发明强度高、韧性好，咬入性好、抗热裂性强和抗冲击能力强的特点。上述轧辊新材质的问世，促进了轧辊性能，特别是耐磨性的明显提高。
轧辊成型方法主要有铸造、锻造、热等静压和喷射沉积成形等。其中铸造成型方法具有效率高和生产成本低的优势，已广泛应用于轧辊生产中，目前，国内外轧辊90％以上采用铸造方法成型。为了提高铸造轧辊质量，中国发明专利CN1041895公开了用电极石墨或高纯石墨制做铸钢铸铁件的铸型材料，在反复的高温作用下不变形，不龟裂，且导热快，蓄热大，有理想的高温强度，可适用于铸造各种白口铸铁，可锻铸铁，形体简单的球墨铸铁及蠕墨铸铁与灰铸铁铸件，也适用于铸造轧辊，与砂型铸造相比，可省却大量的砂处理设备及烘干设备等，便于铸造机械化、自动化、大幅度提高生产效率，采用该发明不仅改善劳动环境，降低工人劳动强度，而且可提高铸件质量，提高铸造工艺出品率，显著降低生产成本。中国发明专利CN1187397还公开了一种轧辊真空密封造型工艺，其特征在于用金属粒或干砂子做造型材料，将模型放置在模板箱上，加热薄膜，模板箱抽真空，将加热的薄膜覆盖在模型上，喷刷耐火涂料，模板箱上套上真空密封造型砂箱，在震动台上边加金属粒或干砂子边微震，当加好金属粒或干砂子后，震动台停止震动，将薄膜覆盖加金属粒或干砂子口，砂箱抽真空成型，模板箱关掉真空，起模即完成一个真空密封造型工艺制造铸型，换个模型和砂箱用同样的步骤制作另一个铸型，然后将真空密封造型的铸型二箱合箱后紧固，根据需要相应地放置砂套、冷铁环或砂芯，形成轧辊或辊环的铸型，用于生产轧辊或辊环。浇注金属液，当轧辊铸件表层凝固一定厚度，解除真空密封造型铸型内真空状态，当轧辊铸件完全凝固并冷却到可打箱温度，打箱取出轧辊铸件。
中国发明专利CN111112589A公开了一种铸造轧辊底箱脱模设备，包括工作平台、工件固定装置、脱模顶出装置和PLC控制系统，所述工件固定装置安装在所述工作平台的顶面上，所述脱模顶出装置安装在所述工作平台的底面上，所述工件固定装置、脱模顶出装置上的驱动部件与所述PLC控制系统电连接。本发明构思巧妙，工件通过多个卡爪定位稳定可靠，顶出轧辊作业安全可靠，不会对底箱造成伤害，整个作业过程自动化控制，方便快捷，安全性更高。中国发明专利CN1382544还公开了一种受控冷却铸造轧辊技术，其特征在于该技术由改进的模具、受控冷却设备和操作方法组成；改进的模具冒口箱内安装有冒口套；保温的受控冷却设备为罩形，由裙套和罩套组成，裙套中部安装有喷水装置和喷风装置，罩套顶部安有测温热电偶；操作方法：按已有技术铸造轧辊，轧辊浇注后在铸型中任其自然冷却至奥氏体转变前一定温度，将冷型和冒口箱与轧辊分离，露出轧辊辊身和带冒口套的上辊颈，随即套上受控冷却设备，按该产品能获得最佳力学性能的冷却曲线控制冷却，需快速降温时，启动喷水和喷风装置，需低速降温时，停止喷水、喷风装置，保温冷却。其特点：用该技术生产的铸造轧辊，力学性能高，造价低。中国发明专利CN101249554还公开了一种铸造轧辊表面纳米改性工艺，将Al2O3纳米材料和耐火骨料，按纳米材料∶耐火骨料＝1～1.2:10配料，经铸造用碾压机研磨10-15分钟，制成铸造用纳米涂料粉，加入工业酒精或水配兑成0.08-0.1Kg/升铸造涂料，将涂料喷涂或涂刷在铸型表面，将金属液充填铸型，制成铸造轧辊。本发明具有如下的有益效果，采用以上工艺生产的铸造轧辊，由于其表层富集了一层纳米级高硬相质点，和传统工艺产品相比，表面的晶粒组织得到细化，硬度提高30％，晶间夹杂物尺寸降低了一个数量级，材质的强度、硬度、热疲劳强度均显著提高。轧辊的寿命平均提高60％。由于其表层的高硬相质点系在轧辊凝固时既已生成，表淬工艺方法更为简单可控，而且简化了后续的热处理工艺，降低了能源消耗。由于纳米粒子本身的高纯净度，解决了合金对钢水的二次污染问题。中国实用新型CN210544864U公开了一种轧辊造型砂原料混合碾压装置，包括混料箱和碾压辊，所述混料箱内壁上焊接有碾磨壳，所述碾磨壳上方设置有转轴，所述转轴外围侧壁上焊接有搅拌棒，所述碾磨壳下方设置有所述碾压辊，所述碾压辊采用锥形结构，所述碾磨壳采用漏斗状结构。有益效果在于：该实用新型通过设置搅拌棒、转轴、碾磨壳以及锥形结构的碾压辊，不仅使得原料能够得到充分的混合，而且增加了原料的碾压面积，提高了造型砂的加工质量，通过设置下料管、转动盖以及排料管，使得装置能够根据实际排料的需要实现排料管位置的调节，使得下料管内的物料能够被完全排出，避免了物料的堵塞，使得装置排料更加的便捷。中国实用新型CN 210231498U还公开了高速钢轧辊树脂砂造型静压脱模装置，包括设置在水平地面上的基座，所述基座的顶部设置有液压机和模具槽，所述液压机固定安装在模具槽的一端，所述模具槽的另一端设有限位壁，所述液压机为卧式设置，且所述液压机的伸缩杆与模具槽同轴设置，所述液压机的伸缩杆末端固定安装有推盘。该实用新型通过设置模具槽用于放置模具，同时设置限位壁替代地面起到限位的作用，然后利用液压机的伸缩杆的伸缩带动推盘将模具的外模推向限位壁，使模具的外模与内芯产生分离。该实用新型采用液压机液压力实现脱模，高效且安全，且脱模过程中为静压脱模，避免了锤击的震颤和噪音。上述技术的应用，都促进了铸造轧辊性能的进一步提高。
轧辊包括辊身和辊颈，辊颈分为传动端辊颈(暨下辊颈)和非传动端辊颈(暨上辊颈)，辊颈位于辊身的两端。轧辊使用过程中，辊身与轧材接触，承受轧材变形所产生的变形抗力，易磨损，因此辊身要求高硬度和优异的耐磨性。辊颈主要承受轧机的轧制力，为了减少轧钢动力消耗并满足轧钢工艺需求，辊颈直径必须小于辊身直径，因此辊颈部位通常要求高强度，防止轧辊使用中发生断辊事故，影响轧钢生产线的正常运行。
在轧辊铸造中，多数轧辊辊身部分用实体金属冷型铸造，少数用实体金属冷型挂砂。用实体金属冷型的目的是：使轧辊辊身部分获得铸造激冷层，从而提高轧辊辊身工作部分的硬度和耐磨性。由于实体金属冷型的激冷能力太强，导致轧辊辊身容易产生裂纹，所以实体金属冷型都需要预热，并喷刷涂料；少数情况下挂一层厚度8-20mm的型砂，并预热到70-140℃左右浇注使用。而轧辊的辊颈部分采用干砂型铸造。采用干砂型铸造的主要目的是：干砂型冷却速度慢，导致辊颈部位冷却速度较慢，辊颈的金相显微组织中不会出现碳化物，不会降低辊颈强度，可以确保轧辊的安全使用。但是，辊颈部位用砂型铸造，存在污染环境的严重不足。此外，干砂型还要进行加热保温处理，导致轧辊生产工序复杂，能耗增加。此外，砂型铸造的辊颈，铸造表面质量较差，导致轧辊的机械加工余量增大，加工工时增多，生产效率降低，生产成本增加。
发明内容
本发明的目的是通过改变制造轧辊辊颈的铸型结构和铸型材料，实现轧辊生产的无砂造型，在此基础上，进一步改进轧辊辊身部分用实体金属铸型的材质和涂敷在金属铸型表面的涂料，实现金属铸型寿命的明显延长，并防止轧辊辊身工作层出现裂纹，降低轧辊生产的铸造废品率。本发明可以通过以下具体工艺步骤来实现。
一种轧辊无砂造型方法，其特征在于，轧辊包括辊身和辊颈两部分，辊颈位辊身的两端对应的为上辊颈和下辊颈；制造轧辊的铸型包括用于制造轧辊辊身的金属铸型、位于金属铸型底部的用于制造轧辊下辊颈的下辊颈铸型和位于金属铸型上部的用于制造轧辊上辊颈的上辊颈铸型；下辊颈铸型、金属铸型和上辊颈铸型依次组合成一体，构成了制造轧辊的铸型；上辊颈铸型中间为上辊颈铸型型腔，上辊颈铸型型腔是由耐高温陶瓷套制备围成，耐高温陶瓷套外周为金属外箱；同理下辊颈铸型中间为下辊颈铸型型腔，下辊颈铸型型腔是由耐高温陶瓷套制备围成，耐高温陶瓷套外周为金属外箱；金属铸型的中间为辊身铸型型腔，辊身铸型型腔是由金属铸型构成，金属铸型内表面涂有涂料；
具体造型方法，包括如下步骤：
①先使用中碳低合金钢，铸造上辊颈铸型和下辊颈铸型的金属外箱，中碳低合金钢的化学组成及其质量分数是：0.30-0.36％C,1.42-1.49％Si,0.27-0.38％Mn,0.52-0.60％Cr,0.92-0.98％Al,0.008-0.013％Mg,0.024-0.047％Ce,0.05-0.09％Ti,0.03-0.06％N,0.042-0.060％Ca,<0.02％S,<0.03％P,余量Fe；金属外箱经机械加工后，将金属外箱最小厚度控制在30-50mm；
②将步骤①中加工好的金属外箱加热至480-520℃，保温3-4小时后，出炉，并将耐高温陶瓷套装入金属外箱中，金属外箱和耐高温陶瓷套之间是过盈配合，过盈量是0.07-0.12mm；金属外箱和耐高温陶瓷套过盈配合成一体，构成了制造轧辊辊颈的铸型；其中上辊颈铸型内的耐高温陶瓷套内有通孔作为上辊颈铸型型腔，通孔的尺寸由轧辊上辊颈尺寸和上辊颈加工量确定，通孔有斜度，斜度控制在3°-4°，斜度指的是侧面与中心轴的夹角，与辊身铸型型腔相连一端的孔的直径相对比较大，则对应上辊颈铸型中耐高温陶瓷与辊身铸型型腔相连的一端的侧壁为此高温陶瓷最薄处，此高温陶瓷最薄处的厚度为260-280mm；下辊颈铸型内的耐高温陶瓷套内有下端封闭的孔作为下辊颈铸型型腔，孔的尺寸由轧辊下辊颈尺寸和下辊颈加工量确定，孔有斜度，斜度控制在1°-2°，下辊颈铸型中耐高温陶瓷最薄侧壁的厚度为285-300mm；上辊颈铸型的金属外箱呈全开口型，上下通透，金属外箱底部的内表面上有一个宽度5-10mm的凸台，用于支撑上辊颈铸型内的耐高温陶瓷套；下辊颈铸型内的金属外箱呈半开口型，上部开口，底部封闭，用于支撑下辊颈铸型内的耐高温陶瓷套；耐高温陶瓷套由质量分数51-55％的Al2O3粉末、33-37％的TiO2粉末、1.2-1.7％的ZrO2粉末、2.0-2.5％的MgO粉末、0.5-0.8％的CeO2粉末和7-8％莫来石晶须，混合均匀后，在1450-1470℃的高温下烧结3.5-4.0小时而成；Al2O3粉末和TiO2粉末的尺寸是2.0-4.0μm，ZrO2粉末、MgO粉末、CeO2粉末的尺寸是1.0-2.5μm；莫来石晶须的长径比是12-15，直径1.0-1.8μm；
③金属铸型由质量分数3.54-3.63％C,2.77-2.93％Si,0.45-0.58％Mn,0.22-0.26％Cu,2.17-2.26％Al,0.021-0.038％Sb,0.024-0.038％Sn,0.018-0.033％RE,<0.06％P,<0.02％S,0.009-0.017％Mg,余量Fe的铁水浇注而成，铁水浇注温度1314-1337℃；铁水浇注完毕12-20小时，开箱取出金属铸型毛坯，经320-380℃×12-18小时的退火处理后进行机械加工，获得金属铸型；随后在金属铸型内表面喷刷涂料，涂料采用含BN粉末的锆英粉水基涂料，BN粉末加入量占锆英粉质量分数的8.5-9.2％，涂料厚度1.2-2.0mm；金属铸型在浇注轧辊前需要进行预热处理，浇注轧辊时，金属铸型温度为113-138℃；
④最后将下辊颈铸型、金属铸型和上辊颈铸型依次配合成一体，即可获得用于生产轧辊的铸型。
本发明一种轧辊无砂造型方法，其特征在于轧辊由辊身和辊颈两部分，辊颈位于辊身的两端，辊颈分为传动端辊颈(暨下辊颈)和非传动端辊颈(暨上辊颈)。轧辊使用过程中，辊身与轧材接触，承受轧材变形所产生的变形抗力，易磨损，因此辊身要求高硬度和优异的耐磨性。辊颈主要承受轧机的轧制力，为了减少轧钢动力消耗并满足轧钢工艺需求，辊颈直径必须小于辊身直径，因此辊颈部位要求高强度，防止轧辊使用中发生断辊事故。本发明制造轧辊的铸型包括用于制造轧辊辊身的金属铸型，位于金属铸型底部的用于制造轧辊下辊颈的下辊颈铸型，和位于金属铸型上部的用于制造轧辊上辊颈的上辊颈铸型；下辊颈铸型、金属铸型和上辊颈铸型依次组合成一体，构成了制造轧辊的铸型。
本发明先使用中碳低合金钢，铸造上辊颈铸型和下辊颈铸型的金属外箱，中碳低合金钢中，含有0.30-0.36％C、0.27-0.38％Mn和0.52-0.60％Cr，主要是用于提高金属外箱的强度。另外，加入1.42-1.49％Si和0.92-0.98％Al，可以提高金属外箱的高温强度和抗高温氧化性能。加入0.008-0.013％Mg,0.024-0.047％Ce和0.042-0.060％Ca，可以减少夹杂物数量，并改善夹杂物形态和分布。加入0.05-0.09％Ti，0.03-0.06％N和0.024-0.047％Ce，可以细化金属外箱的凝固组织组织，提高金属外箱的强度和韧性。金属外箱经机械加工后，将金属外箱最小厚度控制在30-50mm，可以确保金属外箱满足制造轧辊要求。
本发明将加工好的金属外箱加热至480-520℃，保温3-4小时后，出炉，并将耐高温陶瓷套装入金属外箱中，金属外箱和耐高温陶瓷套之间是过盈配合，过盈量是0.07-0.12mm。过盈量太小，金属外箱和耐高温陶瓷套结合不牢靠；过盈量太大，耐高温陶瓷套易碎裂，过盈量控制在0.07-0.12mm时，金属外箱和耐高温陶瓷套结合牢固，且耐高温陶瓷套不会发生开裂。金属外箱和耐高温陶瓷套过盈配合成一体，构成了制造轧辊辊颈的铸型。
上辊颈铸型内的耐高温陶瓷套内有通孔，通孔的尺寸由轧辊上辊颈尺寸和上辊颈加工量确定，通孔内有斜度，斜度控制在3°-4°，斜度指的是侧面与中心轴的夹角，与辊身铸型型腔相连一端的孔的直径相对比较大，则对应上辊颈铸型中耐高温陶瓷与辊身铸型型腔相连的一端的侧壁为此高温陶瓷最薄处，此高温陶瓷最薄处的厚度为260-280mm。通孔内有3°-4°的斜度，可以确保轧辊铸造过程中，上辊颈易从铸型中取出，且不会损害耐高温陶瓷套。下辊颈铸型内的耐高温陶瓷套内有半通孔，通孔的尺寸由轧辊下辊颈尺寸和下辊颈加工量确定，通孔内有斜度，斜度控制在1°-2°，下辊颈铸型中耐高温陶瓷最薄侧壁的厚度为285-300mm。上辊颈铸型内的金属外箱呈全开口型，上下通透，主要是确保轧辊浇注的顺利完成。金属外箱底部的内表面上有一个宽度5-10mm的凸台，用于支撑上辊颈铸型内的耐高温陶瓷套。下辊颈铸型内的金属外箱呈半开口型，上部开口，底部不开口，用于支撑下辊颈铸型内的耐高温陶瓷套。
为了提高陶瓷套的耐高温性能，本发明陶瓷套由质量分数51-55％的Al2O3粉末、33-37％的TiO2粉末、1.2-1.7％的ZrO2粉末、2.0-2.5％的MgO粉末、0.5-0.8％的CeO2粉末和7-8％莫来石晶须，混合均匀后，在1450-1470℃的高温下烧结3.5-4.0小时而成；Al2O3粉末和TiO2粉末的尺寸是2-4μm，ZrO2粉末、MgO粉末、CeO2粉末的尺寸是1-2.5μm；莫来石晶须的长径比是12-15，直径1.0-1.8μm。其中51-55％的Al2O3粉末和33-37％的TiO2粉末的加入，在高温下会烧结成钛酸铝，钛酸铝具有较低的热膨胀系数和较高的熔点(约1850℃)，其热膨胀系数很低，热膨胀系数(室温至1000℃)仅为0.5-0.87×10-6/℃，因此它具有极其优良的抗热震性，且导热系数低，导热系数1W/m.k左右，具有良好的隔热效果，用于制造陶瓷套具有优异的耐高温和隔热性能。这种陶瓷套用于铸造轧辊时，可以确保轧辊辊颈中不会发生快速冷却，不会出现碳化物相，轧辊辊颈强度不会下降，可以确保轧辊的安全使用。为了抑制钛酸铝的热分解，改善其热稳定性和降低它的各向异性，减少微裂纹，改善其机械性能，本发明中还加入了1.2-1.7％的ZrO2粉末、2.0-2.5％的MgO粉末、0.5-0.8％的CeO2粉末。特别是加入7-8％莫来石晶须，可以将陶瓷套的抗弯强度明显提高，达到85MPa以上，可以确保陶瓷套能重复使用1000次以上。
本发明的金属铸型由质量分数3.54-3.63％C,2.77-2.93％Si,0.45-0.58％Mn,0.22-0.26％Cu,2.17-2.26％Al,0.021-0.038％Sb,0.024-0.038％Sn,0.018-0.033％RE,<0.06％P,<0.02％S,0.009-0.017％Mg,余量Fe的铁水浇注而成。其中加入0.018-0.033％RE和0.009-0.017％Mg，可以确保铁水凝固后石墨形态由片状转变成蠕虫状，使铸铁保持较好导热性能前提下，具有高强度和高韧性，有利于延长金属铸型的使用寿命。此外，加入2.17-2.26％Al，可以提高金属铸型的高温抗氧化性能和耐热性能，但是铝的加入会导致基体组织中出现大量铁素体，会损害金属铸型的强度，本发明加入0.024-0.038％Sn和0.22-0.26％Cu，可以促进珠光体增加，提高铸型强度。还加入0.021-0.038％Sb，可以确保石墨蠕虫状形态的稳定化，有利于稳定铸型的力学性能和导热性能。铁水浇注温度1314-1337℃；铁水浇注完毕12-20小时，开箱取出金属铸型毛坯，经320-380℃×12-18小时的退火处理后进行机械加工，获得金属铸型；随后在金属铸型内表面喷刷涂料，涂料采用含BN粉末的锆英粉水基涂料，BN粉末加入量占锆英粉质量分数的8.5-9.2％，涂料厚度1.2-2.0mm；金属铸型在浇注轧辊前需要进行预热处理，浇注轧辊时，金属铸型温度为113-138℃。在锆英粉中加入占锆英粉质量分数的8.5-9.2％BN粉末，有利于提高涂料的高温稳定性，改善轧辊辊身表面质量，减少轧辊辊身机械加工余量，提高生产效率。最后将下辊颈铸型、金属铸型和上辊颈铸型依次配合成一体，即可获得用于生产轧辊的铸型。
本发明轧辊无砂造型方法，与常用的轧辊造型方法相比，具有以下特点：
1、本发明制造轧辊的铸型包括用于制造轧辊辊身的金属铸型，位于金属铸型底部的用于制造轧辊下辊颈的下辊颈铸型，和位于金属铸型上部的用于制造轧辊上辊颈的上辊颈铸型；下辊颈铸型、金属铸型和上辊颈铸型依次组合成一体，构成了制造轧辊的铸型；
2、本发明的上、下辊颈铸型都是由金属外箱和耐高温陶瓷套过盈配合而成，耐高温陶瓷套能重复使用1000次以上；
3、本发明轧辊造型方法，消除了轧辊砂型铸造方法需新砂处理、型砂配制、造型、落砂清理、旧砂处理回用，以及新砂、旧砂、型砂的运输、储存等繁多工序及相应的设备，此外，干型还需烘窖等，因而砂型铸造轧辊不仅生产占地面积大，原料耗用量大，运输量大，耗能高，劳动环境噪音大，粉尘高，工人的劳动强度高，消耗大量的辅助工时，而且还存在废品率高，铸件表面质量差等问题。
4、采用本发明制造轧辊，因轧辊表面质量改善，可以减少轧辊机械加工余量，节约轧辊机械加工时间30-50％；生产的轧辊辊颈球墨铸铁抗拉强度≥550MPa，延伸率大于5％，石墨球化率达到2-3级，硬度值35-42HSD，宏观无灰斑、亮斑缺陷。
附图说明
图1铸造轧辊的铸型组装示意图；
1-上辊颈铸型内的金属外箱，2-上辊颈铸型内的耐高温陶瓷套，3-金属铸型，4-涂料，5-下辊颈铸型内的金属外箱，6-下辊颈铸型内的耐高温陶瓷套，7-上辊颈铸型型腔，8-辊身铸型型腔，9-下辊颈铸型型腔。
图2采用图1所示铸型制造的轧辊产品示意图。
10-下辊颈，11-辊身，12-上辊颈。
具体实施方式
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。
实施例1：
一种轧辊无砂造型方法，其特征在于轧辊包括辊身11和辊颈两部分，辊颈位于辊身的两端，辊颈分为上辊颈12和下辊颈10；制造轧辊的铸型包括用于制造轧辊辊身的金属铸型3，位于金属铸型底部的用于制造轧辊下辊颈的下辊颈铸型(5和6)，和位于金属铸型上部的用于制造轧辊上辊颈的上辊颈铸型(1和2)；下辊颈铸型(5和6)、金属铸型(3)和上辊颈铸型(1和2)依次组合成一体，构成了制造轧辊的铸型，具体造型方法如下：
①先使用中碳低合金钢，铸造上辊颈铸型和下辊颈铸型的金属外箱(1和5)，中碳低合金钢的化学组成及其质量分数是：0.30％C,1.49％Si,0.27％Mn,0.60％Cr,0.92％Al,0.013％Mg,0.024％Ce,0.09％Ti,0.03％N,0.060％Ca,0.014％S,0.021％P,余量Fe；金属外箱(1和5)经机械加工后，将金属外箱(1和5)最小厚度控制在30mm；
②将步骤①中加工好的金属外箱(1和5)加热至480℃，保温4小时后，出炉，并将耐高温陶瓷套(2和6)分别装入金属外箱(1和5)中，金属外箱和耐高温陶瓷套之间是过盈配合，过盈量是0.07mm；金属外箱和耐高温陶瓷套过盈配合成一体，构成了制造轧辊辊颈的铸型；其中上辊颈铸型内的耐高温陶瓷套(2)内有通孔，通孔的尺寸由轧辊上辊颈尺寸和上辊颈加工量确定，通孔内有斜度，斜度控制在3°，此耐高温陶瓷最薄侧壁的厚度为260mm；下辊颈铸型内的耐高温陶瓷套(6)内有半通孔，孔的尺寸由轧辊下辊颈尺寸和下辊颈加工量确定，半通孔内有斜度，斜度控制在1°，此耐高温陶瓷最薄侧壁的厚度为285mm；上辊颈铸型内的金属外箱(1)呈全开口型，上下通透，金属外箱(1)底部的内表面上有一个宽度5mm的凸台，用于支撑上辊颈铸型内的耐高温陶瓷套(2)；下辊颈铸型内的金属外箱(5)呈半开口型，上部开口，底部不开口，用于支撑下辊颈铸型内的耐高温陶瓷套(6)；耐高温陶瓷套(2和6)由质量分数51％的Al2O3粉末、37％的TiO2粉末、1.2％的ZrO2粉末、2.5％的MgO粉末、0.5％的CeO2粉末和7.8％莫来石晶须，混合均匀后，在1450℃的高温下烧结4.0小时而成；Al2O3粉末和TiO2粉末的尺寸是2-4μm，ZrO2粉末、MgO粉末、CeO2粉末的尺寸是1-2.5μm；莫来石晶须的长径比是12，直径1.0-1.8μm；
③金属铸型(3)由质量分数3.54％C,2.93％Si,0.45％Mn,0.26％Cu,2.26％Al,0.021％Sb,0.038％Sn,0.018％RE,0.026％P,0.012％S,0.009％Mg,余量Fe的铁水浇注而成，铁水浇注温度1314℃；铁水浇注完毕12小时，开箱取出金属铸型毛坯，经320℃×18小时的退火处理后进行机械加工，获得金属铸型(3)；随后在金属铸型(3)内表面喷刷涂料(4)，涂料(4)采用含BN粉末的锆英粉水基涂料，BN粉末加入量占锆英粉质量分数的8.5％，涂料厚度1.2mm；金属铸型(3)在浇注轧辊前需要进行预热处理，浇注轧辊时，金属铸型(3)温度为113℃；
④最后将下辊颈铸型(5和6)、金属铸型(3)和上辊颈铸型(1和2)依次配合成一体，即可获得用于生产轧辊的铸型。
实施例2：
一种轧辊无砂造型方法，其特征在于轧辊包括辊身11和辊颈两部分，辊颈位于辊身的两端，辊颈分为上辊颈12和下辊颈10；制造轧辊的铸型包括用于制造轧辊辊身的金属铸型3，位于金属铸型底部的用于制造轧辊下辊颈的下辊颈铸型(5和6)，和位于金属铸型上部的用于制造轧辊上辊颈的上辊颈铸型(1和2)；下辊颈铸型(5和6)、金属铸型(3)和上辊颈铸型(1和2)依次组合成一体，构成了制造轧辊的铸型，具体造型方法如下：
①先使用中碳低合金钢，铸造上辊颈铸型和下辊颈铸型的金属外箱(1和5)，中碳低合金钢的化学组成及其质量分数是：0.36％C,1.42％Si,0.38％Mn,0.52％Cr,0.98％Al,0.008％Mg,0.047％Ce,0.05％Ti,0.06％N,0.042％Ca,0.009％S,0.017％P,余量Fe；金属外箱(1和5)经机械加工后，将金属外箱(1和5)最小厚度控制在50mm；
②将步骤①中加工好的金属外箱(1和5)加热至520℃，保温3小时后，出炉，并将耐高温陶瓷套(2和6)分别装入金属外箱(1和5)中，金属外箱和耐高温陶瓷套之间是过盈配合，过盈量是0.12mm；金属外箱和耐高温陶瓷套过盈配合成一体，构成了制造轧辊辊颈的铸型；其中上辊颈铸型内的耐高温陶瓷套(2)内有通孔，通孔的尺寸由轧辊上辊颈尺寸和上辊颈加工量确定，通孔内有斜度，斜度控制在4°，此耐高温陶瓷最薄侧壁的厚度为280mm；下辊颈铸型内的耐高温陶瓷套(6)内有半通孔，孔的尺寸由轧辊下辊颈尺寸和下辊颈加工量确定，半通孔内有斜度，斜度控制在2°，此耐高温陶瓷最薄侧壁的厚度为300mm；上辊颈铸型内的金属外箱(1)呈全开口型，上下通透，金属外箱(1)底部的内表面上有一个宽度10mm的凸台，用于支撑上辊颈铸型内的耐高温陶瓷套(2)；下辊颈铸型内的金属外箱(5)呈半开口型，上部开口，底部不开口，用于支撑下辊颈铸型内的耐高温陶瓷套(6)；耐高温陶瓷套(2和6)由质量分数55％的Al2O3粉末、33％的TiO2粉末、1.7％的ZrO2粉末、2.0％的MgO粉末、0.8％的CeO2粉末和7.5％莫来石晶须，混合均匀后，在1470℃的高温下烧结3.5小时而成；Al2O3粉末和TiO2粉末的尺寸是2-4μm，ZrO2粉末、MgO粉末、CeO2粉末的尺寸是1-2.5μm；莫来石晶须的长径比是15，直径1.0-1.8μm；
③金属铸型(3)由质量分数3.63％C,2.77％Si,0.58％Mn,0.22％Cu,2.17％Al,0.038％Sb,0.024％Sn,0.031％RE,0.052％P,0.013％S,0.017％Mg,余量Fe的铁水浇注而成，铁水浇注温度1337℃；铁水浇注完毕20小时，开箱取出金属铸型毛坯，经380℃×12小时的退火处理后进行机械加工，获得金属铸型(3)；随后在金属铸型(3)内表面喷刷涂料(4)，涂料(4)采用含BN粉末的锆英粉水基涂料，BN粉末加入量占锆英粉质量分数的9.2％，涂料厚度2.0mm；金属铸型(3)在浇注轧辊前需要进行预热处理，浇注轧辊时，金属铸型(3)温度为138℃；
④最后将下辊颈铸型(5和6)、金属铸型(3)和上辊颈铸型(1和2)依次配合成一体，即可获得用于生产轧辊的铸型。
实施例3：
一种轧辊无砂造型方法，其特征在于轧辊包括辊身11和辊颈两部分，辊颈位于辊身的两端，辊颈分为上辊颈12和下辊颈10；制造轧辊的铸型包括用于制造轧辊辊身的金属铸型3，位于金属铸型底部的用于制造轧辊下辊颈的下辊颈铸型(5和6)，和位于金属铸型上部的用于制造轧辊上辊颈的上辊颈铸型(1和2)；下辊颈铸型(5和6)、金属铸型(3)和上辊颈铸型(1和2)依次组合成一体，构成了制造轧辊的铸型，具体造型方法如下：
①先使用中碳低合金钢，铸造上辊颈铸型和下辊颈铸型的金属外箱(1和5)，中碳低合金钢的化学组成及其质量分数是：0.356％C,1.46％Si,0.29％Mn,0.57％Cr,0.95％Al,0.009％Mg,0.039％Ce,0.07％Ti,0.04％N,0.049％Ca,0.014％S,0.025％P,余量Fe；金属外箱(1和5)经机械加工后，将金属外箱(1和5)最小厚度控制在40mm；
②将步骤①中加工好的金属外箱(1和5)加热至495℃，保温3.5小时后，出炉，并将耐高温陶瓷套(2和6)分别装入金属外箱(1和5)中，金属外箱和耐高温陶瓷套之间是过盈配合，过盈量是0.09mm；金属外箱和耐高温陶瓷套过盈配合成一体，构成了制造轧辊辊颈的铸型；其中上辊颈铸型内的耐高温陶瓷套(2)内有通孔，通孔的尺寸由轧辊上辊颈尺寸和上辊颈加工量确定，通孔内有斜度，斜度控制在4°，此耐高温陶瓷最薄侧壁的厚度为270mm；下辊颈铸型内的耐高温陶瓷套(6)内有半通孔，孔的尺寸由轧辊下辊颈尺寸和下辊颈加工量确定，半通孔内有斜度，斜度控制在1°，此耐高温陶瓷最薄侧壁的厚度为290mm；上辊颈铸型内的金属外箱(1)呈全开口型，上下通透，金属外箱(1)底部的内表面上有一个宽度8mm的凸台，用于支撑上辊颈铸型内的耐高温陶瓷套(2)；下辊颈铸型内的金属外箱(5)呈半开口型，上部开口，底部不开口，用于支撑下辊颈铸型内的耐高温陶瓷套(6)；耐高温陶瓷套(2和6)由质量分数52％的Al2O3粉末、36％的TiO2粉末、1.4％的ZrO2粉末、2.0％的MgO粉末、0.6％的CeO2粉末和8％莫来石晶须，混合均匀后，在1460℃的高温下烧结4.0小时而成；Al2O3粉末和TiO2粉末的尺寸是2-4μm，ZrO2粉末、MgO粉末、CeO2粉末的尺寸是1-2.5μm；莫来石晶须的长径比是13，直径1.0-1.8μm；
③金属铸型(3)由质量分数3.58％C,2.83％Si,0.49％Mn,0.24％Cu,2.18％Al,0.027％Sb,0.032％Sn,0.023％RE,0.040％P,0.006％S,0.013％Mg,余量Fe的铁水浇注而成，铁水浇注温度1322℃；铁水浇注完毕16小时，开箱取出金属铸型毛坯，经350℃×15小时的退火处理后进行机械加工，获得金属铸型(3)；随后在金属铸型(3)内表面喷刷涂料(4)，涂料(4)采用含BN粉末的锆英粉水基涂料，BN粉末加入量占锆英粉质量分数的9％，涂料厚度1.6mm；金属铸型(3)在浇注轧辊前需要进行预热处理，浇注轧辊时，金属铸型(3)温度为126℃；
④最后将下辊颈铸型(5和6)、金属铸型(3)和上辊颈铸型(1和2)依次配合成一体，即可获得用于生产轧辊的铸型。
实施效果如下：
本发明的上、下辊颈铸型都是由金属外箱和耐高温陶瓷套过盈配合而成，耐高温陶瓷套能重复使用1000次以上。本发明轧辊造型方法，消除了轧辊砂型铸造方法需新砂处理、型砂配制、造型、落砂清理、旧砂处理回用，以及新砂、旧砂、型砂的运输、储存等繁多工序及相应的设备。干型还需加热处理，因而砂型铸造轧辊不仅生产占地面积大，原料耗用量大，运输量大，耗能高，劳动环境噪音大，粉尘高，工人的劳动强度高，消耗大量的辅助工时，环境污染严重。而且还存在废品率高，铸件表面质量差等问题。采用本发明制造轧辊，因轧辊表面质量改善，可以减少轧辊机械加工余量，节约轧辊机械加工时间30-50％；生产的轧辊辊颈球墨铸铁抗拉强度≥550MPa，延伸率大于5％，石墨球化率达到2-3级，硬度值35-42HSD，宏观无灰斑、亮斑缺陷。使用本发明制造轧辊，效率高，消除了砂型铸造轧辊污染环境的不足，提高了加工效率，减轻了工人劳动强度，推广应用具有显著的经济和社会效益。

Claims (1)

1.一种轧辊无砂造型方法，其特征在于，轧辊包括辊身和辊颈两部分，辊颈位辊身的两端对应的为上辊颈和下辊颈；制造轧辊的铸型包括用于制造轧辊辊身的金属铸型、位于金属铸型底部的用于制造轧辊下辊颈的下辊颈铸型和位于金属铸型上部的用于制造轧辊上辊颈的上辊颈铸型；下辊颈铸型、金属铸型和上辊颈铸型依次组合成一体，构成了制造轧辊的铸型；上辊颈铸型中间为上辊颈铸型型腔，上辊颈铸型型腔是由耐高温陶瓷套制备围成，耐高温陶瓷套外周为金属外箱；同理下辊颈铸型中间为下辊颈铸型型腔，下辊颈铸型型腔是由耐高温陶瓷套制备围成，耐高温陶瓷套外周为金属外箱；金属铸型的中间为辊身铸型型腔，辊身铸型型腔是由金属铸型构成，金属铸型内表面涂有涂料；
具体造型方法，包括如下步骤：
①先使用中碳低合金钢，铸造上辊颈铸型和下辊颈铸型的金属外箱，中碳低合金钢的化学组成及其质量分数是：0.30-0.36％C,1.42-1.49％Si,0.27-0.38％Mn,0.52-0.60％Cr,0.92-0.98％Al,0.008-0.013％Mg,0.024-0.047％Ce,0.05-0.09％Ti,0.03-0.06％N,0.042-0.060％Ca,<0.02％S,<0.03％P,余量Fe；金属外箱经机械加工后，将金属外箱最小厚度控制在30-50mm；
②将步骤①中加工好的金属外箱加热至480-520℃，保温3-4小时后，出炉，并将耐高温陶瓷套装入金属外箱中，金属外箱和耐高温陶瓷套之间是过盈配合，过盈量是0.07-0.12mm；金属外箱和耐高温陶瓷套过盈配合成一体，构成了制造轧辊辊颈的铸型；其中上辊颈铸型内的耐高温陶瓷套内有通孔作为上辊颈铸型型腔，通孔的尺寸由轧辊上辊颈尺寸和上辊颈加工量确定，通孔有斜度，斜度控制在3°-4°，斜度指的是侧面与中心轴的夹角，与辊身铸型型腔相连一端的孔的直径相对比较大，则对应上辊颈铸型中耐高温陶瓷与辊身铸型型腔相连的一端的侧壁为此高温陶瓷最薄处，此高温陶瓷最薄处的厚度为260-280mm；下辊颈铸型内的耐高温陶瓷套内有下端封闭的孔作为下辊颈铸型型腔，孔的尺寸由轧辊下辊颈尺寸和下辊颈加工量确定，孔有斜度，斜度控制在1°-2°，下辊颈铸型中耐高温陶瓷最薄侧壁的厚度为285-300mm；上辊颈铸型的金属外箱呈全开口型，上下通透，金属外箱底部的内表面上有一个宽度5-10mm的凸台，用于支撑上辊颈铸型内的耐高温陶瓷套；下辊颈铸型内的金属外箱呈半开口型，上部开口，底部封闭，用于支撑下辊颈铸型内的耐高温陶瓷套；耐高温陶瓷套由质量分数51-55％的Al2O3粉末、33-37％的TiO2粉末、1.2-1.7％的ZrO2粉末、2.0-2.5％的MgO粉末、0.5-0.8％的CeO2粉末和7-8％莫来石晶须，混合均匀后，在1450-1470℃的高温下烧结3.5-4.0小时而成；Al2O3粉末和TiO2粉末的尺寸是2.0-4.0μm，ZrO2粉末、MgO粉末、CeO2粉末的尺寸是1.0-2.5μm；莫来石晶须的长径比是12-15，直径1.0-1.8μm；
③金属型铸型由质量分数3.54-3.63％C,2.77-2.93％Si,0.45-0.58％Mn,0.22-0.26％Cu,2.17-2.26％Al,0.021-0.038％Sb,0.024-0.038％Sn,0.018-0.033％RE,<0.06％P,<0.02％S,0.009-0.017％Mg,余量Fe的铁水浇注而成，铁水浇注温度1314-1337℃；铁水浇注完毕12-20小时，开箱取出金属型铸型毛坯，经320-380℃×12-18小时的退火处理后进行机械加工，获得金属型铸型；随后在金属型铸型内表面喷刷涂料，涂料采用含BN粉末的锆英粉水基涂料，BN粉末加入量占锆英粉质量分数的8.5-9.2％，涂料厚度1.2-2.0mm；金属型铸型在浇注轧辊前需要进行预热处理，使得浇注轧辊时，金属型铸型温度为113-138℃；
④最后将下辊颈铸型、金属型铸型和上辊颈铸型依次配合成一体，即可获得用于生产轧辊的铸型。
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