大型耐熱鋼爐底輥身的離心鑄造工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及爐底輥技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種大型耐熱鋼爐底輥的鑄造工藝。
【背景技術(shù)】
[0002] 爐底輥是輥底式連續(xù)熱處理爐中最重要、最易損的部件，在900°C的高溫下工作， 該部件使用量大、壽命低，一般從國外進(jìn)口，價(jià)格昂貴。爐底輥中最關(guān)鍵的零件為爐底輥身， 只能采用離心鑄造方法生產(chǎn)。對于長度外徑比很大的大型爐底輥身的制作，對離心機(jī)設(shè)備 的要求高，離心鑄造工藝參數(shù)匹配也十分講究，因其影響因素多，工藝復(fù)雜，鑄件容易產(chǎn)生 裂紋、冷隔夾層及氣孔等缺陷，因而離心鑄造難度很高。
[0003] 大型爐底輥身的材質(zhì)為ZG40Cr25Ni20Si2,此鋼為奧氏體型耐熱鑄鋼，這種高鉻鎳 鋼具有很好的高溫抗氧化性和高溫強(qiáng)度，組織穩(wěn)定性及焊接性能良好。使用最高溫度為 1150°C~1200°C，在< 1000°C條件下使用時具有很好的熱強(qiáng)性。ZG40Cr25Ni20Si2的化學(xué)成 分、常溫力學(xué)性能及高溫力學(xué)性能見表1、表2及表3。
[0004] 表 lZG40Cr25Ni20Si2 的化學(xué)成分
[0005]
[0006] 表2ZG40Cr25Ni20Si2的常溫力學(xué)性能
[0008] 表3ZG40Cr25Ni20Si2的高溫力學(xué)性能
[0011]大型爐底輥身，鑄件長度達(dá)2950mm，鑄件壁厚為50.5mm，鑄件質(zhì)量為1250kg，只能 采用離心鑄造方法生產(chǎn)。鑄件尺寸參數(shù)為:長度/外徑= 2950/388 = 7.6,由于長度外徑比很 大，故傳統(tǒng)的離心鑄造難度很大;外徑/內(nèi)徑= 1.35,可采用等離心轉(zhuǎn)速。
[0012]根據(jù)鑄件尺寸，存在著以下兩類情況:第一類是該鑄件的長度較長，已超出現(xiàn)有設(shè) 備的容納范圍，首先要解決設(shè)備能力不足的問題;第二類是產(chǎn)生以下三種鑄造缺陷的風(fēng)險(xiǎn) 很高:①該鑄件長度很長且外徑較小，鑄件在冷卻收縮的過程中，受到鑄型及涂料的阻力較 大，加上大型滾輪離心機(jī)在運(yùn)行中有較大的震動，很容易產(chǎn)生裂紋缺陷;②由于鑄件外徑為 Φ388πιπι，長度為2950mm，因而鑄型工作表面積很大，在澆注的初始階段，合金液若不能快 速、均勻地在鑄型工作表面鋪型且達(dá)到一定的厚度，則極易產(chǎn)生冷隔夾層缺陷;③鑄件的長 度外徑比很大，達(dá)到7.6,鑄型中的氣體很難排出，容易產(chǎn)生氣孔缺陷。要防止以上三種缺陷 的產(chǎn)生，必須在工藝上采取一系列應(yīng)對方法。
[0013] 針對裂紋缺陷，主要從三個方面入手一一①盡可能減輕鑄型受到的震動，包括:合 理設(shè)置鑄型軸心與支承軸軸心連線的夾角Θ(中心夾角）；調(diào)試設(shè)備，減小鑄型滾道與支承輪 之間的間隙;設(shè)計(jì)鑄型時，要注意鑄型在滾道外尺寸與在滾道內(nèi)尺寸的比值，使鑄型在運(yùn)轉(zhuǎn) 中具有較好的平穩(wěn)性。②盡量避免鑄件在凝固過程中有大的溫度突變，盡量避免采用鑄型 水冷措施。③涂料層要薄而均勻，不得有阻礙鑄件收縮的凸出部分。
[0014] 針對冷隔夾層缺陷，主要從三個方面入手--①提高初始澆注速度，以滿足最初 3s內(nèi)的鋪型厚度δικ;②適當(dāng)提高澆注溫度，以增強(qiáng)合金液的充型能力;③適當(dāng)提高鑄型工 作溫度，以增強(qiáng)合金液的鋪型能力。
[0015] 針對氣孔缺陷，主要從以下兩方面入手一一①采用專用涂料，能在鑄型內(nèi)圓涂料 表層形成微觀排氣通道，幫助鑄型中的氣體排出；②提高鑄型的烘型溫度，以烘干鑄型中的 水分。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016] 本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種大型耐熱鋼爐底輥的鑄造工藝，操作合理， 產(chǎn)品合格率高。
[0017] 為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供以下技術(shù)方案：一種大型耐熱鋼爐底輥的鑄 造工藝，采用離心鑄造工藝，所述離心鑄造中采用的滾輪離心機(jī)的后端兩支撐輪間距設(shè)為 1366mm〇
[0018] 進(jìn)一步地，所述爐底輥的材質(zhì)為碳素鑄鋼ZG230-450。
[0019]進(jìn)一步地，鑄型軸心與兩個所述支承輪軸心連線的夾角為110°。
[0020] 進(jìn)一步地，鑄型轉(zhuǎn)速為532 · 4~692 · 2r/min。
[0021] 進(jìn)一步地，鑄型澆注溫度為1580°C~1620°C。
[0022] 進(jìn)一步地，鑄型工作溫度為18(TC~220Γ。
[0023] 進(jìn)一步地，澆口管由Φ內(nèi)= 80mm的耐火磚管制作，外管由材質(zhì)為ZG40Cr25Ni20Si2 的耐熱鋼管制作，耐熱鋼管的外徑、內(nèi)徑的尺寸為Φ 145mm/Φ 125_。
[0024] 進(jìn)一步地，鑄型內(nèi)圓涂料的敷設(shè)時，鑄型溫度為80°C~100°C，轉(zhuǎn)速為100r/min。
[0025] 進(jìn)一步地，敷設(shè)好涂料的鑄型進(jìn)爐進(jìn)行烘烤，烘型溫度為350°C~380°C，保溫時間 為5h~6h。
[0026] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0027] (1)當(dāng)鑄件長度超出離心機(jī)能力范圍時，在設(shè)備的電機(jī)功率，離心轉(zhuǎn)速，設(shè)備機(jī)身 強(qiáng)度及輪間距都能夠承受的條件下，可改造設(shè)備，將離心機(jī)的短軸系改為長軸系，以滿足該 鑄型的運(yùn)行需要。
[0028] (2)盡量減輕鑄型受到的震動;不對鑄型采用水冷措施，以避免鑄件在凝固過程中 有大的溫度突變;涂料層要薄而均勻，避免阻礙鑄件的收縮，都能有助于防止裂紋缺陷的產(chǎn) 生。
[0029] (3)提高初始澆注速度，滿足最初3秒內(nèi)鋪型厚度的要求;適當(dāng)提高澆注溫度，增強(qiáng) 合金液的充型能力;適當(dāng)提高鑄型工作溫度，增強(qiáng)合金液的鋪型能力，能有效地防止冷隔夾 層缺陷產(chǎn)生。
[0030] (4)采用專用涂料，能在鑄型內(nèi)圓涂料表層形成微觀排氣通道，幫助鑄型中的氣體 排出；提高鑄型的烘型溫度，以烘干鑄型中的水分，都能有效地防止氣孔缺陷產(chǎn)生。
【具體實(shí)施方式】
[0031] 下面結(jié)合【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述，本部分的描述僅是示范性和解釋 性，不應(yīng)對本發(fā)明的保護(hù)范圍有任何的限制作用。
[0032] 常規(guī)大型臥式滾輪離心機(jī)，電機(jī)功率為30kW，電機(jī)最大轉(zhuǎn)速為740r/min，離心機(jī)支 承輪直徑為d = 450mm。該設(shè)備能容納的最大鑄件尺寸為：外徑Φ 300mm~Φ 800mm，長度 800mm~2300mm，工作時載重量W應(yīng)小于5t，電動機(jī)穩(wěn)定電流不能大于63A。由此可見，該大型 耐熱鋼爐底輥身為2950mm，已超出該設(shè)備的極限范圍，要對設(shè)備進(jìn)行改造，且各技術(shù)參數(shù)需 要經(jīng)過嚴(yán)格的計(jì)算和核算。
[0033] 本發(fā)明研究了此前使用常規(guī)設(shè)備的兩個案例，作為滾輪離心機(jī)設(shè)備能力及改造的 分析基礎(chǔ)。
[0034] 案例1，用于大型冶金設(shè)備的大型高錳鋁青銅厚壁螺母，螺母尺寸為（Φ772πιπιΧ 208mm) Φ 673mm/ Φ 350mm X 766mm，鑄件質(zhì)量為1666kg，該鑄型材質(zhì)選用ZG20CrMo，鑄型最大 外徑為Φ 1000mm，鑄型最大長度為1100mm，鑄型質(zhì)量為3190kg，故總載荷W = W#ft+Wi輕= 1666kg+3190kg = 4896kg。鑄型轉(zhuǎn)速n = 490r/min，此時β= 1.008,鑄型空載時離心機(jī)穩(wěn)定電 流為42Α，澆注過程中離心機(jī)穩(wěn)定電流為43Α。該案例是關(guān)于大型離心機(jī)的輪間距不足，致使 鑄型壁厚較薄，且離心轉(zhuǎn)速也略微不足而成功澆注的離心鑄造經(jīng)典案例 [3]。
[0035] 案例2,用于挖泥船的大型鋁青銅襯套，襯套尺寸為（Φ822πιπιΧ94πιπι)Φ721πιπι/Φ 616mmX 1615111111，鑄件質(zhì)量為15301^，該鑄型材質(zhì)選用26230~450，鑄型最大外徑為〇 960mm，鑄型長度為1898mm，鑄型質(zhì)量為2603kg，故總載荷W = W纖+W_=1530kg+2603kg = 4133kg<4500kg。鑄型轉(zhuǎn)速n = 521r/min，此時β=1.42,鑄型空載時離心機(jī)穩(wěn)定電流為42A， 澆注過程中離心機(jī)穩(wěn)定電流為38Α~42Α，是最大允許值的63Α的63.5%左右。該案例是關(guān)于 大型離心機(jī)的輪間距不足，且鑄型壁厚也略微偏心而成功澆注的離心鑄造經(jīng)典案例 [4]。 [0036]由此可知:①若能將總載荷W控制在5000kg以內(nèi)，則設(shè)備的電機(jī)功率能夠承受，設(shè) 備機(jī)身強(qiáng)度能夠承受;②本例鑄型外徑不是很大，大型離心機(jī)的輪間距足夠;③從后面的計(jì) 算可知，離心轉(zhuǎn)速也能滿足;④由于鑄件長度為2950mm，則鑄型長度為3235mm，而離心機(jī)首 尾支承輪的外端尺寸為1450mm，鑄型兩端超出首尾支承輪的尺寸為892.5mm( > 1450/2mm = 725mm)，顯然，若不進(jìn)行改造，臥式滾輪離心機(jī)已無法容納該鑄型在其上運(yùn)行。
[0037]對該設(shè)備進(jìn)行了如下改造，重新制作一套加長的軸系，即將離心機(jī)后端兩支承輪 的短軸系改為長軸系，將尾端支承輪的位置后移360mm，移至軸承座的外面，這樣能滿足該 鑄型的運(yùn)行需要。
[0038]鑄型材質(zhì)選用碳素鑄鋼ZG230-450。三滾道支承運(yùn)轉(zhuǎn)，兩端對稱設(shè)計(jì)，盡量減少軸 向竄動和降低徑向震動，在澆注時能較平穩(wěn)運(yùn)行。鑄型總質(zhì)量（含底、蓋板）為2950+74 = 3024kg，鑄件質(zhì)量為1250kg，運(yùn)行時總載重量為購耕+W_= 1250kg+3024kg = 4274kg，將工作 時載重量W控制在小于5t。
[0039 ]鑄型的設(shè)計(jì)要點(diǎn)為:①鑄型采用對稱設(shè)計(jì)，鑄型在滾道外尺寸與在滾道內(nèi)尺寸的 比值為700/1830/700= 1/2.61/1，鑄型在運(yùn)行時的平穩(wěn)性較好;②鑄型在離心機(jī)支承輪之 間的軸向游隙為15mm;③鑄型內(nèi)腔不放錐度，鑄型筒身不鉆透氣孔;④鑄型鑄件壁厚比為 δ?/δ件=(84 · 5~69 · 5)/50.5 = 1 · 67~1 · 38，滿足手冊上％/δ件=1 · 2~2 · 0的要求;⑤鑄件縮 尺為2.2%，故鑄型內(nèi)腔尺寸為Φ401πιπιΧ 3015mm;⑥鑄型滾道（與支撐輪相接觸的鑄型表 面)直徑D = 580mm。
[0040]鑄型軸心與支承軸軸心連線的夾角Θ，對于極易產(chǎn)生裂紋的爐底輥身耐熱鋼鑄件 來說，尤為重要。如果Θ過小，鑄型受到的震動較大，極端情況下高速轉(zhuǎn)動的鑄型會從支承輪 上跳落;如果Θ過大，則支撐輪與鑄型滾道之間的摩擦力會太小，主動支撐輪無法靠摩擦力 帶動鑄型旋轉(zhuǎn)。手冊 [5]上一般介紹θ = 90°~120°，我們通常取θ = 11〇°~115°，考慮到爐底 輥身鑄型較長，為減少阻力以避免功率損失，同時兼顧鑄型震動情況，本例取Θ = 110°。
[0043] 則兩支承軸的輪間距為L一d = 844 - 450 = 394(mm)，取輪間距為400mm。
[0044] 在鑄型使用前，要放置在離心機(jī)上進(jìn)行調(diào)試，離心機(jī)支承輪與鑄型滾道之間的間 隙要求<〇 . 3mm，以減輕徑向跳動，可用插尺進(jìn)行檢查;此外，鑄型本身要求處于水平狀態(tài)， 以防軸向竄動，可用水平儀進(jìn)行檢查。
[0045] 鑄型轉(zhuǎn)速
[0046] 鑄型轉(zhuǎn)速是保證離心鑄造質(zhì)量的重要參數(shù)之一。若鑄型轉(zhuǎn)速過高，在饒注時，貝1J會 引起很大的震動，容易導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生裂紋;若鑄型轉(zhuǎn)速過低，氧化夾雜難以從合金液中浮 出，嚴(yán)重時還會引起合金液淋落。
[0047]所需要的離心轉(zhuǎn)速為：
[0049] 式中：η為鑄型轉(zhuǎn)速，r/min; γ為澆注合金的密度，N/m3;RQ為鑄件的內(nèi)半徑，為 調(diào)整系數(shù)，對鑄鋼件的離心鑄造，取β=1 .〇~1.3。
[0050] 對于耐熱鋼 ZG40Cr25Ni20Si2 的爐底輥身，0 = 7.49父1〇^/1113，1?() = 〇.1435111，故鑄 型所需的離心轉(zhuǎn)速為
[0051]
[0052] 大型離心機(jī)有五檔轉(zhuǎn)速，η主g;_= 1.4n_，主動輪直徑d =