一种短流程锻轧衬板和铁路道岔的制备方法与流程

1.本发明属于衬板制造领域，涉及磨机耐磨衬板的制备方法。


背景技术：

2.常见的半自磨机、自磨机、球磨机等的型号有几十种，直径2～15m，长度3～15m，每20～70块衬板装配成一个磨机筒体。每种半自磨机筒体的直径和长度不同，每个型号磨机有不同尺寸和造型的衬板，但是每个型号的筒体衬板都有安装面和提升面，安装面都是圆弧面。通常，每块衬板长度0.5～2m，厚度0.1～0.4m，宽度0.2～1m。
3.衬板用于破碎矿石，要求衬板即耐高冲击又得耐划痕磨损。但是，耐磨衬板强度越高，耐磨性高，耐磨衬板的韧性就越低，耐冲击性越差。金属材料物理特性表现，硬度越高韧性相对越低，与衬板的需求相反。
4.根据工程需求，磨机直径越做越大，需要耐磨衬板既要有高强度，又要有高韧性，与金属材料物理特性相反。
5.根据衬板分类，铸铁类衬板强度高、韧性差，高锰钢类衬板韧性高、强度低，低合金类衬板鉴于两者中间，但是韧性储备还是不足。
6.现有衬板的成型基本上都是铸造成型，易出现疏松和夹杂。锻造成型可以弥补铸造成型过程中的缺陷，但是锻造镦拔工艺复杂，成型时不同的变形过程，对衬板纵向和横向截面的力学性能不同，力学性能不同直接影响衬板的使用寿命。
7.锻造镦拔工艺复杂，锻机工作面宽度在500mm左右；为了提高衬板的成材率和衬板形状成型，现有锻造衬板生产以拔长为主，衬板最低长度在500mm以上，纵向性能优于横向性能；但是在衬板在服役过程中，矿料对衬板的冲击以横向冲击为主，因而现有的锻造衬板受到冲击时，易出现纵向断裂。
8.2、现有衬板材质包括锰钢系列、低合金钢系列、铸铁系列，易发生脆性断裂，对应脆性断裂的指标无法作为参考验收的依据。
9.在锻件分类中，饼块状、盘型主要横向受力，锻造工艺以敦粗为主，提高横向受力性能。轴杆类主要纵向受力，锻造工艺以拔长为主，提高纵向受力性能。现有的衬板锻造工艺没有采用敦粗为主的锻造方法，一是因为生产成材率降低，二是衬板成型所需设备压力偏高。


技术实现要素：

10.鉴于此，本发明目的在于提供一种短流程、耐横向冲击的衬板锻造方法，该衬板采用集成锻造成型，不但耐横向冲击，还能够大幅降低衬板的成本。
11.发明人通过长期的探索和尝试，以及多次的实验和努力，不断的改革创新，为解决以上技术问题，本发明提供的技术方案是，提供一种短流程锻轧衬板的制备方法，包括锻坯保温处理和衬板淬火调质步骤，取钢坯，设钢坯轴向为z轴，x轴、y轴位于所述钢坯横断面上，x轴、y轴与z轴构成三维坐标系；所述制备方法包括如下步骤：
12.步骤s1：先将钢坯沿z轴方向镦粗，使敦粗的钢坯沿y轴方向镦拔长，得到长为2～20m的长坯段，长锻坯横向截面宽度为衬板宽度
±
200
㎜
；或者，选择目标横截面积的钢坯，将钢坯沿z轴方向拔长，得到长为2～20m的长坯段，长锻坯横向截面宽度为衬板宽度
±
200
㎜
；
13.步骤s2：将步骤s1所得长坯段放入成型模具内，锻压成型，得到衬板条；从长锻坯形变到衬板条的径向形变量大于30％；优选地，长锻坯形变到衬板条的径向形变量大于30％、且小于80％。
14.步骤s3：将步骤s2所得衬板条再按照衬板目标长度进行切割和机加；
15.步骤s4：将步骤s3所得衬板进行正火+淬火，得到晶粒度5～9级、硬度hrc35～55、抗拉强度1000～2500mpa、屈服强度900～2300mpa、断裂韧度kic60～200mpa m
1/2
的衬板产品。
16.根据本发明短流程锻轧衬板的制备方法的一个实施方式，所述钢坯的为模铸坯或连铸坯。
17.根据本发明短流程锻轧衬板的制备方法的一个实施方式，所述步骤s1中，所述镦拔的送进量为l0/h0＝0.3～0.9；所述长坯段的横截面为方形、圆形或椭圆形；拔长时坯料的送进和翻转操为：a)螺旋式翻转送进；b)往复翻转送进；或者c)单面压缩。
18.根据本发明短流程锻轧衬板的制备方法的一个实施方式，所述步骤s1中，镦拔模具下砧板的上表面为v形表面，镦拔模具上砧板的下表面为倒v形表面或平行或凹型。
19.根据本发明短流程锻轧衬板的制备方法的一个实施方式，所述钢坯的横断面为方形时，所述钢坯的一角放入v形砧板；所述钢坯的横断面为椭圆形时，将椭圆锻坯的一长轴端放入v形砧板。
20.根据本发明短流程锻轧衬板的制备方法的一个实施方式，所述步骤s2中，所述成型模具包括初成型模具和精成型模具；
21.步骤s21：将所述长坯段放入初成型模具，锻压得到初成型衬板条；
22.步骤s22：将所述初成型衬板条放入精成型模具，锻压得到精成型衬板条；
23.所述形变通过一次锻压或多次锻压完成；所述精成型衬板条用于切割和机加，得到衬板产品。
24.根据本发明短流程锻轧衬板的制备方法的一个实施方式，所述步骤s2中，所述成型模具为精成型模具；将所述长坯段放入精成型模具，锻压得到精成型衬板条，所述衬板条的长度大于两块衬板的长度之和。
25.根据本发明短流程锻轧衬板的制备方法的一个实施方式，所述衬板条的断面形状包括楔形、三角形、梯形、l形、t形、长方形、扇环形中的任一种。
26.根据本发明短流程锻轧衬板的制备方法的一个实施方式，所述步骤s2中，将步骤s1所得长坯段放入成型模具内经下压锻压成型，成型后在珠光体区域或快冷到380℃～室温再升温到索氏体区域等温退火和除氢，保温10～100小时后炉冷到室温，在进入步骤s3程序。
27.本发明还提供了一种铁路道岔的制备方法，将前述任一项实施方式中的衬板替换为铁路道岔；所述铁路道岔为62型道岔、75型道岔、92型道岔或提速型道岔。
28.与现有技术相比，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点：
29.与原有锻造工艺相比，本发明先镦粗、再拔长，本发明一个实施方案中，将钢坯直接纵向反复拔出2～20m的长锻坯，将长锻坯放入成型模具锻压成型；在本发明另一个实施方案中，先沿钢坯的z轴方向敦粗再沿y轴方向镦拔长至2～20m的长锻坯，将长锻坯放入成型模具下压成型。此工艺流程短，接近连轧工艺，衬板的成材率高，衬板横向与纵向的锻比接近，低温大变形晶粒细化又便于提升横向切应力。把冲击韧性改成断裂韧度作为抗击断裂主要验收依据，断裂韧度指标比冲击韧性指标更容易在现场判断衬板实际确定断裂情况。当带棱角矿石冲击衬板时，会造成衬板应力叠加并在平面形成微裂纹。由于磨机工作性质属于高频重载连续工作，当冲击应力达到材料的断裂韧性，裂纹便失稳扩展进而导致衬板脆性断裂。衬板设定抵抗断裂的能力临界值，kic(mpa
·m1/2
)或kck(n
·
m-3/2
)值比冲击功值更容易判断衬板在服役过程中的抗裂纹能力。本发明方法防止衬板在应用过程中出现脆性断裂造成不必要更换衬板停机。
30.道岔目前也存在纵向脆性断裂，其道岔先采用镦拔再延长工艺生产属于常规工艺，借用衬板试验效果，最后成型拔长，下压锻压提高横截面的变形比，解决道岔横向断裂问题，提高道岔更换性和安全性。
31.本发明一个实施方式中，从先将大截面钢坯直接纵向镦拔长，继续沿纵向镦拔出2～20m的长锻坯，或采用高坯料z轴方向按高径比敦粗成矮坯料，按矮坯料的横断面两个相互垂直的直径方向反复镦拔，参考饼块锻轧工艺，提高了衬板横向力学性能。沿y轴方向即一个径向拔至2～20m的长锻坯，锻坯横截面宽度尺寸接近衬板宽度尺寸，成型过程中形成敦粗效应。将长锻坯放入成型模具内成型，制成锻轧衬板条，锻坯横截面宽度尺寸接近或大于衬板宽度尺寸，在成型过程中，横向的变形率大于30％，主要提高横向的力学性能，相比于连续纵向延伸拔长过程中纵向的力学性能有所降低，本发明方法的衬板横向和纵向的力学性能更接近均匀。本发明方法降低纵向力学性能提高横向剪切能力，优势在于工艺流程短，接近连轧工艺，衬板的成材率高，衬板横向与纵向的锻比接近，成型时下压锻压，不但提高横向变形量还细化晶粒，又便于提升横向切应力，断裂韧度提升，减少应用过程中衬板脆性断裂，减少磨机运行中途停机更换衬板，整体上提升了单个衬板的服役时间，提高衬板运行效率。
附图说明
32.为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式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发明的某些实施例，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。
33.图1是本发明一实施例中钢坯形态示意图。
34.图2是本发明一实施例中钢坯沿z轴方向拔长工艺过程示意图。
35.图3是本发明又一实施例中钢坯沿z轴方向拔长工艺过程示意图。
36.图4是本发明另一实施例中钢坯z轴向镦粗、径向y轴方向拔长工艺过程示意图。
37.图5是本发明再一实施例中钢坯z轴向镦粗、径向y轴方向拔长工艺过程示意图。
38.图6是本发明方法中螺旋式翻转送进示意图。
39.图7是本发明方法中复翻转送进示意图。
40.图8是本发明方法中单面压缩送进示意图。
具体实施方式
41.下面结合附图与具体实施例进行说明。
42.为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，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方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。
43.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，则在随后的附图中可以不对其进行进一步定义和解释。
44.实施例1
45.本实施例所描述的短流程锻轧衬板的制备方法，包括锻坯保温处理和衬板淬火调质步骤，
46.具体来说，短流程锻轧衬板的制备方法步骤如下：
47.步骤s1：参见图1，设钢坯100轴向为z轴，x轴、y轴位于所述钢坯横断面上，x轴、y轴与z轴构成三维坐标系。x轴、y轴亦是钢坯100两个相互垂直的径向。
48.参见图2和图3，选择目标横截面积的钢坯，将钢坯沿z轴方向拔长，用平型砧锻成1m的方倒角倒棱，然后换成上、下v型砧拔长至2～20m之间任一长度，例如4.5m、9m、13m、15m或20m，拔长送进量l0/h0为0.3～0.9之间任一参数，例如0.3、0.5、0.6、0.8或0.9，制成圆形锻坯，然后换成上平、下v型砧平制成椭圆型初成型衬板，形状横向椭圆形，长锻坯横向截面宽度尺寸接近衬板宽度尺寸。
49.当然，也可以用平型砧制方锻坯，拔长成2～20m之间任一长度的长方体，拔长送进量l0/h0为0.3～0.9之间任一参数，制成横截面为方形的锻坯，再对角倒棱滚圆，长锻坯横向截面宽度尺寸接近衬板宽度尺寸。
50.或者，推荐地，参见图4和图5，将钢坯采用平型砧沿z轴方向进行镦粗，将钢坯进行敦粗至高径比h0/d0≤5范围内，镦粗时避免在上下两端先出现鼓形偏大产生裂纹、失稳、纵向弯曲。图4和图5中，图中填充显示的面表示为同一个面。
51.钢坯敦粗后径向(x轴)、轴向(z轴)交叉反复镦，使钢坯沿y轴方向拔长制方拔长用平型砧锻成1mm的方倒角倒棱，然后换成上、下v型砧拔长至2～20m之间任一长度，拔长送进量l0/h0为0.3～0.9之间任一参数，制成横向截面为圆形的锻坯，然后换成上平、下v型砧平制成椭圆型初成型衬板，横截面形状椭圆形，长锻坯横向截面尺寸接近衬板宽度尺寸。
52.或用平型砧制方锻坯，拔长成正方形2～20m，拔长送进量l0/h0＝0.3～0.9，横截面制成方形锻坯，横截面方形再对角倒棱，长锻坯横向对角尺寸大于衬板底部宽度尺寸200
㎜
。
53.方坯或圆坯拔长时坯料的送进和翻转有3种操作方法：一是螺旋式翻转送进，参见图6；二是往复翻转送进，常用于手工操作拔长，参见图7；三是单面压缩，即沿整个坯料长度方向压缩一面，再翻转90
°
压缩另一面，常用于大锻件锻造，参见图8。图5至图8中，箭头所示
方向为钢坯翻转方向。
54.步骤s2：将步骤s1所得长锻坯放入成型模具内，锻压成型得到衬板条，从长锻坯到衬板成型变形量应大于30％，避免成型变形量小，横向力学性能降低，纵向力学性能提高。
55.步骤s3：将步骤s2所得到的成型衬板条根据衬板所需长度切割多块需求尺寸的衬板。
56.实施例2
57.8m半自磨机，筒体衬板需要224块，衬板宽度0.5m、高0.20m，每块衬板长度1.164m，重量0.544吨。采用直径800mm模铸钢坯，重量5吨。采用2500压机，将直径800mm模铸钢坯，制圆用上、下平型砧拔长，沿z轴方向采用螺旋式翻转送进，拔长送进量l0/h0＝0.4，拔长至横截面为0.37m
×
0.45m长方形状长锻坯，再换成上平型和下l型砧下压制成初成型衬板，径向形变率35％，再采用l型衬板精成型模具下压制成衬板条，径向形变率20％。本发明中，所谓径向是指垂直于长度的方向。制成衬板条后冷却到600℃保温96小时后炉冷到300℃出炉，再进行切割，得到8件0.544吨重量的衬板，8件衬板损耗0.648吨，每件衬板的成材率87％。按衬板图纸机加工完毕后，将衬板再进行正火950℃在淬火920℃和回火350℃的处理。得到含有马氏体组织的衬板，晶粒度6级，硬度hrc45、抗拉强度1450兆帕、屈服强度1250兆帕、断裂韧度k
ic
＞80mpa m
1/2
。
58.实施例3
59.8m半自磨机，筒体衬板需要224块，每块衬板长度1.164m、重量0.751吨，衬板宽度0.5m、高0.35m。采用直径500mm连铸钢坯，重量5.3吨。采用2500压机，将直径500mm连铸坯，采用平型砧沿z轴方向进行镦粗，一次性敦粗时高径比h0/d0＝3，敦粗后横断面y轴方向交叉反复镦拔长制成长方坯，再用上、下v型砧制圆拔长，沿横断面y轴向采用螺旋式翻转送进，拔长送进量l0/h0＝0.4，拔长至直径为0.6m的圆锻坯，再换成上平型和下v型砧制成椭圆形，下压初成型衬板，径向形变量30％；再采用t型衬板精成型模具下压制成衬板条，径向形变量10％。制成后快速冷却到350℃保温3小时再升温到620℃保温48小时后炉冷到200℃出炉，再进行切割，得到6件1吨重量的衬板，6件衬板损耗0.794吨，每件衬板的成材率85％。按衬板图纸机加工完毕后，将衬板再进行正火900℃淬火1000℃冷却到320℃等温后再空冷到室温和回火300℃的淬火处理。得到含有贝氏体组织的衬板，晶粒度8级，硬度hrc43、抗拉强度1300兆帕、屈服强度1150兆帕、断裂韧度k
ic
＞150mpa m
1/2
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60.实施例4
61.8m半自磨机，筒体衬板需要224块，每块衬板长度2.328m，衬板宽度0.5m、高0.35m、重量1.502吨。采用直径500mm连铸钢坯，重量5.1吨。采用2500压机，将直径500mm连铸坯，采用平型砧沿z轴方向进行镦粗，二次敦粗时高径比h0/d0＝4，敦粗后横断面y轴方向交叉反复镦拔长制成方坯，再用上、下v型砧制圆拔长，沿横断面轴向采用往复翻转送进，拔长送进量l0/h0＝0.7，拔长至长轴0.50m、短轴0.35m的椭圆锻坯，再采用三角形衬板精成型模具将椭圆锻坯下压制成三角形衬板条，下压形变量为30％；制成三角形衬板条后快速冷却到150℃保温1小时再升温到620℃保温56小时后炉冷到250℃出炉，再进行切割，得到3件1.502吨重量的衬板，3件损耗0.594吨，每件的成材率88％，按衬板图纸机加工完毕后，将衬板再进行正火880℃淬火900℃加速冷却到室温立即550℃高温回火的淬火处理，得到含有索氏体组织的衬板，晶粒度7级、硬度hrc38、抗拉强度1150兆帕、屈服强度900兆帕、断裂韧度k
ic
＞
120mpa m
1/2
。
62.实施例5
63.8m半自磨机，筒体衬板需要224块，每块衬板长度1m，衬板宽度0.5m、高0.35m重量0.751吨。采用直径500mm连铸钢坯，重量6吨。采用2500压机，将直径500mm连铸坯，采用平型砧沿z轴方向倒棱反复镦拔长制成方坯，再用上下v型砧制圆拔长，沿纵向z轴向单面压缩，即沿整个坯料长度方向压缩一面，再翻转90
°
压缩另一面，拔长送进量l0/h0＝0.9，拔长至直径0.6m圆长锻坯，再采用平行型砧制长方0.45
×
0.45m长坯，再采用长方形衬板精成型模具制成衬板条，径向形变量为46％，制成后快速冷却到350℃保温3小时再升温到620℃保温48小时后炉冷到250℃出炉，再进行切割7件0.751吨重量的衬板，7件损耗0.743吨，每件的成材率88％，按衬板图纸机加工完毕后，将衬板再进行正火890℃淬火880℃空冷室温再280℃回火的淬火处理，得到含有贝马复相组织的衬板，晶粒度6级、硬度hrc50、抗拉强度1800兆帕、屈服强度1600兆帕、断裂韧度k
ic
＞85mpa m
1/2
。
64.实施例6
65.75型道岔铁路道岔，采用直径500mm连铸钢坯。采用2500压机，将直径500mm连铸坯。采用平型砧沿z轴方向进行镦粗，一次敦粗时高径比h0/d0＝5，敦粗后横断面y轴方向交叉反复镦拔长制成长方坯，再用平行型砧制方拔长，沿横断面y轴向单面压缩，即沿整个坯料长度方向压缩一面，再翻转90
°
压缩另一面，拔长送进量l0/h0＝0.9，拔长5m方锻坯，放入道岔模具内，下压拔长，注意纵向流动方向作为标记，制成锻造道岔后快速冷却到320℃保温2小时再升温到620℃保温48小时后炉冷到300℃出炉。将道岔锻坯再进行正火890℃淬火920℃后雾冷到350℃等温10小时后空冷室温再320℃回火的淬火处理，再进行切割料头，按道岔图纸机加工完毕后，得到含有贝马复相组织的铁路道岔，晶粒度9级、硬度hrc45、抗拉强度1400兆帕、屈服强度1200兆帕、断裂韧度k
ic
＞120mpa m
1/2
。
66.实施例7
67.75型道岔铁路道岔，采用直径900mm模铸钢坯。采用3150压机，将直径900mm连铸坯，采用平型砧沿z轴方向进行镦粗，敦粗时高径比h0/d0＝1.5，敦粗后横断面y轴方向交叉反复镦拔长制成长方坯，再用平行型砧制方拔长，沿横断面y轴向螺旋式翻转送进，拔长送进量l0/h0＝0.4，拔长8m方锻坯，放入道岔模具内，下压拔长，注意纵向流动方向作为标记，制成锻造道岔后，制成后快速冷却到200℃保温2小时再升温到620℃保温48小时后炉冷到200℃出炉，再进行切割料头，按道岔图纸机加工完毕后，将道岔再进行正火950℃淬火950℃雾冷到500℃后慢冷到室温再350℃回火的淬火处理，得到含有贝马复相组织的铁路道岔、晶粒度7级、硬度hrc48、抗拉强度1550兆帕、屈服强度1300兆帕、断裂韧度k
ic
＞100mpa m
1/2
。
68.实施例8
69.92型道铁路道岔，采用直径800mm模铸钢坯，采用4500压机，将直径800mm模铸坯，用平行型砧制方拔长，沿纵向方向即z轴方向交叉反复镦拔长制成长方坯，采用往复翻转送进，拔长送进量l0/h0＝0.5范围内，拔长8m方锻坯，进行切段和切割料头，放入精成型道岔的磨具内压制成型，道岔制成后快速冷却到350℃保温2小时再升温到650℃保温56小时后炉冷到300℃出炉，再将道岔再进行正火860℃淬火820℃风冷550℃保温1小时后到300℃盐浴等温7小时空冷再280℃回火的淬火处理，按道岔图纸机加工完毕后，得到含有贝氏体组
织的铁路道岔，晶粒度6级、硬度hrc48、抗拉强度1500兆帕、屈服强度1300兆帕、断裂韧度k
ic
＞100mpa m
1/2
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70.实施例9
71.提速型铁路道岔，采用直径400mm连铸铸钢坯，采用4500压机，将直径400mm连铸坯，采用平型砧沿z轴方向进行镦粗，敦粗时高径比h0/d0＝3.5，敦粗后横断面y轴方向交叉反复镦拔长制成圆坯，再用上下v型砧制圆拔长，沿纵向方向交叉反复镦拔长制成圆方坯，沿横断面轴向单面压缩，即沿整个坯料长度方向压缩一面，再翻转90
°
压缩另一面，拔长送进量l0/h0＝0.7，拔长15m圆锻坯，进行切段和切割料头，放入10000吨以上的压机，采用精成型道岔的磨具内压制成型，道岔制成后快速冷却到300℃保温1小时再升温到620℃保温120小时后炉冷到180℃出炉，再将道岔再进行正火880℃空冷+慢冷到室温再300℃火的淬火处理，按道岔图纸机加工完毕后，得到含有贝马复相组织的铁路道岔，晶粒度8级、硬度hrc40、抗拉强度1200兆帕、屈服强度1100兆帕、断裂韧度k
ic
＞140mpa m
1/2
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72.以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。