专利名称：离心铸造冷型气、雾冷却系统和方法
技术领域：
本发明涉及离心制造领域，尤其是指离心铸造过程冷型的气、雾冷却系统 和方法。
背景技术：
众所周知，现有的离心铸造轧辊冷型冷却方法是旋转铸型在空气中自然冷却，无控制能力。以O1250X5000轧辊的浇注和冷却为例，传统设计冷型壁厚 300mm左右，冷型重量73000Kg，以浇注ICDP轧辊为例，图1、图2分别为0 1250X5000轧辊工作层用传统离心铸造冷型自然冷却CAE温度分布云图和对应 的温度分布示意图，其两端温度明显低于中部；传统工艺工作层易出现的工作 层组织偏析如图3所示。由于离心轧辊铸造，特别是含有石墨、碳化物的高合金铸铁轧辊离心铸造， 其组织的控制主要是通过铸型的激冷来实现，而铸型的激冷能力随铸型的蓄热、 时间的推迟而急剧下降，因此传统工艺方法的轧辊外层组织无法避免地存在着 不均匀现象，外表层向里组织逐渐粗化，致使轧辊使用到中后期性能明显下降； 而且，由于离心轧辊填芯复合过程采用立式填芯，填芯金属液对外层冲刷能力 下方大于上方，填芯过程由下向上逐渐完成，因此下方工作层易冲薄，上方易 出现结合不良。以往人们一直力求通过改变合金化方法和孕育、变质方法来解决组织偏析 和粗化问题，但一直未能得到有效控制，上下厚度熔蚀不均问题一直没有好的 解决思路。鉴于现有离心铸型自然冷却存在的不足，发明人基于丰富的专业理 论知识和研发经验，提出了本发明的离心铸造冷型气、雾冷却系统和方法，以 改善或克服现有技术的缺陷。发明内容本发明要解决的技术问题是提供一种离心铸造冷型气、雾冷却系统，其 克服传统自然冷却方法中存在的不足，使离心铸件在浇注过程冷型的冷却能够 按照预期的要求得到控制，从而起到控制铸件工作层组织、性能的目的。本发明要解决的另一技术问题是提供一种离心铸造冷型气、雾冷却方法， 其通过利用气、雾冷却方法实现对冷型温度的控制，进而实现对工作层温度场 的控制目的。本发明的技术解决方案是 一种离心铸造冷型气、雾冷却系统，其特征在 于，该冷却系统包括集水管、集气管及多组气雾冷却喷嘴，其中，该集水管和 该集气管与离心机轴线平行设置，每组气雾冷却喷嘴分别设有与所述集水管相 连的进水口、与所述集气管相连的进气口及气雾混合喷头，所述气雾混合喷头 朝向冷型设置，以将进入进气口的压縮空气和进入进水口的高压水按调整的比 例混合成雾后从喷嘴口喷到对应的冷型外表面。本发明还提出一种离心铸造冷型气、雾冷却方法，其包括将具备浇注条 件的冷型放置在离心机托辊上，冷型沿冷型轨道在离心机托辊的支撑和驱动下 做圆周旋转运动；浇注金属液；冷却铸型浇注完成后，将压縮空气和高压水 按比例混合成雾后喷到对应的冷型外表面。本发明的离心铸造冷型气、雾冷却系统和方法，无需对原有离心设备进行 大的改造即可实现对铸型的冷却控制，且至少有下列优点-1、 改善离心铸造过程温度场、改善工作层顺序凝固、消弱组织偏析、消 弱组织粗大现象。2、 稳定铸型外表面温度、提高铸型刚度、减小铸型热胀不均产生的机械 振动现象、在保证铸型足够刚度强度的基础上可以使铸型重量更小。3、 利用CAE有限元计算确定对铸型的温度分布，可以通过调整温度场，使铸件(如轧辊)工作层内表面温度按要求沿轴线由低到高逐渐变化，消除轧辊两端结合不良现象，减轻上下厚度不均现象。
图1为离心铸造轧辊冷型传统自然冷却CAE温度分布云图。 图2为离心铸造轧辊冷型传统自然冷却温度分布示意图。图3为离心铸造轧辊冷型传统自然冷却工作层内组织分布图。 图4A、图4B为本发明的离心铸造冷型气、雾冷却系统的二具体实施例的 结构示意图。图5为本发明的一应用实施例的用水量分布示意图。图6为另一应用实施例目标要求的外层内表面温度分布示意图。图7为对应图6的用水量分布示意图。附图标号说明I、 集水管 4、喷嘴7、 气量控制阀8、 空气软管II、 托辊 14、导流管2、集水阀5、 集气管6、 集气阀 9、冷型 12、端盖 15、引风机3、水量控制阀6、 集气阀7、 气量控制阀 10、浇铸金属液 13、蒸汽导流罩 16、放散口具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以 下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的离心铸造冷型气、雾冷却方法 其具体实施方式
、结构、特征及功效，详细说明如后。通过具体实施方式
的说明，当可对本发明为达成预定目的所釆取的技术手 段及功效得以更加深入具体的了解，然而所附图仅是提供参考与说明用，并非 用来对本发明加以限制。本发明首先提出一种离心铸造冷型气、雾冷却系统，该冷却系统包括集水 管、集气管及多组气雾冷却喷嘴，其中，该集水管和该集气管与离心机轴线平 行设置，每组气雾冷却喷嘴分别设有与所述集水管相连的进水口、与所述集气 管相连的进气口及气雾混合喷头，所述气雾混合喷头朝向离心铸型设置，以将 进入进气口的压縮空气和进入进水口的高压水按调整的比例混合成雾后从喷嘴 口喷到对应的冷型外表面。如图4A所示，为本发明的离心铸造冷型气、雾冷却系统的一具体实施例的结构示意图，其是以离心铸造轧辊为例进行说明的。如图所示，轧辊冷型9置 于离心机托辊11上，两端设有端盖12，在离心铸型侧下方与离心机轴线平行 布置着一根集水管1和一根集气管5，在集水管1和集气管5之上均匀布置10 30组(本实施例为23组)气雾冷却喷嘴4;每组喷嘴4上分别有进水口、进气 口、气雾混合喷头；进水口和进气口分别与水量控制阀3、气量控制阀7螺纹 密封连接；水量控制阀3、气量控制阔7分别与集水管1、集气管5螺纹密封连 接；且集水管l、集气管5的前端分别与集水阀2、集气阀6螺纹密封连结。本实施例中，该集水管1设于集气管5的上方，各喷嘴4通过对应的水量 控制阀3设于集水管上，且各喷嘴4的进气口通过对应的空气软管8及气量控 制阀7连接至集气管5。通过调整水量控制阀3、气量控制阀7，可调整高压水 及压縮空气的流量，通过调整二者流量比例，可以满足轧辊工作层内温度分布 的要求。如图4B所示，为本发明的冷却系统的另一具体实施例，该实施例中，冷却 系统还包括罩设在外部的蒸汽导流罩13，且该蒸汽导流罩13通过导流管14、 引风机15、放散口 16连通至大气，从而将冷却过程产生的蒸汽排出。为了方 便操作，该蒸汽导流罩13包括固定不动的底座部分和可开启的上部组成，二者 间的连接可采用多种现有结构来实现，例如可采用定位销定位把合连接，由于 该连接并非本发明的保护重点，此处不予赘述。喷头将进入进气口的压縮空气和进入进水口的高压水按调整的比例混合成雾，从喷嘴口呈扇形面喷到对应的冷型外表面起到冷却铸型的作用，同时水的 气雾体受热产生大量蒸汽，蒸汽经蒸汽导流罩13、导流管14由引风机15排出 放散口 16。由于铸型冷却强度的提高，改善了铸型因蓄热造成对浇入的金属液激冷能 力下降现象，达到了均匀细化组织、控制外层温度场分布的目的，改善了轧辊 外层内表面与填芯金属液的冶金结合能力与工作层厚度的控制水平。与上述离心铸造轧辊冷型气、雾冷却系统相对应，本发明还提出一种离心 铸造轧辊冷型气、雾冷却方法，在轧辊离心浇注过程中，是先将具备浇注条件 的轧辊冷型放置在离心机托辊上，冷型沿冷型轨道在离心机托辊的支撑和驱动下做圆周旋转运动；然后浇注金属液；完成浇注后将压縮空气和高压水按比例 混合成雾后喷到对应的冷型外表面，以冷却铸型。其中，冷型材质可选用含碳 量在0. 25 0. 35%间的低合金铸钢或锻钢。如上所述，可在冷型侧下方与离心机轴线平行设置多组气雾冷却喷嘴4，利 用气雾冷却喷嘴4的气雾混合喷头将进入进气口的压縮空气和进入进水口的高 压水按调整的比例混合成雾后从喷嘴口呈扇形喷到对应的冷型9的外表面，每 组气雾冷却喷嘴4采用独立的水量控制阀3、气量控制阀7进行控制，增强轴 向冷却强度的可调节性。被铸型加热的水蒸汽，可沿罩在铸型外面的蒸汽导流 罩13、导流管14由引风机15从放散口 16排出。另外，根据对轧辊工作层内温度分布的要求，可利用CAE有限元数值模拟 计算而确定不同部位喷嘴冷却强度，并预先通过调整各喷嘴对应的水量控制阀、 气量控制阀而调整好气、水流量比例，冷却铸型时只需依序打开集气阀、集水 阀即可使轧辊在离心铸造过程按照要求的顺序凝固，达到所需的工作层温度分 布。由于本发明的各喷嘴均具有单独的水量控制阀、气量控制阀，因此，水、 气混合冷却时，气与水均可由0% 100%间的任意调节；通过对不同部位喷嘴 的调节实现对整个轧辊工作层温度分布的调节，从而使工作层按要求的凝固顺序达到所需温度分布，实现对立式填芯过程上下熔蚀量以及结合层质量的有效 控制。本发明的强制冷却大大提高了铸型激冷能力，有条件使铸型重量制作得更 轻；同时激冷能力的提高起到了减缓轧辊工作层组织偏析和组织粗大。本发明 的铸型外壁冷却，降低了铸型表面温度不均导致的离心机振动现象。下面以两个应用实施例来说明本发明的冷却系统和冷却装置的具体应用及 达到的效果。应用实施例一为了使得铸型内凝固层内表面温度温度分布更均匀，縮小中心与两侧的最 大温度差，利用CAE有限元数值模拟计算而确定出不同部位喷嘴的冷却强度。 以轧辊ZG30铸钢冷型为例(用于①1250X5000轧辊)，冷型壁厚为250mm，冷型 重量59000Kg，内壁涂料层厚度为3.0mm，冷型温度200 'C，计算得到的离心 铸造轧辊冷型气、雾冷却用水量的分布如图5所示。据此，本实施例包括下列 步骤首先调整离心铸造轧辊冷型气、雾冷却系统的各水量控制阀3、气量控制阀 7，使水占混合雾的比例(流量)按图5分布；然后，将组装好、喷完涂料且温度在150 25(TC的轧辊ZG30铸钢冷型放置 到离心机托辊上，冷型沿轨道在离心机托辊的支撑驱动下以600转/分转速做圆 周旋转运动；浇注外层ICDP合金铸铁材质金属液，浇注厚度80im，浇注温度1350。C;随后开启引风机，浇注后5分钟开启集气阀，浇注后8分钟开启集水阀；35分钟关闭集水阀、集气阀并减速停转，关闭引风机。完成上述步骤后，监测铸型内凝固层内表面温度925 945°C，中心与两侧 最大温度差20°C，温度分布均匀、效果明显；且铸型重量由传统设计减少 14000Kg，整个过程铸型旋转平稳未发生振动，工作层组织偏析情况有明显好转。应用实施例二本实施例中，离心轧辊填芯复合过程釆用立式填芯，仍然以轧辊ZG30铸钢 冷型为例进行说明冷型壁厚为250mm，内壁涂料层厚度为3. Omm，冷型温度 200 。C。为消除冲刷和温度导致的不良后果，利用CAE有限元数值模拟计算而确定 出不同部位喷嘴的冷却强度，理想的铸型内外层内表面温度分布应达到图6分 布要求，对应铸型表面冷却水量分布如图7所示。本实施例包括下列步骤调整离心铸造轧辊冷型气、雾冷却各水量控制阀、气量控制阀，使得水占 混合雾的比例(流量)符合图7分布要求；将组装好、喷完涂料且温度在150 25(TC的轧辊ZG30铸钢冷型放置到离心 机托辊上，冷型沿轨道在离心机托辊的支撑驱动下以600转/分转速做圆周旋转 运动；浇注外层ICDP合金铸铁材质金属液浇注厚度80mm，浇注温度135CTC;随后开启引风机，浇注后5分钟开启集气阀，浇注后8分钟开启集水阀；35分钟关闭集水阀、集气阀并减速停转，关闭引风机。完成上述步骤后，监测铸型内凝固层内表面温度下端910 915°C、上端 930 945°C，整个轴向温度过渡均匀、两端区域没有明显温度降落；整个过程 铸型旋转平稳未发生振动，停转后，二次合箱2分钟后填芯，填芯温度136(TC， 填芯时间5分钟。浇注的轧辊初加工探伤检验厚度均匀55 65mm，下端未出 现明显的工作层吃薄、上端未发现结合层不良现象，且整个辊身结合层结合质 量良好，工作层内组织检验，偏析情况有明显好转。以上描述的应用实施例仅是为了理解本发明的技术方案，并非用于对本发 明进行限制，本领域的技术人员可以了解，该系统的具体结构及形式还可作出 其它变化和修改，而且，其具体的应用对象及实施条件也不限于以上所列举， 本发明同样可应用于其它结构的离心铸造工艺，且其实施条件完全可以根据实际需要而调整、变化。由上述描述可知，本发明中，由于采用水、气混合方式冷却，实现了由100%气到100%水的任意比例无限过渡调节，实现了任一喷嘴冷却强度的随意调节性； 采用CAE有限元仿真模拟计算使要求的温度分布通过该冷却系统得到实现；每 组喷嘴采用独立的水量控制阀、气量控制阀使轴向冷却强度可调节性更强；集 水阀、集气阀的应用，使冷却系统的开启、停止更方便。其次，本发明采用强制冷却方法，解决了离心铸型激冷能力不足的问题， 因此在保证铸型刚度、强度的基础上可以使铸型重量更轻。再次，本发明采用铸型外壁冷却，有效地控制了铸型表面温度，减轻和消 除了浇注后因铸型热膨胀不均导致的离心机振动现象。本发明的离心铸造轧辊冷型气、雾冷却系统和方法实现了轧辊离心铸造过 程温度场的调节；实现了对凝固过程组织偏析、组织粗大现象的有效控制，有 减缓轧辊工作层组织偏析、组织粗大作用；可实现对立式填芯过程上下熔蚀量 以及结合层质量的有效控制，有减小工作层厚度差、改善轧辊两端结合层质量 的作用。虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明，例如本 发明除了用于上述离心轧辊的制造之外，同样可应用于各种筒形件、套形件的 离心铸造，因此，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范 围内，当可利用上述揭示的技术内容，做出更改或修饰为等同变化的等效实施 例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上的实施 例所作的任何的简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围 内。
权利要求
1、一种离心铸造冷型气、雾冷却系统，其特征在于，该冷却系统包括集水管、集气管及多组气雾冷却喷嘴，其中，该集水管和该集气管与离心机轴线平行设置，每组气雾冷却喷嘴分别设有与所述集水管相连的进水口、与所述集气管相连的进气口及气雾混合喷头，所述气雾混合喷头朝向冷型设置，以将进入进气口的压缩空气和进入进水口的高压水按调整的比例混合成雾后从喷嘴口喷到对应的冷型外表面。
2、 如权利要求1所述的离心铸造冷型气、雾冷却系统，其特征在于，该集水管和该集气管位于冷型的侧下方。
3、 如权利要求1所述的离心铸造冷型气、雾冷却系统，其特征在于，所 述进水口是通过水量控制阀与所述集水管连接，所述进气口是通过气量控制阀 与前述集气管连接。
4、 如权利要求l所述的离心铸造冷型气、雾冷却系统，其特征在于，该 集水管连接有集水阀，该集气管连接有集气阀。
5、 如权利要求1所述的离心铸造冷型气、雾冷却系统，其特征在于，所 述冷却系统还罩设有蒸汽导流罩，且该蒸汽导流罩通过导流管、引风机、放散 口连通至大气，从而将冷却过程产生的蒸汽排出。
6、 如权利要求1所述的离心铸造冷型气、雾冷却系统，其特征在于，所 述冷却系统用于离心铸造轧辊冷型的冷却。
7、 一种离心铸造冷型气、雾冷却方法，其包括将具备浇注条件的冷型放置在离心机托辊上，冷型沿冷型轨道在离心机托 辊的支撑和驱动下做圆周旋转运动； 浇注金属液；冷却铸型浇注完成后，将压縮空气和高压水按比例混合成雾后喷到对应 的冷型外表面。
8、 如权利要求7所述的离心铸造冷型气、雾冷却方法，其特征在于，在离心铸型侧下方与离心机轴线平行设置多组气雾冷却喷嘴，每组气雾冷却喷嘴 分别设有与集水管相连的进水口、与集气管相连的进气口及气雾混合喷头,是 由所述气雾混合喷头将进入进气口的压縮空气和进入进水口的高压水按比例混 合成雾后喷到对应的冷型外表面。
9、 如权利要求8所述的离心铸造冷型气、雾冷却方法，其特征在于，每 组气雾冷却喷嘴采用独立的水量控制阀、气量控制阀进行控制，增强轴向冷却 强度的可调节性。
10、 如权利要求8所述的离心铸造冷型气、雾冷却方法，其特征在于，该 集水管连接有集水阀，该集气管连接有集气阀，以实现对集水管和集气管的开 闭控制。
11、 如权利要求9所述的离心铸造冷型气、雾冷却方法，其特征在于，还 包括根据对轧辊工作层内温度分布的要求，利用CAE有限元数值模拟计算而确 定不同部位喷嘴冷却强度。
12、 如权利要求11所述的离心铸造冷型气、雾冷却方法，其特征在于， 是预先通过调整各喷嘴对应的水量控制阀、气量控制阔而调整好气、水比例， 以符合各喷嘴冷却强度；冷却时依序打开集气阀、集水阀即可使轧辊在离心铸 造过程按照要求的顺序凝固，达到所需的工作层温度分布。
13、 如权利要求7所述的离心铸造冷型气、雾冷却方法，其特征在于，所 述冷却方法用于对离心铸造轧辊冷型进行冷却。
全文摘要
一种离心铸造冷型气、雾冷却系统及方法，该冷却系统包括集水管、集气管及多组气雾冷却喷嘴，其中，该集水管和该集气管与离心机轴线平行设置，每组气雾冷却喷嘴分别设有与所述集水管相连的进水口、与所述集气管相连的进气口及气雾混合喷头，所述气雾混合喷头朝向离心铸型设置，以将进入进气口的压缩空气和进入进水口的高压水按调整的比例混合成雾后从喷嘴口喷到对应的冷型外表面。本发明实现了离心铸造过程温度场的调节；实现了对凝固过程组织偏析、组织粗大现象的有效控制，有减缓工作层组织偏析、组织粗大作用；可实现对立式填芯过程上下熔蚀量以及结合层质量的有效控制，有减小工作层厚度差、改善轧辊两端结合层质量的作用。
文档编号B22D13/00GK101402134SQ200810226530
公开日2009年4月8日 申请日期2008年11月14日 优先权日2008年11月14日
发明者艳 刘, 周守航, 张西鹏, 韩庆礼, 黄衍林 申请人:中冶京诚工程技术有限公司