CN1943917A - 大型铸钢支承辊制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种铸钢支承辊的制备工艺。它适用于净重5～100吨铸钢支承辊的整体铸造过程。本发明是在计算机模拟、铁模覆砂、切线形内浇口旋转充型、保温冒口技术，根据新的浇注系统设计原则和顺序凝固原则进行浇注系统设计及铸造模具设计等技术之上，采用了电加热冒口技术和滑动辊颈技术。电加热冒口技术是在轧辊冒口端进行单电极或多电极加热，保持金属液面处于高温状态，增加冒口的补缩能力。滑动辊颈技术是在辊身与上辊颈之间安装一个滑动辊颈，其由滑动辊颈内套与滑动辊颈外套组成，之间设置垫块。在浇注完成5～30min之后，将垫块取下，内套下滑，起到释放应力的作用。本发明采用的滑动辊颈技术和电加热冒口技术解决了铸钢支承辊的裂纹问题。
Description
技术领域
本发明涉及大型铸钢支承辊整体铸造过程，具体地说是一种铸钢支承辊先进制备工艺。它适用于5～100t铸钢支承辊的整体铸造过程。
背景技术
轧钢产量不断增加，轧辊的消耗与日俱增，尤其是大型轧辊处于供不应求状态。现在世界上可以生产大型轧辊的国家主要有美国、德国、日本、英国、韩国等少数国家。各个国家生产铸造轧辊的技术各不相同，美国采用缓慢浇注技术，德国主要采用冲洗法浇注，日本采用整体浇注电加热冒口技术，韩国采用电加热保温冒口技术。
轧钢生产线效率不断提高，要求轧辊的质量也不断提高，而为了提高轧辊的使用性能，轧辊的合金成分、铸造方法、热处理工艺都进行了较大的调整。轧辊中铬含量越高，热裂敏感性越强，铸造难度越大。大型铸钢支承辊，尤其Cr含量在4％wt或超过4％wt的铸钢支承辊的铸造关键技术很难突破。所以，在线使用的大型铸钢支承辊全部依赖进口，或者使用锻钢轧辊。锻造方法生产的支承辊，生产周期长、成本高。
大型铸钢支承辊的铸造难点主要在于裂纹缺陷的控制，大型铸钢支承辊是指净重在5吨以上，100吨以下的支承辊，而超过100吨的支承辊为超大型支承辊。大型铸钢支承辊由于长度比较长，钢水浇注完成之后，型腔内产生很大的静压力，在静压力的作用下，铸件表面与铸型表面产生较大的摩擦力。由于铸件在凝固过程中，发生凝固和固态收缩，铸件受铸型阻力不能自由收缩，使铸件不能顺利地沿着型壁下滑，势必产生拉应力。在拉应力作用下，铸件很容易产生拉应力裂纹。在这种拉应力作用下产生的裂纹往往是环形裂纹。裂纹深度很深，不易去除掉，经常使轧辊铸件报废。
在这种情况下，开发铸钢支承辊整体铸造技术，无疑会受到生产厂家和使用厂家的欢迎，并且实现大型铸钢支承辊的国产化。
发明内容
本发明提供了一种大型铸钢支承辊先进制备工艺，利用电加热冒口技术和滑动辊颈技术，有效地解决了铸钢支承辊的裂纹问题，使大型铸钢支承辊国产化成为了可能。
铸钢支承辊整体铸造技术的内容包括：计算机模拟、铁模覆砂、切线形内浇口旋转充型、保温冒口技术；利用新的浇注系统设计原则及顺序凝固原则进行浇注系统设计及铸造模具设计；关键工艺参数的确定原则等，这些内容已经包含在中国专利申请(申请号200410021595.5，公开号CN1597180A)中。而本发明主要是指在铸钢支承辊制备过程中，在上述技术采用了电加热冒口技术和滑动辊颈技术。
1、电加热冒口技术
(1)电加热冒口结构：电加热冒口有电弧加热冒口和电渣加热冒口两种，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CaF2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。电加热冒口的作用是将上面金属液加热，形成正温度梯度，有利于冒口完成补缩。
(3)主要效果：在铸钢支承辊生产中，利用电加热冒口，可以降低冒口高度，减小金属液对型壁产生的静压力，有利于铸件在凝固过程中向下自由滑移，从而减小拉应力，避免横向裂纹。利用电加热冒口，可以提高冒口利用率，减小冒口体积，提高工艺出品率。
(4)使用方法：
电加热冒口主要工艺参数有加热时间、加热功率等。电加热功率一般在25～150KW之间。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 | ＜500mm | 500～700mm | 700～1000mm | 1000～1500mm | ＞1500mm |
| 加热时间(h) | 3～4 | 4～5 | 10～15 | 30～36 | 60～70 |
注：冒口直径是指冒口高度上的平均直径
2、滑动辊颈技术
(1)滑动辊颈结构：滑动辊颈由滑动辊颈外套、垫块和滑动辊颈内套构成。模具的上辊颈箱和辊身铁模之间设有滑动辊颈，滑动辊颈由滑动辊颈外套、垫块和滑动辊颈内套构成，滑动辊颈内套插装于滑动辊颈外套内，滑动辊颈内套的法兰与滑动辊颈外套之间设置垫块；滑动辊颈内套的外壁与滑动辊颈外套的内壁之间的劈缝为1～10mm，较好为5～10mm。外套起定位作用，内套在外套中可以自由上下滑动。当金属液注满型腔之后，在浮力作下，滑动辊颈内套自动上浮，当金属液开始凝固时，在重力作用下，滑动辊颈内套再自动下沉。滑动辊颈内套、上辊颈箱及冒口箱总重量与金属液浮力相等，上下相差不超过2t。
(2)主要作用：金属液在凝固过程中存在液态收缩和固态收缩，发生液态收缩时，不产生应力，所以也不会产生裂纹，而当发生固态收缩时，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。滑动辊颈的作用正是在金属发生固态收缩时，使金属型自动下滑，释放了拉应力，避免了拉应力裂纹。
(3)使用方法：在造型过程中，滑动辊颈内外套分开造型，然后再将两者合在一起，将内外套之间的劈缝用石棉绳和涂料塞好。
在浇注完成5～30min之后，将滑动辊颈垫块取下，使滑动辊颈内套可以自由上下滑动。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明铸钢支承辊制造技术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、顺序凝固的实现等。利用滑动辊颈技术、电加热冒口技术提高了工艺出品率和工艺稳定性，消除了裂纹缺陷，生产出了优质铸钢支承辊。本发明适用于5～100t大型铸钢支承辊的整体铸造过程，使大型铸钢支承辊国产化成为可能。
2、本发明采用电加热冒口，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；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，提高了铸件合格率和工艺出品率。
3、本发明采用滑动辊颈技术有效地释放了拉应力，减小了铸件产生裂纹倾向，稳定了铸造工艺，提高了铸件合格率，使铸造方法生产特大型轧辊成为可能。
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-上辊颈箱；9-冒口箱；10-电渣；11-石墨电极；12-中间包；13-直浇口箱；14-直浇道；15-直浇道与横浇道的过渡圆弧；16-横浇道；17-轧辊。
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、冒口采用砂型。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、上辊颈箱8、冒口箱9等。其中，冒口箱内设有电加热冒口，电加热冒口主要包括电渣10和石墨电极11，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。金属液通过中间包12、直浇口箱13内的直浇道14、直浇道与横浇道的过渡圆弧15和横浇道16进入型腔，最后形成轧辊17。充型结束后，向冒口中加电渣10，然后通过供电装置给石墨电极11供电，对冒口进行加热；在浇注完成5～30min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
本实施例的材质为40Cr4，浇注金属液重量44吨，浇注速度每分钟8吨。其铸造工艺如下：
1)采用切线形内浇口旋转浇注技术，根据平稳充型的原则设计浇口杯和浇注系统。
2)采用滑动辊颈技术，滑动辊颈外套5和滑动辊颈内套7之间的间隙为5mm。
3)采用电加热冒口，冒口直径为900mm，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％。电流为800A，电压为125V，加热功率为100kw，加热时间为11h。
4)直浇道、横浇道用耐火砖管形成。
第一次浇注顺利完成。浇注完成20min后，取下了滑动辊颈垫块。所生产的铸钢支承辊经过机械加工后进行超声检测，轧辊内部没有缺陷，完全达到了有关轧辊的检测标准。
实施例2
本实施例的材质为40Cr4，浇注金属液重量46吨，浇注速度每分钟10吨。其铸造工艺如下：
1)仍然采用切线形内浇口旋转浇注技术，根据平稳充型的原则设计浇口杯及浇注系统。
2)采用滑动辊颈技术，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10mm。
3)采用电加热冒口，冒口直径为950mm，电渣为Al2O3、CaO和CaF2的混合物，按重量比计，Al2O3占50％，CaO占15％，CaF2占35％。电流为700A，电压为100V，加热功率为70kw，加热时间为12h。
4)直浇道、横浇道用耐火砖管形成。
第二次浇注顺利完成。滑动辊颈工作良好，在浇注完成5分钟后，取下了垫块。所生产的铸钢支承辊经过机械加工后进行超声检测，轧辊内部没有缺陷，完全达到了有关轧辊的检测标准。在实际操作中有些事情需要注意：中间包12与直浇道14接口不是很严密，有漏钢现象；电加热冒口的电极强度较低，在实行电加热时，容易断裂。需要对上述存在问题进行改进。
实施例3
本实施例的材质为40Cr4，浇注金属液重量45吨，浇注速度每分钟9吨。其铸造工艺如下：
1)仍然采用切线形内浇口旋转浇注技术，根据平稳充型的原则设计浇口杯和浇注系统。
2)采用滑动辊颈技术，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8mm。
3)采用电加热冒口，冒口直径为1000mm，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％。电流为1000A，电压为150V，电加热功率为150kw，加热时间为10h。
4)直浇道、横浇道用耐火砖管形成。
第三次浇注顺利完成。在浇注完成后的30min，取下了滑动辊颈垫块，滑动辊颈顺利工作。所生产的铸钢支承辊经过机械加工后进行超声检测，轧辊内部没有缩孔、疏松、裂纹和夹杂等缺陷，外表面也无裂纹缺陷。
利用本发明进行铸钢支承辊的铸造，在浇注过程中，金属液在浇道中始终处于充满状态，没有给气体留下空间，因此不会形成卷气和氧化膜等缺陷。使用了滑动辊颈技术和电加热冒口技术，使大型铸钢支承辊内无裂纹和疏松缺陷。利用切线形内浇口浇注，夹杂上浮充分，铸件内部没有夹杂等缺陷，探伤结果完全符合轧辊的检测标准。
本发明工作过程及结果：
由于本发明采用切线形内浇口旋转浇注技术，夹杂随金属液不断上浮，型腔中金属液一直保持纯净；利用滑动辊颈技术，释放了铸件收缩时产生的拉应力，解决了铸件上辊颈容易产生环状裂纹问题；采用电加热冒口技术，降低了冒口高度，减小了铸件内部的静压力，也减小了裂纹产生倾向，同时减小了冒口体积，节约了钢水，提高了铸件工艺出品率。
Claims (6)
1.大型铸钢支承辊制备工艺，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、冒口采用砂型，其特征在于：冒口采用电渣加热冒口，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CaF2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；模具的上辊颈箱和辊身铁模之间设有滑动辊颈，滑动辊颈由滑动辊颈外套、垫块和滑动辊颈内套构成，滑动辊颈内套插装于滑动辊颈外套内，滑动辊颈内套的法兰与滑动辊颈外套之间设置垫块；
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；在浇注完成5～30min之后，将垫块取下，当金属液注满型腔之后，在浮力作下，滑动辊颈内套自动上浮，当金属液开始凝固时，在重力作用下，滑动辊颈内套再自动下沉。
2.按照权利要求1所述的大型铸钢支承辊制备工艺，其特征在于：滑动辊颈内外套之间设置劈缝，滑动辊颈内套、上辊颈箱及冒口箱重量总和，与充型之后的金属液浮力相等，偏差不超过2吨。
3.按照权利要求1所述的大型铸钢支承辊制备工艺，其特征在于：滑动辊颈内套的外壁与滑动辊颈外套的内壁之间的劈缝为5～10mm。
4.按照权利要求1所述的大型铸钢支承辊制备工艺，其特征在于：采用单电极或多电极，直流或交流电渣加热保温。
5.按照权利要求1所述电加热冒口，其特征在于电渣加热的主要工艺参数：电加热电压为50～100V，电流为500～1500A，变压器功率为25～150KW。
6.按照权利要求5所述电加热冒口，其特征在于：电渣加热时间由冒口尺寸决定，当冒口直径＜500mm，加热时间3～4小时；当冒口直径500～700mm，加热时间4～5小时；当冒口直径700～1000mm，加热时间10～15小时；当冒口直径1000～1500mm，加热时间30～36小时；当冒口直径＞1500mm，加热时间60～70小时。
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