专利名称：一种100吨级以上复合材质超大型铸钢支承辊的铸造方法
技术领域：
本发明涉及100吨级以上(净重100吨以上的支承辊为超大型支承辊)超大型复合铸钢支承辊铸造过程，具体地说是一种100吨级以上复合材质超大型铸钢支承辊的铸造方法。它适用于净重在100吨以上复合材质各种型号、规格的铸钢支承辊整体铸造过程。
背景技术：
铸钢支承辊是轧钢生产线上的关键件，也是易损件。随着钢产量的不断加大，支承辊的消耗也在不断加大。在钢板轧制过程中，支承辊在轧机上承受着巨大的弯矩和扭矩，受交变载荷作用，容易产生疲劳破坏。而夹杂物等内部缺陷是引起疲劳破坏的内在原因，所以支承辊必须有良好的内在质量。
大型铸钢支承辊的生产厂家主要有美国的WHEMCO公司、德国的GP公司、韩国的INI STEEL公司、英国的DAVY公司。但是能够生产170吨级以上铸钢轧辊的只有德国的GP公司，其它公司还不具备生产这样大级别支承辊的能力。由于超大型铸钢支承辊生产厂家少，生产能力有限，而用量不断扩大，所以造成市场处于严重的供不应求状态。
超大型铸钢支承辊的开发难点主要在于钢水量大，钢水准备困难，对设备要求严格；轧辊轴向尺寸长，凝固过程线收缩大，收缩受阻容易产生拉应力裂纹，所以铸造成形困难；钢水浇注时间长，容易发生二次氧化，产生氧化夹杂，内在质量难于控制；轧辊属于细长形轴类铸件，补缩距离长，补缩通道很难保持畅通，容易出现缩孔、疏松缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种100吨级以上复合材质超大型铸钢支承辊的铸造方法，可以有效地解决大型铸钢支承辊的裂纹、缩孔和疏松问题，使超大型铸钢支承辊国产化成为了可能。
本发明的技术方案是
本发明主要是指在100吨级以上超大型铸钢支承辊制备过程中，在先进的浇注系统设计、铁模覆砂工艺、切线型内浇口旋转充型方法、顺序凝固技术、滑动辊颈技术、电加热冒口技术、计算机模拟技术等技术基础之上，这些内容已经包含在中国专利申请(专利号ZL 200410021595.5，申请日2004年8月2日，名称铸钢支承辊整体铸造方法；申请号200610048038.1，申请日2006年10月18日，名称大型铸钢支承辊制备工艺)中。本发明主要采用了下注冲洗与上注相结合的浇注工艺，并设计了相应模具和设备；采用了不同材质钢水进行浇注，进行钢水保温以及浇道保温技术；采用了多次组箱、多次电加热技术及复合冒口等技术。
1、下注冲洗与上注相结合浇注技术(1)下注冲洗技术采用先进的浇注系统设计原则，设计出无气隙平稳充型浇注系统。该浇注系统由锥形直浇道、横浇道和切线形内浇口组成，根据浇注的钢水重量和浇注速度，设置1-4个浇注系统沿圆周分布，多个浇注系统同时浇注。第一种金属液全部采用下注方法浇注，金属液浇到辊身以上时，停止第一种金属液的浇注。当第一种金属液在型腔中形成一定厚度的壳层之后，开始浇入第二种金属液，并用第二种金属液置换第一种金属液的未凝固部分。
(2)上注技术金属液从铸件型腔顶端(冒口端)直接浇入，上辊颈箱和冒口部分均采用上注方法浇注。
(3)浇注效果先进行下注冲洗，可以完成复合材质浇注，获得表面与心部不同材质的轧辊。后进行上注，并进行电加热保温，可以减小产生裂纹、缩孔、疏松倾向。
(4)浇注方法下注过程采用平稳充型浇注系统。在浇注过程中，金属液在直浇道中流动时，处于充满状态。当金属液达到辊身以上，溢流槽以下时，暂停浇注。30～180分钟后，第一种金属液已经形成一定厚度的凝固层，开始浇注第二种金属液，同样以下注形式进行。随着第二种金属液的浇入，第一种金属液未凝固部分逐渐被顶出溢流槽，流进盛钢桶。当第一种金属液未凝固部分全部溢出之后，完成冲洗浇注，暂停浇注，封闭溢流槽，并开始向金属液面加入电渣，进行电加热保温。加热30分钟后，开始上注。溢流槽以上的上辊颈和冒口部分采用上注技术浇注，从型腔顶部直接进行浇注。当钢水包对准型腔后，开始浇注。进行上注时，为了减小钢水在空气中的暴露时间和钢水对型腔的冲击力，钢水包要尽量降低。
2、设置溢流槽和盛钢桶(1)溢流槽在模具设计过程中，在上辊颈箱上设置一个溢流装置，溢流槽距上辊颈箱底面200-300mm。其形状如同熔化炉的出钢槽，外层为梯形钢板槽，内部砌筑保温砖。
(2)盛钢桶盛钢桶类似于钢水包，容积根据浇注过程排除的金属液量设定。一般为50～200吨。外层为钢板结构，内层用保温砖砌筑。
(3)主要作用溢流槽的作用是在浇注过程中，当第二种金属液进入型腔后，使第一种金属液从溢流槽顺利排除。盛钢桶的作用是容纳所排除的金属液，并在浇注完成后，将金属液合成钢锭。
(4)使用方法造型过程中将溢流槽设置在上辊颈箱上，内腔与型腔保持畅通。当第二种金属液进入型腔之后，金属液面逐渐上涨，当超过溢流槽时，金属液开始从溢流槽外溢。金属液从溢流槽流出之后，进入盛钢桶，浇注完成后进行合锭。
3、选用不同材质金属液进行浇注(1)金属液成分心部采用优质碳钢，轧辊表面工作层采用合金钢。
(2)用途轧辊工作面采用合金钢，可以增加材料的耐磨性，而中心部分采用优质碳钢，有力于提高轧辊的韧性。
(3)使用方法采用冲洗法进行复合铸造，先铸造出辊身工作层，再浇注心部金属，来完成复合轧辊的铸造。
4、浇注系统保温技术(1)在浇注系统外侧采取保温措施，直浇道、横浇道、内浇道外侧均用保温材料保温，并用感应线圈加热。
(2)主要作用在浇注过程中，要进行长时间停顿，浇道直径比较小，容易凝固，使后续浇注不能进行。采用保温材料和感应线围加热，可以使浇注系统保持液态，使整个浇注过程可以顺利进行。
(3)使用方法在造型过程中，所有浇道耐火砖外侧均用保温棉包裹，并且外侧缠绕感应线圈。在浇入第一种金属液时，利用感应线圈对浇道进行加热，直到第二次浇注开始。
5、多次组箱与多次电加热技术
(1)多次组箱在模具设计过程中，将上辊颈箱和冒口箱设计成多节箱，每节箱之间由止口定位。第一次下注之前，进行模具装配时只装配到上辊颈的某一节箱。当第一次上浇注结束之后，准备进行第二次上注时，才继续组装剩余的上辊颈箱，根据具体情况，可以组装1节，也可以组装2节或是3节。随着浇注的进行，不断加高上辊颈箱及冒口箱。
(2)多次电加热在第二次下注完成之后开始电加热，每次浇注之间都进行电加热，保持金属表面为液态。
(3)主要作用金属液发生固态收缩时，固态金属会受到来自铸型的阻力，而当阻力大于金属的高温强度时，就会产生拉应力裂纹。采用多次浇注工艺，可以使金属液实现顺序凝固，使辊身和下辊颈先行凝固，当固态收缩基本完成之后，再浇注上辊颈及冒口，使收缩阻力减小到最低限度。这样操作，减小了拉应力，避免了拉应力裂纹。
(4)使用方法在浇注过程中，完成第二次下注之后，就开始进行电加热保温；在进行第二次上浇之前，加高上辊颈箱，进行浇注，再进行电加热。与加高上辊颈箱和冒口箱交替进行。直到浇满冒口，再进行最后的电加热保温。
6、复合冒口技术(1)复合冒口结构复合冒口是由上下两部分组成，上半部分为砂型，下半部分由保温砖砌筑而成。砂型高度200～1500mm，保温砖砌筑层高度为1000～2500mm。
(2)主要作用复合冒口上半部分有较强的耐高温能力和抗侵蚀能力。下半部分用保温砖，可以增加冒口的补缩距离，减少轴线疏松。
(3)使用方法在造型过程中，先将保温砖围成圆筒形，用钢带捆好，放入冒口箱中，在保温砖后面撞上背砂，撞实为止。下半部分造型完成之后，上半部分用砂型，面砂用铬铁矿砂，背砂用普通石英砂。
3、多次电加热工艺(1)电加热冒口结构本发明所用电加热冒口为电渣加热冒口。电渣加热冒口由加热电极和电渣组成，电极为石墨电极，电渣为Al2O3、CaO和CaF的混合物。按重量比计，Al2O3占30～70％，CaO占10～15％，CaF2占20～50％。3种电渣原料在使用前用分袋放置，使用按重量百分比向熔池中加入。充型结束后，向冒口中加电渣，电渣覆盖整个液面，电渣厚度50～150mm；然后通过供电装置给石墨电极供电，对冒口进行加热保温；采用单电极或多电极，直流或交流电渣加热保温。
(2)电加热冒口用途底注铸件在浇注过程中，金属液上面的温度低，下面的温度高，不利于补缩。在中间阶段进行电加热，主要保持金属液面为液态，使铸件不出现冷隔缺陷。最终电加热的作用是将上面金属液加热，形成正的温度梯度，有利于冒口完成补缩。
(3)使用方法电加热电压为50～100V，电流为500～1500A，变压器功率为25～150KW。中间加热时间按浇注要求确定，需要进行下一次浇注时，电加热就暂时停止。最终电加热时间根据冒口尺寸确定，具体时间如表1。
表1冒口直径与电加热时间工艺参数对照
注冒口直径是指冒口高度上的平均直径。
本发明具有如下有益效果1、本发明100吨级以上复合材质超大型铸钢支承辊的铸造方法是多项技术的有机结合，包括先进的浇注系统设计原则、铁模覆砂工艺、切线型内浇口旋转充型方法、顺序凝固技术、滑动辊颈技术、下注冲洗法与上注相结合技术、多次组箱技术、多次浇注技术、多次电加热技术及复合冒口技术。本发明适用于100吨级以上各种型号和规格的复合材质铸钢支承辊的铸造过程，可以使超大型铸钢支承辊利用铸造方法进行制造。
2、本发明开发了100吨级以上超大型复合材质铸钢支承辊的铸造方法，采用下注冲洗法与上注相结合的浇注技术浇注了复合材质的铸钢支承辊。辊身工作层和心部采用不同材质，通过设计溢流槽、盛钢桶等，采用浇道保温技术和液面保护等措施，进行了多次浇注，降低了冒口高度，减小了金属液的静压力，减少了铸型对铸件的阻力，避免了拉应力裂纹的产生，采用多次组箱和多次电加热及复合冒口技术，有效地解决了铸钢支承辊的裂纹、缩孔、疏松等问题，使超大型铸钢支承辊国产化成为了可能。
3、本发明采用两种材质的钢水进行浇注，使得轧辊工作层与心部材质不同，增加了轧辊的耐磨性，保证了轧辊的韧性，提高了轧辊的使用寿命。
4、本发明采用复合冒口技术，增加了冒口补缩距离，增强了冒口补缩能力，减小了铸件产生缩孔、疏松倾向，减小了冒口体积，提高了铸件成形的可能性。
图1本发明的百吨级以上复合铸钢支承辊铸造装置示意图；其中1-第一种金属液；2-盛钢桶；3-第二种金属液；4-溢流槽；5-第一节上辊颈箱；6-第二节上辊颈箱；7-第一节冒口箱；8-第二节冒口箱；9-电渣；10-石墨电极；11-中间包；12-直浇道；13-砂型；14-辊身铁模；15-下辊颈箱；16-底座；17-横浇道；18塞杆。
具体实施例方式
下面结合附图及实施例详述本发明。
如图1所示，本发明的100吨级以上复合超大型铸钢支承辊铸造装置示意图，本发明采用静态复合铸造，模具的辊身采用铁模覆砂，下辊颈、上辊颈采用砂型，冒口为复合冒口，冒口下部表面采用保温砖，后面用背砂，冒口上部采用砂型。由下至上依次设置底座16、下辊颈箱15、辊身铁模14、第一节上辊颈箱5、第二节上辊颈箱6、第一节冒口箱7、第二节冒口箱8等。第一次浇注之前装配模具时，只装配到第一节上辊颈箱5。第一种金属液1通过带柱塞系统的中间包11、直浇道12、横浇道17进入型腔，第一种金属液充满辊身铁模14后，关闭中间包11的塞杆18，停止第一节金属液1的下注。在浇入第一种金属液1的同时，对直浇道12和横浇道17进行感应加热，直到第二种金属液3进入铸件型腔之后，停止浇道的感应加热。30～180分钟后，第二种金属液3通过中间包11、置于砂型13内的直浇道12和横浇道17进入铸件型腔，并将型腔中未凝固的第一种金属液1向上顶，当液面高度达到溢流槽4时，第一种金属液1经溢流槽4流到盛钢桶2中，直到未凝固的第一种金属液1全部溢出，停止第二种金属液3的下注，关闭溢流槽4。向第一节上辊颈箱中加电渣9，调整好石墨电极10的位置，开始在第一节上辊颈箱5中进行电加热。加热30～180分钟后，将石墨电极9移开，将钢包对准第一节上辊颈箱5，开始上注，浇满后，再次进行电加热。此过程依次进行，直到充满第二节冒口箱，进行最后电加热保温。上辊颈箱和冒口箱的分节数量视轧辊的重量和长度而定。
实施例1本实施例所用第一种金属材质为Cr1，第二种金属为45号钢，浇注金属液重量150吨。其铸造工艺如下
1)下注浇注系统采用切线形内浇口旋转浇注，根据平稳充型的原则设计中间包及浇注系统，并采用浇道保温技术。2)复合冒口，冒口高度为2800mm，其中砂型高1500mm，耐火砖高1300mm。3)采用4次组箱、6次浇注，5次电加热工艺。金属液充满浇注系统后的最终电加热12h。4)第一次装配模具时装配到上辊颈第一节箱，第一种金属液通过所设计的平稳充型浇注系统进行下注，采用双浇道，以9吨/分钟的浇注速度充型，金属液充满辊身铁模后，停止浇注。第一种金属液开始浇注后，对浇道进行感应加热，直到浇入第二种金属液停止加热。60分钟后，浇入第二种金属液，当未凝固的第一种金属液全部溢出后，关闭溢流槽，停止第二种金属液的下注。向第一节上辊颈箱中加入电渣，开始电加热保温。加热30分钟后，移开石墨电极，将钢包对准第一节上辊颈箱，开始从第一节上辊颈箱顶部进行上注，浇满第一节上辊颈箱后，再次进行电加热。电加热60分钟后，移开石墨电极，组装第二节上辊颈箱，进行第二次上注，浇满第二节上辊颈箱后，再次进行电加热，电加热70分钟后，移开石墨电极，组装第一节冒口箱，同样是从第一节冒口箱顶部进行上注，金属液充满第一节冒口箱后，加入电渣，开始电加热，加热90分钟后，组装第二节冒口箱进行最后一次从顶部浇注，浇注结束后，向第二节冒口箱中加入电渣，进行最终电加热保温，加热时间12h。本实施例中，保温电渣为Al2O3、CaO和CaF2的混合物，按重量比计，Al2O3占40％，CaO占10％，CaF2占50％，电渣厚度120mm。电流为800A，电压为125V，加热功率为100kw。
第一次浇注顺利完成，钢水上升平稳。电加热后，电加热设备工作正常。所生产的复合铸钢支承辊经过机械加工后进行超声检测，符合轧辊探伤标准。
实施例2本实施例所用第一种金属材质为Cr2，第二种金属为45号钢，浇注金属液重量155吨。其铸造工艺如下1)下注浇注系统采用切线形内浇口旋转浇注，根据平稳充型的原则设计中间包及浇注系统，并采用浇道保温技术。2)复合冒口，冒口高度为2800mm，其中砂型高1500mm，耐火砖高1300mm。3)采用4次组箱、6次浇注，5次电加热工艺。金属液充满浇注系统后的最终电加热13h。4)第一次装配模具时装配到上辊颈第一节箱，第一种金属液通过所设计的平稳充型浇注系统进行下注，采用双浇道，以10吨/分钟的浇注速度充型，金属液充满辊身铁模后，停止浇注。第一种金属液开始浇注后，对浇道进行感应加热，直到浇入第二种金属液时，停止加热。70分钟后，浇入第二种金属液，当未凝固的第一种金属液全部溢出后，关闭溢流槽，停止第二种金属液的下注。向第一节上辊颈箱中加入电渣，开始电加热保温。加热40分钟后，移开石墨电极，将钢包对准第一节上辊颈箱，开始从第一节上辊颈箱顶部进行上注，浇满第一节上辊颈箱后，再次进行电加热。电加热70分钟后，移开石墨电极，组装第二节上辊颈箱，进行第二次上注，浇满第二节上辊颈箱后，再次进行电加热，电加热80分钟后，移开石墨电极，组装第一节冒口箱，同样是从第一节冒口箱顶部进行上注，金属液充满第一节冒口箱后，加入电渣，开始电加热，加热90分钟后，组装第二节冒口箱进行最后一次从顶部浇注，浇注结束后，向第二节冒口箱中加入电渣，进行最终电加热保温，加热时间13h。本实施例中，保温电渣为Al2O3、CaO和CaF2的混合物，按重量比计，Al2O3占70％，CaO占10％，CaF2占20％，电渣厚度150mm。电流为1000A，电压为150V，电加热功率为150kw。
第二次浇注顺利完成，钢水上升平稳。电加热后，电加热设备工作正常。所生产的复合铸钢支承辊经过机械加工后进行超声检测，符合轧辊探伤标准。
本发明工作过程及结果利用本发明进行100吨级以上超大型复合铸钢支承辊的铸造，在浇注过程中，采用两种不同材质的金属液，使辊身工作层和辊身心部及上下辊颈获得不同的性能，以满足轧辊的使用需求。采用下注冲洗法与上注相结合的多次组箱、多次浇注技术及浇道保温技术，使金属液顺利充型，有效地避免了卷气和夹杂缺陷。采用多次电加热技术，保证了铸件中没有冷隔缺陷。采用复合冒口，增加了冒口的补缩能力，使大型铸钢支承辊没有缩孔、疏松缺陷。探伤结果完全符合国家标准。
权利要求
1.一种100吨级以上复合材质超大型铸钢支承辊的铸造方法，其特征在于采用下注冲洗法和上注相结合的浇注方法，在上辊颈箱上设置溢流槽，在铸型外侧设置盛钢桶，辊身工作层与心部、上下辊颈采用不同成分材质。
2.按照权利要求1所述的100吨级以上复合材质超大型铸钢支承辊的铸造方法，其特征在于采用下注冲洗与上注相结合，采用多次浇注完成钢水的最终浇注；首次浇注，钢水通过浇注系统以下注形式浇入型腔，当金属液上升到辊身以上溢流槽以下时，停止下注；30～180分钟后进行第二次浇注，以下注形式进行，后浇注的不同成分的钢水将辊身心部及上下辊颈中未凝固的钢水顶出溢流槽；当第一种金属液全部溢出之后，关闭溢流槽，30～180分钟之后，组装上辊颈箱，以上注形式浇注，每次浇注钢水300～2500mm高，依次进行，直到浇满为止。
3.按照权利要求2所述的100吨级以上复合材质超大型铸钢支承辊的铸造方法，其特征在于在浇注过程中选用不同成分的钢水，第一次浇注用合金钢，从第二次浇注开始使用优质碳钢。
4.按照权利要求1所述的100吨级以上复合材质超大型铸钢支承辊的铸造方法，其特征在于采用下注冲洗与上注相结合时，下注浇注系统由中间包、直浇道、横浇道和切线型内浇口组成，圆周放置1～4个浇注系统，浇注过程中这1～4个浇注系统同时开始浇注。
5.按照权利要求1所述的100吨级以上复合材质超大型铸钢支承辊的铸造方法，其特征在于在浇注系统外侧采取保温措施，直浇道、横浇道、内浇口外侧均用保温材料保温，在第一次下注开始后，用感应线圈加热。
6.按照权利要求1所述的100吨级以上复合材质超大型铸钢支承辊的铸造方法，其特征在于采用复合冒口，冒口采用复合材料制成，冒口上部为砂型，高度为200～1500mm，冒口下部采用保温砖砌筑，高度为1000～2500mm。
7.按照权利要求1所述的100吨级以上复合材质超大型铸钢支承辊的铸造方法，其特征在于采用模具整体铸造，设计了分节的上辊颈箱及冒口箱，采用多次组箱和多次电加热方法。
8.按照权利要求7所述的100吨级以上复合材质超大型铸钢支承辊的铸造方法，其特征在于采用多节上辊颈箱和冒口箱，上辊颈箱和冒口箱分别由2～4节组成，各节箱之间由止口定位，每节箱300～1200mm高。
9.按照权利要求7所述的100吨级以上复合材质超大型铸钢支承辊的铸造方法，其特征在于采用多次组箱和多次电加热，第二次下注结束后，进行电加热保温，加热30～180分钟之后，再进行第一次上注，在第一次上注结束后再进行电加热保温，依次操作，直到浇注完成为止，进行最后电加热保温。
10.按照权利要求9所述的100吨级以上复合材质超大型铸钢支承辊的铸造方法，其特征在于在操作中，同时增加2节箱或3节箱。
全文摘要
本发明涉及100吨级以上(净重100吨以上的支承辊为超大型支承辊)超大型复合铸钢支承辊铸造过程，具体地说是一种100吨级以上复合材质超大型铸钢支承辊的铸造方法。它适用于净重在100吨以上复合材质各种型号、规格的铸钢支承辊整体铸造过程。除了利用计算机模拟手段合理地设计了金属型模具，并用铁模覆砂和保温冒口技术实现了铸件的顺序凝固之外，主要采用了不同材质的钢水进行浇注，并采用下注冲洗与上注相结合技术和浇道保温技术，保证了多次浇注的顺利进行，通过对关键工艺参数的控制，保证了超大型复合铸钢支承辊整体铸造件的产品质量。采用本发明可以有效地解决大型铸钢支承辊的裂纹、缩孔和疏松问题，使超大型铸钢支承辊国产化成为了可能。
文档编号B22D25/00GK101028647SQ20071001062
公开日2007年9月5日 申请日期2007年3月16日 优先权日2007年3月16日
发明者康秀红, 夏立军, 李殿中, 柯伟, 李依依 申请人:中国科学院金属研究所