一种多喷嘴喷射复合轧辊的设备及方法与流程

本发明涉及轧辊喷射成形技术领域，特别是一种多喷嘴喷射复合轧辊的设备及方法。

背景技术：

喷射成形是用高压惰性气体将合金液流雾化成细小熔滴，在高速气流下飞行并冷却，在尚未完全凝固前沉积成坯件的一种工艺。它是把金属熔融、液态金属雾化、快速凝固、喷射沉积成形集成在一个冶金操作流程中制成金属材料产品的新工艺技术，对发展新材料、改革传统工艺、提升材料性能、节约能耗、减少环境污染都具有重大作用。

cn103962558b公开了一种喷射成形连续制备复合管坯的方法，其具体包括：将雾化喷嘴设置在一充入惰性气体进行保护的空间内，雾化喷嘴通过导液管连接中间包，当待喷射的金属熔液的温度和成分满足要求之后将金属熔液倾倒入预热后的中间包中，金属熔液通过导液管流过雾化喷嘴，雾化喷嘴内部通有氮气或氢气，对流过其中间孔的金属熔液进行雾化喷射，形成雾化锥，管坯基体水平放置在旋转和前进的轨道上，管坯基体在雾化喷嘴下方自一侧向另一侧水平移动同时旋转；管坯基体在水平移动过程中待沉积部位同时被高频感应线圈加热；随着金属熔液不断被雾化、沉积，管坯基体一边旋转一边前进，当管坯基体移动至一定长度，另一侧自动夹持管坯基体，同时旋转和沉积，最终将整个管坯基体上均匀沉积一层，形成复合管坯。其中，雾化喷嘴的雾化压力为0.5~2.5mpa。

然而，上述方案具有以下缺陷：（1）在喷射过程中采用高频感应线圈加热，由于雾化喷嘴喷出的都是高温金属熔液，很容易喷射到高频感应线圈内部，使得与高频感应线圈连接的其他部件无法承受高温而导致使用寿命大大降低甚至当场损坏；（2）现有雾化喷嘴的喷射压力小，不能实现坯件与金属的快速复合，因此上述专利文件需要边喷射边被高频感应线圈加热，否则会使得整个坯件应力大，受热不均匀；（3）中间包内未加入搅拌装置，会使得中间包内的金属熔液不均匀，当喷射至坯件上时，会形成粗糙、不均匀、有偏析的组织；（4）上述的被复合对象为管坯，属于空心结构，上述方法不能适用于大型实心轧辊结构。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术的上述不足而提供一种复合速度快，冶金结合均匀，结合力大的多喷嘴喷射复合轧辊的设备及方法。

本发明的技术方案是：

本发明之一种多喷嘴喷射复合轧辊的设备，包括：

中间包，所述中间包上设有搅拌装置；

多个喷嘴，设于中间包的下方，各喷嘴与中间包之间通过导液管连接；

机架，设于喷嘴的下方，机架上设有用于带动坯件上下移动的升降机构以及用于带动坯件摆动或旋转的转动机构；

摩擦发热装置，朝向坯件设置，且能够选择性地靠近坯件或远离坯件。

进一步，所述机架上设有面向坯件的红外测温仪。

进一步，所述喷嘴距离坯件的高度为200~800mm。

进一步，所述摩擦发热装置包括金属制成的静摩擦体和动摩擦体，动摩擦体上设有摩擦片，摩擦片通过旋转与固定的静摩擦体发生摩擦产生热量。

进一步，所述中间包连接真空熔炼炉。

进一步，所述坯件为实心轧辊；所述喷嘴的数量为4~8个。

进一步，还包括惰性气体罐，所述惰性气体罐经增压泵与各喷嘴连接。

本发明之一种多喷嘴喷射复合轧辊的方法，包括以下步骤：

s1：将熔炼的金属熔液倒入中间包内，并对金属溶液进行搅拌；

s2：将预热后的坯件装于机架上；

s3：启动摩擦发热装置对坯件进行加热，待加热至目标温度后，摩擦发热装置退出，进入喷射步骤；

s4：在一定压力的惰性气体作用下，对导液管流下的金属熔液经喷嘴对坯件的表面进行均匀喷射，且多个喷嘴同时喷射，使得金属熔液不断被雾化、沉积于坯件表面上；

s4：当坯件表面达到目标厚度后停止喷射，形成复合坯件。

进一步，s4中，用5～20mpa压力的惰性气体对金属熔液进行高压喷射。

进一步，s2~s3中具体包括：将预热到650-750℃的轧辊装于机架上，启动摩擦发热装置对轧辊的辊面进行加热，待加热至1200~1300℃后，控制摩擦发热装置自动退出，并启动喷射程序。

本发明的有益效果：

（1）通过在中间包上设置搅拌装置，一方面，能够使属溶液的成分更均匀，这样辊面就能形成更细更均匀无偏析的组织；另一方面，能够降低金属溶液的过冷度，防止金属溶液凝结；

（2）通过设置多个喷嘴，能够同时对轧辊的辊面进行喷射，使整个辊面结晶时温差很少，大大降低了因辊芯受热不均匀而产生的热应力，并可得到比传统单个喷嘴喷射的复合轧辊更细更均匀无偏析的组织，大大提高轧辊的强度及耐磨性，也提高了轧辊的使用寿命，减少了因长期高温使轧辊产生的龟裂；

（3）通过采用高压喷射，就无需在喷射过程中对轧辊进行加热，再结合多个喷嘴同时喷射，能够大大提高复合速度，防止轧辊因喷射时间过久而冷却，影响结合；

（4）通过设置摩擦发热装置，一方面能够快速升温，加热时间快；另一方面，由于现有的高频感应线圈不易取出，因此会一直置于轧辊位置处，当喷射时，高温金属溶液很容易喷射至高频感应线圈内部，使得与高频感应线圈连接的其他部件无法承受高温而导致使用寿命大大降低甚至当场损坏，本发明通过在喷射前将摩擦发热装置退出，则解决了上述技术问题。再者，采用摩擦发热装置，其金属与金属之间相互摩擦产生的热量能够使辊面形成摩擦焊，使辊面毛化，即表面粗糙，增加了辊面与复合层的摩擦力，这样复合层就更容易复合在辊面上，形成均匀的冶金结合，且大大增加辊面和复合层的结合力；

（5）通过摩擦发热装置对轧辊的辊面加热至1200~1300℃，能够便于喷射时形成均匀的

冶金结合。通过先将轧辊预热至650~750℃，再加热至1200~1300℃，能够防止轧辊产生热应力；

（6）通过将高压喷射、多个喷嘴同时喷射与摩擦发热装置预先加热相结合，能够快速提高复合层的复合速度，且喷射过程中无需加热坯件，喷嘴也不会喷射到摩擦发热装置，最终形成均匀的冶金结合，且辊面和复合层的结合力大而稳定。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图；

图2是图1所示实施例的侧视图。

附图标识说明：1.真空熔炼炉；2.机架；3.中间包；4.喷嘴；5.摩擦发热装置；6.惰性气体罐；7.升降机构；8.转动机构；9.轧辊；10.抽真空装置；11.气氛保护喷射室；31.导液管；32.磁性搅拌器；61.增压泵。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1和图2所示：一种多喷嘴喷射复合轧辊的设备，包括真空熔炼炉1、机架2、中间包3、多个喷嘴4、摩擦发热装置5、惰性气体罐6和自动控制系统。其中，真空熔炼炉1连接中间包3，中间包3的下方设有所述的多个喷嘴4，各喷嘴4与中间包3之间通过导液管31连接，且导液管31的数量与喷嘴4的数量相对应；喷嘴4的下方设有所述机架2，机架2上设有用于带动坯件上下移动的升降机构7以及用于带动坯件摆动或旋转的转动机构8，摩擦发热装置5朝向坯件设置，且能够选择性地靠近坯件或远离坯件；惰性气体罐6经增压泵61与各喷嘴4连接。

本实施例中，坯件优选为轧辊9，尤其是大型的轧辊。可以理解的是，由于本发明能够适用于大型实心轧辊结构，那么同样也可适用小型的空心、实心或其他结构的辊、轴、管等。

本实施例中，机架2设于气氛保护喷射室11内，使得轧辊在保护气氛下进行喷射，且喷嘴与气氛保护喷射室11连通。机架2包括底座，底座上设有升降机构和转动机构。升降机构和转动机构已是现有技术，本实施例不再具体赘述。例如，升降机构可以是设于底座上的液压升降工作台，转动机构可带动轧辊360°范围内转动，又或者是带动轧辊左右摆动；转动机构设于液压升降工作台上。通过升降机构带动轧辊上下移动，以调节轧辊与喷嘴之间的间距。通过旋转机构能够带动轧辊在喷射过程中进行转动，使得复合层能够全面覆盖于辊面上。升降机构和转动机构通过自动控制系统控制其动作。

本实施例中，真空熔炼炉用于将金属熔炼成金属熔液，金属可根据需求进行选择，本实施例选用合金材质。待熔炼达温后，将金属熔液倒入充有惰性气体的中间包内。真空熔炼炉1连接抽真空装置10。

本实施例中，中间包3上设置搅拌装置，优选为磁性搅拌器32。通过设置搅拌装置，一方面，能够使属溶液的成分更均匀，这样辊面就能形成更细更均匀无偏析的组织；另一方面，能够降低金属溶液的过冷度，防止金属溶液凝结。其中，在喷射过程中，搅拌装置可实时进行搅拌。

本实施例中，喷嘴4的数量优选为4-8个，所对应的导液管31的数量也为4-8个。各喷嘴4之间间隔设置，且沿轧辊9的轴向方向设置。喷嘴4的数量可根据坯件的长度进行选择。多个喷嘴4的数量设置优选满足：整个喷射面能够覆盖轧辊被复合的辊面为好。通过设置多个喷嘴4，能够同时对轧辊9的辊面进行喷射，使整个辊面结晶时温差很少，大大降低了因辊芯受热不均匀而产生的热应力，并可得到比传统单个喷嘴喷射的复合轧辊更细更均匀无偏析的组织，大大提高轧辊的强度及耐磨性，也提高了轧辊的使用寿命，减少了因长期高温使轧辊产生的龟裂。

本实施例的喷嘴4为高压喷嘴，喷射压力为5～20mpa，即用5～20mpa压力的惰性气体对金属熔液经喷嘴进行高压喷射。本实施例之所以采用高压喷射，是因为本实施例不需要在喷射过程中对轧辊进行加热，再结合多个喷嘴同时喷射，能够大大提高复合速度。

本实施例中，喷嘴4距离轧辊9的高度为200~800mm，优选为300~500mm，喷嘴的位置距离轧辊位置较低，可防止迸溅，不易喷到机架外面。

本实施例中，摩擦发热装置5包括金属制成的静摩擦体和动摩擦体，动摩擦体上设有摩擦片，摩擦片通过旋转与固定的静摩擦体发生摩擦产生热量。为了便于摩擦发热装置快速退出，可在摩擦发热装置5的座体下设置滚轮；或者设计成自动退出，例如，摩擦发热装置的下部设有轨道，摩擦发热装置的座体与轨道滑动连接或滚动连接，通过电机或气缸等带动摩擦发热装置沿轨道进行移动，通过自动控制系统的控制器控制电机或气缸等执行机构进行动作。机架上有红外测温仪，红外测温仪可调节角度，能够对辊面进行扫描测温，红外测温仪与自动控制系统的控制器连接。当红外测温仪检测到轧辊的辊面达到设定温度后，发送信号给控制器，控制器则控制摩擦发热装置自动退出。本实施例之所以选用摩擦发热装置而不是高频感应线圈，是因为高频感应线圈一方面加热时间久，而本发明采用摩擦加热，不是感应加热，能够快速升温，加热时间快；另一方面，高频感应线圈不易取出，因此会一直置于轧辊位置处，当喷射时，高温金属溶液很容易喷射至高频感应线圈内部，使得与高频感应线圈连接的其他部件无法承受高温而导致使用寿命大大降低甚至当场损坏，本发明通过在喷射前将摩擦发热装置退出，则解决了上述技术问题。再者，采用摩擦发热装置，其金属与金属之间相互摩擦产生的热量能够使辊面形成摩擦焊，使辊面毛化，即表面粗糙，增加了辊面与复合层的摩擦力，这样复合层就更容易复合在辊面上，形成均匀的冶金结合，且大大增加辊面和复合层的结合力。

本实施例的摩擦发热装置优选为两台，分别设于轧辊的两侧，可同时对轧辊加热。

本实施例中，可根据不同的产品对晶粒度的要求，来调节喷射压力、喷嘴到轧辊的高度、轧辊移动速度和幅度，达到所需要的均匀的金相组织及复合层厚度。

本实施例中，惰性气体罐6内的惰性气体优选为氮气或氩气。惰性气体罐6经增压泵61与各喷嘴4连接，通过增压泵能够对气体增压，形成高压喷射。增压泵连接自动控制系统的控制器，实现自动启动。

本实施例中，机架上还设有非接触时厚度测试仪，与自动控制系统的控制器连接，当检测到复合层的厚度满足设定厚度后，控制器变控制增压泵停止动作。

本实施例的工作方法包括以下步骤：

s101：启动真空熔炼炉，在真空下熔炼所需金属，形成金属溶液，待熔炼达温后，倒入带气保的中间包内；

s102：金属溶液在中间包内进行电磁搅拌，以均匀成分；

s103：与此同时，将预热到650-750℃的轧辊装于机架上；

s104：启动摩擦发热装置，对轧辊的辊面进行加热，待加热至1200~1300℃后，控制摩擦发热装置自动退出，并启动增压泵，进入喷射程序；

s105：用5～20mpa压力的液氮（或氩气）对从导液管流下的金属溶液进行整个辊面的高压均匀喷射，且多个喷嘴同时喷射；

s106：随着金属溶液不断被雾化、沉积，以及轧辊的不断旋转，使轧辊的辊面上形成一定厚度的复合层；

s107:当检测到复合层的厚度达到设定厚度时，自动停止喷射，并立即将产品送至热处理炉，整个复合过程全部完成；

s108:出炉后检验探伤，进入下一道加工环节。

本实施例中，通过摩擦发热装置对轧辊的辊面加热至1200~1300℃，能够便于喷射时形成

均匀的冶金结合。通过先将轧辊预热至650~750℃，再加热至1200~1300℃，能够防止轧辊产生热应力。