专利名称：高性能球铁卷筒的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种起重机卷筒及制造技术。
背景技术：
卷筒是起重机的重要部件之一，由于装配后钢丝绳缠绕在卷筒筒身上，卷筒直接承受载荷，因此卷筒本身质量对起重机的安全运行有着至关重要的作用。随着现代工程的大型化(如高坝建筑日益增多)，起重机械也向大型化发展，其起重重量及扬程大大增加，扬程达到几十米甚至上百米，重量达到几百吨(如小浪底枢纽工程固定卷扬式启闭机为5000kN)，这就对卷筒的材质及结构提出了新的更高的要求。
(1)卷筒的种类。
按筒体形状，可分为长轴卷筒和短轴卷筒；按制造方式，可分为铸造卷筒和焊接卷筒；按卷筒的筒体表面是否有绳槽，可分为光面和槽面卷筒；按钢丝绳在卷筒上卷绕的层数，可分为单层缠绕卷筒和多层缠绕卷筒。一般起重机大多采用单层缠绕卷筒，多层缠绕卷筒用于起升高度特大，或要求机构紧凑的起重机。单层缠绕卷筒的筒体表面切有弧形断面的螺旋槽，以增大钢丝绳与筒体的接触面积，并使钢丝绳在卷筒上的缠绕位置固定，以避免相邻钢丝绳互相摩擦而影响寿命。多层缠绕卷筒的筒体表面通常采用不带螺旋槽的光面，筒体两端部有凸缘，以防止钢丝绳滑出。其缺点是钢丝绳排列紧密，各层互相叠压、摩擦，对钢丝绳的寿命影响很大。
(2)绳槽结构能够使钢丝绳在卷筒上整齐排列，是对卷筒结构的基本要求，这不仅有利于避免钢丝绳的相互切入挤压而造成乱绳、减少磨损、提高钢丝绳的使用寿命，而且有利于运行平稳、安全，降低噪音。而保证整齐排列的关键是绳槽类型及结构。为此，国内外进行了大量研究。
钢丝绳在卷筒上的卷绕分单层卷绕和多层卷绕，单层卷绕通常在卷筒上加工出螺旋槽，而多层卷绕过去通常采用不带绳槽的光面卷筒。从实际使用情况看，光面卷筒在使用过程中钢丝绳容易产生跳绳、叠绳等现象，使钢丝绳卷绕排列杂乱无序，上层钢丝绳容易嵌入下层钢丝绳的缝隙中，导致钢丝绳产生积压破坏，严重影响钢丝绳的使用寿命及起重机运行的平稳性和安全性。
螺旋槽单层卷绕无疑可以充分保证钢丝绳在卷筒上的整齐排列，但对于大吨位、大扬程的起重机是不合适的。因为这将导致卷筒体积尺寸的急剧增大，不仅造成成本显著增加，而且所占空间增大，给运输、安装等带来不便，其仅适用于起重量及扬程较小的起重机。螺旋槽多层卷绕时由于上下层钢丝绳的卷绕方向相反，上层钢丝绳不能很好的落入下层钢丝绳形成的螺旋槽内，每卷绕一圈，上下层钢丝绳之间必有两处交叉过渡位置，此交叉过渡处在卷筒圆周上不是完全固定的，从而有可能引起钢丝绳排列不整齐。
自20世纪80年代开始我国从国外引入了双折线绳槽卷筒，其最早见于里巴斯公司专有的里巴斯装置中，故又称里巴斯绳槽，也称为Z型绳槽。其特点在于在卷筒的每一周范围内有两段对应角各为135度的直线绳槽和两段对应圆周角各为45度的斜线绳槽，直线绳槽和斜线绳槽相间布置，每段斜线绳槽厌卷筒轴向绕进半个节距，每一周可通过两段斜线绳槽沿卷筒轴向绕进一个节距。即其大部分为直线段，在进行多层卷绕时，上下钢丝绳交叉在斜线段进行，两直线段上层钢丝绳完全落入下层钢丝绳两相邻绳圈形成的绳槽内，使钢丝绳接触改善，提高钢丝绳使用寿命。近年来，为解决双折线绳槽存在的不足，又开发了单折线绳槽。折线绳槽最初仅用于特大型起重设备，但近年来其应用范围不断扩大，一些中型起重设备也开始应用，以减小卷筒的体积。折线绳槽虽然有其独特的优点，但尚存在加工难度大的致命缺陷，这也是限制其推广应用的关键因素之一。
(3)绳槽的成形工艺。
机械加工是最常用绳槽成形工艺。螺旋绳槽可以在普通车床上加工完成，由于可以连续加工，效率较高、成本较低，使单层卷筒常用的绳操形式。但对于特种绳操如双折线或单折线绳槽则必须用昂贵的数控加工设备或常规设备+特种装置(如加凸轮靠模等)，不仅设备投资大，而且效率低，造成成本增加。为此，国内外对其加工方法进行了大量研究，如先后开发了卷筒加工车床(CN90104600.0)、加工平行折线型卷筒绳槽的方法和装置(CN200410060996.1)、折线绳槽卷筒车用附加装置(CN88207324.9)等技术，已申请/授权中国专利；起重机机卷筒特殊绳槽的加工(周汝忠)、塔机双折线绳槽起升卷筒的加工装置(杨耀清)、缠绕式提升机卷筒绳槽的两种加工方法简介(郭瑾)、起重机和启闭机卷筒组的卷筒加工技巧(姜苏宾)等研究成果已公开发表。
绳槽的铸造成形，不仅可以节省绳槽的加工工序，减少大量的加工设备投资、节省加工费用，而且节约相当量的材料，可显著降低生产成本。但其技术难度很大，不仅要求无铸造缺陷(气孔、夹渣等)而且要求铸造尺寸精度高、表面质量好，关于球铁卷筒绳槽铸造成形技术目前尚未见报道。
(3)卷筒材料及制备工艺装配后钢丝绳缠绕在卷筒筒身上，卷筒直接承受载荷，因此对卷筒材料的性能及稳定性要求很高。每一卷筒对材料的具体要求主要取决于卷筒的使用条件。根据《起重机用铸造卷筒技术条件》(JB/T90006.3-1999)之规定，铸造卷筒材料应采用不低于GB/T9439中规定的HT200灰铸铁，或GB/T11352中规定的ZG270-500铸钢。除铸造卷筒外，另一类是焊接卷筒，其所用的材料是钢板，如Q235等。目前常用的卷筒材料的性能如表1所示。为便于比较，表中同时列出了球铁的性能。可见，球铁的力学性能显著高于灰铁，与标准中规定的铸钢的性能相当，某些性能甚至高于钢的性能指标(屈服强度)，即从使用性能的角度看，球铁可以作为制造卷筒的材料。但关于球铁卷筒的制造技术尚未见报导。
表1常用卷筒材料及球铁的力学性能
卷筒的制备工艺根据材料不同主要有如下几种(1)灰铸铁卷筒铸造无绳槽或带绳槽毛坯——时效处理——机械加工——装配——检验——包装入库。
(2)铸钢卷筒铸造无绳槽毛坯——退火处理——(焊接)——绳槽及其它加工——装配——检验——包装入库。
(3)焊接卷筒钢板弯曲加工——焊接——绳槽及其它加工——装配——检验——包装入库。
因灰铸铁铸造性能较好，通过采用适当的工艺措施绳槽可以铸造成形，从而无需加工绳槽工序，降低生产成本。但灰铸铁强度较低，一般仅用于吨位及杨程较小的起重机卷筒，也有关于灰铸铁卷筒断裂的报导(戴绿云，JK15型卷扬机卷筒断裂原因分析，国外热处理，1999，(3)46-48)，即其安全性较差。铸钢的力学性能优于灰铸铁，但其铸造性能较差，绳槽铸造成形很困难，通常采用加工成形，且较大尺寸铸钢卷通常采用分体铸造+焊接的方法制造，不仅工艺复杂，而且焊缝及热影响区性能往往较低，这对保证其使用性能不利，已有铸钢卷筒因焊接裂纹而报废的报道(许毓善等，JD-40调度绞车卷筒焊接裂纹分析，煤炭技术，2000，19(1)9-10)。(钢板)焊接卷筒比相同尺寸的铸造卷筒轻，是大型起重机常用的卷筒，其绳槽只能通过机械加工来完成，对于双折线、单折线等不连续绳槽，加工难度很大、成本高。
由表1可见，球铁具有较好的综合力学性能，完全能够满足卷筒对材料性能的要求，而且其具有较好的铸造性能，绳槽的铸造成形是可能的。但其技术难度很大，必须保证很高的尺寸精度和表面质量，避免缩松、皮下气孔、表面灰口层等缺陷，这也是本实用新型需要解决的关键问题。
发明内容
本实用新型的目的就是提供一种高性能球墨铸铁卷筒。简化卷筒的制造工艺，提高材料的利用率、节能降耗，在显著提高卷筒力学性能及使用性能、满足卷筒绳槽几何尺寸的前体下，显著降低生产成本。因此本实用新型不仅节省加工设备投资、降低生产成本，经济效益巨大，而且节能降耗，社会效益显著。
本实用新型的技术方案是高性能球铁卷筒，筒体截面呈工字形，其中部设有绳槽，其特征在于，包括绳槽在内的筒体由球铁整体铸造而成。
高性能球铁卷筒的制造方法，其特征在于，步骤包括如下(1)选用树脂砂作为铸型材料；(2)采用两次涂刷不同涂料的涂刷工艺1#涂料用作树脂砂底层涂料，采用含有石墨、铝矾土和滑石粉的复合骨料，以硅溶胶和树脂作为粘结剂，以膨润土为悬浮剂，并加入阴离子型表面活性剂，其基本组成如下石墨5-10％，铝矾土70-80％，滑石粉10-15％，硅胶2-5％，树脂0.5-1％，彭润土1-3％，表面活性剂0.2-0.6％及适量水；2#涂料用作表面层，采用含有石墨、铝矾土和滑石粉的复合骨料，以硅溶胶和糖浆作为粘结剂，以膨润土为悬浮剂，并加入5-10％稀土硅铁粉，其基本组成如下石墨15-25％，铝矾土40-60％，滑石粉10-15％，硅胶2-5％，糖浆2-5％，彭润土2-5％，稀土硅铁粉5-10％及适量水；(3)采用垂直分型、横向造型、立式浇注的铸造工艺；原材料及辅料控制选用低硫、磷含量的球铁生铁、表面清洁且厚度大于6mm的低碳废钢、碳含量高硫含量低的焦炭，以减少杂质元素含量及非金属夹杂物含量；配料及原铁水成分、温度控制原铁水成分控制在如下范围C3.80-3.95，Si1.0-1.3，Mn0.2-0.4，P＜0.06，S0.05-0.08；铁水温度大于1450℃；配备炉前快速成分分析及温度检测；球化处理、孕育处理及炉前检测根据原铁水含硫量确定球化剂加入量，根据原铁水含硅量及球化处理后的三角试片断口确定孕育剂加入量，使处理后成分满足如下范围C3.5-3.9，Si 2.3-2.7，Mn＜0.4，P＜0.06，S＜0.025，RE0.03-0.05，Mg0.03-0.05；球化剂选用稀土镁合金Mg8RE7，采用包底冲入法处理；孕预剂含钙、钡的硅铁合金，采用二次孕育法处理，即随流孕育+浮硅孕育；a、浇注系统设计选用阶梯式浇注系统，浇注系统采用半开方式，内浇口设置于卷筒法兰处，并采用边平式，并使之在浇注完毕后优先凝固；采用堤坝式浇口杯；b、冒口设计在卷筒内顶部内侧设置2个小冒口；c、浇注温度及时间采用浇注温度为1320-1360℃，浇注时间根据卷筒尺寸不同控制在40-60S内。
本实用新型的效果不仅可以节省绳槽的加工工序，减少大量的加工设备投资、节省加工费用，而且节约相当量的材料，可显著降低生产成本。但其技术难度很大，不仅要求无铸造缺陷(气孔、夹渣等)而且要求铸造尺寸精度高、表面质量好，关于球铁卷筒绳槽铸造成形技术目前尚未见报道。
球铁的力学性能显著高于灰铁，与标准中规定的铸钢的性能相当，某些性能甚至高于钢的性能指标(屈服强度)，即从使用性能的角度看，球铁具有较好的综合力学性能，完全能够满足卷筒对材料性能的要求，而且其具有较好的铸造性能，通过铸态高性能球铁的研究、铸型材料、涂料及铸造工艺研究，简化卷筒的制造工艺(如简化热处理工艺过程、节省绳操加工工艺过程等)，提高材料的利用率、节能降耗，在显著提高卷筒力学性能及使用性能、满足卷筒绳槽几何尺寸的前体下，显著降低生产成本。因此本实用新型不仅节省加工设备投资、降低生产成本，经济效益巨大，而且节能降耗，社会效益显著。
具体表现在(1)开发了带绳槽的球铁卷筒制备技术，可用于各种绳操结构的卷筒生产，不仅节省大量的加工设备、工装投资，而且节省加工费用、节能降耗，显著降低生产成本。
(2)研制了树脂砂型生产球铁件的特种涂料及涂刷工艺。1#涂料用作底层涂料，其特点是采用含有石墨、铝矾土和滑石粉的复合骨料，以硅溶胶(无机)和树脂作(有机)为粘结剂并含有阴离子型表面活性剂，以改善与树脂砂的结合强度；2#涂料用作表面层涂料，其特点是含有5-10％稀土硅铁粉，并含有糖浆粘结剂，以抑制球铁件表面因树脂及固化剂分解的SO、SO2等气体引起的灰口层的形成，改善表面质量。
(3)开发了垂直分型、横向造型、立式阶梯式浇注、小冒口的卷筒铸造工艺。以提高卷筒的尺寸精度、便于绳槽的铸造成形、改善卷筒径向组织及性能的均匀性。
(4)完善了球铁卷筒质量控制技术，使卷筒成品率稳定达到95％以上。
图1为本实用新型球铁卷筒制造工艺流程图；图2为本实用新型卷筒的结构示意图；图3-图15为本实用新型卷筒组织的显微结构图。
具体实施方式
图1球铁卷筒制造工艺流程图。
(1)铸型材料选择铸型材料对铸件的尺寸精度、缺陷有显著影响。由于球铁属于糊状凝固，其形成缩松的倾向较大，而缩松显著降低铸件的强度，必须采用适当的工艺措施加以消除，最佳方法是利用凝固过程中的石墨化膨胀进行自补缩，这就要求在凝固过程中铸型有足够高的强度。显然，湿砂型难以满足该要求，且由于水分较高，易于与球化处理后的铁水中的残留镁发生反应，而造成皮下气孔，所以对于球铁卷筒的生产是不合适的。粘土砂干型、树脂砂、金属型覆砂则可以满足对铸型强度要求，但是粘土砂干型是通过粘土砂湿型+烘干制备的，在造型和烘干过程中，尺寸变化较大，使铸件尺寸精度较低，对于绳槽铸造成型的卷筒显然不合适；金属型覆砂不仅能够提供足够高的铸型强度，而且铸型的冷却能力较强，有利于细化组织、提高性能，这已经在球铁曲轴等获得广泛应用，但对于卷筒等大型铸件，不仅需要较大的金属型投资，而且在重复使用时，金属型会产生变形，而影响其尺寸精度，因此本实用新型选用树脂砂作为造型材料。
由于树脂砂的粘结剂是树脂，而树脂的分解温度较低(约750℃)，在浇注过程中，受到高温铁水强烈热作用后，树脂分解，使砂型/芯强度降低，铁水易渗入砂型/芯中，造成粘砂、脉纹等缺陷，降低表面质量。对于球铁件，由于树脂及固化剂分解的气体(SO、SO2等)使球铁表面组织出险球化不良，甚至出现灰边的缺陷，严重将地球铁件表面的力学性能及使用性能，尤其对于绳槽铸造成形的卷筒而言，危害更大，必须采用相应的措施加以解决。
(2)涂料的研制及刷涂工艺树脂砂铸型虽然具有强度高、尺寸精度高、溃散性好等优点，但存在使球铁件表面球化不良、力学性能降低的缺陷，对于绳槽铸造成形的球铁卷筒尤为不利，为此提出了采用特殊涂料的方法加以解决。
经过试验研究确定了两次涂刷不同涂料的涂刷工艺。1#涂料用作树脂砂底层涂料，其特点是采用含有石墨、铝矾土和滑石粉的复合骨料，以硅溶胶和树脂作为粘结剂，以膨润土为悬浮剂，并加入阴离子型表面活性剂，其基本组成如下石墨5-10％，铝矾土70-80％，滑石粉10-15％，硅胶2-5％，树脂0.5-1％，彭润土1-3％，表面活性剂0.2-0.6％及适量水。具体使用石墨8％，铝矾土75％，滑石粉13％，硅胶3％，树脂0.7％，彭润土2％，表面活性剂0.4％及适量水。其他实施例可以在1#涂料基本组成范围内选择。
多元复合涂料骨料能够克服单一骨料的不足，调节热膨胀系数，改善高温稳定性；无机粘结剂——硅溶胶和有机粘接剂——树脂联合应用，改善与树脂砂的结合强度；表面活性剂能够提高涂料对树脂砂型的润湿性，使其获得一定的渗透深度和保证涂层在树脂砂型的附着强度。
2#涂料用作表面层，其特点是采用含有石墨、铝矾土和滑石粉的复合骨料，以硅溶胶和糖浆作为粘结剂，以膨润土为悬浮剂，并加入5-10％稀土硅铁粉，其基本组成如下石墨15-25％，铝矾土40-60％，滑石粉10-15％，硅胶2-5％，糖浆2-5％，彭润土2-5％，稀土硅铁粉5-10％及适量水。具体使用，石墨20％，铝矾土50％，滑石粉13％，硅胶3％，糖浆3％，彭润土3％，稀土硅铁粉8％及适量水。其他实施例可以在2#涂料基本组成范围内选择。
糖浆除了有一定的粘结力外，还有一定的增稠能力，能够提高涂料层的剥落性、改善铸件表面质量；稀土硅铁粉的加入，能够显著抑制球铁件表面因树脂及固化剂分解的SO、SO2等气体引起的灰口层的形成，且提高表面层的硬度及耐磨性。
实验结果表面，涂料层无裂纹、易剥落无粘砂，铸件表面较光滑，表面球化良好，且硬度高于铸件断面平均值。
(3)球铁卷筒的铸造总体方案卷筒的结构如图2。
根据卷筒的结构特点，可能的浇注位置有两种，即立浇底注和水平横向中注。根据卷筒的受力及使用特点，卷筒中间部分是主要工作面(缠绕钢丝绳)，整个径向受力相似，对该部分的铸造质量及表面质量要求高，水平横向中注显然不合适，因为这样将导致径向各部位组织、性能差别较大(铸造上部组织致密性较差、缺陷较多)。因此，立浇底注是比较合适的。
由于卷筒尺寸较长，且有法兰，若采用立式造型，则必须采用上、中、下叠箱造型，因合箱定为困难、容易引起错边，且由于有拔模斜度，筒体部分必须进行加工，绳槽铸造成形难以实现。而横向造型，可以有效利用卷筒的结构特点，无需设计拔模斜度，且径向不需要留有加工余量，因此便于绳槽的铸造成形。
为此确定了垂直分型、横向造型、立式浇注的铸造工艺。其有效的保证了卷筒的尺寸精度和内在质量。
(4)主要工艺方法及工艺参数(a)浇注系统设计对于筒类件常采用雨淋式浇注，但对于带有法兰的卷筒，且卷筒高度较大，顶注雨淋式不合适；普通顶注由于铁液对铸型的冲击大，容易飞溅，而导致铁水氧化、夹渣、气孔等缺陷，也不合适，而低注式充型平稳、铁水在铸型中的运动方向与气体的排出方向一致，有利于减少氧化、夹渣、气孔等缺陷，又考虑到卷筒的高度较大，为此选用阶梯式浇注系统。浇注系统采用半开方式，内浇口设置与卷筒法兰处，并采用边平式，以便于清除，并使之在浇注完毕后优先凝固，以发挥石墨化膨胀对卷筒的补缩作用，抑制缩松的形成；采用堤坝式浇口杯以减少夹渣缺陷。
(b)冒口设计在卷筒内顶部内侧设置2个小冒口，其主要作用是出气，其次是补缩。因为，补缩主要通过高强度铸型保证的石墨化膨胀来完成，减小冒口尺寸不会影响补缩效果，而又能减少材料消耗、提高工艺出频率。
(c)浇注温度及时间采用较低的浇注温度(1320-1360℃)，以减少液态收缩，并有利于增加凝固速度，使浇注完毕后能够快速在靠近铸型处形成坚固硬壳，不仅为石墨化膨胀补缩提供有力保证，而且将地铁水与铸型地反应，便于获得表面光滑的铸件，另外，降低浇注温度还有利于细化组织、提高性能。同时，采用较快的浇注速度(浇注时间根据卷筒尺寸不同控制在40-60S内)，以避免因浇注温度较低而导致的冷隔、浇不足等缺陷。
(5)铸态球铁卷筒质量控制技术与灰铸铁相比，球铁铸件出现铸造缺陷的倾向较大，质量控制难度较大，本实用新型主要通过如下途径避免缺陷、改善质量。
(a)原材料及辅料控制选用低硫、磷含量的球铁生铁、表面清洁且厚度大于6mm的低碳废钢、碳含量高硫含量低的焦炭，以减少杂质元素含量及非金属夹杂物含量。
(b)配料及原铁水成分、温度控制通过配料及熔炼工艺控制，使原铁水成分控制在如下范围C3.80-3.95，Si 1.0-1.3，Mn0.2-0.4，P＜0.06，S0.05-0.08。铁水温度1450-1550℃。配备炉前快速成分分析及温度检测。
(c)球化处理、孕育处理及炉前检测根据原铁水含硫量确定球化剂加入量，根据原铁水含硅量及球化处理后的三角试片断口确定孕育剂加入量，使处理后成分满足如下范围C3.5-3.9，Si 2.3-2.7，Mn＜0.4，P＜0.06，S＜0.025，RE0.03-0.05，Mg0.03-0.05。较高的碳当量(CE＝C+1/3Si)主要是为了保证铸铁的流动性和较高的石墨含量，以产生足够高的石墨化膨胀，减少缩松形成倾向；较高的硅含量和较低的Mn、P含量主要为了获得铁素体基体组织，以提高铸铁的塑性。较低的S含量和一定的Mg、RE残留量，是为了改善石墨形态，提高石墨球的园整度，以保证良好的力学性能。球化剂选用稀土镁合金(Mg8RE7)，采用包底冲入法处理；孕预剂含钙、钡的硅铁合金，采用二次孕育法处理，即随流孕育+浮硅孕育，以避免孕育衰退，保证孕育效果，能够充分发挥石墨化膨胀的补缩作用，消除缩松缺陷。
(d)浇注工艺采用低温快浇工艺。浇注温度控制在1320-1360℃)范围内，以减少液态收缩；浇注时间控制在40-60S内，以避免因浇注温度较低而导致的冷隔、浇不足等缺陷。
通过采用上述工艺技术并配合铸型、涂料，铸造卷筒的成品率达到95％以上。
(6)铸造球铁卷筒的组织、性能。见附图3-15。
本实用新型未详细说明的部分，为现有技术。有关参数限定符合本领域常用表达方式。
权利要求1.高性能球铁卷筒，筒体截面呈工字形，其中部设有绳槽，其特征在于，包括绳槽在内的筒体由球铁整体铸造而成。
专利摘要本实用新型公开了一种高性能球铁卷筒，属于起重机卷筒铸造技术领域，主要解决一次铸造成形问题。通过铸态高性能球铁的研究、铸型材料、涂料及铸造工艺研究，简化卷筒的制造工艺，提高材料的利用率、节能降耗，在显著提高卷筒力学性能及使用性能、满足卷筒绳槽几何尺寸的前体下，显著降低生产成本。因此本实用新型不仅节省加工设备投资、降低生产成本，经济效益巨大，而且节能降耗，社会效益显著。主要适于起重机卷筒铸造。
文档编号B66D1/30GK2825580SQ200520087989
公开日2006年10月11日 申请日期2005年10月17日 优先权日2005年10月17日
发明者刘宪民, 焦守民, 郭经庆 申请人:山东省汇丰机械集团总公司章丘市铸造厂