一种喷射机构和异质渐变层制造装备

1.本技术涉及冶金领域，具体而言，涉及一种喷射机构和异质渐变层制造装备。


背景技术：

2.轧辊是钢铁生产中重要的部件之一，在上机应用中由于受工况环境的影响，轧辊的表面经常会出现如剥落、磨损、掉块、粘钢、焊道痕迹等现象，致使轧辊失效。通过对轧辊表面进行复合再制造处理，可以明显延长轧辊寿命，降低轧钢消耗。
3.目前对轧辊表面进行复合再制造处理时，制作难度大，制备时间长；而且制得的复合层的结构组成单一，很难满足生产需求。


技术实现要素：

4.本技术实施例提供一种喷射机构和异质渐变层制造装备，喷射机构能喷射出沿着芯轴的径向具有异质渐变层结构的复合层，使用含有该喷射机构的制造装备制备的异质渐变层结构的复合层，可以对芯轴起到很好的保护作用；而且其操作简单，制备时间短。
5.第一方面，本技术实施例提供了一种喷射机构，其包括坩埚，坩埚的底面中部设置有贯穿坩埚的通道，坩埚内部围绕通道的部分为用于盛放合金液的熔体腔；坩埚的底面设有若干个与熔体腔连通的喷嘴，若干个喷嘴围着通道的轴线设置，并由内向外排列成n个同心圆，n为大于1的整数；第n-1个同心圆上喷嘴的数量小于于第n个同心圆上喷嘴的数量，第n-1个同心圆上喷嘴的口径大于第n个同心圆上喷嘴的口径。
6.在上述实现过程中，芯轴等需要制备复合层的结构能通过通道上下贯穿坩埚；围绕着通道设置的熔体腔能容纳合金液，而且熔体腔的底部沿着通道设置有喷嘴，熔体腔内的合金液能从喷嘴中喷出，凝固后能在芯轴的外表面形成异质渐变结构的复合层。
7.当熔体腔底部的喷嘴的数量越多、喷嘴口径越小时，喷射出的合金液的速率越大，冲击熔池凝固后的合金，其晶粒越小，组织也更均匀，耐磨性也越好，复合层的显微组织沿着芯轴的径向方向呈现异质渐变变化，可以更好地起到保护的作用；而且由于熔体腔不同位置的喷嘴的冲击速率不同，也能对合金液起到一定的搅拌作用，可以缓解后续形成的复合层的热应力，能减少裂纹等缺陷的产生。
8.在一种可能的实现方式中，相邻的同心圆的半径差为2～10cm。
9.在上述实现过程中，相邻的同心圆之间的半径差太大，后续在芯轴上附着复合层形成复合轧辊时，复合轧辊的异质渐变层结构的过渡区太宽，热应力和应变增大，复合层容易产生裂纹等缺陷；半径差太小，造成熔池内的熔体互相自流动和搅拌，无法形成异质渐变层结构；其次，半径差太小，对熔体腔的材质和底部承受熔体压强极限的要求更为严苛，容易造成熔体腔底部的破裂，不利于液流稳定。因此，相邻的同心圆之间的半径差需要控制在合适的范围。
10.在一种可能的实现方式中，同一个同心圆上，所有的喷嘴的口径相同。
11.在上述实现过程中，同一个同心圆上的喷嘴的口径相同，既能保证液流冲击熔池
的液固界面形成均匀的温度场和溶质场，又能保证形成的复合层的热应力较小，不容易发生开裂的现象。
12.在一种可能的实现方式中，第n-1个同心圆上喷嘴的口径是第n个同心圆上的喷嘴的口径的1.5～3倍。
13.在上述实现过程中，相邻的两个同心圆上的喷嘴的口径之间相差1.5～3倍，既有利于保证复合层呈现异质渐变层结构变化的同时，又能保证由于热失配造成的热应力不高。
14.在一种可能的实现方式中，坩埚连通有用于向坩埚内通入惰性气体的进气管。
15.在上述实现过程中，向坩埚内部通入惰性气体，既能让坩埚和外界之间产生气压差，能将坩埚内的合金液从喷嘴中喷射至外部，又能保护合金液不会被氧化。
16.在一种可能的实现方式中，坩埚的外表面还设置有用于加热的第一感应线圈。
17.在上述实现过程中，第一感应线圈能对坩埚进行加热，保证坩埚内的合金液一直处于过热的状态。
18.第二方面，本技术实施例提供了一种异质渐变层制造装备，用于制作芯轴的复合层，其包括上述的喷射机构，喷嘴对应的区域下方设置有用于接收喷嘴喷出的合金液并限制合金液流动的模具，模具能相对坩埚上下运动。
19.在上述实现过程中，位于喷嘴下方的模具能限定合金液的流动，保证合金液在凝固之前始终围绕在芯轴的侧面，从而确保形成的复合层能与芯轴的外表面很好地实现冶金结合；而且模具通过相对坩埚上下移动，能在芯轴的整个外表面铺设一层复合层。通过上述的异质渐变层制造装备，能快速地在芯轴的外表面制备出具有异质渐变层结构的复合层，从而提高复合轧辊的服役寿命。
20.在一种可能的实现方式中，模具的内部还设有用于冷却合金液的冷却管路。
21.在上述实现过程中，在模具内部设置冷却管路，有利于快速冷却合金液，使复合层凝固成型，能缩短制备时间。
22.在一种可能的实现方式中，异质渐变层制造装备还包括导向支撑座，导向支撑座位于通道的正上方，且导向支撑座被配置为能驱动芯轴相对喷射机构上下移动。
23.在上述实现过程中，导向支撑座能夹持芯轴，并且驱动芯轴相对喷射机构上下移动，这样能保证芯轴的整个外表面均铺设有异质渐变结构的复合层。
24.在一种可能的实现方式中，复合层制造机还设置有用于预热芯轴的第二感应线圈，第二感应线圈位于坩埚和导向支撑座之间。
25.在上述实现过程中，第二感应线圈能先对芯轴进行预热，能提高复合层和芯轴之间的冶金结合力。
附图说明
26.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对本技术实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
27.图1为本技术实施例中的喷射机构的结构示意图；
28.图2为图1中的喷射机构的仰视图；
29.图3为本技术实施例中的喷嘴的结构示意图；
30.图4为本技术实施例提供的一种异质渐变层制造装备的结构示意图。
31.图标：001-异质渐变层制造装备；100-芯轴；200-坩埚；210-通道；220-熔体腔；230-喷嘴；240-进气管；300-第一感应线圈；400-导向支撑座；500-第二感应线圈；600-模具；610-基座。
具体实施方式
32.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行描述。
33.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
34.因此，以下对在附图中提供的本技术实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
35.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
36.在本技术的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
37.在本技术的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
38.第一实施例
39.请参看图1～图3，本实施例提供的一种能向芯轴100表面铺设复合层的喷射机构，喷射机构包括坩埚200，坩埚200的底面的中部设置有上下贯穿坩埚200的通道210，芯轴100等需要制备复合层的结构能相对于通道210同轴插入，同时上下贯穿坩埚200。而且坩埚200的内部沿着通道的部分为能盛放合金液的熔体腔220，此时即相当于熔体腔220围设在芯轴100的侧面，熔体腔220的底部设置有若干个能喷射合金液的喷嘴230。由于熔体腔220相当于是围设在芯轴100的侧面的，因此喷射出的合金液后续在凝固形成复合层时，可以贴附在芯轴100的侧面。此外，为了保证坩埚200内盛放的合金液能以较快的流速喷射出去，本实施例中的坩埚200还连通有用于向其内部通入惰性气体(如氩气等)的进气管240，这样既可以让坩埚200和外界之间产生气压差，使得坩埚200内的合金液从喷嘴中喷射至外部，又能保
护合金液不会被氧化；而且坩埚200的外表面还设置有用于加热的第一感应线圈300，以保证坩埚200内的合金液一直处于过热的状态。
40.本技术实施例中，“若干个喷嘴230”是指，喷嘴230的数量不少于九个。
41.由于芯轴100通常都为圆柱形，因此本实施例中的通道210为了更好地匹配芯轴100，也设置成圆形；此外，为了保证坩埚200上有贯穿其自身的通道210，作为示例性地，本实施例中的坩埚200是由两个形状相同的半环组成的，这样就能在坩埚200上形成贯穿其自身的通道210(如图1所示，图中未画出喷嘴230和第一感应线圈300)。
42.本实施例中，所有的喷嘴230需要围着通道210的轴线设置，并由内向外排列成n个同心圆，n大于1且为整数。第n-1个同心圆上的喷嘴230的数量要少于第n个同心圆上喷嘴230的数量，第n-1个同心圆上的喷嘴230的口径大于第n个同心圆上的喷嘴230的口径。当熔体腔220底部的喷嘴230的数量越多、喷嘴230的口径越小时，喷射出的合金液的冲击速率越大，凝固后的合金的晶粒越小，组织也更均匀，耐磨性也越好，复合层的显微组织能沿着圆柱形的芯轴100的径向方向呈异质渐变变化，可以更好地起到的保护作用；而且由于熔体腔220不同位置的喷嘴230的口径不同，喷射速率自然也不相同，这样还能对熔池液固界面起到一定的搅拌作用，使温度场更均匀，可以缓解后续形成的复合层的热应力，能减少裂纹等缺陷的产生。
43.具体的，本实施例中，同一个同心圆上的所有的喷嘴230的口径相同，这样复合层在距芯轴100相同的位置，其组织和成分也是相同的，能减小复合层内部的热应力，不容易发生开裂的现象。而且第n个同心圆的半径比第n-1个同心圆的半径大2～10cm，例如，可以是2cm、4cm、6cm或8cm，若相邻的同心圆之间的半径差太大，后续形成复合轧辊的异质渐变层结构的过渡区太宽，热应力和应变增大，复合层容易产生裂纹等缺陷；半径差太小，造成熔池内的熔体互相自流动和搅拌，无法形成异质渐变层结构；其次，半径差太小，对熔体腔的材质和底部承受熔体压强极限的要求更为严苛，容易造成熔体腔底部的破裂，不利于液流稳定。此外，第n-1个同心圆上的喷嘴230的口径是第n个同心圆上的喷嘴230的口径的1.5～3倍，这既有利于保证复合层的异质结构能沿芯轴100的轴向呈梯度渐变变化，可以更好地保护芯轴，又能降低复合层内部的热应力。另外，本实施例中，第n个同心圆上的喷嘴230的数量与同心圆的半径和喷嘴230的孔径之间具有一定的对应关系，当同心圆的半径为rcm，同心圆上的喷嘴230的口径为dcm时，喷嘴230的数量应该是最接近r/d的整数，这样的判据能有效的保证不同流速的液流在冲击熔池液固界面时形成异质渐变层结构，各同心圆喷嘴所对应的微区形成均匀的溶质场和温度场。(如图2所示，图中未画出进气管240和第一感应线圈300)。
44.作为示例性地，本实施例中，n为3。即本实施例中，所有的喷嘴230沿着芯轴100的轴线从内到外排列成3个同心圆，而且两个相邻的同心圆之间的半径差为4cm，第一个同心圆的半径为25cm，第一个同心圆中，喷嘴230的口径为1cm，所以第一个同心圆上喷嘴230的数量为25个；第二个同心圆中，喷嘴230的口径是第一个同心圆中喷嘴230口径的一半，为0.5cm，所以第二个同心圆上喷嘴230的数量为58个；第三个同心圆中，喷嘴230的口径是第二个同心圆中喷嘴230口径的一半，为0.25cm，所以第三个同心圆上喷嘴230的数量为132个(图2中未完全画出所有的喷嘴230)。
45.需要说明的是，本实施例中，喷嘴230并不是仅仅只是开设在熔体腔220表面的二
维结构，还可以是一种三维结构，例如在本实施例中，喷嘴230呈圆台状，此时喷嘴230的口径为rcm，rcm圆台状的喷嘴230远离坩埚200的端口的口径，如图3所示。而且本实施例中，所有喷嘴230位于熔体腔220的端面的口径是相同的，这样能使得小口径的喷嘴230喷射出的合金液流速度更快，冲击凝固后的合金的晶粒越小，耐磨性也越好，能更好延长复合轧辊的服役寿命。
46.第二实施例
47.请参看图1～图4，本实施例提供的一种异质渐变层制造装备001，用于制作芯轴100的复合层，异质渐变层制造装备001包括从上到下依次间隔设置的导向支撑座400、第一实施例中的喷射机构、第二感应线圈500和模具600，模具600位于喷嘴230下方对应的区域，能接受喷嘴230喷出的合金液，并且限制合金液流动，且模具600位于基座610的上表面，基座610能起到承托模具600和芯轴100的作用。
48.导向支撑座400能夹持住芯轴100的一端，带动芯轴100相对于喷射机构上下移动，以便于在芯轴100的整个外表面都制备出复合层。第二感应线圈500能在制备异质结构渐变层之前对芯轴100进行预热，以提高异质渐变层和芯轴100之间的冶金结合力。基座610能承托芯轴100，且基座610能承托模具600并相对喷射机构上下运动，同样能保证芯轴100的整个外表面都制备出异质渐变层。此外，为保证合金液快速冷却成型，制备异质渐变层，本实施例中的模具600内部还设有冷却管路。
49.本实施例中的异质渐变层制造装备001的工作过程如下：
50.当要在芯轴100上铺设复合层时，先将芯轴100的一端固定在导向支撑座400上，然后启动第二感应线圈500对芯轴100的外表面进行预热。预热完毕后，导向支撑座400相对喷射机构向下运动，芯轴100同轴插入通道210内并贯穿坩埚200，而且芯轴100的另一端会与基座610接触。当芯轴100的另一端与基座610接触时，坩埚200上的喷嘴230向基座610上的模具600的表面喷射合金液，随后合金液冷却，在芯轴100外表面的部分区域形成异质渐变复合层；然后导向支撑座400相对于坩埚200向下运动，模具600也相对于坩埚200向下运动，在芯轴100外表面的其它区域形成复合层，随着模具600和导向支撑座400的不断运动，能在芯轴100的整个外表面形成异质结构渐变层。
51.通过第二实施例中的异质渐变层制造装备，能快速地在芯轴的外表面制备出异质结构渐变的复合层，从而延长复合轧辊的服役寿命。
52.以上所述仅为本技术的实施例而已，并不用于限制本技术的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。