CN203917851U - 一种用于制造辊颈的立式离心铸造装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种用于制造辊颈的立式离心铸造装置，包括立式离心机和模具组件，所述立式离心机包括离心机主电机（1）、离心机主机（2）、和离心机法兰盘（3），所述模具组件包括内模（4）、外模（5）、盖板（6）、垫片（7）、和底板（8）；该装置使用简便、高效，利于大规模工业化生产，并且可提高产品的浇铸质量，降低报废率，所得产品具有优异的高温短时力学性能和持续高温工作能力，显著优于静态铸造产品。
Description
技术领域
本发明属于机械铸造技术领域，具体涉及一种用于制造辊颈的立式离心铸造装置。
背景技术
辊颈是炉辊的核心组件。当炉辊作为高温传送设备应用于工业炉时，辊颈工作条件为连续的高温受力状态，因此，用于工业炉炉辊的辊颈需要具有良好的高温短时力学性能和持续高温工作能力，这也是衡量辊颈高温应用性能的两项关键指标。
目前，辊颈的制造普遍采用静态铸造工艺（主要是砂型铸造），也称重力铸造，即钢水在重力场的作用下经浇口、浇道到达型腔成型，铸件在冷却凝固过程中靠冒口中钢水的重力作用进行补缩。用于静态铸造的装置主要是指模具系统。静态铸造工艺及其装置结构简单，产品可以满足在高温高压条件下的基本应用要求，但是存在明显缺点，例如：需要制作模样和芯盒，并且需要制作砂型和型芯，生产工序多，耗时，生产效率低；需要将型芯与砂型精准合模，操作复杂；浇注完成的铸件还需要清砂、打磨后再机加工，增加了生产工序；最关键的是，铸件组织不规则且不致密，存在气孔、夹渣等结构缺陷，机械性能不够优越，使用寿命也不理想，产品报废率较高。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提供一种用于制造辊颈的立式离心铸造装置。该装置使用简便、高效，利于大规模工业化生产，并且可提高产品的浇铸质量，降低报废率，所得产品具有优异的高温短时力学性能和持续高温工作能力，显著优于静态铸造产品。
本发明的具体技术方案如下：
一种用于制造辊颈的立式离心铸造装置，包括立式离心机和模具组件，所述立式离心机包括离心机主电机1、离心机主机2、和离心机法兰盘3，所述模具组件包括内模4、外模5、盖板6、垫片7、和底板8；
其中：
离心机主机2与离心机主电机1相连，离心机法兰盘3位于离心机主机2上；
底板8位于离心机法兰盘3上；
内模4和外模5以同心轴模式竖直设于底板8上，离心机法兰盘3、外模5和底板8通过紧固件固定；
内模4通过底板8上的止口固定在底板8上，防止离心时发生位移；
垫片7位于底板8上，且在内模4和外模5之间；
盖板6位于外模5顶部，通过外模5上的止口和/或紧固件固定。
上述离心铸造装置中，外模5的内孔形状与辊颈产品的外壁形状相同，而内模4的外壁与辊颈产品的内壁形状相同。在尺寸设置上，考虑到钢水收缩率和后期加工需要，外模内孔尺寸略大于辊颈产品外径的最终尺寸，而内模外壁尺寸略小于辊颈产品内径的最终尺寸，即预留收缩量和加工余量；其中，钢水收缩率和加工余量对本领域技术人员而言是公知且容易确定的。优选地，为便于钢水的快速注入，如附图1中所示，外模5的高度大于内模4的高度。
内模4、外模5和底板8的材质可以是本领域常用的那些材料，例如可以是铸铁、铸钢、锻件等。
模具型腔内喷涂有耐高温涂料，用以降低模具所受的热冲击和调节系统的冷却速度，并且有利于铸件冷却后从模具内取出。所述耐高温涂料可选用辊颈浇铸领域的常用涂料，如静态铸造工艺中采用的那些；优选地，可以选用醇基锆英粉涂料。
盖板6的材料优选为耐高温石棉板，主要作用为防止铸造过程中金属液体从模具中飞溅出来。
垫片7的材料优选为耐高温石棉板或其他耐高温材料，主要作用为防止铸造过程中金属液体与底板 8粘在一起，同时降低铸件的冷却速度。
本发明的装置中，用于固定部件彼此之间相对位置的紧固件可以是机械领域的常规构件，例如螺栓螺母组件、销控等。
非限制性地，所述立式离心机可以是天水华荣铸造机械有限公司生产的型号为J5216HR的大型离心轧辊机、J556立式离心铸造机等。
作为可选方案，上述离心铸造装置还可以在外模5的外表面设有冷却部件，如附于外表面的水冷部件，用以辅助钢水在成型过程中的冷却。
采用本发明的离心铸造装置制造辊颈，通常可包括如下步骤：将模具组件预热后装配好；将熔融态的钢水快速注入模具型腔内；使钢水在高速旋转状态下冷却成型；停止离心，取出铸件，经后加工得到产品。
上述工艺中，可采用本领域公知的常规工艺对铸件进行后期处理，例如可采用车床或镗床对其内外表面进行加工。当外模高于内模时，后期处理还需要切除铸件小端（细口端）的多余部分。
根据产品应用要求，本发明的离心铸造装置可用于制造各种材质的辊颈产品。
本发明的立式离心铸造装置操作简便，能有效提高生产效率；并且，利用该装置制得的产品相比于静态铸件具有明显的性能优势，其优点主要体现在以下几个方面：
（1）立式离心铸造时，旋转的铸型外壁降温速度快，所以铸件凝固时是按由外向内的顺序凝固，形成的组织分布规则有序。静态铸造的产品金相组织为沿径向分布不规则的柱状晶与等轴晶，而立式离心铸造的产品从外径向内径方向依次分布为细小等轴晶—柱状晶—较粗大等轴晶。鉴于辊颈工作状态下主要是沿径向方向受力，因此离心铸造产品沿径向规则排列的金相组织恰好能对应该要求，工件在工作状态下受力更均匀，可有效提高产品机械性能，降低报废率，延长使用寿命。
（2）因为定向凝固的原因及旋转导致的离心力比重力大，使得离心铸件凝固时能获得较强的补缩，形成组织致密的铸件，从而大幅度降低产生气孔、裂纹等缺陷的几率，提高铸件质量。
（3）铸型边旋转边凝固时，各层相对于型腔的旋转速度不同，造成正在结晶成长的晶粒折断，从而使铸件最终获得细小的晶粒，细小的晶粒和有序的金相组织造就了离心铸件优于静态铸件的机械性能。
通过使用本发明的离心铸造装置，增加了铸件的成型力，从而可提高产品质量和高温力学性能，延长产品使用寿命，并降低产品报废率。
附图简要说明
图1为立式离心铸造辊颈的装置示意图，其中：1—离心机主电机；2—离心机主机；3—离心机法兰盘；4—内模；5—外模；6—盖板；7—垫片；8—底板。
具体实施方式
以下通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明，但并不是对本发明保护范围的限制。
材料和设备
离心机型号为J556型立式离心铸造机。外模5、内模4和底板8的材料采用360V钢，盖板6和垫片7的材料采用耐高温石棉板，耐高温涂料采用醇基锆英粉涂料，辊颈材质（即钢水）采用ZG40Cr25Ni20。
产品规格和模具加工
产品预定尺寸（单位mm）：大端外径φ806，大端内径φ746，大端直边长50，小端外径φ265，小端内径φ200，小端直边长60，产品高度550。
模具加工：（1）按照辊颈产品的外壁形状加工外模内孔形状；在同一高度，根据“外模内孔尺寸=产品外径尺寸+产品厚度×2.4%+ 10mm”的要求设置外模内孔尺寸。（2）按照辊颈产品的内壁形状加工内模外壁形状；在同一高度，根据“内模外壁尺寸=产品内径尺寸-产品厚度×2.4%- 10mm”的要求设置内模外壁尺寸。（3）在小端口，外模比内模高出100mm。（4）在模具型腔内均匀喷涂厚度约为1.0mm的耐高温涂料。
制备实施例
1、实施例
采用本发明的立式离心铸造装置制备辊颈，具体包括以下步骤：
（1）将模具组件预热至500℃，然后如附图1所示，将其与离心机组装成整体，开启离心机，转速控制在180 r/min；
（2）将温度为1630℃的钢水快速注满模具，密封后在15s内将转速匀速提升至1300 r/min，并在该转速保持20min；
（3）在30s内将转速匀速降至650r/min，并在该转速保持9min；然后再在30s内将转速匀速降至300 r/min，并在该转速保持5min；然后关闭离心机，待其自然停止旋转；
（4）将充分冷却成型的铸件取出，并采用切除小端多余部分和外车内镗的方法对铸件进行加工，得到预定尺寸的辊颈产品。
2、对比例
采用静态铸造工艺制备辊颈，具体包括以下步骤：将模具预热至500℃，接着将温度为1630℃的钢水快速注满模具，待其自然冷却成型；然后将铸件取出，采用切除小端多余部分和外车内镗的方法对铸件进行加工，得到预定尺寸的辊颈产品。
性能检测和表征
A、渗透探伤
根据JB/T4730.5-2005，对辊颈产品的外表面进行渗透探伤（PT），结果显示：实施例的产品表面质量良好，未发现气孔、夹渣、裂纹等缺陷；而对比例的产品表面存在明显的气孔、夹渣和裂纹。
B、金相检测
机械切割取铸件两端，采用宏观金相试验仪（100×）做宏观金相实验。结果表明：实施例产品两端的金相组织分布规则有序，沿铸型外径向内径依次为细小等轴晶—柱状晶—较粗大等轴晶；而对比例产品金相组织为沿径向分布不规则的柱状晶与等轴晶。
C、高温短时力学性能试验
根据GB/T4338-2006，沿径向切取拉伸试样，使用WE-300高温短时强度试验机在高温（871℃）下做产品拉伸试验。
结果如表1所示。
表1 辊颈产品的高温短时力学性能试验结果
| 辊颈产品 | 实施例 | 对比例 |
| Rm | 138MPa | 120MPa |
其中，Rm表示抗拉强度。
从表1中可以看到，利用本发明的离心铸造装置得到的产品在高温短时力学性能方面明显优于静态铸件。
D、持续高温工作能力试验
根据GB/T2039-2012，使用GWT1304高温持久强度试验机在69MPa、871℃下做产品拉伸试验，记录断裂时间。
结果如表2所示。
表2 辊颈产品的持续高温工作能力试验结果
| 辊颈产品 | 实施例 | 对比例 |
| 断裂时间（小时） | 29 | 25 |
从表2中可以看到，利用本发明的离心铸造装置得到的产品在持续高温工作能力方面也明显优于静态铸件。
综上可以看出，采用本发明的立式离心铸造装置，制得的辊颈产品具有优异的高温短时力学性能和持续高温工作能力，显著优于静态铸件。这一特性使得产品在高温应用环境下能够延长使用寿命和降低产品报废率。
Claims (7)
1.一种用于制造辊颈的立式离心铸造装置，包括立式离心机和模具组件，所述立式离心机包括离心机主电机（1）、离心机主机（2）、和离心机法兰盘（3），所述模具组件包括内模（4）、外模（5）、盖板（6）、垫片（7）、和底板（8）；
其中：
离心机主机（2）与离心机主电机（1）相连，离心机法兰盘（3）位于离心机主机（2）上；
底板（8）位于离心机法兰盘（3）上；
内模（4）和外模（5）以同心轴模式竖直设于底板（8）上，离心机法兰盘（3）、外模（5）和底板（8）通过紧固件固定；
内模（4）通过底板（8）上的止口固定在底板（8）上；
垫片（7）位于底板（8）上，且在内模（4）和外模（5）之间；
盖板（6）位于外模（5）顶部，通过外模（5）上的止口和/或紧固件固定。
2.如权利要求1所述的立式离心铸造装置，其特征在于：外模（5）的内孔形状与辊颈产品的外壁形状相同，而内模（4）的外壁与辊颈产品的内壁形状相同。
3.如权利要求1所述的立式离心铸造装置，其特征在于：外模（5）的高度大于内模（4）的高度。
4.如权利要求1所述的立式离心铸造装置，其特征在于：内模（4）、外模（5）和底板（8）的材质选自铸铁、铸钢或锻件。
5.如权利要求1所述的立式离心铸造装置，其特征在于：模具型腔内喷涂有耐高温涂料。
6.如权利要求1所述的立式离心铸造装置，其特征在于：盖板（6）的材料为耐高温石棉板，垫片（7）的材料为耐高温石棉板或其他耐高温材料。
7.如权利要求1所述的立式离心铸造装置，其特征在于：在外模（5）的外表面设有冷却部件，用以辅助钢水在成型过程中的冷却。
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